基于TEV传感器与TOA算法的高压开关柜局部放电定位方法的研究

麦茜坚 钟 悦 唐 明 李洪杰

（1.广西电网公司梧州供电局，广西 梧州 543002；2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

高压开关柜广泛用于变电站中，其内部装有电缆接头、避雷器、电流互感器、开关等多种一次配电设备。这些设备在长期运行中由于受到电、热、化学及异常状况影响，导致绝缘强度降低。近年来在配网开关柜中的许多突发设备事故，多是设备绝缘问题所致。为此，以暂态地电压（TEV）为代表的高压开关柜绝缘状态带电检测技术得到大量的研究与应用[1-3]。文献[4-5]采用时域有限差分法（FDTD）对TEV 信号在开关柜中的传播特性进行仿真，分析了开关柜内部各种部件对电磁波传播的影响规律。文献[5]从波形分布、波形形态、放电幅值与放电相位等方面将TEV 检测法与传统脉冲电流法进行比对，认为TEV 法与脉冲电流法具备等效性。文献[6]以针板放电、内部放电、沿面放电与悬浮放电等4 种模型验证TEV 法检测在开关柜局部放电检测中的合理性。文献[7]基于FDTD 算法对局部放电所产生的超高频电磁波在开关柜中的传播特性，研究各种放电模型的局部放电信号传播规律。此外，超声波传感器、超高频传感器、高频电流传感器等在开关柜等电力设备的联合检测中也得到大量应用[9]。

TEV 法检测的基本流程可分为巡检与定位两个步骤。巡检时先比较相邻开关柜的TEV 检测幅值，若某开关柜的检测信号值大于相邻开关柜且明显大于背景噪声值，则该开关柜可能存在局部放电点，需进一步定位确定。对疑似局部放电点的定位，一般有两种手段。第一种手段通过判断幅值的大小实现，其基本逻辑为：距离放电点越近，放电幅值越大，距离越远，幅值越小。但这种方法只能定性检测，较难定量分析，再加上电磁波在开关柜内部传输的过程中，折射与反射分量叠加到原始信号波形上，增加了准确定位难度。第二种方法通过判断局部放电信号到达各传感器的时间差，根据信号脉冲序列的时间差定位[10-12]。目前的高压开关柜局部放电定位设备一般通过模拟电路判断局部放电信号的上升沿，根据上升沿的时间差进行定位。但这种方法存在信号无法保存、原始信号无法重现以及易于被干扰信号误触发等缺点。为解决上述问题，本文通过采集原始时域波形信号特征，基于时间差（TOA）法实现局部放电点自动定位。本文首先采用阈值法、能量法、AIC 法与Gabor 法自动提取局部放电信号序列的波前时刻，然后根据各采样通道的波前时刻确定时间差，以时间差定位局部放电点。放电脉冲具有统计规律，每个工频周期内有大量的脉冲，定位结果以统计结果为准。本文作者首先在实验室对所开发的算法进行测试，然后变电站现场对一面存在放电的开关柜进行定位，结果表明，放电点位于该开关柜上部间隔的母线处，停电检修的结果印证了现场检测结论。

1 局部放电定位算法

本文利用放电信号传递传播到不同传感器的时间差对局部放电源进行定位，传感器的放置位置示意如图1所示，图中A、B、C、D 四个传感器限定了疑似放电点所在开关柜的中部间隔，通过时间差可分析局部放电点是否存在于开关柜中部。算法基本流程为：①提取背景噪声特征，根据噪声特征，对采集的信号去噪；②提取去噪后的局部放电脉冲；③根据阈值法、能量法、AIC 法与Gabor 法分别确 定每个采样通道局部放电脉冲的波前时刻；④根据波前时刻获取任意两个采样通道之间的时间差；⑤根据时间差定位局部放电点。

图1 TEV 定位示意图

局部放电点定位算法是否准确，主要在于脉冲个数提取算法以及脉冲波前时刻的确定算法是否合理。

1.1 脉冲提取算法

提取脉冲算法的主要思想为：设定时间宽度可调的窗口，根据阈值提取脉冲。

1）窗口的采样点数与采样频率有关，当采样频率比较高时，可将窗口设小些；当采样频率比较低时，可适当增大窗口，本文窗口时间设定为1μs。

2）获取每个通道的数据总长度N，设定阈值，初始化循环变量i，设置初始标志位flag=0。

3）在时间窗中移动，如果窗口中的值大于阈值，则获取脉冲波前时刻，将标志位flag 修改为1，脉冲个数加1，接着移动变量i，直到找到脉冲结束位置索引，置flag=0。以此方法遍历所有通道的采集数据，找出所有脉冲，其流程如图2所示。脉冲个数提取完毕后，就可确定脉冲的波前时刻。

