伍弘，張巍，牛勃，李洋，陳元毅

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.寧夏電力投資集團(tuán)有限公司西夏熱電有限公司，寧夏 銀川 750021；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

高壓交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備（開關(guān)柜）是中低壓配電網(wǎng)中的重要電氣設(shè)備之一，其主體結(jié)構(gòu)一般可分為儀表室、斷路器室、母線室和電纜室[1-2]。因斷路器觸頭接觸不良、母線等電位線脫落、電纜接頭異常等均會(huì)導(dǎo)致開關(guān)柜產(chǎn)生局放缺陷甚至迅速發(fā)展為故障[3-5]，此外，惡劣的運(yùn)行條件，如重污穢、潮濕凝露、冷熱循環(huán)等也會(huì)嚴(yán)重影響開關(guān)柜內(nèi)絕緣件和金屬件的性能[6]。

當(dāng)上述異常情況發(fā)生或在惡劣運(yùn)行條件下開關(guān)柜內(nèi)不同器件發(fā)生老化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部放電，可通過各種基于聲、光、電、化學(xué)原理的檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)局放類型和位置的判定，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜缺陷或故障的預(yù)控預(yù)防。如文獻(xiàn)[7]研究采用特高頻法對(duì)開關(guān)柜常見的3 種缺陷類型進(jìn)行測(cè)試，并通過支持向量機(jī)和邏輯回歸方法對(duì)局放缺陷類型進(jìn)行了識(shí)別；文獻(xiàn)[8]研究采用超聲波法對(duì)開關(guān)柜絕緣缺陷進(jìn)行了局放測(cè)試，并采用小波變換對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行特征提??；文獻(xiàn)[9]研究了泵吸式臭氧濃度檢測(cè)方法對(duì)開關(guān)柜局放缺陷檢測(cè)的有效性，并對(duì)柜內(nèi)穿墻套管局放源的放電類型及放電程度進(jìn)行了分析。同時(shí)采用多種方法進(jìn)行開關(guān)柜局放檢測(cè)，既可為局放缺陷類型判定互相佐證，又便于局放位置的確定，但現(xiàn)有的局放定位檢測(cè)多受檢測(cè)儀器自身較差的抗干擾能力以及外界背景中的各類噪聲影響，定位精度有限[10-12]。

為進(jìn)一步提高開關(guān)柜局放缺陷定位精度，本文在平分面法的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建局放位置目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解的三維空間定位法，降低信號(hào)延時(shí)影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜局放缺陷的精準(zhǔn)定位，并通過對(duì)某10 kV開關(guān)柜的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 開關(guān)柜局放缺陷定位方法

開關(guān)柜局放檢測(cè)常見的方法有暫態(tài)地電壓局放檢測(cè)法、超聲波局放檢測(cè)法、特高頻局放檢測(cè)法等。當(dāng)局放發(fā)展至嚴(yán)重階段，紅外、紫外成像法用于其缺陷位置檢測(cè)；此外，一些新方法如脈沖電流法、臭氧濃度檢測(cè)法也可用于開關(guān)柜局放檢測(cè)中[9-13]，但開關(guān)柜往往是多面并列運(yùn)行，互相之間電、聲、化學(xué)信號(hào)影響較大，如僅應(yīng)用上述方法中的某一種很難確定真實(shí)局放缺陷位置，且在局放形成的初期，除特高頻局放檢測(cè)法外，其他方法都很難捕獲到局放信號(hào)。

采用上述局放檢測(cè)方法的同時(shí)，應(yīng)用多傳感器進(jìn)行開關(guān)柜局放定位檢測(cè)效果顯著。尤其是特高頻法、超聲波法在應(yīng)用多傳感器時(shí)會(huì)有明確的電、聲信號(hào)傳播速度和傳播時(shí)間差等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)缺陷位置的定量檢測(cè)及分析。將多個(gè)傳感器擺放至特定位置進(jìn)行開關(guān)柜局放檢測(cè)，可以計(jì)算出更加準(zhǔn)確的局放缺陷位置。比較典型的方法有平分面法，以及采用智能尋優(yōu)算法精確求解缺陷位置的三維空間定位法。

