電力系統(tǒng)高壓設(shè)備局部放電診斷研究

鄧波

（廣西北港金壓鋼材有限公司，廣西 北海 536000）

在電力系統(tǒng)中，絕緣退化是導(dǎo)致各種電氣元件失效的主要原因。在高壓設(shè)備的正常運(yùn)行過(guò)程中，電場(chǎng)應(yīng)力都會(huì)均勻地分布在電極之間的健康絕緣層上。然而，當(dāng)絕緣體含有某些缺陷（雜質(zhì)、空洞、氣泡或電樹(shù)）時(shí)，電極之間的絕緣體上就會(huì)產(chǎn)生分布不均勻的電場(chǎng)應(yīng)力，在特定的外加電壓水平下會(huì)發(fā)生局部放電，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，為電荷穿透絕緣材料提供了動(dòng)力，引發(fā)絕緣材料進(jìn)一步損失。局部放電檢測(cè)是一種用于評(píng)估電氣設(shè)備健康狀況的重要技術(shù)手段。在電氣設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于各種內(nèi)外部因素，設(shè)備絕緣系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)損傷或弱點(diǎn)，局部放電現(xiàn)象便隨之產(chǎn)生。通過(guò)局部放電檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測(cè)潛在的故障區(qū)域，以便在故障發(fā)展成嚴(yán)重問(wèn)題前采取相應(yīng)的維修措施。

1 局部放電在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)

在大多數(shù)情況下，局部放電表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間非常短的電流或電壓脈沖。這些脈沖高度依賴(lài)施加的電壓、介質(zhì)材料的性質(zhì)和環(huán)境條件。局部放電主要分為表面放電、內(nèi)部(空穴和樹(shù)枝)放電和電暈放電三大類(lèi)。評(píng)估放電嚴(yán)重程度和絕緣狀況信息可以采用局部放電起始電壓、累積表觀(guān)電荷、累積能量函數(shù)、平均放電電流、放電功率和二次速率。局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，包括三部分：傳感器采集、特診提取和數(shù)據(jù)分析。通過(guò)傳感器采集不同的可測(cè)量現(xiàn)象來(lái)監(jiān)測(cè)局部放電活動(dòng)，包括熱、振動(dòng)、光、氣體分解和電磁輻射的發(fā)射，將原始局部放電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一組可識(shí)別的區(qū)分性特征并進(jìn)行提取，統(tǒng)計(jì)特征、時(shí)間分辨局部放電特征和相位分辨局部放電特征進(jìn)行了量化。在傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以使用非常規(guī)電磁耦合技術(shù)來(lái)提高局部放電信號(hào)的檢測(cè)范圍，如箔電極和電流傳感器方法。基于射頻檢測(cè)和分析技術(shù)的無(wú)線(xiàn)局部放電傳感器為高壓設(shè)備的硬連線(xiàn)傳感器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。無(wú)線(xiàn)電接收器用于檢測(cè)和測(cè)量局部放電事件期間1～1000ns電流脈沖發(fā)出的電磁信號(hào)，無(wú)須安裝任何額外的硬件。電磁局部放電信號(hào)類(lèi)似于經(jīng)典的衰減振蕩，帶寬范圍從50～1000MHz，取決于故障的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)。然而，由于環(huán)境中的高頻衰減金屬結(jié)構(gòu)，該帶寬通常被限制在50～800MHz。它們能夠提供局部放電活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可用于預(yù)測(cè)性維護(hù)。然而，無(wú)線(xiàn)局部放電傳感器在電力系統(tǒng)資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用仍然受到干擾和噪聲，覆蓋范圍有限，易受網(wǎng)絡(luò)攻擊等問(wèn)題的限制。

2 智能局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了保證先進(jìn)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，絕緣健康狀況的評(píng)估是評(píng)估高壓直流輸電系統(tǒng)壽命和故障概率的重要依據(jù)。在傳統(tǒng)局部放電測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成多種檢測(cè)方法和傳感器，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)局部放電信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別和分類(lèi)，構(gòu)建智能局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，發(fā)展完善的局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行到退役的全過(guò)程管理，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，為設(shè)備維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

