張紅兵，索春光

（昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

開(kāi)關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件已廣泛應(yīng)用于輸電配電網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著開(kāi)合、控制和保護(hù)用電設(shè)備的作用，其運(yùn)行可靠性直接影響著電力系統(tǒng)供電質(zhì)量及安全性能。局部放電作為一種潛在威脅，直接影響著開(kāi)關(guān)設(shè)備和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和絕緣安全［1］。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電進(jìn)行檢測(cè)和定位是發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期絕緣缺陷的基礎(chǔ)［2-4］，可用于指導(dǎo)巡檢人員對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行下一步操作、維護(hù)及檢修［5-9］。

局部放電信號(hào)包含了豐富的絕緣狀態(tài)信息［10］，特高頻（Ultra High Frequency，UHF）法作為最重要的檢測(cè)方法之一，廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備絕緣缺陷的檢測(cè)和故障診斷。UHF 法是針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足而提出的檢測(cè)方法，20 世紀(jì)80 年代英國(guó)人Boggs 和Stone 將其應(yīng)用于氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的局部放電檢測(cè)中。該檢測(cè)方法由于抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，近幾年得到迅速發(fā)展［11］。

文獻(xiàn)［12-14］采用高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電特高頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明UHF 法可以很好地滿足開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)要求；文獻(xiàn)［15］提出了一種基于Android 平臺(tái)的開(kāi)關(guān)柜局部放電UHF 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得了較好效果。

上述檢測(cè)、識(shí)別方法雖然能滿足開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)與定位要求，但仍存在一些不足之處，如UHF 信號(hào)頻率較高，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣精度、采樣帶寬要求較高；采集設(shè)備通道數(shù)量受限，對(duì)多面開(kāi)關(guān)柜同時(shí)監(jiān)測(cè)較為困難?；诖耍疚奶岢鲆环N新型的基于線性陣列式UHF 傳感器的開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。該方法通過(guò)同軸電纜將多個(gè)特高頻傳感器串聯(lián)組成線性陣列傳感器系統(tǒng)，并與數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成一套完整的開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)本套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電的在線監(jiān)測(cè)與定位，解決了采集設(shè)備數(shù)量通道受限問(wèn)題，并具有靈活的可擴(kuò)展性。該方法降低了采集設(shè)備的采樣帶寬，提高了開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)與定位系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)柜對(duì)于電力系統(tǒng)提供高可靠、高穩(wěn)定的電能起著十分重要的作用，然而開(kāi)關(guān)柜數(shù)量眾多、分布廣泛的特點(diǎn)給開(kāi)關(guān)柜的局部放電在線監(jiān)測(cè)帶來(lái)很大困難?；诖耍疚奶岢鲆环N新型的開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)與定位方法，其裝置示意圖如圖1 所示。

本套開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)采用多個(gè)UHF 傳感器組成線性陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多面開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中一個(gè)傳感器陣元可監(jiān)測(cè)一面開(kāi)關(guān)柜，與此同時(shí)，運(yùn)用包絡(luò)檢波電路對(duì)UHF 傳感器陣列采集到的局部放電信號(hào)進(jìn)行降頻處理。通過(guò)頻譜搬移方式降低了數(shù)據(jù)采樣率要求，同時(shí)降頻處理更利于信號(hào)在同軸電纜中傳輸。

Fig.1 Positioning system device圖1 定位系統(tǒng)裝置

當(dāng)開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生局部放電時(shí)，信號(hào)由UHF 傳感器陣元檢測(cè)并沿兩條固定的通道傳回至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的波程差以及相關(guān)性分析便可確定信號(hào)源的位置，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)源定位功能。

系統(tǒng)依賴UHF 檢測(cè)法及同軸電纜傳輸電磁波信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力以及較高的檢測(cè)靈敏度。相比于傳統(tǒng)的并聯(lián)式開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)與定位方法，本方法解除了采集通道數(shù)量的限制，利用雙通道實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多面開(kāi)關(guān)柜的局部放電檢測(cè)與定位，具有靈活的可擴(kuò)展性與較高的經(jīng)濟(jì)性。

2 系統(tǒng)原理分析

2.1 定位原理

當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，便會(huì)由UHF 傳感器陣元進(jìn)行感知與信號(hào)采集，最終在數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中得到兩列具有時(shí)間延遲的信號(hào)，如圖2 所示。

Fig.2 Delayed signal圖2 時(shí)延信號(hào)