1.1 平分面法

平分面法是目前用于開關(guān)柜局放缺陷定位檢測(cè)較為普遍且效果相對(duì)較好的方法之一，其主要原理是利用開關(guān)柜的立體結(jié)構(gòu)，依次通過橫向、垂直以及深度定位檢測(cè)確定三個(gè)面，進(jìn)而三個(gè)面的交匯點(diǎn)即是局放源所在位置。平分面法定位原理如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜平分面法局放定位

圖1 中，采用傳感器A 和傳感器B 依次在開關(guān)柜的橫、縱、深三個(gè)面利用時(shí)差法確定局放源所在的P1、P2 和P3 三個(gè)面，進(jìn)而根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)即能判斷出局放源所在位置。

1.2 三維空間定位法

采用聲電聯(lián)合局放檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜局放缺陷的三維空間定位，即通過超聲波局部放電信號(hào)幅值變化判斷局部放電源信號(hào)來源，之后通過特高頻傳感器捕獲時(shí)延進(jìn)行局部放電源定位，相應(yīng)的定位方程為式（1）所示的雙曲面方程組，其中雙曲面方程組交點(diǎn)即為異常局放點(diǎn)位置。

式中：x0，y0，z0—基準(zhǔn)特高頻傳感器位置坐標(biāo)；

xi，yi，zi—測(cè)量特高頻傳感器Si坐標(biāo)；

x，y，z—局部放電源位置坐標(biāo)；

c—電磁波信號(hào)在空氣中的速度；

Δti0—檢測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)間差；

ti、tj—信號(hào)時(shí)延。

根據(jù)定位模型，構(gòu)建求解局放源位置的目標(biāo)函數(shù)，即兩個(gè)特高頻局放傳感器采用時(shí)差法的定位差與真實(shí)局放源距離兩個(gè)特高頻局放傳感器的距離差的差值，繼而通過超聲波法或平分面法確定局放源的初始位置，即可通過相關(guān)算法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)。相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)如式（3）所示。

式中：c—電磁波信號(hào)在空氣中的速度；

cΔti—兩個(gè)基準(zhǔn)特高頻局放傳感器采用時(shí)差法的定位距離差；

f(pi)—真實(shí)局放源距離兩個(gè)特高頻局放傳感器的距離差。

當(dāng)f(p)無限趨近于0 時(shí)，cΔti即為某個(gè)平面真實(shí)局放源與兩個(gè)傳感器的距離之差。將式（3）的目標(biāo)函數(shù)擴(kuò)展到三維空間，即得到以下目標(biāo)函數(shù)。

式中：f(pji)—空間中兩組傳感器陣列所在位置（用三維坐標(biāo)表示）與真實(shí)局放源位置的距離差值，未知數(shù)即為真實(shí)局放源的位置。

相應(yīng)的定位模型如圖2所示。

圖2 開關(guān)柜三維空間法局放定位模型

當(dāng)采取不同的算法對(duì)f(p)尋優(yōu)求解時(shí)，通過平分面法確定真實(shí)局放源的位置初始值后，即能不斷尋優(yōu)，最終獲得局放源最準(zhǔn)確的空間位置。常用的尋優(yōu)算法如蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法等均可用于上述目標(biāo)函數(shù)求解，其中粒子群算法基于群體智能化算法，與遺傳算法相比其無交叉變異操作，其通過個(gè)體之間的協(xié)作來搜索最優(yōu)解，具有搜索速度快、效率高和算法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[14-15]，適宜用于式（4）求解。

2 改進(jìn)型三維空間定位法及其檢測(cè)流程

應(yīng)用三維空間定位法更加快速、準(zhǔn)確地求取局放缺陷位置，需給定其一個(gè)更加接近真實(shí)局放缺陷位置的初值?？紤]平分面法相較于其他單一方法在開關(guān)柜局放定位檢測(cè)中具有更高的精度和更好的抗干擾性能，將其與三維空間定位法進(jìn)行融合，形成開關(guān)柜局放檢測(cè)的改進(jìn)型三維空間定位法，即通過平分面法確定三維空間定位法所需的缺陷位置初值。詳細(xì)的檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型三維空間定位法檢測(cè)流程

