基于超高频和脉冲电流的变电开关柜局放识别

摘 要：由于变电站运行环境复杂，35 kV开关柜局部放电现象时有发生，因此本文提出基于超高频和脉冲电流的变电站35 kV开关柜带电局放识别。基于超高频法带电获取变电站35 kV开关柜局放产生的超高频信号，结合时延计算进行局放源定位；基于脉冲电流法带电测量变电站35 kV开关柜局放信号的脉冲电流，根据电流计算视在放电量，完成开关柜局放强度的量化识别。试验结果表明，本文设计方法可以有效定位35 kV开关柜局放源，准确识别局放强度，能够满足变电站35 kV开关柜带电局放识别的实际需求。

关键词：超高频法；脉冲电流法；变电站；开关柜；局放识别

中图分类号：TM 854" " " " " " 文献标志码：A

35kV开关柜存在运行环境复杂、设备老化等问题，局部放电现象时有发生。35kV开关柜是电力传输与分配的关键设备，其运行状态直接关系电网的稳定运行和供电质量，对35kV开关柜进行带电局部放电识别与监测具有重要意义。目前，我国学者在局部放电检测方面的研究取得了一系列成果，文献[1]通过脉冲电流法和紫外脉冲法联合检测得到局放信息特征，进而准确识别出局放类型，但是这种联合检测方法难以保证局放检测效率。文献[2]基于光纤外差式干涉原理进行局放源定位，准确性较高且成本低廉，但是这种方法对光源稳定性要求较高，实际应用效果有限。文献[3]利用特高频法进行局放信号实时监测，具有较高监测精度，但是这种方法无法对放电进行定量分析，从而无法确定局放现象的严重程度。针对以上问题，本文研究了一种基于超高频和脉冲电流的变电站开关柜带电局放识别方法，结合时延计算进行局放源定位，根据电流计算视在放电量，最终完成开关柜局放强度的量化识别。期望能够为变电站35kV开关柜带电局放识别技术的发展提供新的思路和方法。

1 超高频法带电定位变电站35kV开关柜局放源

1.1 获取开关柜局放产生的超高频信号

当变电站35kV开关柜出现局部放电时，会引起周围电磁波扰动并逐渐向周围辐射，因此本文基于超高频带法进行变电站35kV开关柜局放源定位[4]。选择能够捕捉局部放电产生的超高频电磁波信号的超高频传感器，其中常见的超高频传感器-单极子天线具有结构简单、带宽较宽和增益稳定等优势。当选用单极子天线时，还需要确定其关键参数[5]，即带宽、驻波比和增益。

带宽决定了天线能够接收的频率范围，根据公式（1）来确定。

（1）

式中：B为单极子天线的带宽；V0为单极子天线周围介质中的相速度；L0为单极子天线的有效长度。

驻波比主要用于衡量天线与传输线匹配程度的指标，过高的驻波比会导致信号反射和能量损失。本文根据公式（2）来确定合适的驻波比。

（2）

式中：γ为单极子天线的电压驻波比系数；λ为单极子天线输入端的反射系数。

增益反映了天线接收信号的能力，增益越高，接收的信号强度就越大。本文主要根据公式（3）来确定增益。

G=10·log（αβ） （3）

式中：G为单极子天线的增益系数；α为单极子天线的方向系数；β为单极子天线的效率。

将上述超高频传感器安装在变电站35kV开关柜上，采集开关柜局放产生的超高频电磁波信号，采集的电磁波信号遵循如公式（4）所示的麦克斯韦电磁场基本理论方程组[6]。

（4）

式中：Δ2为二阶微分算子；ς为开关柜局放产生的超高频电磁波信号的动态标量位；Δ为向量微分算子；σ为开关柜局放产生的超高频电磁波信号的动态矢量位；ρ为电荷体密度；κ为介电常数。

综上所述，本文将单极子天线安装在变电站35kV开关柜上，在开关柜带电运行过程中，当开关柜出现局部放电现象时，就会采集到由局放产生的超高频电磁波信号，为后续的局放源定位提供数据基础。

