基于TEV法的开关柜局部放电在线监测终端

延野， 钱勇， 曹亮， 舒博， 杨凯， 许永鹏

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.国网上海市电力公司调度控制中心，上海 200240)

基于TEV法的开关柜局部放电在线监测终端

延野1， 钱勇1， 曹亮2， 舒博1， 杨凯1， 许永鹏1

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.国网上海市电力公司调度控制中心，上海 200240)

智能化、低成本、易带电安装是配电网开关柜局放在线监测的发展方向。设计了一种便携式开关柜局放在线监测终端。基于暂态地电压法，实现了实时显示和人机交互，可独立工作，也可根据监测对象数目扩展，自行组网，通用性强。采用ZigBee无线自组网技术，提供数据上传通道，实现与站内监控计算机的数据通信。

暂态地电压；开关柜；局部放电；在线监测；ZigBee

0 引 言

开关柜城市配电网的关键电气设备，其运行的可靠性直接关系到配电网的安全与稳定。随着电网规模的扩大以及变电站自动化水平的提高，状态检修成为开关柜运维的发展方向。绝缘状态检测是实现电力设备状态检修的重要前提，而局部放电则是导致电力设备发生绝缘故障的主要原因，因此对开关柜进行局部放电检测十分必要。

目前开关柜局放检测的主要方法有特高频法、脉冲电流法、超声波和暂态地电压法(transient earth voltage)等， TEV法由于检测原理简单，可靠性好等特点被广泛应用于开关柜局放检测中。随着综合自动化的普及和新兴物联网科技的发展与成熟，无人值班变电站迅速普及，智能化、低成本、易带电安装成为开关柜局放在线监测设备的发展方向。基于此，本文综合传感器技术和ZigBee无线组网技术，研制了一种基于暂态地电压技术的开关柜局部放电在线监测终端[1-2]。

1 TEV检测原理

开关柜内部放电形式主要有高压电极尖端放电、表面放电、内部放电等。放电产生的电荷通常集中在接地点附近的接地金属部位，同时在设备的表壳上形成电流，产生纳秒级的TEV信号[3-10]。

TEV产生原理如图1所示，在空气区域和开关柜金属外壳之间定义一个平面(y=0)，即局部放电激发的电磁波从空气入射到开关柜金属壁的交界面。ε、μ、η分别为金属壁介电常数、磁导率和本征阻抗，利用交界面处电场和磁场切向分量连续的边界条件：

Ei0+Er0=Et0

(1)

(2)

其中Ei0、Er0、Et0分别为入射波电场、反射波电场和透射波电场。对于金属外壳，内部电场为0，故外壳感应电流为：

(3)

电容传感器与开关柜外壳构成平板电容，由于板极间距与面积比足够小，可忽略边缘效应，电容可表示为：

(4)

传感器检测到的暂态地电压信号为：

(5)

图1 TEV产生原理图

通常来讲，35 kV的母线室其金属外壳阻抗约为70 Ω，当母线室因局部放电产生持续时间10 μs大小100 mA左右的脉冲电流时，会出现1～7 V的对地电压，脉冲在内表面进行传播，经屏蔽层不连续处，如开口、垫圈等连接部位传递至外表面再传播至大地。通过在开关柜外表面安装特制电容传感器可以检测到该TEV信号，从而得到设备内部局放情况。TEV检测原理如图2所示。

2 在线监测终端设计

基于TEV信号特征及TEV局放检测原理，完成了基于TEV信号的局放监测终端的电路设计，其结构图如图3所示。通过传感器电路、衰减电路、放大电路、滤波电路、检波电路、A/D转换电路、处理器、通信模块以及电源电路实现了对TEV信号的采集、预处理、模数转换、处理、通信等功能。

图2 TEV检测原理图

图3 监测终端结构图

2.1 衰减电路设计

图4 π型衰减电路

由于变电站电磁信号复杂往往导致采集到的输入信号超过采集电路饱和值，使得监测结果与实际情况发生偏差。为避免该情况的发生，设计一种π型衰减电路以实现对信号幅度的调节，如图4所示。

为使π型衰减电路输入输出特性保持一致，不随衰减量的变化，设计为对称网络结构。故而有：

(R0//R1+R2)//R1=R1=R0

(6)

