劉宏，王偉 ，俞華，李國棟 ，白艷偉 ，閆艷春

(1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院, 太原 030001； 2.華北電力大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院, 北京 102206； 3.國網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司, 山西 呂梁 033000)

0 引 言

高壓開關(guān)一直是電力系統(tǒng)中最為重要的保護(hù)設(shè)備，高壓開關(guān)可以在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)迅速切斷或閉合高壓電路中的空載電流和負(fù)荷電流[1-4]。如何準(zhǔn)確地檢測高壓開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，通過早期發(fā)現(xiàn)故障，提前處理故障部位，避免開關(guān)爆炸等惡性事故的發(fā)生，是保證電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵。[5-7]。

當(dāng)前高壓開關(guān)特性檢測主要針對機(jī)械性能進(jìn)行檢測[8-11]，其中文獻(xiàn)[11]詳細(xì)介紹了KJTC系列開關(guān)機(jī)械特性測試儀的功能、測試技術(shù)原理及檢測方法?，F(xiàn)有的檢測方法一般都須停電，無法進(jìn)行在線監(jiān)測。高壓開關(guān)實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載電流產(chǎn)生的電動(dòng)力有助于閥門的開啟和關(guān)閉。如果高壓滅弧室有某種缺陷，然而，離線測試的結(jié)果仍然可以覆蓋缺陷，它可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

由于現(xiàn)有高壓開關(guān)檢測的缺陷性，文獻(xiàn)[12-15]考慮了射頻系統(tǒng)在電氣檢測的實(shí)施，并檢查了射頻方法的可行性。文中進(jìn)一步基于射頻信號特征對高壓開關(guān)特性進(jìn)行非接觸式測試及性能評估。首先測量高壓開關(guān)開斷與閉合的射頻信號特征，為高壓開關(guān)特性射頻法檢測系統(tǒng)樣機(jī)開發(fā)提供參考依據(jù)。最后開發(fā)高壓開關(guān)特性射頻法檢測系統(tǒng)樣機(jī)，包括選擇射頻天線的形式與頻帶、數(shù)據(jù)采集解決方案，編制檢測與評估軟件。達(dá)到了滿意效果。

1 試驗(yàn)采集點(diǎn)與采集設(shè)備

文中為研究高壓開關(guān)開斷與閉合的射頻信號特征，在呂梁220 kV前臺變電站對多臺高壓開關(guān)與隔離刀閘開斷過程中產(chǎn)生的射頻信號進(jìn)行了測試。經(jīng)示波器采集可得高壓開關(guān)開斷與閉合的信號幅值特征，頻譜特征以及隔離刀閘的信號特征。

2 高壓開關(guān)開斷與閉合的射頻信號特征

2.1 幅值特征

2.1.1 閉合信號幅值特征

試驗(yàn)中測量了前尤線220 kV開關(guān)帶負(fù)荷合閘及前紀(jì)線220 kV開關(guān)合空線(不帶負(fù)荷合閘)過程中輻射出的射頻信號，射頻信號波形如圖1所示。

在圖1中，無論有無負(fù)荷合閘，射頻信號的振幅幾乎相等，均大于1V(有載關(guān)閉信號的正信號超出范圍，負(fù)信號振幅約為1.3V)。然而，當(dāng)負(fù)載打開時(shí)，信號延遲更長-接近1μs，而空載時(shí)，信號時(shí)間約為600 ns。

圖1 高壓開關(guān)閉合過程中產(chǎn)生射頻信號的幅值

2.1.2 開斷信號幅值特征

在測試中，射頻信號由前米1號開關(guān)上的負(fù)載分閘和汴前1號線路開關(guān)上的無負(fù)載分閘決定。圖2顯示了射頻信號的波形。

圖2 高壓開關(guān)開斷過程中產(chǎn)生射頻信號的幅值

從圖2中可以看出，當(dāng)斷路器有負(fù)載和無負(fù)載斷開時(shí)，RF信號的振幅有些不同。如果負(fù)載閉合斷路器類似于0.8 V，而當(dāng)無負(fù)載斷路器斷開時(shí)，信號僅約為80 mV，這僅為觸發(fā)負(fù)載中斷時(shí)信號的10%。兩者之間的長度約為300 ns，沒有實(shí)質(zhì)性差異。

2.1.3 開斷與閉合信號幅值對比

動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的電壓在合閘和分閘過程中均為線電壓，但動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的擊穿在合閘過程中比分閘過程中距離更大。這會提高合閘射頻信號的振幅。

在負(fù)載斷開和閉合過程中產(chǎn)生的射頻信號比無負(fù)載信號強(qiáng)，并且在分閘時(shí)候更加突出?；谪?fù)載的分閘信號幅度是無負(fù)載分閘信號幅度的10倍。

