張春野 郝博 孫蕊 肖楊

遼寧省檢驗(yàn)檢測認(rèn)證中心（遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院） 遼寧沈陽 110000

高壓電氣設(shè)備受到運(yùn)行環(huán)境的綜合影響，容易出現(xiàn)過度爬電及意外放電的隱性故障，該故障除了可能造成電網(wǎng)內(nèi)瞬間雜波外，短期內(nèi)對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生直接影響。但高壓電氣設(shè)備局部放電是其出現(xiàn)微小故障的典型標(biāo)志。在安全工程學(xué)的檢修窗口理論中，設(shè)備發(fā)生故障到發(fā)生相應(yīng)事故之間的時(shí)間窗口，是狀態(tài)檢修的理想切入點(diǎn)，如果可以早期發(fā)現(xiàn)變電站高壓電氣設(shè)備的局部放電現(xiàn)象，對(duì)實(shí)現(xiàn)高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修有積極意義。

1 高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測故障分析

1.1 電力變壓器

根據(jù)高壓電氣設(shè)備的故障模式進(jìn)行分析可以得出，變壓器和負(fù)荷開關(guān)是高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測的重點(diǎn)。負(fù)荷開關(guān)在線監(jiān)測范圍包括負(fù)荷開關(guān)自身的絕緣情況、觸頭磨損程度、觸頭行程、放電情況、機(jī)械結(jié)構(gòu)形變狀況、油質(zhì)情況和電氣回路的可靠性等內(nèi)容，在線監(jiān)測變壓器的作用是從缺陷到初始故障進(jìn)行一個(gè)為期很長的測量和分析的過程，如絕緣老化問題[1]。導(dǎo)致絕緣老化的因素有很多，包括油溫差變化、氧化速度、其他污染物等因素，而催化劑、相關(guān)應(yīng)力作用和貫穿性故障是加劇這些因素變化的主要原因，主要表現(xiàn)為油泥的沉積、閃光點(diǎn)降低、機(jī)械強(qiáng)度減弱等。在運(yùn)行的過程中，如果運(yùn)行方式發(fā)生異常則會(huì)引起過熱現(xiàn)象，致使油中的水分轉(zhuǎn)化為氣泡，最終導(dǎo)致液體絕緣介質(zhì)的強(qiáng)度降低，從而使介質(zhì)失去作用。對(duì)電力變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測和分析，可以將潛在的隱形故障及時(shí)查找出來，從而對(duì)設(shè)備絕緣變化的發(fā)展形勢進(jìn)行充分的掌握。同時(shí)還可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，選擇不同的試驗(yàn)周期，增強(qiáng)試驗(yàn)的實(shí)效性。

1.2 容性設(shè)備

容性設(shè)備在運(yùn)行的過程中，由于受電、熱、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力等作用的影響，導(dǎo)致容性設(shè)備的絕緣性能逐漸下降，影響嚴(yán)重的會(huì)加劇其絕緣性的惡化，最終使其絕緣性能喪失，從而引發(fā)突發(fā)設(shè)備事故，給相關(guān)電力企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)容性設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測十分必要。對(duì)容性設(shè)備在線監(jiān)測的項(xiàng)目有電容、不平衡電壓、阻性電流、電容電流、介質(zhì)損耗、功耗和氧化鋅避雷器的全電流等參量。值得注意的是，在對(duì)容性設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和分析的過程中，由于末屏電流比較微弱，為了避免末屏電流遭受現(xiàn)場電磁場和傳輸信號(hào)衰減的干擾，在采集末屏電流時(shí)，盡量運(yùn)用數(shù)字化傳輸方案；在對(duì)氧化物避雷器監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析的過程中，通常情況下都會(huì)采用抵消容性電流分量法進(jìn)行分析，但是這種電容比較小，容易遭受電場的干擾而影響最終測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了解決這一問題，保障測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，可對(duì)測量的阻性電流進(jìn)行橫向和縱向比較，但是這種方法對(duì)系統(tǒng)諧波影響的狀況難以進(jìn)行有效抑制，因此，在測量裝置中可以通過軟件和硬件同時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q這一問題[2]。

1.3 斷路器和氣體絕緣組合電器

在對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測的過程中，斷路器在線監(jiān)測是其中的重點(diǎn)內(nèi)容，其監(jiān)測的項(xiàng)目主要包括絕緣特性、開斷能力、機(jī)械特性和操作回路完整性等，對(duì)氣體絕緣組合電器、斷路器的電氣及機(jī)械性能的在線監(jiān)測和狀態(tài)評(píng)估，主要通過以下方式實(shí)現(xiàn)：①對(duì)于斷路器觸頭磨損的評(píng)估，可以通過開斷能力累積量的測量進(jìn)行評(píng)估，在評(píng)估的過程中，主要是利用保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)開斷能力測量；②在斷路器所有故障中，斷路器機(jī)械故障最為常見，由于機(jī)械特性停電和不揭蓋的在線監(jiān)測難度比較大，可以通過保護(hù)裝置完成對(duì)電氣回路的測量，以便確保保測量數(shù)據(jù)的完整性；③在當(dāng)前斷路器在線監(jiān)測的工作內(nèi)容中，對(duì)真空泡的真空度測量方式尚處于技術(shù)探索階段，目前所有的在線監(jiān)測方法成本過高且欠缺一定的安全性；④對(duì)氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測方式是通過振動(dòng)法，其監(jiān)測原理主要是結(jié)合放電強(qiáng)度趨同于振動(dòng)強(qiáng)度、周期性振動(dòng)信號(hào)和局部放電與振動(dòng)脈沖相同相位等特征，將振動(dòng)法得以實(shí)現(xiàn)，這種監(jiān)測方法是我國目前一種新興的監(jiān)測方法，其運(yùn)行效果尚處于考證階段。

