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(國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

變電設(shè)備是能夠改變電路電流與電壓的設(shè)備，利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓等功能。然而在變電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由于無法控制電路，從而導(dǎo)致電路發(fā)生短路、斷路等現(xiàn)象。在絕緣體中只有局部區(qū)域產(chǎn)生放電現(xiàn)象，而沒有發(fā)生在施加電壓的導(dǎo)體之間，產(chǎn)生于導(dǎo)體附近或其他位置的現(xiàn)象被稱為變電設(shè)備局部放電故障[1]。根據(jù)近年來國內(nèi)外變電設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)的大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來看，非接觸式的帶電檢測(cè)方式已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重要研究方向，這種檢測(cè)方法就是在電路正常運(yùn)行的狀態(tài)下，檢測(cè)變電設(shè)備的故障情況，可以最大程度地保證故障檢測(cè)工作的安全性。然而目前采用的檢測(cè)方法在實(shí)際工作中，由于抗環(huán)境干擾能力低，導(dǎo)致檢測(cè)到的幅值大小與嚴(yán)重程度的不準(zhǔn)確等問題，因此結(jié)合超聲波和光檢測(cè)2種技術(shù)手段，進(jìn)行變電設(shè)備局部放電故障非接觸帶電檢測(cè)方法設(shè)計(jì)。

1 非接觸式帶電檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

在此次變電設(shè)備局部放電故障非接觸式帶電檢測(cè)方法設(shè)計(jì)過程中，綜合了超聲波和光學(xué)2個(gè)方面的檢測(cè)原理，以最大程度降低變電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的不利影響，提升該方法的抗干擾能力[2]。當(dāng)變電設(shè)備內(nèi)部具有局部放電信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及聲波，周圍的電場(chǎng)應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力都會(huì)失去平衡，因而產(chǎn)生聲波振動(dòng)。利用超聲波的抗干擾性能，通過檢測(cè)變電設(shè)備聲音信號(hào)的幅度、相位、頻率，從而判斷變電設(shè)備的運(yùn)行狀況。超聲波技術(shù)下的變電設(shè)備局部放電故障檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 變電設(shè)備局部放電檢測(cè)原理

變電設(shè)備發(fā)生局部放電故障后，除了聲音變化之外，還可以通過放電光譜分析放電的具體形態(tài)、放電產(chǎn)生的物質(zhì)等，因此本文利用光測(cè)法獲取光信號(hào)，利用其來判斷變電設(shè)備是否存在局部放電故障[3]。由于超聲波檢測(cè)技術(shù)具有較強(qiáng)抗干擾能力，因此將其應(yīng)用至非接觸式帶電檢測(cè)方法中，但當(dāng)放電量低時(shí)利用該方式得出的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際存在較大偏差，而光測(cè)法可以有效解決該問題，但會(huì)受到變電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境光線的影響。因此本文綜合2種非接觸帶電檢測(cè)技術(shù)的特性，從2個(gè)方面判斷變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最大程度地提升變電設(shè)備局部放電故障非接觸式帶電檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

1.1 劃分變電設(shè)備局部放電類型

變電設(shè)備發(fā)生的局部放電故障并不是只有一種形式，不同類型的局部放電原理、特征、放電圖譜都不相同，一般來說變電設(shè)備的局部放電故障類型可以分為氣隙放電、沿面放電、懸浮電位放電和電暈放電[4]。而根據(jù)放電位置的不同，可以分為絕緣材料內(nèi)部放電、沿面放電和尖端放電3種類型。以氣隙放電類型為例，對(duì)應(yīng)的氣隙局部放電等效電路如圖2所示。

圖2 局部放電的等效電路

假設(shè)在固體或液體介質(zhì)中存在一個(gè)氣隙，圖2中Cg表示的是氣隙位置上的電容；而Ca和Cb分別代表其余完好的絕緣部分和與該氣隙串聯(lián)的電容；Z為氣隙放電脈沖頻率的電源阻抗[5]。那么整個(gè)變電設(shè)備的電容可以表示為

(1)

Cg上分配到的電壓為

(2)

UMsinωt表示與變電設(shè)備連通的電源電壓[6]。當(dāng)變電設(shè)備發(fā)生氣隙局部放電故障時(shí)，Cg兩端的電壓會(huì)達(dá)到氣隙放電的起始電壓，經(jīng)過火花放電和火花放電熄滅2個(gè)步驟完成一次局部放電，任意一次氣隙放電釋放的電荷量為