改進(jìn)型三維空間定位法主要流程如下：

1）通過常規(guī)局放帶電檢測(cè)方法，如超聲波局放檢測(cè)、暫態(tài)地電壓局放檢測(cè)及特高頻局放檢測(cè)等方法（圖3中以檢測(cè)法ABC表示）確定被測(cè)開關(guān)柜存在局放缺陷，并根據(jù)檢測(cè)圖譜確定疑似局放類型；

2）根據(jù)各類檢測(cè)信號(hào)幅值初步確定局放大致位置；

3）采取平分面法確定局放缺陷所在的橫、縱、深三個(gè)面，確定具有一定可信度的局放缺陷位置，并給出能夠量化的初始值（三維空間坐標(biāo)）；

4）通過傳感器陣列檢測(cè)方式，結(jié)合平分面法給出的局放缺陷位置初始值和檢測(cè)結(jié)果，采用粒子群算法或其他智能算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解，篩除掉與平分面法確定的局放位置明顯不同的結(jié)果后，保留最終的局放位置結(jié)果（三維空間坐標(biāo)）；

5）停電檢查并驗(yàn)證定位結(jié)果，及時(shí)處置。

3 開關(guān)柜局放定位實(shí)測(cè)

為驗(yàn)證采取平分面法及三維空間定位法進(jìn)行開關(guān)柜局放定位檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性，按照上節(jié)所述的檢測(cè)流程對(duì)某110 kV變電站2號(hào)所變521斷路器開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)測(cè)。

3.1 常規(guī)局放帶電檢測(cè)

3.1.1 暫態(tài)地電壓檢測(cè)

對(duì)2 號(hào)所變521 斷路器開關(guān)柜進(jìn)行暫態(tài)地電壓檢測(cè)，數(shù)值結(jié)果如表1所示。

表1 暫態(tài)地電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)

PRPS&PRPD 圖譜如圖4所示，其中金屬背景為14 dB。

圖4 521斷路器柜暫態(tài)地電壓PRPS&PRPD圖譜

根據(jù)表1 和圖4，521 斷路器開關(guān)柜存在異常局放信號(hào)，且脈沖圖譜為信號(hào)幅值寬度較寬、大小相差較小的兩簇信號(hào)，呈懸浮放電特征；缺陷位置大概靠近前柜中部。

3.1.2 特高頻局放檢測(cè)

采用莫克EC 4000P 局放檢測(cè)儀對(duì)521 斷路器柜及相鄰間隔開關(guān)柜進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)，檢測(cè)位置為開關(guān)柜底部的觀察窗，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

圖5 相鄰間隔開關(guān)柜特高頻PRPS&PRPD圖譜

圖6 521斷路器柜特高頻PRPS&PRPD圖譜

與鄰近間隔相比，521 斷路器柜的特高頻圖譜顯示有兩簇明顯的連續(xù)放電脈沖，疑似為柜內(nèi)所變隔斷內(nèi)的懸浮放電。

3.2 平分面法局放定位檢測(cè)

3.2.1 橫向定位

對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行橫向定位檢測(cè)，特高頻局放傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置及檢測(cè)到的圖譜（示波器）如圖7所示。

圖7 開關(guān)柜局放橫向定位檢測(cè)

由圖7（b）可以看出傳感器B接收到的局放信號(hào)比傳感器A接收到的信號(hào)早0.8 ns，即放電源與傳感器B的距離比傳感器A近24 cm。將傳感器A向右挪至開關(guān)柜中軸線，檢測(cè)到的圖譜仍顯示傳感器B接收到的信號(hào)比傳感器A早0.25 ns，表明局放源在開關(guān)柜中偏右的位置處。

3.2.2 縱向定位

對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行縱向定位檢測(cè)，特高頻局放傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置及檢測(cè)到的圖譜（示波器）如圖8所示。由圖8（b）可以看出傳感器B 接收到的局放信號(hào)較傳感器A 接收到的信號(hào)早1.75 ns，即放電源與傳感器B 的距離比傳感器A 近52.5 cm。再將傳感器A 放置于開關(guān)柜頂部，測(cè)得的圖譜顯示傳感器B接收到的局放信號(hào)比傳感器A早3.2 ns，即放電源與傳感器B的距離比傳感器A近96 cm。