構(gòu)建一種使用智能局部放電傳感和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法對(duì)于安裝在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)的高壓設(shè)備是必不可少的。如圖2所示，通過(guò)引入智能電網(wǎng)概念，智能局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：傳感器數(shù)據(jù)采集單元、先進(jìn)信號(hào)處理單元、信號(hào)傳輸單元和檢測(cè)控制中心單元，利用無(wú)線(xiàn)局部放電傳感器可以對(duì)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)高壓虛擬環(huán)境的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)和服務(wù)應(yīng)用。處理器使用耦合電容器、高頻CT或電磁耦合器與傳輸系統(tǒng)一起測(cè)量局部放電電壓或電流脈沖，通過(guò)數(shù)據(jù)聚合器聚合各個(gè)傳感器采集的信號(hào)，送到先進(jìn)信號(hào)處理單元，經(jīng)過(guò)濾波、對(duì)數(shù)放大后，檢測(cè)信號(hào)峰值，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，同步到發(fā)射器。模擬信號(hào)經(jīng)空口到達(dá)無(wú)線(xiàn)傳輸單元的接收器。通過(guò)對(duì)大量局部放電信號(hào)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，引入遷移學(xué)習(xí)等策略，利用已有的識(shí)別模型加速新型電氣設(shè)備局部放電信號(hào)的識(shí)別和分類(lèi)，訓(xùn)練出高效的識(shí)別模型，可以自動(dòng)識(shí)別出局部放電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，為電氣設(shè)備的故障診斷提供有力支持。

圖2 智能局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

此外，智能手機(jī)可以通過(guò)電力系統(tǒng)中兼容的本地通信使用無(wú)線(xiàn)傳感器獲取高壓設(shè)備的局部放電數(shù)據(jù)來(lái)用于計(jì)算，便于工作人員實(shí)時(shí)獲取設(shè)備信息。圖2中帶有備用電池的傳感器數(shù)據(jù)采集單元可以獨(dú)立安裝在電力系統(tǒng)的各種現(xiàn)場(chǎng)組件上，也可以作為網(wǎng)絡(luò)安裝。局部放電傳感器與其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的集成是關(guān)鍵一環(huán)，會(huì)影響測(cè)量電量，從而減少執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所需的時(shí)間和成本。為了準(zhǔn)確地檢測(cè)局部放電故障，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率是必不可少的。然而，使用快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致傳感器的成本增加、功耗高和效率低下。因此，設(shè)計(jì)高效率、低功耗的傳感器顯得尤為重要。智能傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)組件的局部放電數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。然而，海量數(shù)據(jù)的通信也是一項(xiàng)任務(wù)。采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)可以解決無(wú)線(xiàn)傳感器計(jì)算能力有限和能量受限的問(wèn)題。能夠在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在特定帶寬上獲得局部放電能量，并且該放電能量會(huì)被轉(zhuǎn)換為局部放電特診，上傳檢測(cè)控制中心。

該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于變電站在線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在記錄缺陷時(shí)進(jìn)行分析和記錄。同時(shí)，它將在必要時(shí)向資產(chǎn)管理公司報(bào)告相關(guān)信息。此外，還將局部放電探測(cè)器與能量清除系統(tǒng)集成在一起，使設(shè)備能夠從變電站環(huán)境中自我供電。

3 結(jié)語(yǔ)

為了有效監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備的絕緣狀況，本文提出了一種智能局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、通信模塊和監(jiān)控中心組成。傳感器用于實(shí)時(shí)采集高壓設(shè)備絕緣系統(tǒng)的局部放電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集與處理模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析與處理，可以實(shí)時(shí)掌握高壓設(shè)備的絕緣狀況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣劣化趨勢(shì)。本文提出的智能局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保證高壓設(shè)備的高可靠性具有重要意義。通過(guò)對(duì)絕緣缺陷的有效識(shí)別和監(jiān)測(cè)，我們可以提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)防潛在的安全隱患，提高電力系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。在未來(lái)的發(fā)展中，智能監(jiān)測(cè)技術(shù)將繼續(xù)完善和優(yōu)化，為高壓設(shè)備的安全運(yùn)行提供更加可靠的保障。