图2 脉冲提取框图

1.2 波前时刻确定算法

在局部放电定位的实际应用中，波前识别的准确与否成为确定放电位置的关键因素，常见的提取波前的方法有能量法、阈值法、Akaike Information Criterion 法（AIC）、Gabor centroid 法等，本文分别采用这几种方法提取局部放电脉冲的波前时刻。

1）阈值法

阈值法寻找信号xk波前时刻，首先定义一个阈值xthr，在所采集信号中大于该阈值的第一个点即为所找到的脉冲波前时刻。阈值的选择与当前背景噪声有关，一般选取规则为

式中，m为用户所选参数，Pn为当前噪声的功率。

2）能量法

能量法基于信号的能量查找局部放电的波前时刻，其基本原理是假设在信号到达时刻信号的能量会发生变化。该方法将信号数据进行能量转换，获取能量累积曲线，认为能量拐点即为局部放电信号波前时刻。

以一维离散信号x为例，其长度为N，则信号的能量定义为

式中，k为采样信号的点数。

当添加一个负的趋势δ时，有

此时S′的全局最小值即可代表信号的到达时间，而δ可由下式求取

上式中引进了一个因子α来减小δ的延迟效应，一般情况下可取为1。当信号具有较高信噪比时，α应当视情形增加。

信号的全局最小极值点由下式计算：

能量法需要在包含整个脉冲并事先确定的时间窗内进行。若同时对多个脉冲使用能量法确定波前时刻，由于脉冲有强弱之分，能量曲线上幅值过低的脉冲所对应的全局最小值可能无法确定，故通常将脉冲单独提取，再进行分析。

3）Gabor 法

Gabor 定义的脉冲波前时刻为

4）AIC 法

AIC 方法是一种衡量统计模型拟合优良性能的标准，可权衡所估计模型的复杂度和模型拟合数据的优良性。分步AIC 方法首先从脉冲信号中提取特征函数波形CF，为了可以同时反映脉冲信号的幅值与频率变化，CF曲线的提取形式如下表示：

观察得到的CF 曲线，选取该时刻的一个邻域，计算每点的AIC值，并得到AIC特征曲线为

式中，k为从1 到N之间的值，N为采样总数。σm2,n为信号xk从下标m到n的方差。

对每个点计算AICk值，则波前时刻t为所有AICk中最小值对应的位置。

1.3 放电点定位算法

脉冲提取以及波前时刻确定完成后，可得各采样通道的波前时刻数组，假定传感器A 与传感器B对应采样通道的波前时刻数组分别为A=[x1,x2,x3,…,xn]，B=[y1,y2,y3,y4,…,ym]。传感器A 第一个脉冲的波前时刻x1与传感器B 中所有脉冲的波前时刻的时间差为：Δt11=(x1-y1)，Δt12=(x1-y2)…Δt1m=(x1-ym)，得到数组Δt1=[Δt11,Δt12,Δt13,…,Δt1m]。同样的，传感器A 的第二个脉冲x2与传感器B 中所有脉冲的波前时刻的时间差为数组Δt2=[Δt21,Δt22,Δt23,…,Δt2m]。最后得到n个时间差数组，但是每个数组中的数值只有一个是合理的，即上述n*m个数据中，有一个时间差的值将占统计数据的最多数。其余几个通道两两寻找时间差，最终将获得局部放电点的位置。

1.4 实验验证

算法实现完毕后，首先考察算法的准确程度，采用信号发生器产生正弦波、方波、锯齿波与高斯脉冲，信号频率均为10MHz，采样点数均为2500点。四种波前时刻算法确定的正弦波波前时刻如图4所示，人工分析该波形，可认为最准确的波前时刻应位于1250 点处，阈值法、能量法、AIC 法与Gabor 法确定的正弦波波前时刻分别为1247、1252、1214 与1253。对图3所示正弦波，在四种波前时刻的确定算法中，能量法准确程度最好。而方波、锯齿波以及高斯脉冲的波前时刻，也是能量法准确程度较其他方法要高，见表1。

