李杰，朱胤宇，沈麗，徐曉琳，胡忠明，普劍輝

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

設(shè)備若存在絕緣缺陷且不及時(shí)檢修，最終會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿、設(shè)備突然斷電從而致使電力中斷，造成較大的損失，且有數(shù)據(jù)表明，90%的電力故障最初就是源于不同原因的絕緣缺陷[1]，而所有緣由的絕緣缺陷都會(huì)發(fā)生局部放電，因此對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行局部放電監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)，盡早對(duì)缺陷進(jìn)行檢修處理，可以有效避免絕緣擊穿故障的發(fā)生[2]。

近些年來，所提出的局部放電現(xiàn)象的監(jiān)測方法主要有通過光纖傳感器檢測電弧光實(shí)現(xiàn)[3]，基于聲發(fā)射（acoustic emission，AE）法實(shí)現(xiàn)[4]以及應(yīng)用較多的通過檢測局放輻射的超高頻段（300~3000 MHz）電磁波信號(hào)來監(jiān)測局部放電的特高頻（ultra-high frequency, UHF）法[5-8]，且有研究證明其具有較好的監(jiān)測效果[9]。在線監(jiān)測常采用“到達(dá)時(shí)間差”（Time Difference of Arrival，TDA）法進(jìn)行局放定位[10]，其主要思路為比較安裝于不同位置的傳感器接收到信號(hào)的時(shí)間來確定局放發(fā)生的位置，研究的不同點(diǎn)在于其傳感器的安裝以及如何獲得、處理所獲得的時(shí)間差信號(hào)來定位局放源。相關(guān)學(xué)者提出將四通道的天線陣列作為傳感器，再采用牛頓迭代法、搜格法等方法求解時(shí)差方程[11]。其中，通過搜格法與粒子群優(yōu)化算法求解時(shí)差方程的實(shí)質(zhì)是求解相應(yīng)誤差方程最小值，并在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)搜尋相應(yīng)的坐標(biāo)，但是此種方法計(jì)算效率較低[12]。平面相交定位法被提出同樣可用于局放定位：首先通過插值互相關(guān)法獲得天線陣列之間的時(shí)差，再通過平面相交法求解時(shí)差方程，并通過統(tǒng)計(jì)選擇定位結(jié)果中出現(xiàn)概率最高的位置作為最終結(jié)果。但是此方法實(shí)現(xiàn)較高精度監(jiān)測需滿足一定限定條件：局放源與天線陣列的間距與夾角均需較小[13]。

上述特高頻法的局放監(jiān)測方法中，傳感器安裝采用的大多為固定的天線陣列，裝置只可實(shí)現(xiàn)天線陣列所在平面內(nèi)的監(jiān)測，限制了局放監(jiān)測的監(jiān)測范圍，這也導(dǎo)致一些較優(yōu)質(zhì)的算法需在一定前提下才可實(shí)現(xiàn)高精度的局放監(jiān)測。

為此本文提出一種自動(dòng)定向的局放監(jiān)測定位裝置，由舵機(jī)與步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)天線陣列的多維度信號(hào)監(jiān)測，并提出裝置適用的UHF信號(hào)判別算法與局放源定位算法，實(shí)現(xiàn)自定向、高精度、大范圍的局放監(jiān)測及定位，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所述方法的可行性。

1 局放監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

圖1為變電站局放監(jiān)測定位裝置的示意圖，其中t1~t4為局放源發(fā)出的電磁信號(hào)被四支天線接收所需的時(shí)間，舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)與天線陣列是自動(dòng)定向裝置的主要組成部分。當(dāng)變電站內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生局部放電時(shí)，輻射出的UHF信號(hào)可被天線陣列的四支天線接收到。信號(hào)采集控制器同步采集經(jīng)信號(hào)放大、濾波處理后的四通道信號(hào)，并將采集所得的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字化波形，再進(jìn)行UHF信號(hào)識(shí)別，并在識(shí)別到缺陷產(chǎn)生的UHF信號(hào)時(shí)，信號(hào)采集控制器控制報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。根據(jù)同一局放信號(hào)到達(dá)各天線的時(shí)間差，利用局放監(jiān)測定位算法得到傳輸給步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)的控制信號(hào)，使天線陣列旋轉(zhuǎn)至正對(duì)局放源的位置，并利用激光頭指示局放源的方位，實(shí)現(xiàn)局放直接定位的功能，裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 變電站局放監(jiān)測定位裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 變電站局放監(jiān)測定位裝置結(jié)構(gòu)框圖

