單局放傳感器電纜局部放電源點(diǎn)定位方法研究

蔣 超，徐 妍，王江彬，李致金

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211100；2.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044）

電纜局放是絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部擊穿和熄滅現(xiàn)象。高壓電纜的許多故障實(shí)際是由于局部放電引起的。高壓電纜由于其傳輸電壓高，線纜頻繁局部放電可能會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿與失效，從而造成嚴(yán)重電力故障[1-3]。局放的產(chǎn)生初期并不會(huì)影響絕緣能力，但設(shè)備長(zhǎng)期處于高壓狀態(tài)下容易造成絕緣體損壞，從而縮短絕緣體的使用壽命。局部放電法能夠?qū)﹄娎|絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)放電量和相位等特征參數(shù)的分析，可以判斷缺陷類型和電纜絕緣層絕緣劣化程度，進(jìn)而分析絕緣老化的趨勢(shì)，預(yù)測(cè)電纜剩余壽命。局部放電法對(duì)電纜絕緣層的可靠性監(jiān)測(cè)具有重大意義，目前在電纜絕緣監(jiān)測(cè)方面已有很多成功案例[4]。

1 單局放傳感器局放源點(diǎn)檢測(cè)方法

目前在電纜運(yùn)行監(jiān)測(cè)中，常用的局部放電法可分為：1）高頻電流（HFCT）局放檢測(cè)法；2）超高頻（UHF）局放檢測(cè)法；3）超聲波（AA）局放檢測(cè)法；4）溫度檢測(cè)法和化學(xué)局放檢測(cè)法等。電纜在局部放電時(shí)，局放產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)會(huì)沿電纜軸向兩端傳播，不管HFCT 傳感器放置在局部放電點(diǎn)的哪一側(cè)，局部放電信號(hào)都可以沿一個(gè)方向直達(dá)HFCT傳感器，或者沿另一個(gè)方向傳播到電纜末端，再經(jīng)過(guò)末端將信號(hào)反射到達(dá)傳感器。因此，單個(gè)HFCT局放傳感器將收到兩個(gè)局部放電產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)，這兩個(gè)脈沖信號(hào)傳輸?shù)紿FCT 局放傳感器時(shí)將產(chǎn)生一定的時(shí)間差。在分析研究局部放電源點(diǎn)定位時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)骄址艂鞲衅鞯臅r(shí)間差，實(shí)現(xiàn)局部放電源點(diǎn)的基本定位，如圖1所示。

圖1 高頻電流法定位原理

圖1 中，P點(diǎn)是局部放電源點(diǎn)，HFCT 局放傳感器放置在A點(diǎn)，局放產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)一部分直接由P點(diǎn)傳輸至A，另一部分由P傳輸至B點(diǎn)，再經(jīng)B點(diǎn)反射到達(dá)A點(diǎn)[5-9]。在傳統(tǒng)的方法中[10-16]，單局放傳感器可實(shí)現(xiàn)局放源點(diǎn)的定位，但無(wú)法確定局放源點(diǎn)的方向。因此，在實(shí)際測(cè)量中，一般使用兩個(gè)HFCT 局放傳感器同步檢測(cè)，既檢測(cè)局部放電源點(diǎn)位置，又檢測(cè)局部放電源點(diǎn)的方向。這種方法，檢測(cè)設(shè)備體積大、功耗大、成本高。該系統(tǒng)研究單局放傳感器實(shí)現(xiàn)局放源點(diǎn)的位置定位和方向確定方法，在實(shí)際局放源點(diǎn)檢測(cè)中節(jié)約了傳感器的數(shù)量，安裝方便。

2 單局放傳感器局放源點(diǎn)方向確定方法

將局放傳感器安裝在A點(diǎn)位置，示意圖如圖2 所示。局部放電源點(diǎn)P點(diǎn)發(fā)生局部放電時(shí)，產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)分兩次傳輸至A點(diǎn)的局放傳感器中。

圖2 兩側(cè)局放源點(diǎn)示意圖

式（1）、（2）中，v為高頻脈沖速度，t1為直達(dá)脈沖到達(dá)A的時(shí)間，t2為反射脈沖到達(dá)A的時(shí)間。

在定位局部放電源點(diǎn)P時(shí)，在采用單個(gè)HFCT局部放電傳感器定位局部放電源點(diǎn)P時(shí)，局部放電發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，因此，P點(diǎn)高頻脈沖信號(hào)到達(dá)A的時(shí)間t1是不可預(yù)測(cè)的，同理，P點(diǎn)高頻脈沖信號(hào)經(jīng)B點(diǎn)反射傳輸至A的時(shí)間t2也是不可預(yù)測(cè)的，但局部放電源點(diǎn)P的高頻脈沖信號(hào)傳輸至A和經(jīng)B點(diǎn)反射后傳輸至A的時(shí)間差是可測(cè)量的，即(t2-t1) 是可測(cè)量的，代入式（2）可得出PB的長(zhǎng)度。