在实验室中采用缺陷模型产生局部放电信号，波形如图4所示，从图中可见，波形有一段非常明显的起始空白区域，有利于判断波前时刻。定位算法对两个通道的数据进行脉冲提取、波前时刻确定以及时间差计算。自动定位实验进行50 次，对50组数据进行统计，其统计结果见表2。实验时，两个传感器的距离为60cm，对应的两个传感器采集通道的时间差为2ns，当时间差计算误差大于10%时认为结果有误，从表中可见，在50 次计算结果中，能量法计算正确的次数为49 次，正确率为98%。

图3 信号发生器产生的正弦波波前时刻

表1 各算法确定的波前时刻

图4 局部放电脉冲波形

表2 基于四种方法的定位结果

2 局部放电现场检测

现场检测系统具有4 个采样通道，如图5所示。首先检测站内的背景噪声，站内空气的噪声为30dBmV，与开关柜无接触的金属门背景值为39dBmV。开关柜的TEV 传感器及超声波传感器部分检测结果如表3所示。从表中可见，检测数据具有背景噪声较小与数据横向变化明显等特征，为查找疑似存在局部放电的开关柜提供了便利。编号为3017 的开关柜TEV 信号幅值已超量程，由于放电幅值很大，电磁波传输到相邻开关柜衰减后其幅值依然很大，因此与相邻开关柜之间的检测数值差异不明显。但超声波信号与相邻开关柜的读数差异则比较明显，3017 开关柜的幅值最大，与其相邻的开关柜幅值逐步降低。因此，初步怀疑该开关柜存在放电现象，接下来对该开关柜具体的放电间隔进行定位。

图5 检测装置框图

表3 部分开关柜的TEV 以及超声幅值

传感器放置如图6所示，检测波形如图7所示，从图中可见，信号先传输到通道B 与通道C 对应的传感器，然后再继续传播，到达通道A 与通道D 对应的传感器。通道B 与通道C 之间的时间差约为1.2ns，而通道A 与通道D 的时间差约为1.5ns，对应的空间距离不超过40cm。这说明局部放电信号从该开关柜内部传出，自动定位算法的结果如表4所示，可见，四种定位算法均表明该开关柜存在局部放电信号，其中能量法判断为局部放电信号的占比最高。为了定位放电信号的具体间隔，传感器位置如图8所示，检测波形如图9所示，从图中可见，通道A 与通道B 的到达时间差相等，通道C 与通道D 的到达时间差相等，而通道A、B 与通道C、D之间具有一定时间差，说明放电信号并未在传感器所框定的间隔内，而是从该开关柜的中部或上部传输而来。自动定位算法的结果如表5所示，每种算法测试20 次，四种TOA 定位算法均认为所测试信号为干扰信号，即信号不是从传感器限定的区间产生，而是从区域外部传入。接下来对上部间隔进行检测，因作者身高有限，只能将传感器放置到该开关柜的中部与上部一部分，如图10所示。信号波形如图11所示，可见信号先传输到通道A 对应的传感器，然后同时到达传感器B 与传感器C，最后才到达传感器D。可以说明，放电点应位于该开关柜的上部间隔。自动定位算法结果如表6所示，四种TOA 定位算法均认为信号从传感器限定的区间产生。

图6 开关柜局部放电电定位

图7 图6对应的检测波形

表4 四种方法图6定位结果

图8 开关柜下部放电间隔定位

图9 图8对应的检测波形

表5 四种方法图8定位结果

图10 开关柜放电上部间隔定位

图11 与图10对应的检测波形

表6 四种方法图10定位结果

3 解体结果

在获得停电计划后，作者对开关柜进行解体检查，发现1 号站用变柜与出线仓间的穿柜套管内用弹簧将母排与穿柜套管屏蔽层搭接，因弹簧生锈与腐蚀断裂失去弹性导致母排与套管不能可靠连接发生放电，逐渐腐蚀使得母排与套管内屏蔽层连接线断裂脱落，如图12所示。本文的检测结论与解体结果相符。

图12 解体结果

4 结论

开关柜局部放电带电检测是及时发现开关柜内部绝缘缺陷的重要手段，定位缺陷位置是提高检测效率的关键方法。本文基于四种波前时刻计算方法实现局部放电定位，在实验室与现场进行测试验证。从应用效果可看到，在四种方法的定位结果中，阈值法效率高，但阈值选取是否准确成为检测成功的关键因素，能量法定位的准确率最高。

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