(3)

Us的值與放電起始電壓相等；而Ur表示火花放電熄滅時(shí)Cg的電壓，即熄滅電壓。由于電容中的電荷數(shù)量發(fā)生變化，變電設(shè)備中的電壓也會(huì)隨之發(fā)生變化，所以可以通過判斷變電設(shè)備中是否存在氣隙點(diǎn)來確定局部放電故障是否為氣隙放電[7]。另外沿面放電是指附近電場(chǎng)為垂直和平行于介質(zhì)沿面方向上的2個(gè)電場(chǎng)；懸浮電位放電是變電設(shè)備中的部件與接地極失去連接，同時(shí)不與高壓極相連；電暈放電是導(dǎo)體周期啟動(dòng)所承受的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)不同局部放電故障類型的特點(diǎn)，可以判斷當(dāng)前變電設(shè)備的局部放電類型。

1.2 設(shè)置變電設(shè)備局部放電故障檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)置故障檢測(cè)判斷標(biāo)準(zhǔn)的目的是為了提供量化的可對(duì)比數(shù)據(jù)，變電設(shè)備局部放電故障標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 變電設(shè)備局部放電故障標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

另外可以通過音量幅值參數(shù)判斷局部放電的故障情況，當(dāng)音量小于6 dB表示變電設(shè)備無放電現(xiàn)象，音量在區(qū)間[6 dB,15 dB)時(shí)，存在輕微放電現(xiàn)象，在區(qū)間[15 dB,25 dB]時(shí)放電現(xiàn)象明顯，音量值大于25 dB時(shí)說明放電故障較為嚴(yán)重[8]。將其與光測(cè)得出的直觀結(jié)果相結(jié)合得出更加精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果。

1.3 安裝非接觸帶電檢測(cè)裝置

非接觸帶電檢測(cè)裝置需要能夠同時(shí)接收超聲波信號(hào)和光感信號(hào)，因此將聚焦性傳感器和光感傳感器上的傳感芯片連接到非接觸帶電檢測(cè)裝置中，按照?qǐng)D3所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，形成局部放電故障非接觸帶電檢測(cè)的傳感器裝置。

圖3 傳感器裝置結(jié)構(gòu)

從局部放電的脈沖時(shí)域來看，脈沖脈寬越窄，頻段分布越趨于高頻，脈沖上升時(shí)間越快，脈沖的高頻含量越多[9]。然而在非接觸帶電檢測(cè)傳感器中頻帶加寬的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲因素，為了使傳感器達(dá)到靈敏度和方向性的要求，最終選定非接觸帶電檢測(cè)傳感器裝置的檢測(cè)頻帶為0.1～30 MHz。

1.4 提取局部放電特征量

利用非接觸帶電檢測(cè)裝置分別采集變電設(shè)備附近的超聲波信號(hào)、光譜信號(hào)和電力信號(hào)，分別從聲學(xué)和光學(xué)角度提取變電設(shè)備局部放電的特征量。其中超聲波的特征量包括幅值、能量、持續(xù)時(shí)間、次數(shù)、頻率等，當(dāng)變電設(shè)備發(fā)生局部放電故障時(shí)，超聲波信號(hào)中的信號(hào)幅值、頻率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此以上述3個(gè)參量作為聲學(xué)特征量[10]。在變電設(shè)備和檢測(cè)裝置之間添加介質(zhì)，結(jié)合加入介質(zhì)的衰減系數(shù)，得出實(shí)際的超聲波信號(hào)幅值，同理可以得出頻率以及持續(xù)時(shí)間等參數(shù)與變電設(shè)備局部放電量之間的關(guān)系，其中局部放電情況下得出的特征量與放電量之間的關(guān)系可以表示為

(4)

Az、Fz和Tz分別為在變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下超聲波信號(hào)的幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間。同理可以得出其他局部放電類型下對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)特征量[11]。

從光學(xué)的角度來看，變電設(shè)備局部放電的過程中由于設(shè)備內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)移和釋放，而產(chǎn)生光信號(hào)，光信號(hào)產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度和波長范圍與局部放電的強(qiáng)弱程度以及放電類型有關(guān)[12]。因此設(shè)置光信號(hào)的輻射強(qiáng)度和波長范圍作為分辨變電設(shè)備是否存在局部放電故障的特征量，該特征量能夠直接反映局部放電的強(qiáng)度和類型。以電暈局部放電類型為例，對(duì)應(yīng)的光譜采集信號(hào)如圖4所示。

