规划输变电工程局部放电在线超高频监测方法研究

唐 霞

（国网重庆市电力公司 南岸供电分公司，重庆 401336）

规划输变电工程局部放电在线超高频监测方法研究

唐 霞

（国网重庆市电力公司 南岸供电分公司，重庆 401336）

总结在线监测技术研究传统方法的缺陷，利用扫描法研发在线监测系统，在线检测系统能够在较多电力系统中得到应用，并较好弥补了之前方法存在的不足。

局部放电；在线监测；电平扫描

0 引言

局部放电现象是指在电气设备中外加电压产生足够多的场强，致使绝缘部分发生区域性放电，但没有形成固定放电通道的放电现象。局部放电主要指的是电力设施设备（尤其是高压设备）以及电力设备绝缘在上述条件下的局部区域内的放电。局部放电将致使导体与导体之间的局部绝缘产生短路，进而无法形成导电通道。对绝缘介质而言，每一次的局部放电都会产生一些程度不同的影响。电力设备绝缘产生的影响中，较为轻微的局部放电影响较小，绝缘强度相应下降得比较慢;较为剧烈的局部放电影响较大，绝缘强度下降十分迅速，也会使电气设施设备的绝缘迅速损坏。为避免在正常电压下运行的过程中，高压电力设施设备发生比较剧烈的局部放电，从而影响其正常运行，必须对其进行局部放电在线监测，以便及时监测出高压设备内部局部放电程度与运行状态，便于维修与更换，防止由于局部放电引起的设备不稳定事件与故障的发生。

目前，主要的在线监测电力设备设施内部局部放电的方法为超高频（Ultra High Frequency）在线局部放电监测系统。但是若要广泛应用该系统还需要解决以下几个问题：UHF的局限性主要在于其数据信息处理量大，设备运行状态不能及时做出反应，成本较高，干扰信号影响结果判定等。

本设计研究的是电平扫描式的超高频在线监测系统，该系统在原有传统基础上，弥补了一定不足，主要体现在以下几个方面：最大限度降低了干扰的影响；信息采集就地数字化，实现了数字化通讯，能避免信号衰减的影响；利用多算法进行数据处理，响应速度快，成本低，易于运用。这一系统在维护电网内设备稳定运行与及时监测局部放电信号上，都有重要的意义。

1 设计电平扫描式超高频系统方案

采集通过电平扫描式方式进行，在此基础上，可以设计出超高频局部放电监测系统，如图1所示。该方法设计的在线监测系统主要有以下几个特点。

图1 超高频局部放电在线监测系统图

（1）在现场或者传感器的附近放置扫描采集单元可以就地数字化放电信号，以太网以及工作站可以实现通讯功能。通讯是采用数字信号，最大限度地减小信号衰减，系统便于实现分布式功能，有良好的扩展性能。

（2）在扫描采集单元工作中，单次采集收集到的数据是一个数组，通过工控机与扫描采集单元通讯，在一次完整的采集中，获得的是一个成n行m列的矩阵数据，在信号时域上的特征均能体现在该矩阵包中，通过这些数据可以实现特征量的计算和φ-V谱图、φ-n谱图、φ-V-n谱图的绘制,也可以进行模式识别。

（3）该方法的计算速度较快，能够与高频比较器相配合得到完整脉冲数量的统计。主要是因为其使用的逻辑器件能够实现大规模复杂的编程任务，并且嵌入式处理器也被使用在扫描采集单元当中。

（4）通过该系统可以进行数据的及时处理，并且拥有较为简单的算法。主要是因为通过系统采集的矩阵数据量比较小，另外该系统还可以实现及时的报警与在线监测的实时进行。

1.1 在线检测系统方案设计

由扫描采集单元（由放大滤波、比较模块、多路开关、FPGA等主要元件组成）、工控机、超高频天线组成的电平扫描式的超高频监测系统具有较多的功能，可以通过信号采集从而实现局部放电信号的状态分析，为判断GIS设备的绝缘状况提供依据，能够通过学习手动与在线自动循环两种方式进行局部放电信号的监测，也能够实现储存与查询历史数据，以及查询历史曲线等功能。

在安装天线位置问题上，内置天线与外置天线为超高频天线的两个类型。在安装条件允许的情况下，选择内置天线，主要是因为其在电气设备的内部有较好的屏蔽效果，使信号的接收干扰相对较小。