2.2 頻譜特征

2.2.1 閉合信號頻譜特征

試驗(yàn)中測量了前尤線220 kV開關(guān)帶負(fù)荷合閘及前紀(jì)線220 kV開關(guān)合空線(不帶負(fù)荷合閘)過程中輻射出的射頻信號。

由于示波器的采樣頻率為1 GHz，為了在更寬的頻率范圍內(nèi)分析信號，需要對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。插值后，采樣范圍為4 GHz，上限為2 GHz(下同)。圖3顯示了頻率分布。

圖3 高壓開關(guān)閉合過程中產(chǎn)生射頻信號的頻譜

圖中3顯示，當(dāng)斷路器負(fù)載或空載時(shí)，射頻信號在2 GHz以下均有傳輸，并且大多處于低頻范圍。此外，通常負(fù)載時(shí)的信號能量大于空載時(shí)的信號能量。

2.2.2 開斷信號頻譜特征

測試計(jì)算了前米1號無負(fù)荷開關(guān)分閘和汴前1號線路無負(fù)荷分閘的射頻信號，如圖4所示。

圖4 高壓開關(guān)開斷過程中產(chǎn)生射頻信號的頻譜

從圖4中可以看出，斷路器負(fù)載時(shí)射頻信號小于2 GHz，低頻段能量較高。在任何頻率范圍內(nèi)，該信號的功率都遠(yuǎn)大于無負(fù)載開啟時(shí)的功率。

與圖3相似，當(dāng)斷路器負(fù)載或空載時(shí)，射頻信號在2 GHz以下均有傳輸，并且大多處于低頻范圍，低頻能量也較高。此外，通常負(fù)載時(shí)的信號能量大于空載時(shí)的信號能量。

2.2.3 開斷與閉合信號頻譜特征對比分析

射頻信號頻率一般分布在0～2 GHz，低頻信號能量較高，無明顯差異。帶負(fù)載能量大于無負(fù)載能量。因此，在原型檢測設(shè)備的創(chuàng)建中，可以利用寬帶來耦合更多的能量。下線寬帶將為300 MHz，以消除變電站現(xiàn)場的電磁干擾。

2.3 隔離刀閘的信號特征

與高壓開關(guān)開斷與閉合過程中發(fā)出射頻信號顯著不同，隔離刀閘在開斷過程中有持續(xù)性的多個(gè)脈沖連續(xù)出現(xiàn)，并且幅值較高。其原因在于隔離刀閘沒有滅弧結(jié)構(gòu)，開關(guān)開斷過程中電弧反復(fù)出現(xiàn)，從而激發(fā)了多次的射頻信號。前米1上刀閘開斷過程中產(chǎn)生的射頻信號及其頻譜如圖5所示。

圖5 隔離刀閘開斷過程中產(chǎn)生射頻信號的特征

從圖5中可以看出，其單個(gè)脈沖的幅值較高，可達(dá)2 V(檢測時(shí)超出量程)，高于斷路器合閘時(shí)的幅值，持續(xù)時(shí)間約為600 ns。其頻譜的能量很強(qiáng)，也強(qiáng)于斷路器合閘時(shí)，但主要分布在300 MHz以下，且較為集中。

3 高壓開關(guān)特性射頻法檢測系統(tǒng)研究

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

(1)系統(tǒng)硬件

高壓開關(guān)特性射頻法檢測系統(tǒng)硬件包含主機(jī)1臺，天線2臺(含支架)，平板電腦1臺。硬件系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 硬件系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

高壓開關(guān)開斷與閉合的射頻信號特征研究結(jié)果表明，其輻射的射頻信號頻域很廣，因此檢測系統(tǒng)樣機(jī)的檢測頻率設(shè)定為300 MHz～2 GHz，以便最大程度的耦合信號能量并避開變電站的固有干擾。傳感器為等角螺旋天線，是局部放電檢測中普遍采用的成熟傳感器形式。

(2)系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用Labview軟件編制。

軟件啟動(dòng)后為新建項(xiàng)目窗口，用于錄入高壓開關(guān)性能測試相關(guān)信息，如圖6所示。該界面下“線路名稱”為必填信息，“變電站名稱”與“測試人員”為選填信息。填寫信息后，系統(tǒng)軟件將自動(dòng)在電腦啟動(dòng)盤符下“Data”文件夾下以線路名稱命名數(shù)據(jù)保存目錄。

圖6 高壓開關(guān)射頻法檢測系統(tǒng)軟件啟動(dòng)界面

點(diǎn)擊保存后，系統(tǒng)將進(jìn)入測試主界面，如圖7所示。

圖7 高壓開關(guān)射頻法檢測系統(tǒng)軟件主界面

該界面下可進(jìn)行測試時(shí)參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的顯示。分為6個(gè)區(qū)域，各區(qū)域功能如下：