步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)是實(shí)現(xiàn)天線陣列多方位檢測UHF信號(hào)的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)，固定于步進(jìn)電機(jī)輸出軸的舵機(jī)本身可以隨步進(jìn)電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)。通過在舵機(jī)的擺臂上加接一個(gè)機(jī)械桿，舵機(jī)可以實(shí)現(xiàn)縱向180°的轉(zhuǎn)向。此二者的旋轉(zhuǎn)在三維坐標(biāo)系上的體現(xiàn)如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)xOy平面上α角度的旋轉(zhuǎn)（0°<α<360°），舵機(jī)則實(shí)現(xiàn)xOz平面上β角度的旋轉(zhuǎn)（0°<β<180°），從而使天線陣列可以指向任意方向。

圖3 步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)效果圖

2 局放監(jiān)測定位算法

系統(tǒng)定位算法流程如圖4所示，信號(hào)采集控制器將經(jīng)信號(hào)放大與信號(hào)濾波處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形并對(duì)四通道數(shù)字波形的時(shí)間差進(jìn)行分析判斷：若任意兩個(gè)數(shù)字波形間的時(shí)間差均為零，此處所述的零為理想情況下的時(shí)間差，實(shí)則控制于誤差允許范圍內(nèi)即可，在此預(yù)設(shè)閾值T，若時(shí)間差均在T以內(nèi)，可以說局放信號(hào)在誤差允許范圍內(nèi)同時(shí)抵達(dá)四支天線，則此時(shí)打開激光頭，激光所照處即為局放發(fā)生處；若時(shí)間差大于T，信號(hào)采集控制器傳輸控制信號(hào)，令步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)分別轉(zhuǎn)動(dòng)Δα、Δβ角度，驅(qū)使局放源的位置近似正對(duì)天線陣列的正中央。經(jīng)過重復(fù)采樣、分析、計(jì)算、輸送控制信號(hào)直至UHF信號(hào)時(shí)間差在T以內(nèi)，此時(shí)控制激光頭開啟，指向局放所在位置，實(shí)現(xiàn)局放源的定位。

圖4 變電站局放監(jiān)測定位裝置工作流程

2.1 UHF信號(hào)識(shí)別

由于天線陣列采集的脈沖型隨機(jī)干擾信號(hào)較難區(qū)分消除，在局部放電圖形分析模式下，選擇以圖形的方式充分展現(xiàn)多種干擾信號(hào)，并根據(jù)各種干擾和真正局部放電脈沖的特征區(qū)分兩者[14-15]。如圖5所示，信號(hào)采集控制器將4支全向天線采集到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為各個(gè)數(shù)字化波形，通過分析、比較圖形與必要的處理，判斷采集到的脈沖信號(hào)是否為局放信號(hào)：對(duì)于具有固定相位的脈沖干擾，通過分析信號(hào)的脈沖幅值在每個(gè)正弦周波上的分布，在N-Φ、N-Q-Φ的統(tǒng)計(jì)上展現(xiàn)出單個(gè)的次數(shù)峰值，在Q-Φ-t上展現(xiàn)出整齊的排列；對(duì)于與正波電壓相位有時(shí)間相關(guān)規(guī)律的干擾脈沖，分析相位、時(shí)間的關(guān)系，在Q-Φ-t三維圖譜上呈現(xiàn)出橢圓形、圓形、S形、斜線型等有規(guī)律的圖形；對(duì)于隨機(jī)出現(xiàn)的干擾脈沖，由于出現(xiàn)的相位、幅值、次數(shù)的不確定性，圖形往往相位雜亂，可通過N-Q-Φ三維圖譜區(qū)分。

圖5 信號(hào)判斷流程

2.2 舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的確定

以舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度Δβ的計(jì)算為例進(jìn)行說明，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度Δα的計(jì)算同理。在如圖6所示的縱向投影圖中，實(shí)線表示當(dāng)前時(shí)刻的投影位置關(guān)系，b為局放源S與天線陣列AB邊的投影距離，a為局放源S距天線陣列CD邊的投影距離；虛線圖表示的是天線陣列縱向旋轉(zhuǎn)θ角度后局放源位于中心時(shí)的投影圖，此時(shí)局放源與天線陣列中心的連線應(yīng)垂直于陣列投影，且局放源距天線陣列AB邊與CD邊的投影距離m應(yīng)相等，記天線陣列邊長為L，具體計(jì)算如下：