圖4 電暈局部放電光譜

由圖4可以看出，在變電設(shè)備電暈局部放電過程中，連續(xù)光信號(hào)的波長主要分布在280～400 nm之間，而小部分波長分布在230～280 nm之間[13]。光譜的分布情況可以證明在電暈局部放電過程中，光信號(hào)光譜主要位于紫外波段。通過相同的方式可以得出不同放電類型和放電強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的光輻射信號(hào)的特征量。

除了聲學(xué)特征量和光學(xué)特征量之外，變電設(shè)備自身的電力數(shù)據(jù)也可以作為檢測(cè)故障的特征量。電力特征量參數(shù)為時(shí)域和頻域特征參數(shù)，分別確定信號(hào)峰值上升、下降的時(shí)間段和時(shí)間比值、不同階段譜峰的頻率和幅值，得出的計(jì)算結(jié)果即為局部放電故障的電力特征量。

1.5 實(shí)現(xiàn)局部放電故障非接觸式帶電檢測(cè)

同步相位計(jì)算的目的是保證帶電檢測(cè)信號(hào)的匹配位置與局放信號(hào)采集的起始位置相近脈沖相位和標(biāo)準(zhǔn)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間密切相關(guān)，并與檢測(cè)信號(hào)頻率相關(guān)，具體的計(jì)算過程可以表示為

φi=2πf(Δt)+φ0

(5)

φi和φ0分別為第i個(gè)脈沖信號(hào)的相位角以及首個(gè)脈沖信號(hào)的相位角；f為實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)的頻率；Δt為出現(xiàn)首個(gè)脈沖到出現(xiàn)第i個(gè)局部脈沖的時(shí)間[14]。則變電設(shè)備局部放電電壓基波的初相位情況可以表示為

(6)

Muφ1和Muφ0分別辨識(shí)檢測(cè)周期對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)與檢測(cè)基波對(duì)應(yīng)的三角函數(shù)正交處理結(jié)果。以計(jì)算得出的基波初相位為起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征量與檢測(cè)信號(hào)特征量之間的匹配[15]，綜合變電設(shè)備局部放電故障非接觸式帶電檢測(cè)的判斷結(jié)果、放電類型診斷結(jié)果，獲取最終的故障檢測(cè)結(jié)果，表示為

(7)

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

2.1 在線測(cè)試準(zhǔn)備

變電設(shè)備局部放電用PC來表示，放電檢測(cè)使用的電壓為3～35 kV，由于使用普通的儀表設(shè)備無法顯示dB讀數(shù)和PC轉(zhuǎn)換，因此用相對(duì)電壓讀數(shù)作為故障檢測(cè)的測(cè)試結(jié)果。檢測(cè)設(shè)備包括變電設(shè)備、局部放電幅值檢測(cè)設(shè)備、脈沖計(jì)數(shù)設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)環(huán)境設(shè)備等。

2.2 選擇測(cè)試干擾信號(hào)

此次變電設(shè)備局部放電故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是在無局放實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，能夠最大程度抑制實(shí)驗(yàn)過程中的干擾因素。為了檢測(cè)本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法在變壓設(shè)備局部放電故障檢測(cè)中的抗干擾能力，在測(cè)試過程中增加現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試干擾信號(hào)。此次選擇的測(cè)試干擾源為電火花發(fā)生器，利用該設(shè)備用來制造懸浮放電干擾因素。

2.3 設(shè)定變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

變電設(shè)備樣本數(shù)據(jù)在很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及數(shù)據(jù)資料，統(tǒng)計(jì)并分析大量變電設(shè)備故障數(shù)據(jù)，從中選擇400組放電故障數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)。上述樣本的設(shè)置與分布情況如表2所示。

表2 變電設(shè)備局部放電故障樣本分布

以實(shí)驗(yàn)樣本為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的故障類型，按照?qǐng)D5設(shè)置不同的變電設(shè)備局部放電故障參數(shù)。

圖5 變電設(shè)備參數(shù)設(shè)定界面

2.4 確定故障檢測(cè)測(cè)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)中各局部放電檢測(cè)裝置的位置會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果，因此需要選擇合適的測(cè)點(diǎn)安裝檢測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)中故障測(cè)點(diǎn)分布情況如圖6所示。

