基于TEV傳感器與TOA算法的高壓開關(guān)柜局部放電定位方法的研究

麥茜堅(jiān) 鐘 悅 唐 明 李洪杰

（1.廣西電網(wǎng)公司梧州供電局，廣西 梧州 543002；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

高壓開關(guān)柜廣泛用于變電站中，其內(nèi)部裝有電纜接頭、避雷器、電流互感器、開關(guān)等多種一次配電設(shè)備。這些設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中由于受到電、熱、化學(xué)及異常狀況影響，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低。近年來在配網(wǎng)開關(guān)柜中的許多突發(fā)設(shè)備事故，多是設(shè)備絕緣問題所致。為此，以暫態(tài)地電壓（TEV）為代表的高壓開關(guān)柜絕緣狀態(tài)帶電檢測(cè)技術(shù)得到大量的研究與應(yīng)用[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]采用時(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)TEV 信號(hào)在開關(guān)柜中的傳播特性進(jìn)行仿真，分析了開關(guān)柜內(nèi)部各種部件對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]從波形分布、波形形態(tài)、放電幅值與放電相位等方面將TEV 檢測(cè)法與傳統(tǒng)脈沖電流法進(jìn)行比對(duì)，認(rèn)為TEV 法與脈沖電流法具備等效性。文獻(xiàn)[6]以針板放電、內(nèi)部放電、沿面放電與懸浮放電等4 種模型驗(yàn)證TEV 法檢測(cè)在開關(guān)柜局部放電檢測(cè)中的合理性。文獻(xiàn)[7]基于FDTD 算法對(duì)局部放電所產(chǎn)生的超高頻電磁波在開關(guān)柜中的傳播特性，研究各種放電模型的局部放電信號(hào)傳播規(guī)律。此外，超聲波傳感器、超高頻傳感器、高頻電流傳感器等在開關(guān)柜等電力設(shè)備的聯(lián)合檢測(cè)中也得到大量應(yīng)用[9]。

TEV 法檢測(cè)的基本流程可分為巡檢與定位兩個(gè)步驟。巡檢時(shí)先比較相鄰開關(guān)柜的TEV 檢測(cè)幅值，若某開關(guān)柜的檢測(cè)信號(hào)值大于相鄰開關(guān)柜且明顯大于背景噪聲值，則該開關(guān)柜可能存在局部放電點(diǎn)，需進(jìn)一步定位確定。對(duì)疑似局部放電點(diǎn)的定位，一般有兩種手段。第一種手段通過判斷幅值的大小實(shí)現(xiàn)，其基本邏輯為：距離放電點(diǎn)越近，放電幅值越大，距離越遠(yuǎn)，幅值越小。但這種方法只能定性檢測(cè)，較難定量分析，再加上電磁波在開關(guān)柜內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，折射與反射分量疊加到原始信號(hào)波形上，增加了準(zhǔn)確定位難度。第二種方法通過判斷局部放電信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，根據(jù)信號(hào)脈沖序列的時(shí)間差定位[10-12]。目前的高壓開關(guān)柜局部放電定位設(shè)備一般通過模擬電路判斷局部放電信號(hào)的上升沿，根據(jù)上升沿的時(shí)間差進(jìn)行定位。但這種方法存在信號(hào)無法保存、原始信號(hào)無法重現(xiàn)以及易于被干擾信號(hào)誤觸發(fā)等缺點(diǎn)。為解決上述問題，本文通過采集原始時(shí)域波形信號(hào)特征，基于時(shí)間差（TOA）法實(shí)現(xiàn)局部放電點(diǎn)自動(dòng)定位。本文首先采用閾值法、能量法、AIC 法與Gabor 法自動(dòng)提取局部放電信號(hào)序列的波前時(shí)刻，然后根據(jù)各采樣通道的波前時(shí)刻確定時(shí)間差，以時(shí)間差定位局部放電點(diǎn)。放電脈沖具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，每個(gè)工頻周期內(nèi)有大量的脈沖，定位結(jié)果以統(tǒng)計(jì)結(jié)果為準(zhǔn)。本文作者首先在實(shí)驗(yàn)室對(duì)所開發(fā)的算法進(jìn)行測(cè)試，然后變電站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一面存在放電的開關(guān)柜進(jìn)行定位，結(jié)果表明，放電點(diǎn)位于該開關(guān)柜上部間隔的母線處，停電檢修的結(jié)果印證了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)論。

