韋 春，于廣杰，李 斌，李 成，李昀澤，陳維海

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津300000）

1 引言

南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局分調(diào)中心辦公樓共5層，變配電室位于一層，分調(diào)中心供電采用雙路進(jìn)線雙電源10 kV供電系統(tǒng)，每一路高壓設(shè)備均配備進(jìn)線柜1臺、PT柜1臺、受總柜1臺、計量柜1臺及干式變壓器1臺。天津分調(diào)中心是南水北調(diào)天津干線輸水運行調(diào)度工作的核心，為確保分調(diào)中心10 kV供電系統(tǒng)運行的可靠性，及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，為天津分調(diào)中心變電室安裝智能開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，并提供365×7×24 h遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測。局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由前端采集設(shè)備、中繼傳輸設(shè)備和后臺接收設(shè)備及后臺軟件組成，前端采集設(shè)備是采用暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)，中繼傳輸設(shè)備和后臺接收設(shè)備用于數(shù)據(jù)的匯總與對接，傳輸方式為利用聯(lián)通運營商的4 G網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行鏈接，后臺軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解析并展示以及歷史數(shù)據(jù)查詢，并提供數(shù)據(jù)越線報警功能。局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控變電室內(nèi)高壓設(shè)備的放電情況，能在事故發(fā)生前及時監(jiān)測出設(shè)備內(nèi)絕緣老化情況，提醒工作人員及時采取相關(guān)措施，防范于未然，保證變電室安全運行。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時通信高、可靠性高、傳輸速率快、運行成本低的優(yōu)點，下一階段準(zhǔn)備在沿線降壓站變電系統(tǒng)中使用。本文將對局部放電在線監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用詳情進(jìn)行介紹。

2 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)是特有的一種變配電設(shè)備，是電力設(shè)備安全運行的可靠保障。局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用超聲檢測技術(shù)、暫態(tài)地電壓（TEV）檢測技術(shù)和超高頻檢測技術(shù)，分析開關(guān)柜局部放電特征的變化趨勢，實時反映出開關(guān)柜工作時的安全情況和外部環(huán)境變化，如濕度過高、絕緣端子積塵、施工工具遺留、絕緣老化、設(shè)備過載。一旦發(fā)現(xiàn)局部放電幅值或重復(fù)率發(fā)生顯著增長，即可發(fā)出報警信號，提醒值班人員盡快作出相應(yīng)處理。值班人員可以調(diào)取現(xiàn)場視頻進(jìn)行研判和通知維護(hù)人員進(jìn)行巡視，放電幅值較大和重復(fù)率過高達(dá)到上限值立即停電處理，免除高壓設(shè)備的放電擊穿事故，并避免擊穿事故發(fā)生時諧振對其他設(shè)備造成損害。

2.1 暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)

暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)由于簡單、實用的特點被各國電力公司認(rèn)可。我國自2006年起，以北京、上海、天津為代表的一批國內(nèi)電網(wǎng)公司率先引進(jìn)暫態(tài)地電壓局部放電檢測技術(shù)并開展現(xiàn)場檢測應(yīng)用，成功發(fā)現(xiàn)了多起開關(guān)柜局部放電案例，為該技術(shù)的推廣積累了寶貴經(jīng)驗。特別的，暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)在2008年奧運會、2010年世博會及2010年廣州亞運會等大型體育盛會的保電工作中發(fā)揮了重要的作用。

工作原理：當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局部放電現(xiàn)象時，帶電粒子會快速地由帶電體向接地的非帶電體遷移，并在非帶電體上產(chǎn)生高頻電流行波，且以近似光速的速度向各個方向傳播。受集膚效應(yīng)的影響，電流往往會集中在金屬柜的內(nèi)表面，當(dāng)遇到不連續(xù)的金屬斷開或者絕緣連接處時，電流會有金屬柜體的內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面，并以電磁波的形式向自由空間傳播，且在金屬柜體外表面產(chǎn)生暫態(tài)地電壓，而該電壓可用專門設(shè)計的暫態(tài)地電壓傳感器進(jìn)行檢測。暫態(tài)地電壓信號的產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 暫態(tài)地電壓信號的產(chǎn)生原理示意

2.2 超聲波檢測技術(shù)