(1)項(xiàng)目名稱區(qū);(2)計(jì)算結(jié)果;(3)開始測量區(qū);(4)顯示區(qū)，該部分為采集數(shù)據(jù)后分析所得三相不同期時(shí)間；(5)功能區(qū)，保存數(shù)據(jù)：開始采集后選擇是否保存數(shù)據(jù)，單擊為激活，激活狀態(tài)下呈閃爍； (6)參數(shù)設(shè)置區(qū)：觸發(fā)值：采集時(shí)觸發(fā)值，觸發(fā)機(jī)制采用觸發(fā)式采集，非觸發(fā)狀態(tài)不采集正式采集過程中為避免誤觸發(fā)，觸發(fā)值應(yīng)當(dāng)高于噪聲水平；觸發(fā)通道：選擇觸發(fā)的通道；閾值：設(shè)置分析計(jì)算時(shí)的閾值，分析時(shí)幅值在“閾值”之下信號將不計(jì)入分析結(jié)果中。測試背景時(shí)閾值會顯示此時(shí)所采集噪聲的正態(tài)分布值。

3.2 性能測試

使用納秒級陡脈沖發(fā)生器配合單極探針天線對所研制檢測系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試，外觀如圖8所示。

圖8 脈沖發(fā)生源

3.2.1 脈沖間隔準(zhǔn)確度測試

測試方法如下：

將單極探針天線與納秒級陡脈沖發(fā)生器連接；在0.5 m外接收信號；讀取5次連續(xù)的脈沖間隔時(shí)間記入表2，然后根據(jù)式(1)計(jì)算脈沖間隔準(zhǔn)確度偏差。

(1)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算得到實(shí)測脈沖間隔時(shí)間平均值：

表2 實(shí)測脈沖間隔時(shí)間

5.02673ms

(2)

標(biāo)準(zhǔn)脈沖間隔時(shí)間：

T=5 ms

準(zhǔn)確度偏差：

(3)

可見所研制檢測系統(tǒng)樣機(jī)的脈沖間隔時(shí)間測量不確定度小于1%。

3.2.2 幅值一致性測試

讀取連續(xù)5次脈沖的幅值，作為實(shí)測脈沖幅值記入表3，計(jì)算5次脈沖幅值的最大值、最小值及平均值，根據(jù)式(4)計(jì)算幅值一致性偏差。

表3 實(shí)測脈沖幅值

(4)

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得到實(shí)測平均幅值、最大值、最小值：

(5)

一致性偏差為：

(6)

可見所研制檢測系統(tǒng)樣機(jī)的脈沖幅值測量一致性偏差小于5%。

4 研究展望

針對當(dāng)前高壓開關(guān)特性檢測中的不足，開發(fā)高壓開關(guān)特性射頻法檢測系統(tǒng)樣機(jī)，包括選擇射頻天線的形式與頻帶、數(shù)據(jù)采集解決方案，編制檢測與評估軟件。

文中研究結(jié)果將為克服傳統(tǒng)高壓開關(guān)特性檢測方法的不足提供解決方案，但該研究距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定差距，基于射頻信號特征的高壓開關(guān)特性非接觸式檢測的參量指標(biāo)有待進(jìn)一步研究，同時(shí)，射頻法作為一種新型的檢測手段，其與傳統(tǒng)機(jī)械特性測試結(jié)果的等效性有待驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

文章測量了高壓開關(guān)開斷與閉合的過程中射頻信號特征，開發(fā)出了高壓開關(guān)特性射頻法檢測系統(tǒng)，通過研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)高壓開關(guān)閉合過程輻射出的射頻信號幅值大于開斷過程中輻射出的信號幅值。開斷與閉合過程中，射頻信號的能量均在0～2 GHz內(nèi)廣泛分布，低頻信號能量部分較強(qiáng)，帶負(fù)荷動(dòng)作時(shí)的能量高于不帶負(fù)荷時(shí)；

(2)隔離刀閘的信號其單個(gè)脈沖的幅值較高，可達(dá)2 V，高于斷路器合閘時(shí)的幅值，持續(xù)時(shí)間約為600 ns。其頻譜的能量很強(qiáng)，也強(qiáng)于斷路器合閘時(shí)，但主要分布在300 MHz以下，且較為集中；

(3)開發(fā)了高壓開關(guān)性能射頻法測試系統(tǒng)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高壓開關(guān)性能的非接觸測試與評估。性能測試結(jié)果表明：文中研制的樣品機(jī)器，脈沖間隔時(shí)間測量不確定性，幅值一致性均得到工程的實(shí)際要求。