1 局部放電定位算法

本文利用放電信號(hào)傳遞傳播到不同傳感器的時(shí)間差對(duì)局部放電源進(jìn)行定位，傳感器的放置位置示意如圖1所示，圖中A、B、C、D 四個(gè)傳感器限定了疑似放電點(diǎn)所在開關(guān)柜的中部間隔，通過時(shí)間差可分析局部放電點(diǎn)是否存在于開關(guān)柜中部。算法基本流程為：①提取背景噪聲特征，根據(jù)噪聲特征，對(duì)采集的信號(hào)去噪；②提取去噪后的局部放電脈沖；③根據(jù)閾值法、能量法、AIC 法與Gabor 法分別確 定每個(gè)采樣通道局部放電脈沖的波前時(shí)刻；④根據(jù)波前時(shí)刻獲取任意兩個(gè)采樣通道之間的時(shí)間差；⑤根據(jù)時(shí)間差定位局部放電點(diǎn)。

圖1 TEV 定位示意圖

局部放電點(diǎn)定位算法是否準(zhǔn)確，主要在于脈沖個(gè)數(shù)提取算法以及脈沖波前時(shí)刻的確定算法是否合理。

1.1 脈沖提取算法

提取脈沖算法的主要思想為：設(shè)定時(shí)間寬度可調(diào)的窗口，根據(jù)閾值提取脈沖。

1）窗口的采樣點(diǎn)數(shù)與采樣頻率有關(guān)，當(dāng)采樣頻率比較高時(shí)，可將窗口設(shè)小些；當(dāng)采樣頻率比較低時(shí)，可適當(dāng)增大窗口，本文窗口時(shí)間設(shè)定為1μs。

2）獲取每個(gè)通道的數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度N，設(shè)定閾值，初始化循環(huán)變量i，設(shè)置初始標(biāo)志位flag=0。

3）在時(shí)間窗中移動(dòng)，如果窗口中的值大于閾值，則獲取脈沖波前時(shí)刻，將標(biāo)志位flag 修改為1，脈沖個(gè)數(shù)加1，接著移動(dòng)變量i，直到找到脈沖結(jié)束位置索引，置flag=0。以此方法遍歷所有通道的采集數(shù)據(jù)，找出所有脈沖，其流程如圖2所示。脈沖個(gè)數(shù)提取完畢后，就可確定脈沖的波前時(shí)刻。

圖2 脈沖提取框圖

1.2 波前時(shí)刻確定算法

在局部放電定位的實(shí)際應(yīng)用中，波前識(shí)別的準(zhǔn)確與否成為確定放電位置的關(guān)鍵因素，常見的提取波前的方法有能量法、閾值法、Akaike Information Criterion 法（AIC）、Gabor centroid 法等，本文分別采用這幾種方法提取局部放電脈沖的波前時(shí)刻。

1）閾值法

閾值法尋找信號(hào)xk波前時(shí)刻，首先定義一個(gè)閾值xthr，在所采集信號(hào)中大于該閾值的第一個(gè)點(diǎn)即為所找到的脈沖波前時(shí)刻。閾值的選擇與當(dāng)前背景噪聲有關(guān)，一般選取規(guī)則為

式中，m為用戶所選參數(shù)，Pn為當(dāng)前噪聲的功率。

2）能量法

能量法基于信號(hào)的能量查找局部放電的波前時(shí)刻，其基本原理是假設(shè)在信號(hào)到達(dá)時(shí)刻信號(hào)的能量會(huì)發(fā)生變化。該方法將信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，獲取能量累積曲線，認(rèn)為能量拐點(diǎn)即為局部放電信號(hào)波前時(shí)刻。

以一維離散信號(hào)x為例，其長(zhǎng)度為N，則信號(hào)的能量定義為

式中，k為采樣信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)添加一個(gè)負(fù)的趨勢(shì)δ時(shí)，有

此時(shí)S′的全局最小值即可代表信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，而δ可由下式求取

上式中引進(jìn)了一個(gè)因子α來減小δ的延遲效應(yīng)，一般情況下可取為1。當(dāng)信號(hào)具有較高信噪比時(shí)，α應(yīng)當(dāng)視情形增加。

信號(hào)的全局最小極值點(diǎn)由下式計(jì)算：

能量法需要在包含整個(gè)脈沖并事先確定的時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行。若同時(shí)對(duì)多個(gè)脈沖使用能量法確定波前時(shí)刻，由于脈沖有強(qiáng)弱之分，能量曲線上幅值過低的脈沖所對(duì)應(yīng)的全局最小值可能無法確定，故通常將脈沖單獨(dú)提取，再進(jìn)行分析。

