基于空间电磁波检测的电气设备局部放电定位系统

广东威恒电力技术开发有限公司 韩存 刘洪良 何盛全

广东电网有限责任公司佛山供电局 麦洪

0 引言

局部放电是发生在介质中的局部击穿现象，电气设备在工作电压下的局部放电是使绝缘老化并发展到击穿的重要原因，因此局部放电检测对于及时发现设备绝缘缺陷，避免绝缘击穿具有重要意义[1]。而局部放电源的定位则可对设备缺陷进行针对性处理，减小停电时间并提高检修效率。对于敞开式变电站，站内有变压器、互感器、避雷器、导线、套管等多个一次设备，任何一个设备都有可能发生内部的或者外部的放电。目前除了对变压器等大型贵重设备施加局部放电在线监测外，由于成本原因对其余设备基本未施加在线监测装置。而站内任何设备的绝缘击穿都可能会导致事故的发生，威胁电网的安全。因此研究可对敞开式变电站全站设备的放电情况进行检测并进行局放源定位的检测装置，对于设备的安全维护具有重要意义。

局部放电的检测与定位方法目前有超声波法、特高频法等，超声波法在空间的衰减较快，目前主要用于变压器的局放源定位，而不适合于空间定位[2]。特高频法自从英格兰Strathclyde大学提出后，在GIS和变压器局部放电的检测上得到了广泛应用[3]。其基本原理为当介质中发生局部放电时，会辐射出电磁波信号，通过对电磁波信号的检测，从而进行局部放电的检测。

为了对敞开式变电站的全站设备进行局部放电的检测和定位，本文研究了基于空间电磁波信号检测的车载式电气设备局部放电定位系统。其基本思路为通过在检测车的顶部安装四个天线，进行设备产生局部放电时空间电磁波信号的耦合，并计算出放电源的位置。本文对该系统的组成及实现方案进行了阐述，并通过实验室测试证明了该方法的有效性。

1 系统组成

当局部放电发生在设备内部时，如变压器内部的油纸绝缘，一方面放电所产生的电磁波信号可以通过套管向外传播，另一方面电磁波在传播的过程中遇到障碍物或者孔的尺寸与电磁波波长λ相近或小于λ时，会发生明显的衍射现象，此时电磁波会离开直线传播的路径而绕道障碍物背后传播。而局部放电所激发的电磁波具有频率范围广的特点，因此即使是发生在设备内部的放电，也会通过箱体夹缝或者GIS盆式绝缘子等传播出来。

当设备外部发生放电时，如常见的金属尖端、接触不良导致的悬浮电位等，也会产生电磁波信号，与在变压器等设备内部产生的放电不同，此时的放电脉冲前沿要缓，其所激发的电磁波信号频率范围会集中在低频段，这主要是与发生放电所在的介质不同有关。研究表明当介质绝缘强度高时，其所产生的放电脉冲上升沿陡，激发的电磁波信号频率高；而当介质绝缘强度低时，其所产生的放电脉冲上升沿缓，激发的电磁波信号频率低。由此可见，在对整个变电站设备进行监测时，由于放电可能发生在设备内部，也可能发生在设备外部的金属部件中，因此监测频带要求覆盖到整个可检测范围，根据以上分析，传感器采用宽带传感器，其频带范围为10MHz～1GHz。传感器采用圆锥传感器，其结构如图1所示。

图1 圆锥式传感器结构

系统组成如图2所示，其中采集装置采用高速示波器TEK7104，具有1GHz的带宽，2.5GHz的采样率。

图2 监测系统组成

四路传感器可安装在车顶，通过电缆将信号引入到检测车内，示波器、存储硬盘、UPS及上位机位于车内，组成车载式定位系统，如图3所示。

图3 车载式检测系统

整个系统采用车载方式具有使用灵活、检测方便的优点，可沿敞开式变电站的巡检路线行驶进行移动式检测，从而达到多个位置检测和定位的目的，大大提高了定位的准确程度。

2 定位原理

对于本系统，四个传感器架设在一个水平面上，而且对于敞开式变电站，设备距离检测车的距离相对较远，因此设备如果存在局部放电，放电产生的电磁波信号到达传感器的角度区域往往不超过±5°，因此可忽略设备的高度，将设备当做是平面上的一个点进行2-D定位[4]。由于本系统是车载式系统，可在移动过程中不断调整测试位置进行实时测量，因此=采用2-D定位在现场最具有实用性。

