梁明星

（貴州省機(jī)場集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著科技的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的建設(shè)也得到了前所未有的發(fā)展。電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是電力系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，已經(jīng)逐漸成為電力行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中，電力系統(tǒng)運(yùn)行安全是備受重視的一個(gè)問題。大型變壓器、開關(guān)柜等高壓電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)成為電力企業(yè)進(jìn)行電力系統(tǒng)檢測(cè)的重要目標(biāo)。由于高壓電氣設(shè)備的檢測(cè)手段目前仍以定期停機(jī)斷電檢修的離線監(jiān)測(cè)為主要方式，大大降低了電力設(shè)備的檢測(cè)效率，也給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)設(shè)備故障問題，將會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不僅有斷電的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也有可能造成設(shè)備被損毀，繼而導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)癱瘓，給整個(gè)電力公司帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決這一問題，局部放電在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用成為一種新的解決方案。這種技術(shù)可以盡可能簡化電力系統(tǒng)的檢測(cè)流程，實(shí)施分析與判斷電力設(shè)備的絕緣狀態(tài)，大大降低安全事故的發(fā)生。因此，局部放電在線檢測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用非常值得關(guān)注和探討。

1 局部放電概述

1.1 局部放電產(chǎn)生原因

局部放電是指高壓設(shè)備中電介質(zhì)的局部區(qū)域在電場作用下發(fā)生氣體放電現(xiàn)象。在高壓設(shè)備中，電場強(qiáng)度較大的位置，例如，電纜終端、絕緣子表面、繞組內(nèi)部等，容易形成局部放電。高壓設(shè)備的絕緣材料隨著高壓設(shè)備的使用時(shí)間不斷增長，絕緣材料會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素、電壓、電流等原因而老化，可能存在氣泡、裂紋、異物等瑕疵或缺陷，絕緣材料的絕緣能力大大減弱，從而導(dǎo)致高壓設(shè)備局部電場集中，引起局部放電。同時(shí)在高壓設(shè)備中，由于電介質(zhì)形狀和電極布局的不同，電場分布會(huì)出現(xiàn)不均勻性，如在變壓器繞組的末端或絕緣子表面，由于電場的集中，容易形成局部放電。此外，在高壓設(shè)備的使用中，由于振動(dòng)、溫度變化等因素，絕緣材料可能會(huì)出現(xiàn)變形或移位，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)分布不均勻，容易引起局部放電。

1.2 局部放電類型

1.2.1 內(nèi)部放電

在高壓電氣設(shè)備內(nèi)部，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象。而當(dāng)電場強(qiáng)度繼續(xù)上升并達(dá)到擊穿場強(qiáng)時(shí)，整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)就會(huì)被擊穿。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致高壓電氣設(shè)備失效，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重后果。為了避免高壓電氣設(shè)備內(nèi)部放電現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要在制造和安裝過程中，嚴(yán)格控制工藝，并采用先進(jìn)的絕緣材料。在制造過程中，需要注意各種絕緣結(jié)構(gòu)的澆筑、擠制、層繞等過程，確保絕緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。同時(shí)，在安裝過程中，需要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，避免出現(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)的損壞或老化。此外，定期檢查和維護(hù)高壓電氣設(shè)備也是非常重要的。定期檢查可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)中的問題，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。而維護(hù)工作則可以延長設(shè)備的使用壽命，并降低設(shè)備失效的風(fēng)險(xiǎn)。具體內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 內(nèi)部放電示意圖

1.2.2 沿面放電

高壓電氣設(shè)備沿面放電是指設(shè)備內(nèi)部沿不同聚集態(tài)絕緣介質(zhì)分界面的放電現(xiàn)象。在電力行業(yè)中，高壓電氣設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。然而，高壓電氣設(shè)備沿面放電問題一直是電力行業(yè)中的一個(gè)難題。在油浸式變壓器等高壓電氣設(shè)備中絕緣結(jié)構(gòu)是由固體、液體和氣體等不同聚集態(tài)絕緣介質(zhì)組成的。當(dāng)電場強(qiáng)度超過一定值時(shí)，絕緣介質(zhì)中的電荷就會(huì)被激發(fā)，形成電子和正離子，從而導(dǎo)致沿面放電的出現(xiàn)。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的老化和損壞，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行。為了避免高壓電氣設(shè)備沿面放電的出現(xiàn)，需要嚴(yán)格控制設(shè)備的制造和安裝工藝，確保絕緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，還需使用高質(zhì)量的絕緣材料，并保證絕緣介質(zhì)的清潔和干燥，保證電力行業(yè)的安全生產(chǎn)。