设计时幅值衰减1/2，特征阻抗50 Ω，选用电阻R1和R2分别为150.5 Ω和37.3 Ω。

2.2 前置放大电路设计

在开关柜局部放电监测过程中，常常会遇到放电信号动态范围过大、小信号由于传播过程中衰减而难以采集等情况，因此设计了一个放大倍数可调的放大电路，同时在放大处理过程中尽量少的引入系统噪声，以配合信号的检波处理。单级放大电路如图5所示。

图5 单级放大器

通过反向放大器，设计一个单级放大倍数为10倍的放大器，电阻比为1:10。将三个单级放大器级联工作，并采用ADG752开关芯片作为选择开关，实现放大倍数10、100、1 000三档可调放大电路。ADG752的两个信号输入口分别对应一个AD8021的输入和输出信号，输出口对应下一级AD8021的输出口，通过控制端口信号的选择作用，选择送入下一级放大单元的信号是否为放大信号从而控制每级的放大倍数。

2.3 滤波电路设计

开关柜局部放电产生的TEV信号频率在3 MHz～100 MHz之间，采集的信号由于电站复杂的电磁环境往往包含其它频段的干扰信号，为此设计一带通滤波电路，利用高通滤波器与低通滤波器的级联实现，如图6所示。

2.4 检波电路设计

通常一个局部放电信号包含了放电的峰值和时域工频相位的信息。要获取所有局放信号中的峰值信息，则要求采样率很高，这对于简易的检测终端而言是不可行的。利用对数检波器将信号所含能量信息转换为电压幅值输出，达到高频信号转换为低频信号输出的目的，且输出信号具有与原信号相似的幅值信息，从而可以通过检波信号来判断局部放电的情况[11]。检波示意图如图7所示。

在局部放电的检测中，传统的检波方式采用二极管实现，但二极管检波会导致信噪比变差，导致检波电路灵敏度大大降低，而且二极管检波电路工作频带较窄，在频带较宽时无法保证在整个频带范围内的一致性。本文设计采用了连续检波对数放大器，很好地解决这一问题。连续检波对数放大器如图8所示，级联一些低增益限幅放大器，将各个输出通过相加器进行相加，最后信号中的中频载波通过低通滤波器进行过滤，从而得到所需的检波信号。

图6 滤波电路设计图

图7 检波示意图

图8 连续检波对数放大器

2.5 A/D采样及处理

ARM系统框图如图9所示。

图9 ARM系统框图

采集到的局放模拟信号通过采样率为10 MHz，14位的模数转换器转换为数字信号，再送至CPLD+ARM构成的数据处理单元。通过CPLD芯片来对AD转换进行控制，并将AD转换的结果直接存入CPLD中，最后LM3S9B96芯片通过8位并行总线读取AD的转换结果，在ARM上实现数据的分析处理与实时显示。ARM在从CPLD接收到每秒钟内TEV信号的峰值数据之后，通过一个数组进行保存。之后通过计算得到一分钟数据的均值、最大值、最小值以及中值，为日后的数据分析提供更多的数据。最后在液晶屏上可以显示出每秒的TEV电压信号峰值，并可通过ZigBee模块将相关信息发送出去。

2.6 ZigBee无线通信

随着物联网技术的发展与日益成熟，无人变电站的普及，数据通信与共享成为新的发展方向。基于此，本文综合智能传感器技术和无线通信技术，在每个监测终端加入无线通信模块，实现终端与上位机的通信。目前的无线通讯技术中，由于蓝牙的覆盖范围10 m不能满足实际要求， WiFi的功耗太大，而红外技术则能使用的节点数太少，因此选用了ZigBee技术。ZigBee模块选用XBee-pro系列，基于IEEE802.15.4协议，内置协议栈，通过串口使用AT命令集方式设置模块的参数，并通过串行接口与单片机进行数据通信，其传输覆盖范围达30 m-50 m。

3 现场应用测试

图10 模拟局部放电试验现场照片

在实验室条件下模拟开关柜局放试验，搭建最常见的缺陷模型——针板放电电极模型，将其置于开关柜内部进行试验，终端及试验照片如图10所示。

读取存储的TEV数值记录表格，如表1所示。

从图10和表1中可以看出，每分钟在针板电极模型两端加一次过电压产生局放时，在液晶屏上可以观测实时TEV数值，其较高红色的红色信号表示检测到局部放电信号，超过报警阈值。分析表1中的数据可以看出，每分钟TEV最大值可达40 dB以上，超过报警阈值(20 dB)。同时，从TEV最小值、中值以及平均值可以看出每分钟放电次数较少，以及背景噪声在4 dB左右。