1.2 基于超高频信号定位局放源

获取变电站35kV开关柜局放产生的超高频信号后，为了进一步确定局放源位置，本文采用基于时延计算的局放源定位法[7]。当变电站35kV开关柜发生局放现象时，产生的局放信号会以电磁波的形式在设备内部传播。由于电磁波在介质中的传播速度是有限的，因此不同位置的传感器接收信号的时间存在差异，即存在时延。此时可根据时延，并结合电磁波在介质中的传播速度，计算出局放源与传感器间的距离。假设变电站35kV开关柜局放产生的超高频信号到达传感器A的时间为tA，到达传感器B的时间为tB，那么时延τAB如公式（5）所示。

τAB=tA-tB （5）

由于超高频电磁波信号在介质中的传播速度是已知的，因此根据公式（5）所求时延，即可进一步计算开关柜局放源到2个超高频传感器间的距离差[8]。

DBA=V·τAB （6）

式中：DBA为变电站35kV开关柜局放源到传感器A和传感器B间的距离差；V为超高频电磁波信号在介质中的传播速度。

进而利用卷尺测量开关柜上布置的2个传感器间的距离D，即可确定局放源的位置，如公式（7）所示。

（7）

式中：D'为局放源与传感器间距离。

如果τAB为正，那么变电站35kV开关柜局放源应位于距离高频传感器A的D'位置处；如果τAB为负，那么变电站35kV开关柜局放源应位于距离高频传感器B的D'位置处，以此进行变电站35kV开关柜局放源带电定位。

2 脉冲电流法带电识别变电站35kV开关柜局放强度

2.1 测量开关柜局放信号的脉冲电流

虽然超高频法可以完成变电站35kV开关柜局放源的带电定位，但是在实际的局放检测中，要判断开关柜的绝缘状态，还需要确定局放的放电量。本文引入脉冲电流法，进一步识别变电站35kV开关柜的局放强度[9]。一般来说，在35kV开关柜中，局部放电产生的脉冲电流信号通常由接地线或高压母线传导。为了捕获这些信号，本文将Rogowski线圈缠绕在接地线或高压母线上，一旦变电站35kV开关柜出现局部放电，产生的脉冲电流会在Rogowski线圈中产生感应电动势。测量这个感应电动势，并结合Rogowski线圈的校准参数，可以计算出脉冲电流。综合考虑变电站35kV开关柜局放识别的成本和精度等多方面因素，本文采用矩形Rogowski线圈进行局放电流检测。已知矩形线圈的感应电动势如公式（8）所示。

（8）

式中：E（t）为Rogowski线圈的感应电动势；ϑ（t）为线圈矩形截面的磁通；Q为线圈的磁感应强度；S为线圈矩形截面的面积；S（t）为随t时间变化的线圈矩形截面面积；t为时间的积分变量。

在公式（8）所求矩形线圈的感应电动势的基础上，利用积分运算即可还原出变电站35kV开关柜局放信号脉冲电流数据，即电流的瞬时值，如公式（9）所示。

（9）

式中：I（t）为变电站35kV开关柜局放时的脉冲电流信号；μ为Rogowski线圈的互感系数。

综上所述，本文采用Rogowski线圈测量了变电站35kV开关柜局放信号的脉冲电流。

2.2 计算开关柜视在放电量

视在放电量主要是指在一定时间内，由开关柜绝缘系统传递到测量回路的电荷量。本文以视在放电量为描述变电站35kV开关柜局放强度的指标。根据脉冲电流法测量变电站35kV开关柜局放时的脉冲电流信号后，本文基于一个能够反映开关柜绝缘系统放电特性的等效电路模型（包括放电源、绝缘介质和测量回路等部分）计算视在放电量。在等效电路模型中，放电源通常被视为一个电流源，所产生的电流与放电强度成正比。绝缘介质是一个阻抗网络，该网络由电阻、电容和电感等元件组成，用于描述绝缘系统在放电过程中的电学特性。测量回路利用Rogowski线圈等传感器获取放电产生的脉冲电流信号。因此，本文在已知测量回路中的脉冲电流信号I（t）的基础上，对脉冲电流信号进行积分运算，即可得到开关柜放电过程中通过测量回路的电荷量，即视在放电量，如公式（10）所示。

