霍 天， 吳振升， 桂俊峰

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)

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高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電聲-電聯(lián)合定位方法研究

霍 天， 吳振升， 桂俊峰

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)

高壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)生局部放電預(yù)示存在絕緣缺陷，本文對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電的定位方法進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)室搭建了電暈放電模型，使用超聲波傳感器采集由放電引起的超聲波信號(hào)、高頻電流傳感器(HFCT)采集局部放電經(jīng)過(guò)耦合電容產(chǎn)生的高頻電流。根據(jù)超聲波相對(duì)高頻電流的延遲時(shí)間進(jìn)行定位，放電信號(hào)數(shù)據(jù)由示波器與PC端通信，通過(guò)USB方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，采用LabVIEW程序?qū)ζ溥M(jìn)行濾波處理、波形分離分析得到放電點(diǎn)的精確位置，試驗(yàn)表明該方法具有較高的精確度。

開(kāi)關(guān)柜；局部放電定位；超聲波；HFCT；示波器；非線性規(guī)劃算法

0 引言

變電所開(kāi)關(guān)柜由于絕緣缺陷會(huì)發(fā)生局部區(qū)域的放電，經(jīng)過(guò)一定階段缺陷處就會(huì)由短間隙局部放電發(fā)展到長(zhǎng)間隙擊穿，影響到一次設(shè)備的絕緣[1]。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，不同設(shè)備中空氣或間隙的放電都可視為典型電暈放電，電暈放電是電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)的一種放電類型[2]。放電常伴隨超聲波、電磁波、脈沖電流等現(xiàn)象，對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行采集捕捉能比較清晰地觀察放電的信息，目前采用超聲波、暫態(tài)地電壓(TEV)、高頻電流傳感器(HFCT)等檢測(cè)方法最為廣泛[3，4]。

國(guó)內(nèi)外很多文獻(xiàn)與研究工作多以TEV的方法對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行檢測(cè)，但目前TEV只停留在檢測(cè)與數(shù)據(jù)發(fā)掘研究范圍，對(duì)通過(guò)空氣傳播電磁波信號(hào)的規(guī)律研究不成熟[5]。HFCT檢測(cè)主要是耦合接地線中的電磁波形成高頻電流，不需考慮空氣傳播規(guī)律，所以本文采用超聲波與HFCT相結(jié)合的方法，以聲-電聯(lián)合進(jìn)行定位。

HFCT采集的是高頻電流信號(hào)，由局部放電產(chǎn)生的電磁波引起，而電磁波傳播速度遠(yuǎn)大于聲波速度，因此將HFCT信號(hào)作為定位的基準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)。超聲波傳感器抗干擾能力強(qiáng)，傳播速度以聲速傳播，因此采用聲-電聯(lián)合方法能精確檢測(cè)到延遲間隔，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

1 局部放電檢測(cè)技術(shù)

1.1 超聲波法檢測(cè)

當(dāng)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，內(nèi)部的空氣分子發(fā)生劇烈碰撞，空氣分子由于碰撞發(fā)出頻率大于20 kHz的超聲波[6]，超聲波信號(hào)在空氣中以等值波速傳播，通過(guò)40 kHz中心頻率的超聲波傳感器就可以檢測(cè)出放電信號(hào)。超聲波傳感器為壓電陶瓷式傳感器，當(dāng)傳感器接收到超聲波信號(hào)時(shí)，壓片受力上下極板分別集聚正負(fù)電荷，此時(shí)傳感器等效為帶電荷的電容器，通過(guò)電荷放電可以檢測(cè)出超聲信號(hào)波形[7]。

1.2 HFCT法檢測(cè)

為了滿足絕緣的要求，開(kāi)關(guān)柜一般采用有效接地的連接方式。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，由放電引起的高頻電流通過(guò)雜散電容效應(yīng)流入到接地線纜中，高頻電流傳感器固定在接地線上，通過(guò)電磁耦合把高頻電流產(chǎn)生的電磁波傳輸?shù)紿FCT中[8]。HFCT采用類似羅科夫斯基線圈的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，選用高磁導(dǎo)率材料作為HFCT的磁芯，傳感器帶寬達(dá)600 kHz～150 MHz，在磁芯上按一定方向纏繞N匝線圈，通過(guò)長(zhǎng)距離同軸電纜連接到積分電阻[9]。測(cè)量時(shí)，使待測(cè)電流穿過(guò)HFCT的中心，在積分電阻上即可測(cè)得與待測(cè)電流成正比的放電電壓。