同軸電纜屬于分布參量網(wǎng)絡(luò)，在理想情況下可視為均勻傳輸線，其特性阻抗如下：

其中，R、L、G、C 分別表示同軸電纜單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)、電容。對(duì)于同軸電纜，由于ωL＞＞R，ωC＞＞G，即R 和G 可忽略不計(jì)，因而：

本文實(shí)驗(yàn)采用同一型號(hào)同軸電纜，以保證特性阻抗的一致性，使采集到的兩列信號(hào)具有較高的相似性，利用自相關(guān)分析便可得到其之間的時(shí)延。其局部放電位置x可表示為：

式中，L 為系統(tǒng)所使用的同軸電纜總長(zhǎng)度，t1、t2分別為信號(hào)到達(dá)數(shù)據(jù)采集端口兩個(gè)通道的時(shí)間，vp為局部放電信號(hào)在本實(shí)驗(yàn)所使用的同軸電纜中的傳播速度。

2.2 同軸電纜行波特性分析

同軸波導(dǎo)是一種由內(nèi)、外導(dǎo)體構(gòu)成的雙導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)，也稱為同軸線。局部放電信號(hào)在同軸電纜中傳輸時(shí)的損耗與同軸電纜的尺寸、介電常數(shù)、工作頻率有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)［16］，電纜的衰減分為3 個(gè)部分，分別為導(dǎo)體（銅）損耗、介質(zhì)損耗和附加損耗，其公式如下：

總衰減：

導(dǎo)體損耗：

介質(zhì)損耗：

附加損耗：

式中：d 為內(nèi)導(dǎo)體有效外徑（mm）；D 為外導(dǎo)體有效內(nèi)徑（mm）；K1為內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)系數(shù)；K2為外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)系數(shù)；Zc為特性阻抗（Ω）；εr為等效介電常數(shù)；tanδe為等效介質(zhì)損耗角正切；s為駐波；f為頻率（MHz）。

開(kāi)關(guān)柜局部放電在線定位系統(tǒng)采用RG316 同軸電纜，其阻抗為50Ω，最大工作頻率為3 000MHz，最大工作電壓為1.2KVrms，傳輸速率為70%。結(jié)合式（5）和式（6）可計(jì)算出在100MHz 時(shí)衰減為0.262dB/m。

除了同軸電纜的衰減特性外，影響本系統(tǒng)定位精度的因素還有射頻信號(hào)在同軸電纜中的傳播速度，這也是系統(tǒng)定位誤差的來(lái)源之一。

信號(hào)向前傳播的速度取決于電場(chǎng)和磁場(chǎng)建立的速度，對(duì)于空氣中的無(wú)損耗線，行波沿線傳播的相速（即電磁波沿線傳播的速度）為：

即等于空氣（或真空）中的光速。式（8）中μ0、ε0分別為真空中的磁導(dǎo)率、介電常數(shù)。若無(wú)損耗線絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為εr，則行波沿線傳播的相速為：

對(duì)本系統(tǒng)使用的同軸電纜掃頻速度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試10～160MHz 的電磁波信號(hào)在同軸電纜中的傳輸速度，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可以看出速度隨頻率的增加基本保持不變。由于同軸電纜的折反射以及趨膚效應(yīng)存在，電磁波在同軸電纜中的速度會(huì)有一定波動(dòng)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算中，速度取其平均值2.2×108m/s。

2.3 包絡(luò)檢波電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)發(fā)生的局部放電是一個(gè)伴隨著正負(fù)電荷的中和過(guò)程。在發(fā)生絕緣擊穿過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)陡度很大的脈沖電流，其脈沖電流上升時(shí)間通常小于1ns，因此會(huì)向周圍輻射出0.3～3GHz 的電磁波，UHF 局放監(jiān)測(cè)法就是檢測(cè)該電磁波信號(hào)。但根據(jù)奈奎斯特采樣定理，要求采集設(shè)備具有很高的采樣頻率，另外高頻信號(hào)也不利于在同軸電纜中傳輸。因此，本系統(tǒng)在UHF 采集天線后端增加包絡(luò)檢波電路，對(duì)采集到的高頻信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，以降低設(shè)備采樣率和克服局部放電傳感器互易性帶來(lái)的輻射問(wèn)題。