电平扫描式的核心组成部分是在线监测系统的扫描采集单元，由滤波放大模块、比较器模块、多路开关模块、通讯模块、FPGA共同组成。在组件选择上，本设计选择的是模拟带宽为300～750 MHz的滤波放大器模块，选择12选1的多路开关模块，选择能够与工控机实现通讯的通讯模块，能够进行统计与扫描高频信号的比较器模块和FPGA模块。

1.2 带电检测仪器方案设计

如图2所示，UHF的超高频信号扫描采集单元与可以进行PD人工智能分析的笔记本电脑一起构成了电平扫描式局部放电的带电监测装置。通过网线将电脑连接到超高频信号扫描采集单元上，超高频PD信号利用扫描采集单元进行接收与采集。在扫描采集单元上，对于可以进行独立扫描与采集，并且有独立扫描采集通道的超高频天线，配置的数目为3个。扫描与采集通过超高频天线的扫描采集通道独立进行，可以用于定位放电源。

在线监测在试运行过程中或者运行过程中的电力电气设备就可以采用电平扫描式的局部放电带电监测装置进行。在使用中需要调整超高频天线的频率响应特性，使之在受监测设备的超高频频带中，这样才能够提高灵敏度。通过使用带电监测局部放电的电平扫描式装置，在现场可以选取信号放大倍数，也可以调整天线的耦合频率。

图2 电平扫描式局部放电带电监测装置

1.3 系统设计

1.3.1 超高频天线设计

在局部放电超高频检测进行中，超高频天线是最关键的技术之一，因此其选择尤为重要，要满足以下几个要求：有较好的抑制干扰、良好的信号接收功能；需要有合适的中心频率与带宽；需要有较高的灵敏度，并且驻波比小于2；需要匹配的超高频天线阻抗。因为安装位置的不同，电力检测中将天线分为两类：外置传感器天线、内置传感器天线。内置传感器有较强的抗干扰力，且有较高的灵敏度，但是安装需要在电力设备出厂前完成。外置天线相对内置天线抗干扰能力较弱，容易受外部环境的干扰，但是安装比较简单，具有不影响电气设备的内部电场等优点。在本设计中选用的天线中这两种均有用到。目前，这两种天线广泛地应用在设备现场以及实验室。

（1）微带天线。

微带天线是一种外置天线传感器，适合在局部放电的检测中使用，该天线的中心是390 MHz，天线的工作频带是340～440 MHz，相对带宽在25.6%，属于宽频带天线。微带天线的主要优点是体积较小、重量较轻、剖面较薄，属于线元天线范围，而主要缺点是频带较窄。因为侧面与背面均是金属材料、面对信号接收一面敞开的设计，微带天线更能够减少干扰，在天线方向性上有很大提高。

驻波比是表征天线性能的一个重要参数，其主要用来表述在工程上天线与馈线的相匹配情况，其公式为

图3中的曲线1表示仿真电压驻波比，是利用Ansoft HFSS做出的，曲线2表示通过HP8720D标准分析仪进行实测得到的真实电压驻波比。从图中可以得到，微带天线的中心是390 MHz频率,驻波比的数值小于2时的绝对带宽是340～440MHz，通过实测曲线与仿真曲线的比较可以得到，仿真曲线电压驻波比相对小，效果要好些，在实测中，则有一定驻波比的数值偏差，但偏差处于误差范围内。

图3 微带天线仿真与实测电压

图4 微带天线的方向图（400 MHz）

（2）Hilbert分形天线。

图5是Hilbert分形天线的设计实物图，它的特点是可以通过将变压器放油阀放在变压器的内部作为内置天线，并且体积很小，利用这项功能进行在线监测变压器内部的局部放电。

图5 三阶Hilbert分形天线

如要该天线处于相对较优状态需要将其参数设为如下数值范围：天线阶数n的数m值为3，其外围尺度L的数值为30 mm，电介质板介电常数的数值为4.4，介质板厚度数值为1.6 mm，天线的线宽b的数值为2 mm。图6（a）是处于765 MHz的频率时，分形天线的仿真方向图，从图中可见，该天线具有比较好的三维方向性。图6（b）为在1 GHz频率内，对三阶Hilbert天线进行实测得到的驻波比图，其驻波比数值约1.3，其谐振中心的频率数值为765 MHz，驻波比在谐振频率处通频带处于500～900 MHz时小于5。Hilbert天线能够在进行变压器的局部放电在线监测中满足系统要求，且频率特性良好。