（10）

式中：F为变电站35kV开关柜局放的视在放电量；T1、T2分别为变电站35kV开关柜局放现象开始和结束的时间。

如公式（10）所示，变电站35kV开关柜实际局部放电过程非常短暂，本文在时间窗内进行脉冲电流信号的积分运算，求得视在放电量，进而量化识别局放强度，即所求视在放电量数值越大，表明变电站35kV开关柜局放强度越高。如果视在放电量持续增大，就表明开关柜内部绝缘系统存在严重的劣化现象。

3 试验分析

3.1 试验设置

上文完成了变电站35kV开关柜带电局放源的定位与局放强度的量化识别，为了验证该方法的有效性和正确性，本节将在实验室内建立一套可模拟变电站35kV开关柜各种局放源位置和局放强度的带电检测实验平台，进行带电局放识别试验。以我国变电站常见的35kV开关柜为试验对象，其具体参数指标见表1。

基于表1所示35kV开关柜，采用局部放电检测仪、超高频检测仪、脉冲电流检测仪和升压装置等设备，搭建本次35kV开关柜带电局放识别实验平台，并调节局放模块在开关柜电场中的位置与控制试验电压，来模拟不同局放源和不同局放强度的35kV开关柜局部放电现象。

3.2 局放源定位结果分析

在上述实验平台中进行变电站35kV开关柜局放源的定位试验，即使局放模块位于35kV开关柜一段母线C相通管附近，模拟开关柜局放源。在试验过程中，分别在35kV开关柜一段母线的A、B和C三相处设置超高频传感器，采用超高频检测仪获取各传感器监测的局放超高频信号，局放源超高频定位波形图如图1所示。

从图1可以看出，当利用超高频法对变电站35kV开关柜进行局放识别时，开关柜超高频信号的时域形态出现明显震荡现象，说明该35kV开关柜存在局部放电现象。与此同时，C相处设置的超高频传感器的监测波形在时间上明显比A相与B相波形超前，并且超高频信号更强，表明局放源靠近C相传感器，即位于35kV开关柜一段母线的C相附近，与实际情况相符。因此，超高频法可以有效、准确地定位变电站35kV开关柜局放源。

3.3 局放强度识别结果对比

在上述实验平台中进行变电站35kV开关柜局放强度的量化识别试验。以本文设计方法为试验组，以基于特高频法的变电站35kV开关柜带电局放识别方法和基于超声波的变电站35kV开关柜带电局放识别方法为对照组。在试验过程中控制试验电压，模拟不同强度的35kV开关柜一段母线C相局部放电现象，并分别采用试验组方法与对照组方法进行局放放电量的量化识别，具体识别结果与实际数据对比情况见表2。

从表2数据可以看出，在变电站35kV开关柜局放强度的量化识别中，与对照组方法相比，本文设计方法所得识别数据与实际放电量数据间偏差更小。具体来说，在本文设计方法下，不同局放放电强度的量化识别结果的误差均在1pC以下，平均相对识别误差仅0.4763pC，比对照组2种方法分别降低了1.3912pC、2.0975pC。因此，本文设计方法识别精度与稳定性在3种方法中最高，可以满足变电站35kV开关柜带电局放的实际识别需求。

4 结语

本文深入研究了基于超高频和脉冲电流的变电站35kV开关柜带电局放识别技术，基于脉冲电流法带电测量变电站35kV开关柜局放信号的脉冲电流，根据电流计算出视在放电量，经过理论分析与试验验证，对开关柜局放源的准确定位与局放程度进行了量化评估。本研究不仅为变电站的运维管理提供了有效的技术支持，也为局部放电检测领域的研究提供了新的思路和方法。未来，本文将进一步优化算法，提高检测精度和实时性，并探索更多先进的传感器与数据处理技术，以期在复杂多变的电力环境中进行更精准、可靠的带电局放识别。同时，本文也将关注新技术在电力系统其他领域的应用，为电力系统的安全、稳定运行贡献更多力量。

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