表1 TEV数值记录表

图11 现场安装运行照片

为进一步检验所设计监测终端的工作可靠性，在某变电站对该局放检测终端进行现场安装运行测试，如图11所示。

采用15个检测终端对该站15面开关柜进行同步监测，典型的示波器监测波形图如图12所示。从图12中可以看出TEV数值在监测期间最大值为13 dB，未达到局放报警阈值。采用特高频法对同一面开关柜进行对比检测(波形图中上方为背景噪声，纵坐标分度值100 mV，横坐标分度值10 ms，峰-峰值153 mV；下方为检测信号，纵坐标分度值100 mV，横坐标分度值10 ms，峰-峰值72 mV)，采集信号波形平稳，未发现局部放电信号，与TEV在线监测终端结果一致。数十个监测终端连续运行，对开关柜持续监测，监测终端运行稳定，监测结果正常。所设计在线监测终端工作性能稳定可靠。

图12 现场运行结果

4 结束语

本文基于TEV法设计了一套局部放电在线监测终端，综合传感器技术、ZigBee技术等极大提高了开关柜监测设备的智能化水平，易带电安装，解决了目前带电检测工作量大的难题。通过现场实测分析，验证了该在线监测终端设计的合理性与可靠性，满足开关柜监测需求，具有较高应用价值。

[ 1 ] 卢国仪，陈立纯，高伟，等. 基于ZigBee技术的开关柜温度在线监测终端设计[J]. 电气自动化,2014,36(5):24-26.

[ 2 ] 秦爱华，王荣扬，罗春潇. 基于ZigBee的高压开关柜温度监控系统设计[J]. 电气自动化,2015,37(1):52-54.

[ 3 ] DAVIES N, JONES D. Testing distribution switchgear for partial discharge in the laboratory and the field[J]. Electrical Insulation Conference Record of the IEEE International Symposium on, 2008(CP 550):716-719.

[ 4 ] 叶海峰，钱勇，满玉岩，等. 基于暂态地电压的开关柜局部放电仿真研究[J]. 高压电器,2013,56(7):13-17+24.

[ 5 ] 李旭涛，周凯，万利，等. 基于TEV法的电缆终端局部放电状态监测装置的研制[J]. 电力系统保护与控制，2013,41(12):98-103.

[ 6 ] 任明，彭华东，陈晓清，等. 采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电[J]. 高电压技术,2010,36(10):2460-2466.

[ 7 ] 曾雄杰，江健武，侯俊. TEV和UHF在10 kV开关柜带电检测中的应用[J]. 高压电器,2012,55(1):41-47.

[ 8 ] 魏振，张强，齐波，等. 高压开关柜典型缺陷局部放电TEV特征的研究[J]. 高压电器,2014,57(2):60-67.

[ 9 ] 叶海峰，钱勇，王红斌，等. 开关柜表面暂态地电压信号频谱特征[J]. 高电压技术,2015,41(11):3849-3857.

[10] 王有元，李寅伟，陆国俊，等. 开关柜局部放电暂态对地电压传播特性的仿真分析[J]. 高电压技术,2011,37(7):1683-1688.

[11] 付作峰.局放信号的高频检波电路设计[D].西安:西安电子科技大学,2011.

An Online Monitoring Terminal for Partial Discharge of Switch Cabinets Based on TEV Method

Yan Ye1, Qian Yong1, Cao Liang2, Shu Bo1, Yang Kai1, Xu Yongpeng1

(1.College of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Dispatchand Control Center, State Grid Shanghai Electric Power Co., Shanghai 200240, China)

Intellectualization, low cost and easy hot-line installation is the development direction of on-line partial discharge monitoring for switch cabinets of power distribution networks. This paper develops a portable on-line partial discharge terminal for switch cabinets. Based on the transient earth voltage method, the monitoring terminal realizes real-time display and human-computer interaction. It has wide universality, for it can work independently or can be expanded according to the number of monitored objects to complete networking on its own. We adopt ZigBee wireless ad hoc network technology to provide data upload channels so as to realize data communication with the monitoring computer at the station.

transient earth voltage; switch cabinet; partial discharge; on-line monitoring; ZigBee

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.034

TM72

A

1000-3886(2017)04-0115-04

定稿日期: 2016-11-07

延野(1991- ),男，山东人，硕士生，研究方向：高电压与绝缘技术。