超聲波是振動頻率大于20 kHz的聲波。電力設(shè)備尤其開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局部放電信號時，就會產(chǎn)生沖擊的振動及聲波。局部放電發(fā)生前，放電點周圍的電場應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力、粒子力處于相對平衡狀態(tài)。局部放電是一種快速的電荷釋放和遷移過程，這將導(dǎo)致放電點周圍的電場應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和粒子力失去平衡狀態(tài)而出現(xiàn)振蕩變化過程。機(jī)械應(yīng)力和粒子力的快速振蕩導(dǎo)致放電點周圍介質(zhì)的振動現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波信號。超聲波局部放電檢測在檢測放電時需要在開關(guān)柜腔體或者外壁上安裝超聲波傳感器，使得超聲波信號被轉(zhuǎn)換為模擬信號，進(jìn)而由信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換送入處理器處理、顯示。

隨著超聲波局部放電檢測技術(shù)研究的深入，其在全世界范圍內(nèi)得到了大量的推廣。目前，GIS、變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備均有成熟的檢測裝置。在實際應(yīng)用中，變電站超聲波檢測運用較廣，但是受設(shè)備運行環(huán)境影響較大，如周邊產(chǎn)生噪音、震動等，變壓器等本身產(chǎn)生的運行聲音對超聲波檢測后臺軟件濾波功能要求更高。

2.3 超高頻檢測技術(shù)

由于傳統(tǒng)檢測方法存在不足，繼而出現(xiàn)了新的檢測方法-超高頻檢測。當(dāng)設(shè)備運行產(chǎn)生聲音對超聲波檢測等一些傳統(tǒng)手段有干擾時，變壓器局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300～3 000 MHZ）電信號實現(xiàn)了電力變壓器局部絕緣放電的檢測和定位，并實現(xiàn)了抗干擾。

采用超高頻檢測變壓器局部放電的主要優(yōu)點：①局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬成正比，當(dāng)只考慮檢測元件的熱噪聲對靈敏度的影響時，用超頻寬帶檢測有更高的靈敏度；②在變壓器使用現(xiàn)場，變電站的背景、噪聲和空氣中電暈產(chǎn)生的電磁干擾頻率一般很低，可用寬頻法對其進(jìn)行有效的抑制，用窄頻法將其與局部放電信號加以區(qū)別。由此可見，用合適的超高頻傳感器可以測量真實的變壓器絕緣中局部放電的性質(zhì)和物理過程。

超高頻檢測又分為超高頻窄帶檢測和超高頻超寬頻帶檢測，前者中心頻率在500 MHz以上帶寬十幾MHz或幾十MHz，后者帶寬可達(dá)幾GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測技術(shù)有噪聲抑制比高、包含信息多等優(yōu)點，受到人們的關(guān)注。通常所說的超高頻檢測技術(shù)即指超高頻超寬頻帶檢測，用于超高頻局部放電檢測的傳感器主要為微帶，天線傳感器利用微帶天線作傳感器早在1980年Kurtz等人就提出過，他們設(shè)計的傳感器用于大型電機(jī)局部放電測試。安裝在一個或兩個磁極上可探測到單根定子線棒的放電。目前，微帶天線傳感器已在檢測大型電力變壓器GIS電力電纜等設(shè)備的局部放電上。對于大電機(jī)局部放電檢測有相關(guān)應(yīng)用，H.G.Sedding等人在1991年提出一種定子槽耦合器stator slot coupler，該傳感器由接地平面帶狀感應(yīng)導(dǎo)體及兩端同軸輸出電纜組成，其耦合方式具有分布參數(shù)的性質(zhì)，因此具有非常寬的頻帶且能夠反映內(nèi)部放電和外部干擾在波形上的差異。

3 局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

3.1 現(xiàn)場前端采集設(shè)備

前端采集設(shè)備的采集信號包含兩部分：TEV信號和超聲波檢測。TEV傳感器是采集信號的關(guān)鍵，理想的傳感器可以準(zhǔn)確、靈敏的捕捉局部放電信號傳到后級電路。南水北調(diào)工程局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的TEV傳感器如圖2所示，經(jīng)過多年實際應(yīng)用逐步改進(jìn)，完全符合當(dāng)下國家電網(wǎng)公司對暫態(tài)地電壓信號采集的需要。該傳感器底座采用自吸附設(shè)計，可以方便的安裝到開關(guān)柜柜體上，采集到的局放信號將通過雙芯屏蔽電纜傳遞到后級電路，信號捕捉靈敏，抗干擾能力強(qiáng)。應(yīng)用于開關(guān)柜中可以將該傳感器安裝于高壓進(jìn)線柜內(nèi)，實時在線監(jiān)測柜體內(nèi)的運行狀態(tài)。

