无线超声传感器网络在开关柜局部放电中的在线监测研究*

陈武奋，刘爱莲，李英娜，彭庆军，邹立峰，李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明650500;2.云南电网公司 博士后工作站，云南 昆明650217;3.云南电网公司 昆明供电局，云南 昆明650011)

0 引 言

电力设备的多数故障都是绝缘性故障，电应力作用引发绝缘材料劣化，在机械力、热和电场的共同作用下，劣化缺陷最终发展成为绝缘性故障［1～3］。局部放电是导致开关柜绝缘老化和绝缘故障的主要原因，利用超声波检测方法对开关柜进行局部放电实时检测［4～7］，可以全面掌握开关柜的实时运行状况，并可对之后一段时间内的绝缘状态进行预测，同时根据其绝缘状况采取合适的检修和维护策略，这对保证供电系统的稳定可靠运行尤为重要［8］。2010 年，石家庄供电公司王培义等人利用超声波法对开关柜内部绝缘缺陷进行了长期的在线监测［9］。2013 年，华南理工大学周玲等人利用音频信号处理技术与模式识别分类算法，可对采集到的局部放电超声波信号进行识别分类，从而判断出哪些设备存在绝缘故障并进行及时的检修［10］。

根据楚雄腰站变电站35 kV 开关柜局放监测的工程需要，将3 只超声波传感器安装在开关柜与电缆沟接口上，实现对35 kV 开关柜局部放电实时在线监测与故障预警。

1 超声波传感器检测局部放电原理

开关柜发生局部放电时，在放电区域中，分子间产生剧烈撞击，宏观上产生了声波，频率大于20 kHz 的称为超声波。典型的超声波传感器的中心频率大约在40 kHz 附近，通常固定在开关柜外壳上或开关柜与电缆沟电缆之间的接头处，利用压电晶体作为声电转换元件。当开关柜内部发生放电时，局部放电产生的声波信号传递到开关柜表面，超声波传感器将其转换为电信号，通过放大器放大后传到采集系统。图1 为超声波方法检测开关柜局部放电示意图。其中，路径①为超声信号在空气中以最短的路径传播到柜体内壁，再穿过铁皮到达传感器;路径②为超声波从放电源通过空气直接传到传感器位置，再穿过铁皮进入传感器。

图1 超声波方法检测开关柜局部放电示意图Fig 1 Diagram of switchgear partial discharge detected by ultrasonic wave method

开关柜绝缘介质在加工的过程中，由于工艺和材料的缺陷，绝缘体内会存在杂质或气隙，形成绝缘介质中的缺陷。当外施交变高压时，绝缘缺陷处将发生局部的、重复的击穿。为了分析的方便，将加上高压以后的电气设备中的气隙用等效电容来表示，等效电路如图2 所示。

图2 等效电路Fig 2 Equivalent circuit

每一次局部放电都伴有一定数量的电荷q 通过气隙，将一次局部放电所产生的带电质点所带的正(或负)电荷的总和，称为真实放电量，并且真实放电量将会在介质外部电极上产生一定的电压变化ΔU，放电量Q 与电势压关系为

为模拟实际的局部放电情况，实验的电容、电阻具体参数分别为:Ca=6 800 pF，Ra=2.2 MΩ，Cb=50 pF，Rb=22 MΩ，Cc=1 000 pF，Rc=2.2 MΩ。将各相关参数代入上式得

由上式可知，其超声波信号幅值与放电量呈正比。

2 超声波传感器在腰站变电站35kV 开关柜的应用

220 kV 腰站变电站位于楚雄禄丰县勤丰镇羊街村北面约2 km 的山丘上，海拔高度1 923 m，占地面积2 2876 m2，于2009 年12 月25 日建成投产，是楚雄禄丰地区的重要变电站之一，主供电源由500 kV、平变220 kV 和腰I 回线，220 kV 和腰II 回线供电。

根据楚雄腰站变电站的工程情况和35 kV 开关柜局部放电的监测需求，将3 只超声波传感器安装开关柜和电缆沟之间的接头处进行局部放电的实时监控，每只超声波传感器通过Modbus 总线连接到各自的无线传感器网络(WSNs)基站，通过WSNs 实现无线自组网连接，网关设置在35 kV 高压室内，基站与网关通过2.4 GHz 无线通信协议连接。网关采用RJ45 以态网，通过主控室电缆井连接到主机，可以对现场35kV 开关柜的局部放电的变化情况进行实时监测。35 kV 开关柜无线超声波传感器网络(WUSNs)拓扑图如图3 所示。