圖1 HFCT原理Fig.1 HFCT schematic diagram

2 上位機(jī)與示波器的通信

在局部放電檢測(cè)領(lǐng)域，大多數(shù)檢測(cè)設(shè)備對(duì)傳感器的適用性單一化，信號(hào)波形畸變較大，采集信號(hào)不真實(shí)，為了避免這些缺點(diǎn)，采集設(shè)備采用高精度的示波器。然而示波器處理分析數(shù)據(jù)能力有限，需要把數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析。因此示波器與計(jì)算機(jī)通信顯得尤為重要。本文通過(guò)虛擬儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信控制，實(shí)時(shí)采集放電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互[10]。

虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與下位機(jī)設(shè)備通信方式有3種方式：(1) 采用NI-DAQmx的方式與外圍設(shè)備通信；(2) 采用NI虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的方式與外圍設(shè)備通信；(3) 采用直接I/O的方式與外圍設(shè)備通信[11]。

下位機(jī)示波器采用TDS2024B示波器，四通道輸入，彩屏顯示，帶寬200 MHz，采樣率2.0 GS/s，該示波器為開(kāi)放式系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)通信與底層開(kāi)發(fā)功能。TDS2024B屬于第三方公司開(kāi)發(fā)的設(shè)備儀器，較采用虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的方式與示波器進(jìn)行串口通信。示波器與上位機(jī)串口通信參數(shù)設(shè)置如下。

(1) 波特率：波特率作為信道數(shù)據(jù)傳輸速度，設(shè)置成與示波器的傳輸速度一致，即9600 bit/s；

(2) 數(shù)據(jù)位：示波器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為擴(kuò)展的ASCII碼，表示范圍為0～255(8位)，所以數(shù)據(jù)位設(shè)置為8；

(3) 奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)位對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)，有以下4種方式：奇、偶、高、低。一般可以不設(shè)置奇偶校驗(yàn)位，故奇偶校驗(yàn)位為none；

(4) 停止位：停止位為數(shù)據(jù)包中奇偶校驗(yàn)位的后一位，示波器傳輸數(shù)據(jù)的停止位為1；

(5) 流控制：示波器默認(rèn)為硬件流控制，通過(guò)傳輸電纜上的電壓信號(hào)控制信號(hào)的傳輸，需要將串口設(shè)置成請(qǐng)求發(fā)送(RTS)/清除發(fā)送(CTS)。

根據(jù)示波器串口通信特點(diǎn)，在虛擬儀器中寫入通信指令，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的通信。

3 定位算法原理

根據(jù)局部放電超聲波理論，局部放電產(chǎn)生的超聲波在空氣中以球面波的形式傳播，當(dāng)傳播到開(kāi)關(guān)柜金屬外殼時(shí)會(huì)發(fā)生折射與反射。超聲波在氣體中衰減系數(shù)為0.98 dB/m，而在金屬固體中的衰減系數(shù)達(dá)到10 dB/m，固體中的衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于氣體中的衰減系數(shù)。通過(guò)金屬固體折反射得到的超聲波信號(hào)非常微弱，這些微弱的超聲信號(hào)疊加到采集信號(hào)中會(huì)使超聲波的脈沖得到展寬，因此超聲波傳感器檢測(cè)到的信號(hào)主要包含直接接收的超聲波信號(hào)，同時(shí)以超聲波脈沖起始時(shí)間作為延遲時(shí)間的計(jì)算點(diǎn)可有效減小由于折反射帶來(lái)的干擾[12，13]。

試驗(yàn)中假設(shè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)超聲波傳播介質(zhì)為均勻空氣介質(zhì)，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，傳播速度為等值波速，忽略空氣中傳播的衰減。