图6 三阶Hilbert分形天线的性能测试图

1.3.2 信号预处理单元

本设计通过在一块集成电路板上同时装设滤波放大电路与多路选择，可以实现通过高频接口SMA_K将超高频天线接收到的信号输入四选一的多路选择单元。本设计在滤波的频率范围上选择处于300～750 MHz范围内，滤波放大模块主要参数见表1，主要是为了减少复杂的现场条件、种类较多的干扰源以及较为强大的干扰信号，从而在硬件上减低与滤除通信干扰与低频干扰。在在线检测中应根据实际情况选择较为合适的放大器进行增益。内置天线情况下一般选择增益为20 dB的放大器，而在外置天线的情况下一般选择增益为40 dB的放大器以免信号衰减严重。

表1 滤波放大模块主要参数

1.3.3 信号采集单元

如图7所示，信号采集单元主要是通过ADCMP567比较器将放电信号进行比较实现信号的采集，并进行信号转化，变为方波信号。在比较中，大于比较电平的放电脉冲部分变为1纳入方波，同时，小于比较电平的放电脉冲变为0部分纳入方波，对数据特征通过FPGA模块进行存储。结合触发电平信号，FPGA模块将在每一个数值为1的高电平上标注时间，从而便于相位信息的获取。

在设计中选用的ADCMP567比较器主要参数为：传播延迟值为250 ps、传播延迟消散值为50 ps、过驱消散数值小于35 ps、等效的输入上升时间带宽数值为5 GHz、脉冲宽度值为200 ps，ADCMP567比较器是超快型的电压比较器。

选用Stratix Ⅱ中的EP2S30系列作为FPGA模块，其具有高达180 k的等价逻辑单元，具有达9 MB的嵌入式存储器容量。FPGA模块性能和密度均极高，其总功率也很好，能够支持1 Gb/s高速差分I/O信号。

采集单元的核心器件就是FPGA与比较器，除此外采集元件还具有通信模块、D/A转换器模块、电源模块等。

图7 信号采集单元

2 结论

（1）本文通过结合统计分析和扫描放电脉冲两种方法，进行了超高频放电信号特征量的提取，设计了能够测量局部放电信号，能够测得局部放电信号幅值、相位、放电脉冲个数等其他特征参数的超高频在线监测系统，该系统可以对电气设备所发生的局部放电事件进行实时的记录监测与分析，获取局部放电存在的φ-V谱图、φ-n谱图、φ-V-n谱图，并且能够跟踪局部放电发展趋势。

（2）由高频放大滤波器、高频比较器、复杂可编程逻辑器件组成的的扫描采集单元，使电平扫描式超高频在线监测系统具有较多的优点，弥补了之前传统方法存在的不足，尤其是具有系统可靠性较高、集成度比较高、成本较低等优势。

（3）通过实验验证电平扫描式超高频在线监测系统功能，验证了该系统具有能在线监测电气设备局部放电，能够长时间连续采集超高频放电信号，能实现提取超高频放电信号的特征量，能实现获取与传统方法提取的谱图基本均一致的局部放电φ-V-n谱图等功能。

（4）在线监测系统为GIS局部放电分布式，具有整体监测能够在现场多放置电监测点的功能；GIS变电站的扫描系统具有绘制出基本特征参数谱图并提取基本特征参数的功能，且可以实现历史查询报警结果与放电监测结果。系统的抗扰效果较好，降低了局部放电信号的畸变与衰减，实现信号的就地数字化。便携式带电检测装置则具有设备体积较小，易于操作等优点。

［1］ 严璋.电器绝缘在线检测技术［M］.北京：中国电力出版社，1995．

［2］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 7354-2003局部放电测量［S］.北京：中国标准出版社，2004.

［3］ 韩小莲．GIS 局部放电检测系统的研究［D］.西安：西安交通大学，1995．

［4］ 覃剑，王昌长，邵伟民.特高频在电力设备局部放电在线监测中应用［J］.电网技术，1997（6）：33-36．

［5］ 李智敏.超高频法检测局部放电研究［D］.西安：西安交通大学，1999．

［6］ 成永红.超高频带局部放电检测研究［D］.西安：西安交通大学，2000．

A Study on the UHF Online Monitoring System for the Partial Discharge in Transmission and Transformation Projects

TANG Xia
（Nan’an Power Supply Branch of Chongqing Electric Power Corporation of SGCC，Chongqing 401336，China）

This article summarizes current online monitoring technologies and studies the defects of traditional methods．Based on the scanning method，it also introduces the development of an online monitoring system which can be applied in power system and make up for the deficiencies of the previous methods．

partial discharge；online monitoring；electrical level scanning

TM85

A

1008-8032（2015）06-0030-05

2014-10-17

唐 霞（1982-），工程师，主要从事规划项目前期管理。