3）Gabor 法

Gabor 定義的脈沖波前時(shí)刻為

4）AIC 法

AIC 方法是一種衡量統(tǒng)計(jì)模型擬合優(yōu)良性能的標(biāo)準(zhǔn)，可權(quán)衡所估計(jì)模型的復(fù)雜度和模型擬合數(shù)據(jù)的優(yōu)良性。分步AIC 方法首先從脈沖信號(hào)中提取特征函數(shù)波形CF，為了可以同時(shí)反映脈沖信號(hào)的幅值與頻率變化，CF曲線的提取形式如下表示：

觀察得到的CF 曲線，選取該時(shí)刻的一個(gè)鄰域，計(jì)算每點(diǎn)的AIC值，并得到AIC特征曲線為

式中，k為從1 到N之間的值，N為采樣總數(shù)。σm2,n為信號(hào)xk從下標(biāo)m到n的方差。

對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算AICk值，則波前時(shí)刻t為所有AICk中最小值對(duì)應(yīng)的位置。

1.3 放電點(diǎn)定位算法

脈沖提取以及波前時(shí)刻確定完成后，可得各采樣通道的波前時(shí)刻數(shù)組，假定傳感器A 與傳感器B對(duì)應(yīng)采樣通道的波前時(shí)刻數(shù)組分別為A=[x1,x2,x3,…,xn]，B=[y1,y2,y3,y4,…,ym]。傳感器A 第一個(gè)脈沖的波前時(shí)刻x1與傳感器B 中所有脈沖的波前時(shí)刻的時(shí)間差為：Δt11=(x1-y1)，Δt12=(x1-y2)…Δt1m=(x1-ym)，得到數(shù)組Δt1=[Δt11,Δt12,Δt13,…,Δt1m]。同樣的，傳感器A 的第二個(gè)脈沖x2與傳感器B 中所有脈沖的波前時(shí)刻的時(shí)間差為數(shù)組Δt2=[Δt21,Δt22,Δt23,…,Δt2m]。最后得到n個(gè)時(shí)間差數(shù)組，但是每個(gè)數(shù)組中的數(shù)值只有一個(gè)是合理的，即上述n*m個(gè)數(shù)據(jù)中，有一個(gè)時(shí)間差的值將占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最多數(shù)。其余幾個(gè)通道兩兩尋找時(shí)間差，最終將獲得局部放電點(diǎn)的位置。

1.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

算法實(shí)現(xiàn)完畢后，首先考察算法的準(zhǔn)確程度，采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波與高斯脈沖，信號(hào)頻率均為10MHz，采樣點(diǎn)數(shù)均為2500點(diǎn)。四種波前時(shí)刻算法確定的正弦波波前時(shí)刻如圖4所示，人工分析該波形，可認(rèn)為最準(zhǔn)確的波前時(shí)刻應(yīng)位于1250 點(diǎn)處，閾值法、能量法、AIC 法與Gabor 法確定的正弦波波前時(shí)刻分別為1247、1252、1214 與1253。對(duì)圖3所示正弦波，在四種波前時(shí)刻的確定算法中，能量法準(zhǔn)確程度最好。而方波、鋸齒波以及高斯脈沖的波前時(shí)刻，也是能量法準(zhǔn)確程度較其他方法要高，見表1。

在實(shí)驗(yàn)室中采用缺陷模型產(chǎn)生局部放電信號(hào)，波形如圖4所示，從圖中可見，波形有一段非常明顯的起始空白區(qū)域，有利于判斷波前時(shí)刻。定位算法對(duì)兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖提取、波前時(shí)刻確定以及時(shí)間差計(jì)算。自動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)進(jìn)行50 次，對(duì)50組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)傳感器的距離為60cm，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)傳感器采集通道的時(shí)間差為2ns，當(dāng)時(shí)間差計(jì)算誤差大于10%時(shí)認(rèn)為結(jié)果有誤，從表中可見，在50 次計(jì)算結(jié)果中，能量法計(jì)算正確的次數(shù)為49 次，正確率為98%。

圖3 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波波前時(shí)刻

表1 各算法確定的波前時(shí)刻

圖4 局部放電脈沖波形

表2 基于四種方法的定位結(jié)果

2 局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)具有4 個(gè)采樣通道，如圖5所示。首先檢測(cè)站內(nèi)的背景噪聲，站內(nèi)空氣的噪聲為30dBmV，與開關(guān)柜無接觸的金屬門背景值為39dBmV。開關(guān)柜的TEV 傳感器及超聲波傳感器部分檢測(cè)結(jié)果如表3所示。從表中可見，檢測(cè)數(shù)據(jù)具有背景噪聲較小與數(shù)據(jù)橫向變化明顯等特征，為查找疑似存在局部放電的開關(guān)柜提供了便利。編號(hào)為3017 的開關(guān)柜TEV 信號(hào)幅值已超量程，由于放電幅值很大，電磁波傳輸?shù)较噜忛_關(guān)柜衰減后其幅值依然很大，因此與相鄰開關(guān)柜之間的檢測(cè)數(shù)值差異不明顯。但超聲波信號(hào)與相鄰開關(guān)柜的讀數(shù)差異則比較明顯，3017 開關(guān)柜的幅值最大，與其相鄰的開關(guān)柜幅值逐步降低。因此，初步懷疑該開關(guān)柜存在放電現(xiàn)象，接下來對(duì)該開關(guān)柜具體的放電間隔進(jìn)行定位。