對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，開(kāi)關(guān)柜可以簡(jiǎn)化為一個(gè)固定大小的模型，即放電點(diǎn)位置存在約束條件，根據(jù)約束條件求解放電點(diǎn)位置的最優(yōu)解，本文采用非線性規(guī)劃算法[14]。

通常一個(gè)實(shí)際問(wèn)題的非線性規(guī)劃模型可以描述成式(1)這種形式：

(1)

為了運(yùn)用非線性規(guī)劃算法求解局部放電的位置，開(kāi)關(guān)柜柜體可以簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體模型，超聲波傳感器與局部放電點(diǎn)位置的模型如圖2所示。

圖2 傳感器與放電點(diǎn)模型Fig.2 Sensor and discharge point model

局部放電點(diǎn)S(x,y,z)為待求解的位置，超聲波傳感器Pi(xi,yi,zi)(i=1,2,3,4)為已知坐標(biāo)的位置，通過(guò)改進(jìn)非線性規(guī)劃算法，以放電點(diǎn)與超聲波傳感器的實(shí)際距離減去由延遲計(jì)算出來(lái)的距離作為目標(biāo)函數(shù)，放電點(diǎn)位置在整個(gè)正方體內(nèi)作為約束條件，具體改進(jìn)算法如下：

(2)

(3)

改進(jìn)的非線性規(guī)劃算法的約束條件可以描述成放電點(diǎn)位置一直在開(kāi)關(guān)柜模型中，即放電點(diǎn)坐標(biāo)滿足開(kāi)關(guān)柜邊界的約束條件。

(4)

4 試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

開(kāi)關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的原因是生產(chǎn)的絕緣裝置存在缺陷或者在運(yùn)行過(guò)程中絕緣發(fā)生老化等，導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度所有下降，為了模擬局部放電的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了電暈放電測(cè)試平臺(tái)[15,16]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的模型如圖3所示，檢測(cè)時(shí)HFCT傳感器安裝在接地線上，超聲波傳感器通過(guò)移動(dòng)采集不同位置的超聲波信號(hào)，信號(hào)通過(guò)示波器與上位機(jī)通信進(jìn)行處理分析，進(jìn)而提取超聲波的延遲時(shí)間。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的模型Fig.3 Model diagram of experimental test system

局部放電定位以HFCT采集的電信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，以超聲波傳感器采集的超聲波信號(hào)作為延遲信號(hào)。通過(guò)空氣傳播得到的超聲波信號(hào)非常微弱，且存在噪聲干擾，原始信號(hào)中很難分辨出超聲信號(hào)的脈沖特征，難以找到準(zhǔn)確的時(shí)延。本文通過(guò)LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波與小波降噪，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理分析，信號(hào)處理流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理流程Fig.4 Signal processing flow chart

LabVIEW軟件控制示波器連續(xù)采集的信號(hào)為兩路信號(hào)，由于對(duì)兩路信號(hào)處理方法的不同，此時(shí)上位機(jī)采用信號(hào)分離的方法，對(duì)二維數(shù)組采用“索引數(shù)組”函數(shù)分離成兩個(gè)一維數(shù)組，分別對(duì)這兩個(gè)一維數(shù)組處理分析[17]。

超聲波信號(hào)為頻率高于20kHz的信號(hào)，采用高通濾波器抑制低頻干擾信號(hào)，截止頻率為20kHz。同時(shí)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比超聲波傳感器與HFCT的靈敏度，兩種波形幅值相差5～10倍，為了使延遲時(shí)間計(jì)算更精確，設(shè)置放大器放大倍數(shù)為10，原始超聲信號(hào)與處理過(guò)的信號(hào)如圖5和圖6所示。

圖5 超聲波采集的原始波形Fig.5 Original waveform acquired by ultrasonic sensor

圖6 濾波后的超聲波波形Fig.6 Filtered ultrasonic waveform

同樣為了濾除HFCT信號(hào)中摻雜的低頻干擾，得到更清晰的高頻電流信號(hào)，根據(jù)HFCT的頻率特性，采用截止頻率1MHz的高通濾波器進(jìn)行處理，濾波前和濾波后的波形如圖7和圖8所示。