圖6 天線陣列與局放源的縱向投影圖

根據(jù)幾何關(guān)系，b、a分別為ΔSAB、ΔSCD的高，可由海倫公式求出SΔSAB、SΔSCD：

其中，c為電磁波的傳播速度，c=3×108m/s。

則a、b可由式（3）表示：

由于a、b的變化率相同，且a+b=2 m，局放源至陣列中心的投影距離h可由式（4）表示：

根據(jù)余弦定理可得式（5）：

將兩式相減即可得轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ的表達(dá)式：

角度θ即為舵機(jī)順時(shí)針方向上所需旋轉(zhuǎn)的角度，即Δβ=β-β0=-θ，其中β0代表舵機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的角度，β代表舵機(jī)旋轉(zhuǎn)后的期望角度。

由此即得到了舵機(jī)所需旋轉(zhuǎn)的角度，同理可以得到步進(jìn)電機(jī)所需旋轉(zhuǎn)的角度Δa，從而信號(hào)采集控制器可以輸出的控制信號(hào)以控制舵機(jī)與步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并由舵機(jī)與步進(jìn)電機(jī)協(xié)同調(diào)節(jié)天線陣列的指向，完成一次自動(dòng)定位操作。

3 局放監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所述局放監(jiān)測裝置與方法的可行性，搭建變電站局放監(jiān)測及定位裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括局放模擬器、電機(jī)與天線陣列組成的自定向裝置、高速示波器等。天線陣列為正方形布置方式，輪廓邊長L=4 m，如圖7所示。

圖7 局放監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)裝置

在天線陣列四周隨意放置局放模擬器，利用示波器采集天線接收到的UHF信號(hào)，采樣率設(shè)置為5GHz，可得到以下波形：圖8所示為局放模擬器發(fā)出信號(hào)即局放產(chǎn)生且未調(diào)整天線陣列指向時(shí)兩支全向天線所接收到的UHF信號(hào)，由波形圖可以明顯看出兩個(gè)信號(hào)之間存在較大的時(shí)間差，需要對(duì)天線陣列指向進(jìn)行調(diào)整；在信號(hào)采集控制器控制自定向裝置完成天線陣列指向的調(diào)整，即控制信號(hào)時(shí)間差在預(yù)設(shè)閾值T以內(nèi)后，兩支全向天線所接收的信號(hào)波形如圖9所示。通過兩幅圖的對(duì)比可以看出，所述定位方法將493.6 ns的時(shí)間差縮短至8.0 ns，明顯縮短了信號(hào)時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)了使信號(hào)的時(shí)間差控制在時(shí)間閾值T以內(nèi)，從而使局放源正對(duì)天線陣列，激光燈的指示可靠，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位。

圖8 指向調(diào)整前兩支全向天線接收的信號(hào)波形

圖9 指向調(diào)整后兩支全向天線接收的信號(hào)波形

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)在變電站局放監(jiān)測定位裝置只可實(shí)現(xiàn)一個(gè)空間平面內(nèi)的局放監(jiān)測的不足，本文提出了一種可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測定位三維空間內(nèi)的局放源的自動(dòng)定向裝置，裝置通過步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)調(diào)節(jié)天線陣列指向，使得陣列可指向三維空間的任意方位，并在調(diào)整后使用激光燈指示局放源所在位置，從而實(shí)現(xiàn)局放監(jiān)測及定位。另外本文還提出了適用于該裝置的局放監(jiān)測定位算法，首先對(duì)天線所接收到的信號(hào)在N-Q-Φ等圖譜中進(jìn)行判別以得到UHF信號(hào)，再根據(jù)空間幾何關(guān)系分別確定舵機(jī)與步進(jìn)電機(jī)所需旋轉(zhuǎn)的角度從而輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，并通過閉環(huán)多次反饋調(diào)節(jié)來提高控制精度。最后在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了局部放電現(xiàn)象，結(jié)果表明所述裝置和方法可以有效監(jiān)測到局放信號(hào)并能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，驗(yàn)證了此方法實(shí)現(xiàn)局放源定位的可行性與可靠性，為局部放電監(jiān)測的發(fā)展提供了一個(gè)新思路。