圖8 開關(guān)柜局放縱向定位檢測(cè)

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，在縱平面上，局放源的位置有兩個(gè)可能，一是在開關(guān)柜中軸線下部約237.5 mm 處；二是在開關(guān)柜中軸線上方約20 mm處。

3.2.3 深度定位

將特高頻局放傳感器A放在后柜，傳感器B放在前柜，兩者高度一致，檢測(cè)到的圖譜如圖9所示。

圖9 開關(guān)柜局放深度定位檢測(cè)圖譜

由圖9 可以看出，傳感器B 接收到的局放信號(hào)比傳感器A 接收到的信號(hào)早2 ns，即放電源與傳感器B的距離比傳感器A近60 cm，表明局放源靠近前柜處。

3.3 三維空間定位法局放檢測(cè)

受開關(guān)柜機(jī)械結(jié)構(gòu)、布置方式影響，采用如圖10所示的特高頻局放傳感器布置方式，且采用3 個(gè)傳感器的組合式定位方法完成空間定位：S0,S1,S2和S0,S1,S3兩組。以S0所在位置為三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，橫向?yàn)閤軸，縱向?yàn)閦軸，深度為y軸，則根據(jù)傳感器位置所在的不同面，獲得S0（0，0，0），S1（500，0，0），S2（500，0，-1000），S3（0，1500，-500）。局放源所在位置P（x，y，z）即要通過三維空間定位法求取的未知數(shù)。

圖10 三維空間定位法特高頻傳感器布置方式

根據(jù)平分面法檢測(cè)得到的結(jié)果，分別選擇局放源定位的初始值P0坐標(biāo)為（287.5，450，20）和（287.5，450，-237.5），單位為mm。

對(duì)采取上述布置方式的傳感器陣列進(jìn)行多次局放信號(hào)采集，按照式（4）所列的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行定位。采用粒子群算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，分別代入不同的P0，篩除掉明顯錯(cuò)誤的結(jié)果后，最終得到局放位置P的空間坐標(biāo)為（355，652，27），單位為mm。即局放源在開關(guān)柜的右前側(cè)、中部稍偏上位置。

3.4 停電檢查驗(yàn)證

對(duì)521 斷路器柜進(jìn)行停電檢查，發(fā)現(xiàn)手車開關(guān)W 相下觸頭梅花觸指箍緊彈簧松動(dòng)，觸頭附近有白色粉末，判斷為長(zhǎng)時(shí)間局部放電造成的燒蝕。具體位置如圖11所示。

圖11 真實(shí)局放缺陷位置

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，實(shí)際缺陷位置與通過改進(jìn)型三維空間定位法確定的位置直線距離僅相差50 mm，考慮局放發(fā)展情況，可以認(rèn)為檢測(cè)到的缺陷位置與實(shí)際位置相一致。停電檢查結(jié)果驗(yàn)證了采取改進(jìn)型三維空間定位法確定開關(guān)柜局放源位置的有效性和正確性。

4 結(jié)論

1）為準(zhǔn)確判斷開關(guān)柜或其他輸變電設(shè)備的局放缺陷類型及準(zhǔn)確位置，需同時(shí)采取多種檢測(cè)方法，檢測(cè)結(jié)果除相互驗(yàn)證外，還可作為另一種方法的基礎(chǔ)。

2）在傳統(tǒng)的局放時(shí)差定位法的基礎(chǔ)上引入智能尋優(yōu)算法，能夠最大限度地減小外界干擾信號(hào)影響，從而大幅提高檢測(cè)定位的精準(zhǔn)性。

3）由于開關(guān)柜內(nèi)缺陷位置存在于三維空間，導(dǎo)致平分面法確定的某個(gè)面并非唯一，而在采取三維空間定位法后，則可根據(jù)智能尋優(yōu)篩除掉錯(cuò)誤結(jié)果。

4）基于平分面法的改進(jìn)型三維空間定位法可準(zhǔn)確判斷開關(guān)柜局放缺陷位置，從而為開關(guān)柜的運(yùn)維處置提供依據(jù)，對(duì)保障開關(guān)柜安全可靠運(yùn)行具有重要意義。