基于TEV 检测的10 kV 开关柜中局部放电定位方法

李锐鹏，吴英俊，刘 鹏，邢 雅，李洪杰

(1．西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安710049;2．国网浙江省电力公司 宁波供电公司，浙江 宁波315016)

0 引言

开关柜是配电网络的重要组成部分，对开关柜进行局部放电检测能发现设备早期绝缘缺陷，避免重大事故发生［1～3，7］。

局部放电发生时会伴随多种多样的物理现象，因此局部放电检测方法也多种多样［4］。其中，基于电磁波检测的暂态对地电压(Transient Earth Voltage，TEV)法以其灵敏度高，抗干扰能力强，且属于非侵入式等诸多优点被国内电网公司广泛应用于开关柜局部放电检测工作［4～6］。

当前对电力设备局部放电检测主要涉及放电强度、放电类型和放电定位这3 个方面内容［7］。在确定有放电发生的情况下，准确定位放电源意义非凡。由于TEV 法是基于电磁波原理的方法，设置多传感器通过检测各传感器接受电磁波信号时间差可以判断放电源的位置［1，7～9］。

目前市场上TEV 检测设备很多都提供了定位功能，但现场应用效果表明，这些设备还存在诸多不足，甚至有定位不准确的情况。究其原因主要是对信号到达时间先后判定上存在误判。时间差的准确高效判定是决定定位效果的最主要因素。

本文在介绍TEV 检测原理和开关柜放电定位基本方法的前提下，介绍一种高效的放电脉冲自动提取方法和时间差自动确定方法，并以此为基础开发了一套能够自动提取脉冲，准确判断信号时间差的TEV 检测及定位系统，并在实验室中验证了本文方法的可靠性。

1 局部放电的TEV 检测及定位原理

1.1 局部放电的检测

当高压开关柜内部发生局部放电时，将产生电磁波并向各个方向传播，并且高频电磁波将在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等金属屏蔽不连续处传播出去，同时沿着柜体外表面传播，并在柜体表面产生一个暂态对地电压(TEV)。因此通过电容传感器耦合该TEV 信号就能获知局部放电的相关信息［3～6，10］。

1.2 局部放电的定位

开关柜内某处发生局部放电时，会以放电点为中心，以球面波的形式向空间发射电磁波。放电源与传感器之间的射线的实际轨迹就是使光程(电磁波传播的距离)取极小值的曲线［8］。通过4个传感器同时接收放电信号从而获得两两之间3组信号时间差来确定放电源的具体空间坐标。

以图1 为例，若记放电源P(x，y，z)到各传感器Si(xi，yi，zi)(i=1，2，3，4)的传播时间为ti，则有

式中:c 为光速。

图1 开关柜局部放电定位示意图

以其中一个传感器为基准(不妨选信号最先到达的传感器为1 号)，则其他传感器所得信号Si相对于参考传感器电信号S1之间的时间差为t1i=ti-t1(i=2，3，4)。进一步的可以得到式(2)的方程组。

其中:i=2，3，4。

将测得数据代入式(2)中，通过求解方程组即可得到放电源P 的准确坐标。

从上述定位原理可以看出，准确确定信号到达的时间差是准确定位放电源的决定因素，是评估一个定位方法的核心问题。

2 信号自动提取方法与匹配

显然要想准确确定信号到达时间差首先要准确提取信号脉冲。实际应用中为避免干扰等其他因素影响，通常采取采集若干周期信号进行统计分析的方法。不可避免采集时间内会有多个局放脉冲，对每一个放电脉冲利用定位方法进行定位，将最后结果进行统计，从而得出最优的放电源位置坐标。

实验统计结果表明，对于单一的局放脉冲其持续时间大于350 ns 小于800 ns，并且相邻的局放脉冲之间的时间间隔一般大于1 μs，而干扰脉冲一般小于50 ns，因此可以选取一个长为500 ns，宽为阈值的时间窗沿时间轴滑动，以图2 为例，当某一点(A 点)落入时间窗后，表明该点为脉冲的起点，根据时间窗内数据大于阈值的百分比可知脉冲的持续时间，从而判断是否为干扰信号，若是，则继续向右滑动，否则，选取如图所示的虚线框确定的时间范围的数据利用定位方法进行定位，然后将时间窗的起点移至虚线框末端，继续沿时间轴移动，进行下一个脉冲的判断［11］。

图2 开关柜局部放电定位示意图

当某一通道传感器的脉冲提取出后，另一个问题是如何与对应的其他通道脉冲匹配，也就是说如何使提取的每个通道的脉冲对应同一次放电。仔细分析开关柜的结构可以发现，开关柜最大尺寸不超过2 m，也就是说通常用于定位的传感器相互之间距离不会超过2 m，而2 m 对应的电磁波传播时间约为6．7 ns，根据前文相邻的局放脉冲之间的时间间隔一般大于1 μs，远大于6．7 ns，因此在某一通道脉冲提取出后前后各延伸大于10 ns的时间长度，则与之对应的其他通道放电脉冲也必将包含在内，与此同时也自动的将其他放电引起的脉冲排除在外。可见前文所述的脉冲提取方法能够有效地实现放电脉冲的自动提取与匹配。

3 信号到达时间差确定方法

3.1 阈值法

目前市场上常用的TEV 检测系统所采用信号到达时间确定方法为阈值法。阈值法［9］是最简单且易实现的一种起始点检测方法，把信号中超过某个阈值水平的点作为信号的起始点。其阈值可由式(3)定义。

式中:xthres为阈值，V;Pn为噪声功率，W;m 为用户可选择的参数。

显然从式中可以看出影响阈值法精度的两个重要因素是噪声和m 值的选取。尤其m 为人为选取，一方面其定位自动化程度不高，另一方面当噪声水平一定时，其定位准确性受m 值影响很大。