圖2 TEV傳感器

一般情況下，由局部放電所產(chǎn)生的超聲波信號頻率大多在20～120 kHz，其中，大多數(shù)放電信號的頻率集中在30～50 kHz，因此，本系統(tǒng)中采用的超聲波傳感器中心頻率為40 kHz。經(jīng)實際應(yīng)用表明，該種超聲波傳感器對局部放電信號的采集效果顯著。如圖3所示為超聲波傳感器實物，同樣的，其帶有自吸附設(shè)計及屏蔽電纜線，極大程度上避免了超聲信號傳輸過程中的干擾。該傳感器安裝在智能開關(guān)柜高壓進(jìn)線柜柜體上，對高壓室的電氣運行狀態(tài)進(jìn)行實時在線監(jiān)測。類似于TEV檢測電路設(shè)計中信號調(diào)理流程，超聲波信號的處理同樣需要進(jìn)過濾波、放大和轉(zhuǎn)換，才能最終傳入處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和放電評估。超聲波傳感器與系統(tǒng)的交互采用雙芯屏蔽電纜連接，處理電路整體封裝在具有高保護(hù)強(qiáng)度的密封盒內(nèi)，經(jīng)過zigbee485傳輸?shù)酵ㄐ胖欣^中，由中繼進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及打包，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺服務(wù)器。

圖3 超聲波傳感器

3.2 無線中繼傳輸設(shè)備

無線中繼傳輸設(shè)備（見圖4）用于接收站內(nèi)所有監(jiān)測終端數(shù)據(jù)，設(shè)備內(nèi)設(shè)有物聯(lián)卡卡槽，可安裝任意運營商的物聯(lián)卡，目前天津公司采用的是聯(lián)通的4 G全網(wǎng)通物聯(lián)卡。

無線中繼傳輸設(shè)備用于接收站內(nèi)所有監(jiān)測終端數(shù)據(jù)，同時內(nèi)部設(shè)有模電轉(zhuǎn)換器，可以將收集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳至后臺服務(wù)器。無線中繼傳輸設(shè)備與后臺服務(wù)器的通信方式可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇。無線接收中繼可懸掛或吸附于變電站內(nèi)的墻壁，安裝時將接收天線至開闊處。

圖4 無線中繼傳輸設(shè)備

3.3 后臺接收設(shè)備

后臺接收設(shè)備內(nèi)置運營商4 G全網(wǎng)通物聯(lián)卡，用于實時接收由現(xiàn)場中繼發(fā)出的信號。根據(jù)現(xiàn)場需要，接收設(shè)備可安裝在無線接收中繼附近或者經(jīng)過無線4 G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸安裝于監(jiān)控平臺主機(jī)上。

3.4 后臺監(jiān)控軟件

后臺服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理后，在前端進(jìn)行顯示，方便運維人員實時觀測監(jiān)督，并對響應(yīng)的警告、報警進(jìn)行及時處理。服務(wù)器界面如圖5所示。監(jiān)控平臺上單獨設(shè)置一臺監(jiān)控器用于現(xiàn)場設(shè)備的放電監(jiān)測，軟件端設(shè)有安全穩(wěn)定的有效閾值，對于軟件監(jiān)測到的TEV和超聲數(shù)值臨近于閾值的，數(shù)值會變成橙色；對于軟件監(jiān)測到的TEV和超聲數(shù)值高于閾值的，數(shù)值會變成醒目的紅色；以此來提醒平臺監(jiān)控人員進(jìn)行報警，并且進(jìn)行重點記錄，提示維護(hù)人員作出相應(yīng)的措施。

圖5 上位機(jī)服務(wù)界面

4 結(jié)語

局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)多次調(diào)試和測試后，能最大限度的預(yù)防事故的發(fā)生，為變電室安全用電提供可靠保證，為南水北調(diào)工程電力設(shè)施的安全運行保駕護(hù)航。局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)還具備分析和管理用戶數(shù)據(jù)，為電力平衡、線路損耗分析和負(fù)荷預(yù)測提供數(shù)據(jù)?？紤]到未來5 G網(wǎng)絡(luò)終端、攝像頭和圖像處理芯片以及圖像編碼、解碼算法和視頻傳輸協(xié)議的應(yīng)用，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控功能指日可待。