2 高壓電氣設(shè)備局部放電的三點(diǎn)定位法

2.1 基于傾斜攝影的三點(diǎn)定位法

在電網(wǎng)智能巡線等早期使用傾斜攝影的方法中，使用無人機(jī)掛載傾斜攝影設(shè)備對(duì)輸電線路等電網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行離線測量并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)較為精確的定位測量及占位測量。而采用固定式傾斜攝影探頭的方式，可以給出更加精確的探頭坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精確到毫米級(jí)的最終測量結(jié)果。鑒于微小電弧的電弧長度一般小于1cm且其在可見光、紅外光、紫外光頻段均有物理表現(xiàn)，因此使用傾斜攝影在廣域波譜上對(duì)微小電弧進(jìn)行定位，是本方法的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。

多軸平行攝影技術(shù)，可以提供遠(yuǎn)超可見光波譜的平行軸攝影技術(shù)支持。通過將可見光、紅外光、紫外光等CMOS感光元件使用平行軸鏡頭的方式進(jìn)行模塊整合，可以提供一個(gè)擁有三攝像頭平行軸整合的監(jiān)測模塊，該模塊已經(jīng)在包括電力監(jiān)測系統(tǒng)在內(nèi)的諸多監(jiān)測系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。其中，可見光攝影可以捕捉到電弧放電的可見光輻射部分，紅外線攝影可以捕捉到電弧放電時(shí)的局部瞬時(shí)溫度改變，紫外線攝影可以捕捉到電弧放電時(shí)的紫外輻射部分。對(duì)于擺桿式高壓斷路器來說，其外部空間較為寬闊，可以在距離其10～15m的位置布置不同方向的3個(gè)多軸平行攝影系統(tǒng)，每個(gè)多軸平行攝影系統(tǒng)包括3個(gè)攝像頭并配置高精度云臺(tái)、時(shí)鐘同步系統(tǒng)、光學(xué)鏡頭、慣性探頭等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻譜上的圖像數(shù)據(jù)采集功能，利用三點(diǎn)定位法可以解算出電弧形態(tài)和電弧位置：

式中：L1，L2，L3為通過光學(xué)原理獲得的電弧發(fā)生位置與3個(gè)攝像頭之間的距離；（x0，y0，z0）為被定位點(diǎn)的三軸坐標(biāo)；（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）為3個(gè)探頭的三軸坐標(biāo)。因3個(gè)探頭的三軸坐標(biāo)可以明確獲得，所以只要獲得（x0，y0，z0），即可解算出3個(gè)距離量L1，L2，L3，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧發(fā)生位置的明確定位。

2.2 基于聲吶定位原理的三點(diǎn)定位法

早期部署噪聲探頭的目的是采集設(shè)備中的噪聲信息以還原設(shè)備的微震動(dòng)特征曲線。較長時(shí)間以來，這種噪聲探頭的應(yīng)用從未改變。在多探頭同步測量的過程中，利用聲速遠(yuǎn)低于光速的特征，基于聲吶定位學(xué)原理，分析其高頻噪聲波峰的出現(xiàn)時(shí)間差，提供精度遠(yuǎn)大于光譜定位的三維定位，是本方法的第二個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。為配合多軸平行攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)分析需求，利用噪聲探頭的聲吶定位原理，對(duì)電弧放電的位置進(jìn)行進(jìn)一步定位。此時(shí)電弧放電的發(fā)生位置到3個(gè)固定位置噪聲探頭的距離（由聲學(xué)原理獲得）L'1，L'2，L'3可根據(jù)公式（2）獲得：

式中：h為當(dāng)前氣壓、風(fēng)速、濕度條件下的聲速；t1，t2，t3為聲音抵達(dá)3個(gè)探頭所經(jīng)歷的時(shí)間。同樣以擺桿式高壓斷路器為例，其自身尺寸一般小于5m，各聲音探頭間距一般小于15m，雖然聲速可能受到氣壓、風(fēng)速、濕度等條件影響，但在此尺度內(nèi)3個(gè)探頭所受到的影響差異性可以忽略不計(jì)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓靜態(tài)空氣中的聲速一般為340m/s，聲音探頭的采樣頻率一般達(dá)到44MHz，系統(tǒng)可以達(dá)到極高的理論定位精度。但考慮到聲音反射、散射等影響，實(shí)際分析中，采用2kHz頻率進(jìn)行分析，其定位精度可以達(dá)到0.17m。