1.2.3 電暈放電

高壓電氣設(shè)備中的電暈放電是指帶天體表面在氣體及液體介質(zhì)中出現(xiàn)的局部放電現(xiàn)象。在高壓電氣設(shè)備中，常常會(huì)出現(xiàn)電暈放電的問題，如開關(guān)柜線纜接頭、變壓器母線等設(shè)備。電暈放電的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的老化和損壞，同時(shí)也會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。電暈放電主要發(fā)生在尖端電極周圍，當(dāng)電場強(qiáng)度超過一定值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電暈放電的情況。電暈放電的出現(xiàn)不僅會(huì)產(chǎn)生噪聲和電磁干擾，還會(huì)產(chǎn)生臭氧等有害物質(zhì)，對(duì)人體健康造成威脅。為了盡可能減小電暈放電的可能性，在設(shè)計(jì)電力設(shè)備時(shí)應(yīng)該避免尖端電極的出現(xiàn)，采用光滑的表面來減小電場強(qiáng)度，可采用金屬套或者防電暈管等措施來減小電暈放電的出現(xiàn)。此外，可通過定期檢查和維護(hù)設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除電暈放電的問題，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 局部放電在線檢測(cè)技術(shù)

2.1 超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)技術(shù)原理是利用聲波在介質(zhì)中的傳播特性來檢測(cè)設(shè)備中的強(qiáng)電局部放電情況。超聲波檢測(cè)技術(shù)主要包括超聲波傳感器、信號(hào)放大器、AD 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器等組成部分。傳感器將超聲波信號(hào)傳遞給信號(hào)放大器，信號(hào)放大器將信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，最終由數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波檢測(cè)技術(shù)可以通過安裝在設(shè)備表面的傳感器，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的聲波進(jìn)行檢測(cè)，判斷設(shè)備是否存在強(qiáng)電局部放電的情況。同時(shí)，超聲波檢測(cè)技術(shù)還可以通過多通道檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的多個(gè)位置進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)到微小的強(qiáng)電局部放電信號(hào)，準(zhǔn)確地確定放電源的位置。

2.2 熱成像檢測(cè)法

熱成像檢測(cè)技術(shù)是一種非常有效的高壓設(shè)備強(qiáng)電局部放電在線檢測(cè)技術(shù)，具有精度高、速度快、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其原理是利用設(shè)備表面的溫度變化來識(shí)別設(shè)備中的強(qiáng)電局部放電情況。熱成像檢測(cè)技術(shù)具體應(yīng)用過程中，紅外熱像儀可通過感光元件將設(shè)備表面的熱輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，最終由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，識(shí)別設(shè)備中的強(qiáng)電局部放電情況。

2.3 暫態(tài)地電壓檢測(cè)法

暫態(tài)的電壓檢測(cè)技術(shù)原理是通過監(jiān)測(cè)設(shè)備中暫態(tài)地電壓的變化來識(shí)別設(shè)備中的強(qiáng)電局部放電情況。電容式電壓傳感器通過感應(yīng)設(shè)備中的暫態(tài)地電壓變化，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過信號(hào)放大器和濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，最終由數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，暫態(tài)的電壓檢測(cè)技術(shù)結(jié)合其他檢測(cè)技術(shù)，可大大提高檢測(cè)效率和精度。

2.4 高頻電流檢測(cè)法

高頻電流檢測(cè)技術(shù)能夠直接獲取局部放電信號(hào)的時(shí)域波形，充分了解表征局部放電的嚴(yán)重程度。該技術(shù)原理是通過監(jiān)測(cè)設(shè)備中放電產(chǎn)生的高頻電流信號(hào)來識(shí)別設(shè)備中的強(qiáng)電局部放電情況。在實(shí)際應(yīng)用中，高頻電流檢測(cè)技術(shù)可以通過傳感器對(duì)設(shè)備中放電產(chǎn)生的高頻電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，識(shí)別設(shè)備中的強(qiáng)電局部放電情況。