圖7 HFCT采集的原始波形Fig.7 Original waveform acquired by HFCT

圖8 濾波后的高頻CT波形Fig.8 Filtered HFCT waveform

對(duì)處理過(guò)的兩路信號(hào)進(jìn)行疊加，疊加后的波形如圖9所示。為了準(zhǔn)確計(jì)算延遲時(shí)間，對(duì)兩路信號(hào)x軸游標(biāo)追蹤，把高頻電流傳感器采集到的放電信號(hào)脈沖時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為0時(shí)刻，超聲信號(hào)脈沖的起始點(diǎn)時(shí)刻作為延遲的計(jì)算點(diǎn)，通過(guò)改變超聲波傳感器的位置Pi，計(jì)算出4個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)處的時(shí)差τi，圖5—9為在位置P1處采集的信號(hào)，4個(gè)不同位置處超聲波傳感器坐標(biāo)和計(jì)算的時(shí)間延遲見(jiàn)表1。

圖9 處理后的超聲和HFCT波形疊加Fig.9 Superposition of processed ultrasonic waveforms and HFCT waveforms

根據(jù)上述條件，把已知點(diǎn)坐標(biāo)和從上位機(jī)LabVIEW中計(jì)算得到延遲時(shí)間帶入到非線性規(guī)劃算法中，通過(guò)MATLAB中fmincon函數(shù)即可求解出放電點(diǎn)的坐標(biāo)位置S(0.511 0， 0.378 5，0.236 0)，實(shí)際放電點(diǎn)坐標(biāo)S(0.5,0.4,0.2)，由此可求出計(jì)算偏差為0.043 4 m，計(jì)算精度較高，因此本文對(duì)后期研究提供了一定的理論與方法。

表1 超聲波傳感器位置與延遲時(shí)間Table 1 Ultrasonic sensor position and delay time

5 結(jié)語(yǔ)

本文在電信號(hào)和非電信號(hào)檢測(cè)定位的理論基礎(chǔ)之上，介紹了基于示波器通信的聯(lián)合定位的方法。首先運(yùn)用示波器NI-VISA通信協(xié)議，編寫連續(xù)采集多路信號(hào)的程序，對(duì)HFCT和超聲波信號(hào)同步采集，并進(jìn)行分離、濾波、處理分析，精確計(jì)算出延遲時(shí)間。運(yùn)用非線性規(guī)劃算法對(duì)放電模型進(jìn)行計(jì)算，得出放電點(diǎn)的坐標(biāo)位置。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室搭建了電暈放電的最小定位系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試誤差在5 cm之內(nèi)，對(duì)以后應(yīng)用于實(shí)際工程之中提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。

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(編輯 劉曉燕)

Acoustic-electric Joint Localization Method of PD in High Voltage Switch Cabinet

HUO Tian,WU Zhensheng, GUI Junfeng

(School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China)

The partial discharge of switchgear indicates the existence of insulation defects. Tthe location method of partial discharge in switchgear is studied. The corona discharge model was built in the laboratory, the ultrasonic signal is collected by the ultrasonic sensor and high frequency current sensor (HFCT) is used to collect high frequency current produced by coupling capacitance of partial discharge. Using delay time of ultrasonic relative high frequency current for positioning, data of discharge signal will be transferred from oscilloscope to PC communicated by USB. LabVIEW program is used to filter and analyze the waveform to obtain the exact position of the discharge location. Experiments show that the method has high accuracy.

switchgear; partial discharge location; ultrasonic; HFCT; oscilloscope; nonlinear programming algorithm

2016-12-25；

2017-02-23

TM855

A

2096-3203(2017)03-0062-05

霍 天

霍 天(1992—)，男，河北保定人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備局部放電檢測(cè)；

吳振升(1974—)，男，山東濰坊人，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化；

桂峻峰(1975—)，男，河南信陽(yáng)人，講師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)。