測(cè)出PB的長(zhǎng)度后，已知AB的長(zhǎng)度，則PA的長(zhǎng)度應(yīng)為：

由式（3）可測(cè)算出局部放電點(diǎn)距離安裝在A點(diǎn)的局放傳感器的位移。

圖2 中，式（1）、（2）、（3）可實(shí)現(xiàn)局放傳感器A右側(cè)局部放電源點(diǎn)P點(diǎn)的定位，同樣也適用于局放傳感器A左側(cè)局部放電源點(diǎn)P′點(diǎn)的定位，因此，采用這種方法只能實(shí)現(xiàn)局部放電源點(diǎn)的距離定位，還不能實(shí)現(xiàn)局部放電源點(diǎn)的方向定位。為此，還需要增加方向定位信息。

研究發(fā)現(xiàn)，局部放電源點(diǎn)在兩個(gè)局放傳感器中間時(shí)，傳到兩側(cè)局放傳感器的高頻脈沖信號(hào)是同相的。由物理學(xué)知識(shí)可得，波信號(hào)經(jīng)反射后是同相返回的。因此，可以利用一個(gè)局放傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電源點(diǎn)位置和方向的定位，具體算法如下。

在長(zhǎng)度為BC的電纜中間A點(diǎn)安裝一個(gè)局放傳感器，局放傳感器安裝點(diǎn)A在電纜BC的中間點(diǎn)，將不能克服對(duì)稱性帶來(lái)的不可檢測(cè)性。因此，安裝點(diǎn)A不能在BC的中間點(diǎn)，如圖3 所示。即：

圖3 單局放傳感器方向定位示意圖

圖3 中，t1為局放產(chǎn)生的高頻脈沖從局部放電源點(diǎn)到達(dá)局放傳感器A的時(shí)間；t2為局放產(chǎn)生的高頻脈沖從局部放電源點(diǎn)經(jīng)B點(diǎn)反射到達(dá)局放傳感器A的時(shí)間；t3為局放產(chǎn)生的高頻脈沖從局部放電源點(diǎn)P經(jīng)C點(diǎn)反射到達(dá)局放傳感器A的時(shí)間。在圖3 中，局放傳感器放置在電纜CB的偏左端，即：

已知，局部放電是隨機(jī)的，系統(tǒng)不知局放何時(shí)會(huì)發(fā)生，因此，系統(tǒng)無(wú)法確定局放的起始時(shí)間，也就是說(shuō)圖3 中的時(shí)間量t1、t2、t3是不可測(cè)量的。系統(tǒng)最先收到的經(jīng)過(guò)t1時(shí)間傳輸?shù)降母哳l脈沖信號(hào)，并將此時(shí)刻作為系統(tǒng)測(cè)量計(jì)時(shí)的起點(diǎn)。由式（5）可知，t2所走的路徑為：

t3所走的路徑為：

臨床帶教老師在其擁有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該選擇責(zé)任心強(qiáng)、理論知識(shí)扎實(shí)、認(rèn)真負(fù)責(zé)、熱愛護(hù)理崗位的帶教，并且定期進(jìn)行理論及操作技能的提升，必要時(shí)還應(yīng)定期外出學(xué)習(xí)以更新知識(shí)。按期召開教學(xué)方法會(huì)議，每年度進(jìn)行能力測(cè)評(píng)，優(yōu)勝劣汰，有利于整體帶教老師資質(zhì)的提高。

由式（6）、（7）分析可知，局部放電源點(diǎn)P的位置不同，St2、St3路徑大小無(wú)確定的關(guān)系，因此不能用局放產(chǎn)生的高頻脈沖經(jīng)B點(diǎn)和C點(diǎn)反射后到達(dá)局放傳感器的時(shí)間t2、t3長(zhǎng)短來(lái)確定局部放電源點(diǎn)的方向。

由圖3 可知，局部放電源點(diǎn)P在A點(diǎn)左側(cè)時(shí)，有：

局部放電源點(diǎn)P在A的右側(cè)時(shí)，有：

分析式（9）可知，系統(tǒng)在局部放電時(shí)產(chǎn)生的第一個(gè)高頻脈沖時(shí)，打開定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，收到第二個(gè)局放產(chǎn)生的高頻脈沖時(shí)，記取時(shí)間值，該值為：