图3 35 kV 开关柜超声波传感器拓扑图Fig 3 Topology of 35 kV switchgear WUSNs

根据35 kV 开关柜局部放电的监测需求在超声波传感器选择上选择中心频率40 kHz，采用工业级高精度超声探头，配合高效放大滤波电路，避开变压器、电抗器、电机等的振动频段，有效采集局放超声信号，开关柜超声波传感器布设图如图3 所示，现场的超声波传感器安装图如图4 所示。

图4 超声波传感器现场安装图Fig 4 Field installation diagram of ultrasonic wave sensor

3 开关柜局部放电数据监测

根据腰站变电站的实际情况选取了1#，2#，3#开关柜局部放电数值进行数据处理和分析，所选取的开关柜局部放电变化时曲图参见图5～图7 所示。

图5 1#开关柜局部放电变化时序图Fig 5 Sequence diagram of 1#switchgear partial discharge change

图6 2#开关柜局部放电变化时序图Fig 6 Sequence diagram of 2#switchgear partial discharge change

图7 3#开关柜局部放电变化时序图Fig 7 Sequence diagram of 3#switchgear partial discharge change

1#开关柜局部放电监测半个月内，超声波数值变化比较平缓，最大值为302.8 mV。

2#开关柜在4 月23 日监测过程中出现一个变化较大的跃迁，这是由于在安装传感器的过程中，将传输信号的天线过于靠近超声波传感器，出现了一个干扰源，经后期调整天线的位置后，超声波传感器测量值变化平缓。

3#开关柜在5 月6 日检测过程中，传感器测量值比较大，接近422 mV，并且有进一步增大的趋势，应尽快组织复测，密切关注检测幅值的变化趋势。

4 结束语

电力设备的多数故障都是绝缘性故障，电应力作用引发绝缘材料劣化，在机械力、热和电场的共同作用下，劣化缺陷最终发展成为绝缘性故障，对开关柜的绝缘状况和发展趋势进行在线检测，就能判断绝缘内部是否存在局部缺陷故障。局部放电现象的发生会伴随声的物理变化过程，基于超声波的开关柜局部放电在线检测已被应用作为电力相关部门检测和诊断开关柜绝缘状况的重要手段，通过对超声波传感器在腰站变电站35 kV 开关柜的布设技术。监测数据表明:超声波传感器数值范围为204 ～422 mV。数据的曲线走势一定程度上反映开关柜局部放电的变化，为进一步的电力故障预报提供了有效的支持。

［1］ 陈 刚.声电波检测10 kV 开关柜局部放电检测中的应用［J］.电工技术，2010(7):67-68.

［2］ 李成榕，王 浩，郑书生.GIS 局部放电的超声波检测频带试验研究［J］.南方电网技术，2007，1(1):41-45.

［3］ 杨 圆，李成榕.典型GIS 局部放电超声波信号特征研究［J］.现代电力，2009，26(5):18-23.

［4］ Li Ying.A quick classification for area environmental audio data based on local search tree［C］∥International Conference on Environmental Science and Information Application Technology，2009:569-574.

［5］ 孙晓雅，李永倩，李 天.无线传感器网络在电力系统中的应用［J］.传感器与微系统，2012(6):5-8.

［6］ 宋运平.TEV 及超声波检测方法在开关柜状态检修中的应用［J］.工艺设计改造与检测维修，2012(3):1-2.

［7］ 李书硕，金 鑫，戴 舒.变压器局部放电在线监测综述［J］.东北电力技术，2009(8):37-40.

［8］ 张宇鹏，杨永明，杨承河，等.电气设备局部放电的超声波检测方法［J］.压电与声光，2010，32(3):414-416.

［9］ 王培义，朱伯涛.开关柜局部放电超声波在线检测技术的应用［J］.河北电力技术，2010，3(6):26-27.

［10］周 玲，基于超声波信号的局部放电故障识别算法研究［D］.广州:华南理工大学，2013.