2-D平面中传感器的布置和局放源到达传感器的关系如图4所示。

图4 传感器布置示意图

在图4中，①、②、③、④为四个布置在一个平面上，呈现矩形的传感器组，四个天线的中心定义为O点，以此建立笛卡尔坐标系，局放源坐标为（x，y），则有如下方程:

式中c为光速，（xk，yk）为第k个传感器的坐标；tk是放电信号到达第k个传感器的时间，τ是信号发出时刻的时间，则（tk-τ）为信号经过放电源与第k个传感器之间距离所用的时间。

可以看出，局放电磁波到达不同传感器之间的时延（时间差）估计是保证定位计算准确的关键因素。系统采用信号的累积能量法进行时延的计算。

放电产生的电磁波信号可以转化为累积能量曲线来确定信号之间的时间差。累积能量X可以按照如下公式进行计算：

式中：

Vk——信号波形上的第k个点的值。

计算出累积能量X之后，以时间为横坐标，累积能量为纵坐标，做出信号的累积能量曲线，信号时域波形和累积能量如图5所示。信号的能量总是稳定的衰减，所以累积能量曲线最终趋向于水平，其最终的纵坐标值代表了接收天线全部接收的能量。曲线的趋势是，先缓慢上升，然后在一点处开始急剧上升，到最终趋于水平，曲线上出现急剧上升的点称为拐点，此时放电信号开始超过背景噪声。信号时延可以通过比较每条曲线的拐点处的时间得到。

图5 累积能量曲线法估计时延

通过以上方法即可求出时延，并代入式（1）所示方程组，即可求出局放源位置。

3 实验室应用

实验室中采用在一个110kV避雷器作为放电源，将试品避雷器的多片伞裙割破，并将3个铁钉在避雷器垂直等距分布打入避雷器的环氧树脂层，再用扁铜导线将三铁钉连接，与避雷器顶端和底端保持约30cm距离，然后在伞裙上喷水，人为制造一个避雷器外绝缘损坏的放电试品，试品如图6所示。

图6 避雷器外绝缘损坏试品

实验室试验中将避雷器放置在检测系统正前方10m处进行定位试验，同时采用英国DMS特高频局放测试仪进行辅助检测。当外加电压升高到45kV时，本系统和DMS测试仪均检测到明显的放电信号，其中DMS的检测结果为污秽放电；本测试系统所采集到的信号如图7所示。

图7 试品位于正前方时的检测信号

图7a为完整的2μs内的检测信号，图7b为四路传感器检测得到信号的波头部分，可以看出，由于试品处于系统正前方，传感器1和传感器2的信号基本同时到达，传感器3和传感器4的信号基本同时到达。多次测量定位结果为放电方位角为85°～95°之间，定位结果与实际结果基本吻合，其中某单次局放事件的定位图如图8所示。

由于避雷器加压试品的位置固定，此时移动车载检测系统，将天线传感器逆时针旋转90°，进一步测试该系统的定位准确性，如图9所示，某单次局放检测的定位结果为1°～17°之间，定位结果与实际结果接近。

图8 系统正向试品定位图

图9 系统侧向试品定位图

4 结束语

本文研究了基于空间电磁波信号的车载式变电站电气设备局部放电定位系统，该系统采用固定在车顶的四组天线式传感器进行空间电磁波信号的耦合，并利用累计能量法进行时延信号的计算，进而获得放电源与传感器之间的相对位置。实验室检测表明，该系统可对电气设备产生的局部放电进行有效检测和故障定位，由于采用车载式系统，可利用该系统对不同变电站中敞开式设备进行移动式检测，可节约成本，具有较强的工程实用价值。

[1]关志根,何景亮.电气设备的绝缘在线监测与故障维修[J].中国电力,2000,33(3):46-50.

[2]唐志国,李成榕,常文治等.变压器局部放电定位技术及新兴UHF方法的关键问题[J].南方电网技术,2008,1(2):36-40.

[3]Xiao S,Moore P J,Judd M D,et al. An investigation into electromagnetic radiation due to partial discharge in high voltage equipment[C]//Power Engineering Society General Meeting.Tampa,Florida，USA:[s.n.],2007:1-7.

[4]Iliana E Portugues,Moore P J,Ian A Glover,et al. RFbased partial discharge early warning system for airinsulated substations[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2009,24(1)：20-29.