3 高壓電氣設(shè)備局部放電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 攝影探頭的設(shè)計(jì)與布局

可見光探頭采用了較高解析度的攝影探頭，一般采用2K（1920像素×1080像素）以上畫質(zhì)、60幀/s以上的幀率采集圖像信息，而紅外探頭和紫外探頭的解析度要求并不高，一方面其獲得的數(shù)據(jù)與可見光探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)整合時(shí)，僅是將紅外信號(hào)與紫外信號(hào)與可見光信號(hào)進(jìn)行疊加，另一方面其畫面數(shù)據(jù)量并不大，特別是紫外探頭部分，因?yàn)橐晥鰞?nèi)可能發(fā)出紫外輻射的等離子體物質(zhì)并不多見，其實(shí)際拍攝內(nèi)容可能僅為圖像中的電弧部分。因此，紅外探頭和紫外探頭一般采用640像素×480像素的解析度進(jìn)行60幀/s的同步攝影。

嵌入系統(tǒng)的主要計(jì)算職能包含2部分：①將3個(gè)攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，即將紅外探頭數(shù)據(jù)和紫外探頭數(shù)據(jù)疊加到可見光數(shù)據(jù)中。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行判讀并利用公式（1）給出關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位監(jiān)測結(jié)果。②當(dāng)可見光探頭發(fā)現(xiàn)異常閃光、紅外探頭發(fā)現(xiàn)異常瞬時(shí)高溫、紫外探頭發(fā)現(xiàn)異常紫外輻射點(diǎn)這3個(gè)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)1項(xiàng)或多項(xiàng)時(shí)，標(biāo)定時(shí)間戳并將實(shí)時(shí)單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)，并報(bào)送到IDC中進(jìn)行遠(yuǎn)程離線處理。

3.2 探頭的物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用3個(gè)多軸平行攝影探頭和3個(gè)噪聲探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)在探頭嵌入系統(tǒng)進(jìn)行初步處理后，報(bào)送到嵌入式集中板中進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，集中板外掛一個(gè)不少于5TB的SSD工業(yè)存儲(chǔ)陣列系統(tǒng)，同時(shí)由集中板通過工業(yè)網(wǎng)橋主機(jī)向IDC報(bào)送相關(guān)數(shù)據(jù)。探頭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)向IDC報(bào)送信息的工作數(shù)據(jù)流主要包括以下內(nèi)容：①對(duì)攝像頭、噪聲探頭的流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并與IDC數(shù)據(jù)倉庫的流媒體服務(wù)器進(jìn)行同步。②對(duì)疑似放電發(fā)生時(shí)間的重點(diǎn)流媒體信息時(shí)間戳進(jìn)行存儲(chǔ)并與IDC數(shù)據(jù)倉庫的邏輯數(shù)據(jù)倉庫服務(wù)器進(jìn)行同步[3]。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)的IDC架構(gòu)設(shè)計(jì)

IDC部分，基本滿足當(dāng)前電力IDC的CBA架構(gòu)。所謂CBA，是指在一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境機(jī)房中，同時(shí)布局云計(jì)算（C.C.）、大數(shù)據(jù)（B.D.）、人工智能（A.I.）等相關(guān)硬件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)提供相應(yīng)服務(wù)的大數(shù)據(jù)功能。但不同智能電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)IDC的要求有所不同，其CBA架構(gòu)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

①數(shù)據(jù)庫部分側(cè)重流媒體數(shù)據(jù)的倉儲(chǔ)及檢索功能。本文采用多個(gè)流媒體服務(wù)器，在對(duì)應(yīng)任務(wù)服務(wù)器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)服務(wù)器集群功能。任務(wù)服務(wù)器功能為協(xié)調(diào)存儲(chǔ)服務(wù)器的可用存儲(chǔ)空間，使用服務(wù)器虛擬化技術(shù)將多臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器在邏輯上形成單臺(tái)大容量服務(wù)器。邏輯數(shù)據(jù)主機(jī)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)疑似放電時(shí)間戳的相關(guān)信息。②使用包含多個(gè)GPU計(jì)算核心的浮點(diǎn)計(jì)算主機(jī)，實(shí)現(xiàn)C.C.和A.I.功能。該系統(tǒng)對(duì)此兩項(xiàng)功能的要求并不高，其中C.C.部分除Python數(shù)據(jù)分析功能和BIM數(shù)據(jù)整合功能外，無額外要求；而A.I功能則采用單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的二值化判斷。③使用本地負(fù)載均衡器與提供流媒體服務(wù)的任務(wù)服務(wù)器聯(lián)合對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)分發(fā)和負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，使用API服務(wù)器搭建與平行系統(tǒng)和上級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯通道管理，使用LAMP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)桌面端和移動(dòng)端的數(shù)據(jù)展示，使用工業(yè)網(wǎng)橋主機(jī)實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的連接。

4 結(jié)語

綜上，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力工程的建設(shè)規(guī)模也不斷的擴(kuò)展，如何提升電力輸送質(zhì)量和保障電力輸送的安全，是當(dāng)前電力企業(yè)面臨的新課題。高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢修可以有效排除故障，是電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中最為關(guān)鍵的內(nèi)容之一。