以图3 所示为例，这是实际测量所得的一组2路TEV 信号。选择不同的m 值，使得阈值xthres分别为10 mV 和30 mV，很明显看出二者将得出完全不同的时间差结果，其中阈值选为30 mV 其结果显示A 波领先B 波50 ns 左右，这与实际情况严重不符，这也是很多检测设备现场定位误判的一个很重要原因。

图3 一组2 路TEV 信号波形

可见，采用阈值法进行时间差计算时存在明显不足。

3.2 Akaike 信息准则法

Akaike 信息准则法［12］(Akaike Information Criterion ，AIC)表示任意一个时间序列可以分离成静止的片段，且每一个片段皆可建模为一个自回归过程，在脉冲到来与结束时自回归系数(AR)的值或顺序的改变以一个全局最小值的形式指明脉冲起始时间。AIC 法在地震学中应用较为广泛。

长度为N 的一维局放信号x，其AIC 定义为式(4)。

图4 一个典型TEV 信号的AIC 分析

另一方面从式(4)还可以看出AIC 法确定时间差的运算过程不涉及人工选取参数的环节，也就是说其求解过程可以实现完全的自动化，因此结合自动提取脉冲方法，可以实现智能的信号脉冲提取与时间差精确确定自动化过程。

4 测量系统的组建

4.1 传感器

本文使用的地电波传感器为EA 公司生产的PDL1 所配带的探头，如图5 所示。该探头的主要参数如下:(1)带宽BW(-3 dB):3～80 MHz;(2)输入阻抗:50 Ω;(3)最大灵敏度:1 mV。

图5 TEV 传感器外观

4.2 数据采集单元

本文采用的数据采集卡为英国PicoTech 公司的PicoScope 6000 系列产品中PicoScope 6402，如图6 所示。这是一款优秀的四通道数据采集卡，具备出众的采样与信号调理功能，四通道同时运行时的每通道采样率可高达1．25 GS，即可以分辨0．8 ns 精度的时间差。因此理论上可以定位30 cm以内的放电位置。其数据接口采用高速USB2．0接口，能够很容易与计算机构成便携式的局放测试系统。

图6 PicoScope 6402 外观

4.3 计算机系统

本文采用的计算机系统为Lenovo X210e，其CPU 主频2 GHz，机身内存1 GB，能够较快处理采集的数据。

计算机系统所使用的软件系统是用Visual Basic 6．0 编写的可视化应用界面。该软件集信号采集、数据处理及放电源定位等功能于一体，相较于传统的TEV 测试系统，通过选择工作模式，该系统能够采集并处理采集卡所获取的双通道或四通道TEV 波形数据，并利用前文所述的方法进行自动提取脉冲，利用Akaike 信息准则法实现时间差的自动求取，然后利用定位原理给出参考放电源位置。

其从采集到结果输出实现了高度的智能化和自动化，可为现场的测试工作提供很大便利。图7 为该测试软件在双通道工作模式下的基本界面。

图7 测量软件界面

5 试验测试分析

本文利用所组建的测试系统在实验室进行了试验验证，并将测试结果与传统设备的阈值法结果进行对比。

5.1 试验方案

为了更好地验证本文测试系统所用的AIC 分析求取时间差的准确性。采用了如图8 的传感器布置策略。

图8 试验布置示意图

将4 个传感器等间距排开，相间约60 cm，放电源放置在A 通通左侧，因此理论上测得的信号到达顺序应为ABCD，并且相邻信号时间差约为2 ns。即BA，CA 以及DA 的时间差理论值为2 ns，4 ns，6 ns。

5.2 试验结果分析

在5．1 试验布置下，用本文组建的测试系统进行测试，得到一典型实测图，如图9 所示。

从图中可以看出测试结果从时域波形图上能够直观地看出信号到达顺序为A-B-C-D，且相邻通道时间差基本一致。对该试验数据利用本文的Akaike 信息准则法和传统的阈值法进行时间差分析分析，所得结果如表1 所示。

图9 一个典型的实测信号图

表1 3 种方法求得的信号时间差 ns

结果显示，利用AIC 法和阈值为5 mV 的阈值法所得结果与理论值是比较接近的，这里存在误差的原因一方面是电磁波传播过程的复杂性造成的，但更主要的原因是所用采集卡采样率造成的，在1．25 GS/s 的采样率下采样时间间隔只有0．8 ns，在这样的精度下可以认为试验结果与理论值是一致的。

此外无论从时域波形上还是阈值法计算结果显示，在以10 mV 为阈值的情况下所表现的时间差与实际均存在严重的偏差。可见阈值法的测试结果在不合适的阈值下存在误判情况。

综上，利用AIC 法能够智能的实现信号时间差的自动计算，提高了测试系统的自动化程度，具有优良的现实应用价值。

6 结论

本文基于TEV 法的开关柜局部放电定位方法为主要内容，介绍了一种自动提取脉冲的方法。对比分析了传统测试仪器局放定位所用的阈值法与本文提出的Akaike 信息准则法。结果表明后者具有更佳的时间差确定精度同时兼备了高度的智能化过程。基于此组建了包括传感器、高速采集卡以及可视化信号处理软件的10 kV 高压开关柜局部放电检测系统，实现了地电波信号的采集、显示、信号时间差准确求取，完成了局部放电源的快速可靠定位，克服了目前传统检测设备存在不能可靠定位的问题，并且从采集到定位相较传统方法具有高度的智能化、自动化。实验室试验结果表明，本文所提出的局放自动定位方法和基于此的测试系统具有较高的智能度与准确度，值得推广应用。

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