系統(tǒng)收到局放產(chǎn)生的第三個(gè)高頻脈沖時(shí)，記取時(shí)間值，該值為：

則：

由式（9）可推出：

式（16）中，v為局部放電產(chǎn)生得高頻脈沖的傳播速度。取PB=AB的時(shí)間為時(shí)間參考基準(zhǔn)，即：

在式（17）中，局放傳感器是預(yù)先按式（5）放置的，即CA、BA是確定的，因此式（17）是確定的。

由式（10）、（11）可知，局部放電源點(diǎn)P在局放傳感器A的右側(cè)時(shí)，PB＜AB，因此：

局部放電源點(diǎn)P在局放傳感器A的左側(cè)時(shí)，PB＞AB，因此：

由以上分析可知，采用單局放傳感器定位局部放電源點(diǎn)時(shí)，只需按式（5）安裝局放傳感器，按式（17）算出Δts，作為局放源點(diǎn)方向判斷的基準(zhǔn)時(shí)間，然后根據(jù)局部放電時(shí)產(chǎn)生的高頻脈沖到達(dá)時(shí)間按式（15）計(jì)算出Δt，最后，比較Δt與Δts的大小即可準(zhǔn)確定位局部放電源點(diǎn)P對(duì)于局放傳感器安裝點(diǎn)A的方向和位置。當(dāng)Δt大于Δts時(shí)，局放源點(diǎn)在局放傳感器的左側(cè)，當(dāng)Δt小于Δts時(shí)，局放源點(diǎn)在局放傳感器的右側(cè)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)以上研究可知，采用單個(gè)局放傳感器時(shí)，在檢測(cè)區(qū)域合理放置局放檢測(cè)傳感器，可精確定位局部放電源點(diǎn)的位置以及放電源點(diǎn)相對(duì)于局放傳感器的方向。為實(shí)現(xiàn)單局放傳感器檢測(cè)，該文設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4 所示。

圖4 局放檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖4 中，信號(hào)處理單元包括局放信號(hào)保持電路、放大電路和濾波電路，如圖5 所示。局放脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)主控系統(tǒng)定時(shí)器的觸發(fā)信號(hào)，主控系統(tǒng)接收局放脈沖觸發(fā)信號(hào)后，開啟定時(shí)器，記錄局放信號(hào)到達(dá)主控系統(tǒng)的時(shí)間。

圖5 局放信號(hào)保持、放大濾波電路

主控系統(tǒng)采用目前市場(chǎng)使用較廣的STM32 系列微控制器為核心控制芯片。主控系統(tǒng)記取局放信號(hào)到達(dá)時(shí)間，依據(jù)上文算法計(jì)算出局放源點(diǎn)與局放傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的距離，以及判斷出局放源點(diǎn)相對(duì)于局放傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的方向。操作系統(tǒng)采用觸摸屏為顯示操作屏，在顯示屏上，顯示主控系統(tǒng)傳輸來(lái)的局放源點(diǎn)信息，可同時(shí)顯示操作屏設(shè)置局放傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)位置信息。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括3 部分：1）局放信號(hào)到達(dá)時(shí)間的記錄程序；2）局放源點(diǎn)位置確定程序；3）局放源點(diǎn)相對(duì)于局放檢測(cè)系統(tǒng)方向確定程序。在該系統(tǒng)中，局放信號(hào)到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間記錄是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，時(shí)間記錄流程如圖6 所示。局放位置確定程序不是該文介紹的重點(diǎn)，該文重點(diǎn)是研究利用局放傳感器檢測(cè)確定局放源點(diǎn)的方向，該程序流程如圖7 所示。

圖6 局放脈沖到達(dá)時(shí)間記錄流程

圖7 局放源點(diǎn)方向判斷流程

4 結(jié)論

基于該定位算法，局放位置檢測(cè)系統(tǒng)利用局放源點(diǎn)信號(hào)到達(dá)單局放傳感器的時(shí)間差，即可實(shí)現(xiàn)局放源點(diǎn)位置和方向的精確定位。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，局放信號(hào)到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間記錄是該系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，因此，局放信號(hào)到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間應(yīng)準(zhǔn)確。同時(shí)，局放時(shí)產(chǎn)生的高頻脈沖到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)拾取應(yīng)準(zhǔn)確和快速。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單局放傳感器局放源點(diǎn)定位方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、安裝便捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該局放源點(diǎn)定位算法在局部放電產(chǎn)生時(shí)取得了較理想的定位效果。