圖5 檢測(cè)裝置框圖

表3 部分開關(guān)柜的TEV 以及超聲幅值

傳感器放置如圖6所示，檢測(cè)波形如圖7所示，從圖中可見，信號(hào)先傳輸?shù)酵ǖ繠 與通道C 對(duì)應(yīng)的傳感器，然后再繼續(xù)傳播，到達(dá)通道A 與通道D 對(duì)應(yīng)的傳感器。通道B 與通道C 之間的時(shí)間差約為1.2ns，而通道A 與通道D 的時(shí)間差約為1.5ns，對(duì)應(yīng)的空間距離不超過40cm。這說明局部放電信號(hào)從該開關(guān)柜內(nèi)部傳出，自動(dòng)定位算法的結(jié)果如表4所示，可見，四種定位算法均表明該開關(guān)柜存在局部放電信號(hào)，其中能量法判斷為局部放電信號(hào)的占比最高。為了定位放電信號(hào)的具體間隔，傳感器位置如圖8所示，檢測(cè)波形如圖9所示，從圖中可見，通道A 與通道B 的到達(dá)時(shí)間差相等，通道C 與通道D 的到達(dá)時(shí)間差相等，而通道A、B 與通道C、D之間具有一定時(shí)間差，說明放電信號(hào)并未在傳感器所框定的間隔內(nèi)，而是從該開關(guān)柜的中部或上部傳輸而來。自動(dòng)定位算法的結(jié)果如表5所示，每種算法測(cè)試20 次，四種TOA 定位算法均認(rèn)為所測(cè)試信號(hào)為干擾信號(hào)，即信號(hào)不是從傳感器限定的區(qū)間產(chǎn)生，而是從區(qū)域外部傳入。接下來對(duì)上部間隔進(jìn)行檢測(cè)，因作者身高有限，只能將傳感器放置到該開關(guān)柜的中部與上部一部分，如圖10所示。信號(hào)波形如圖11所示，可見信號(hào)先傳輸?shù)酵ǖ繟 對(duì)應(yīng)的傳感器，然后同時(shí)到達(dá)傳感器B 與傳感器C，最后才到達(dá)傳感器D。可以說明，放電點(diǎn)應(yīng)位于該開關(guān)柜的上部間隔。自動(dòng)定位算法結(jié)果如表6所示，四種TOA 定位算法均認(rèn)為信號(hào)從傳感器限定的區(qū)間產(chǎn)生。

圖6 開關(guān)柜局部放電電定位

圖7 圖6對(duì)應(yīng)的檢測(cè)波形

表4 四種方法圖6定位結(jié)果

圖8 開關(guān)柜下部放電間隔定位

圖9 圖8對(duì)應(yīng)的檢測(cè)波形

表5 四種方法圖8定位結(jié)果

圖10 開關(guān)柜放電上部間隔定位

圖11 與圖10對(duì)應(yīng)的檢測(cè)波形

表6 四種方法圖10定位結(jié)果

3 解體結(jié)果

在獲得停電計(jì)劃后，作者對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)站用變柜與出線倉間的穿柜套管內(nèi)用彈簧將母排與穿柜套管屏蔽層搭接，因彈簧生銹與腐蝕斷裂失去彈性導(dǎo)致母排與套管不能可靠連接發(fā)生放電，逐漸腐蝕使得母排與套管內(nèi)屏蔽層連接線斷裂脫落，如圖12所示。本文的檢測(cè)結(jié)論與解體結(jié)果相符。

圖12 解體結(jié)果

4 結(jié)論

開關(guān)柜局部放電帶電檢測(cè)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部絕緣缺陷的重要手段，定位缺陷位置是提高檢測(cè)效率的關(guān)鍵方法。本文基于四種波前時(shí)刻計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)局部放電定位，在實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。從應(yīng)用效果可看到，在四種方法的定位結(jié)果中，閾值法效率高，但閾值選取是否準(zhǔn)確成為檢測(cè)成功的關(guān)鍵因素，能量法定位的準(zhǔn)確率最高。

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