圖6 變電設(shè)備檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意

圖6中沿著變電設(shè)備軸線方向布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，在信號(hào)最大點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)3位置上另外布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程

變電設(shè)備的局部放電可以分為初始放電、發(fā)展和放電末期3個(gè)階段，因此針對(duì)不同階段的放電信號(hào)特征，采用階梯聲壓加速放電的方式對(duì)變電設(shè)備氣隙放電、電暈放電、懸浮電位放電和沿面放電4種局部放電故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先利用測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試，看是否能夠輸出檢測(cè)結(jié)果。在認(rèn)定測(cè)試流程正常的情況下，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)的干擾裝置，并設(shè)置干擾強(qiáng)度。確定變電設(shè)備通入的起始電壓，并以2 kV/次的幅值緩慢升高電壓，每次升壓操作成功后，停留5 min，利用圖7所示的信號(hào)采集程序，觀察是否出現(xiàn)放電脈沖。

圖7 局部放電信號(hào)采集程序主界面

當(dāng)信號(hào)采集程序界面出現(xiàn)放電脈沖時(shí)，降低變電設(shè)備的通電電壓，再次觀察放電信號(hào)的變化情況。在確定放電脈沖的電壓值后，將變電設(shè)備的電壓降為0 V。重新添加確定的放電脈沖電壓值，若再次出現(xiàn)相同的放電脈沖，則可以證明該值即為變電設(shè)備的放電電壓。針對(duì)不同類型的局部放電故障可以得出不同的放電電壓值。綜合檢測(cè)裝置輸出的超聲波信號(hào)和光譜信號(hào)，輸出包括局部放電故障判斷結(jié)果、局部放電類型和放電量的最終檢測(cè)結(jié)果。

2.6 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

按照上述實(shí)驗(yàn)流程，得出不同類型變電設(shè)備局部放電故障的檢測(cè)結(jié)果。通過非接觸式帶電檢測(cè)方法的運(yùn)行，不同放電類型的放電信號(hào)輸出結(jié)果，如圖8所示。

分析圖8a可知，當(dāng)工作頻率相位提前半周時(shí)，產(chǎn)生的電信號(hào)通常為電暈放電產(chǎn)生的。一般來說，電暈放電出現(xiàn)頻率高超聲波幅度較小。從圖8a中可以看出工作頻率相位無論出于超前還是落后半周都會(huì)出現(xiàn)懸浮電位放電現(xiàn)象，且得出的放電信號(hào)較為對(duì)稱。

分析圖8b可知，變電設(shè)備的放電幅值呈現(xiàn)出一種周期性，這符合變電設(shè)備的氣隙局部放電的特征，且該信號(hào)的放電幅值變化較為均勻，放電幅值在180～660 mV之間變化。

分析圖8c可知，利用本文方法能夠準(zhǔn)確捕捉到懸浮電位放電信號(hào)，該信號(hào)幅值在110～970 mV之間變化，且信號(hào)幅值變化具有一般規(guī)律性。

分析圖8d可知，用本文方法能夠準(zhǔn)確捕捉到面放電信號(hào)，該信號(hào)波動(dòng)較大，變化均一性程度低。

圖8 放電信號(hào)輸出結(jié)果

綜合電暈放電、氣隙放電和懸浮電位放電、沿面放電4種類型在干擾環(huán)境下的檢測(cè)結(jié)果，并與設(shè)置的變電設(shè)備故障類型作對(duì)比，得出檢測(cè)綜合分析結(jié)果如表3所示。

表3 局部放電檢測(cè)結(jié)果

從表3中可以看出，在干擾環(huán)境下，使用變電設(shè)備局部放電故障非接觸式帶電檢測(cè)方法的檢測(cè)準(zhǔn)確率較高。

3 結(jié)束語

為提升變電設(shè)備安全性，本文提出了一種變電設(shè)備局部放電故障非接觸式帶電檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，最大程度上保證檢測(cè)工作的安全性，驗(yàn)證了該方法的有效性。原因在于該方法將超聲波技術(shù)與光譜技術(shù)融合在一起，并將其應(yīng)用到帶電檢測(cè)方法中,可以有效降低周圍環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，從而為變電設(shè)備檢修提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，能夠保證變電設(shè)備的運(yùn)行安全。