3 高壓設(shè)備強(qiáng)電局部放電的在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高壓設(shè)備在長期運(yùn)行過程中，由于環(huán)境因素、材料老化等原因，容易出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，從而導(dǎo)致設(shè)備的損壞或者故障。因此，對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行絕緣狀態(tài)巡檢是非常必要的。而在進(jìn)行局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)相關(guān)需求設(shè)計(jì)便攜式的在線檢測(cè)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能夠應(yīng)用于高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)巡檢環(huán)節(jié)中。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要搭載超聲波傳感器、TEV 傳感器以及HFCT 傳感器，采集TRV、HFCT 等高頻信號(hào)，及時(shí)響應(yīng)與處理高速數(shù)據(jù)信息。在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠從高頻與低頻兩個(gè)通道進(jìn)行局部放電系統(tǒng)地放電信號(hào)采集工作，利用傳感器所采集的信號(hào)，可利用信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行隔離與放大，高頻與低頻兩個(gè)通道的局部信號(hào)能夠在Zynq的PL 區(qū)域進(jìn)行高速并行處理。在進(jìn)行局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)相關(guān)需求設(shè)計(jì)便攜式的在線檢測(cè)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能夠應(yīng)用于高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)巡檢環(huán)節(jié)中。通過搭載超聲波傳感器、TEV 傳感器以及HFCT 傳感器，采集TRV、HFCT 等高頻信號(hào)，及時(shí)響應(yīng)與處理高速數(shù)據(jù)信息。在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠從高頻與低頻兩個(gè)通道進(jìn)行局部放電系統(tǒng)地放電信號(hào)采集工作，利用傳感器所采集的信號(hào)，可利用信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行隔離與放大，高頻與低頻兩個(gè)通道的局部信號(hào)能夠在Zynq 的PL區(qū)域進(jìn)行高速并行處理。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件設(shè)計(jì)

為滿足設(shè)備的長時(shí)間工作需求，該設(shè)備采用了5000mAh 鋰離子電池進(jìn)行供電。該電池具有高能量密度、長使用壽命、輕便等特點(diǎn)，能夠?yàn)樵O(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源支持，確保設(shè)備能夠連續(xù)工作5 ～6 小時(shí)。同時(shí)，該電池還具有較高的充電效率和安全性能，在充電時(shí)也能夠保證工作人員的安全。

為方便用戶的操作和觀察測(cè)試結(jié)果，該設(shè)備還采用了5 寸TFT-LCD 顯示屏，用戶可以通過該顯示屏直觀地觀察測(cè)試結(jié)果和操作設(shè)備。該顯示屏具有高亮度、高對(duì)比度、廣視角等特點(diǎn)，能夠在不同環(huán)境下都能夠清晰地顯示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)部存儲(chǔ)和外部存儲(chǔ)通道，方便用戶進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。用戶可以通過內(nèi)部存儲(chǔ)器將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)部，也可以通過外部存儲(chǔ)通道將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其他存儲(chǔ)設(shè)備中，以便于后期處理和分析。該存儲(chǔ)系統(tǒng)具有高速讀寫、大容量、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，能夠滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。

設(shè)計(jì)移動(dòng)終端USB 和傳統(tǒng)以太網(wǎng)的連接模式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的連接方式，其中移動(dòng)終端USB 連接模式適用于需要頻繁移動(dòng)的測(cè)試場景，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制；而傳統(tǒng)以太網(wǎng)連接模式適用于需要長時(shí)間連續(xù)測(cè)試的場景，可以保證設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

為了方便用戶對(duì)設(shè)備的操作和控制，設(shè)計(jì)的操作響應(yīng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的快速響應(yīng)和控制，包括USB 設(shè)備、以太網(wǎng)設(shè)備等。同時(shí)，儀器參數(shù)設(shè)置模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器的參數(shù)設(shè)置和管理，包括局部放電檢測(cè)參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)參數(shù)等。這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，可以為用戶提供方便的操作和管理手段，使得用戶能夠更加輕松地完成檢測(cè)任務(wù)。分時(shí)操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電信號(hào)相關(guān)信息的實(shí)時(shí)展現(xiàn)和處理。分時(shí)操作系統(tǒng)可以將處理器時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片可以為不同的任務(wù)分配處理器時(shí)間，保證任務(wù)之間的切換和優(yōu)先級(jí)的處理。在局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)中，可將局部放電信息的處理和顯示作為一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，保證其能夠在第一時(shí)間得到處理和顯示，同時(shí)，也可將其他任務(wù)分配到其他時(shí)間片中進(jìn)行處理，保證數(shù)據(jù)收發(fā)工作以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)活動(dòng)不會(huì)影響人機(jī)交互界面顯示以及外設(shè)操作響應(yīng)。此外，可利用多線程技術(shù)來妥善處理以及應(yīng)用處理器資源，提升處理器應(yīng)用效率。在局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)中，將不同的任務(wù)分配到不同的線程中進(jìn)行處理，保證每個(gè)線程都能夠得到充分的處理器時(shí)間，提高處理器的利用率。同時(shí)通過設(shè)置優(yōu)先級(jí)線程，可保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的及時(shí)處理和響應(yīng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

綜上所述，高壓設(shè)備強(qiáng)電局部放電在線檢測(cè)技術(shù)可保障高壓設(shè)備的安全運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的強(qiáng)電局部放電現(xiàn)象，減少設(shè)備的故障率，延長設(shè)備的使用壽命。為此需要靈活應(yīng)用局部放電在線檢測(cè)技術(shù)，推動(dòng)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為電力行業(yè)的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。