Fig.3 Coaxial cable propagation speed at different frequencies圖3 不同頻率下的同軸電纜傳播速度

在工程實(shí)際中有一類信號(hào)叫做調(diào)幅波信號(hào)。調(diào)幅波信號(hào)是一種用低頻信號(hào)控制高頻信號(hào)幅度的特殊信號(hào)。檢波電路是一類專門把低頻信號(hào)提取出來(lái)的電路，使用二極管可以組成最簡(jiǎn)單的檢波電路。包絡(luò)檢波電路原理如圖4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of envelope detection圖4 包絡(luò)檢波原理

根據(jù)文獻(xiàn)［17］可知衰減震蕩函數(shù)能夠很好地表征其局部放電特性。結(jié)合ADS（Advanced Design System，ADS）仿真軟件對(duì)包絡(luò)檢波電路進(jìn)行仿真，采用射頻二極管HSMS-2822，其信號(hào)源數(shù)學(xué)模型如下：

式中，A 為信號(hào)幅值1V，fΩ為包絡(luò)信號(hào)頻率100MHz，fc為載波信號(hào)頻率1GHz。仿真時(shí)包絡(luò)檢波電路電容為100pF，負(fù)載電阻為50Ω。仿真輸出結(jié)果如圖5 和圖6 所示。其中，圖6 為包絡(luò)檢波電路的輸出波形，其最大幅值約為0.2V，且該包絡(luò)檢波電路可以較好地提取出載波信號(hào)中的包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)UHF 信號(hào)的頻譜搬移。

圖7 為包絡(luò)檢波電路實(shí)物，其長(zhǎng)約40mm，寬約12mm，利用SMA 接頭使其方便與同軸電纜進(jìn)行連接，便攜性好。前端加入高通濾波器，濾除300MHz 以下的低頻信號(hào)，使其抗干擾能力加強(qiáng)。輸出阻抗為50Ω，與同軸電纜的阻抗匹配可最大程度減小信號(hào)傳輸時(shí)的折反射。

Fig.5 Local discharge signal source simulation圖5 局部放電信號(hào)源仿真

Fig.6 Envelope detection simulation results圖6 包絡(luò)檢波仿真結(jié)果

Fig.7 Envelope detection circuit圖7 包絡(luò)檢波電路實(shí)物

3 系統(tǒng)定位試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖8 所示。

實(shí)驗(yàn)使用ns 陡脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出脈沖信號(hào)模擬開(kāi)關(guān)柜局部放電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)脈沖信號(hào)的幅值為20V。UHF傳感器采用北京領(lǐng)翼中翔科技有限公司的UHF 特高頻耦合器，頻率帶寬為100～2 000MHz，其在示波器通道內(nèi)采集到的波形如圖9 所示。

由圖8 可以看出，示波器兩個(gè)通道內(nèi)采集到的波形之間具有明顯的延時(shí)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)自相關(guān)分析，結(jié)合MATLAB 軟件計(jì)算出兩列信號(hào)之間的延時(shí)，再結(jié)合式（3）計(jì)算出信號(hào)源的位置。利用信號(hào)發(fā)生器在不同位置進(jìn)行信號(hào)耦合，并通過(guò)分析計(jì)算出信號(hào)源位置，再與實(shí)際的源位置進(jìn)行比較，以此確定本套系統(tǒng)的定位精度以及定位誤差。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

Fig.8 Experimental principle圖8 實(shí)驗(yàn)原理

Fig.9 Pulse waveform graph圖9 脈沖波形

Table 1 Local discharge positioning experiment data表1 局部放電定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （m）

表1 是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)本套開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行多次定位實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，本套系統(tǒng)在多次實(shí)驗(yàn)中均能成功檢測(cè)到信號(hào)，定位成功率為100%。最大定位誤差為13.4cm，平均誤差為8.1cm，證明本套系統(tǒng)對(duì)多面開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)與定位效果很好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電信號(hào)特性進(jìn)行了研究，針對(duì)UHF 檢測(cè)法提出一種全新的串聯(lián)式局部放電監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)多面開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)發(fā)生局部放電的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行精確定位。在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)該套系統(tǒng)進(jìn)行了局部放電模擬定位實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性。

針對(duì)陣列傳感器的互易性問(wèn)題，本文對(duì)包絡(luò)檢波特性進(jìn)行了研究。運(yùn)用包絡(luò)檢波電路克服了陣列傳感器的互易性問(wèn)題，降低了局放信號(hào)傳輸頻率及對(duì)設(shè)備采樣率的要求，使本套系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。