变电站局部放电区域检测与精确定位方法研究

张千千, 张卫东， 毕凯， 胡岳， 汤林， 江秀臣

(1. 上海交通大学 电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240;2. 国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200)



变电站局部放电区域检测与精确定位方法研究

张千千1, 张卫东2， 毕凯2， 胡岳1， 汤林1， 江秀臣1

(1. 上海交通大学 电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240;2. 国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200)

针对传统局部放电带电检测方法与装置应用于变电站整站检测时，工作量大、效率低、成本高等缺点，基于局部放电特高频检测和多传感器联合检测原理，提出一种先巡检进行区域定位，后精确定位与绝缘诊断的变电站局部放电检测方案。文章对局部放电特高频传感器阵列时差定位算法中时延误差对定位结果的影响进行理论探讨，证实了区域巡检定位算法的合理性与有效性。通过理论研究与变电站现场测试，结果证实该方案与检测系统可有效、快速定位出敞开式变电站全站领域内的外绝缘放电以及离非屏蔽绝缘较近的设备内部放电。局部放电; 区域定位; 精确定位; 超声; 特高频

局部放电; 区域定位; 精确定位; 超声; 特高频

0 引 言

局部放电是高压电力设备绝缘劣化的主要原因之一，局部放电检测，可以在早期发现设备绝缘隐患，为设备检修提供支持。目前电力设备局部放电带电检测中常用的检测方法包括特高频法和超声检测法。基于上述两种方法研制的局部放电带电检测装置，主要为面向单一电力设备的手持式或便携式检测装置，如变压器、GIS等。对于一些大规模室外变电站，利用上述装置对站内所有高压设备逐一检测，工作量大，效率低。如果对站内所有高压设备都安装局部放电监测装置，成本高，而且对这些在线监测装置本身的维护工作量大。从变电站局部放电带电检测工程实践的需求出发，有必要研究与开发一种针对变电站全站所有电力设备的局部放电快速检测的方法与系统。

近年来，英国Strathclyde大学、上海交通大学、重庆大学等研究机构对基于特高频传感器阵列的变电站局部放电定位方法进行了深入的研究和实践。其基本原理是TDOA时差定位算法[1]，即通过同步采集多个传感器所接收的特高频局部放电脉冲信号，计算信号间的时延，基于已知各传感器的位置坐标和上述时延，对局部放电源进行三维或二维的定位。研究表明[2-6]，TDOA算法定位精度，取决于其传感器阵列间时延求取的精度。时延误差0.2 ns时，定位距离误差可达10 m。文献[3]的定位误差在厘米级，要求系统采样率高达25 GSa/s。此外，时延误差对方向角定位影响甚小，时延误差0.2 ns时，角度误差仅为0.1°[2,7]。

本文对时差定位算法中定位角度准确性进行了理论分析，并根据研究结果提出了一种先巡检进行区域定位，后精确定位与绝缘诊断的检测方案，研制出一套相应的车载检测与定位系统。该系统和检测方案已在国内多个变电站得到应用，现场测试结果证实系统是可行有效的，其可快速检测定位出敞开式变电站内的外绝缘放电以及离非屏蔽绝缘较近的设备内部放电。但是对于信号较小的电气设备内部放电，由于传感器的灵敏度(-65 dBm)和巡检时天线阵列离放电源的距离限制，一般不能被系统检测与定位。

1 定位算法

1.1 基于四元矩形阵列TDOA定位数学模型

图1 4-元平面矩形传感器阵列

本文区域检测TDOA定位算法采用文献[8]所述定位模型，传感器阵列Si(i=1、2、3、4)，如图1所示呈平面矩形布置。矩形中心设为坐标原点。令S1，S2之间的距离为2r1，S2，S3之间的距离为2r2。则传感器阵列中四个传感器的坐标可表示为：S1(r1，r2，0)、S2(-r1，r2，0)、S3(-r1，-r2，0)、S4(r1，-r2，0)。

假设局部放电源P位于(x，y，z)，放电所激发的UHF电磁波信号传至传感器i的传播时间W为ti(i=1、2、3、4)。S2，S3，S4接收到同源局放UHF信号的时刻相对于传感器S1滞后的时间为t21=t2-t1，t31=t3-t1，t41=t4-t1，令局部放电特高频信号在空气中以恒定速度光速c传播，则由局部放电源P到各传感器的距离关系，可建立三维球面定位模型[8]。

(1)

由式(1)可求解出局部放电源三维和二维定位结果的解析解，变电站现场检测时，二维方向角和径向距离往往更加直观，可以确定局部放电源的方向，便于检测人员找到疑似放电设备，本文采用式(2)所示二位方向角和径向距离定位模型[8]：

(2)

式中θ表示局放源在水平面内的方向角，r为局放源到1号传感器的距离。

1.2 基于移动天线阵的区域定位算法

本文研制的车载巡检定位系统，系统采样率为2 GSa/s，采用1.1节所述算法模型，方向角定位精度可控制在±5°以内。因此，系统通过一次检测结果，可定位得到一个弧度为10°的扇形区域，改变车载天线阵的位置，可得到另一个扇形区域。两扇形区域重叠部分，即为初定位结果，算法示意图如图2所示。

图2 区域定位算法示意图

1.3 平分面与平面时差精确定位算法

车载巡检区域定位后，一般可以确定疑似放电设备，采用多传感器联合检测原理[9]，可进行精确定位。

对于外绝缘面积较小的疑似放电设备，如GIS某个或某几个气室，可采取基于多传感器接收信号时延的平分面定位算法，其基本思路为：在疑似放电设备外绝缘UHF信号非屏蔽区域固定一参考UHF传感器；在外绝缘左边沿固定另一传感器S1，可为UHF传感器，在能接收到超声信号的情况下可用超声传感器；在外绝缘右边沿放置一个与S1相同的另一传感器S2；以参考传感器为触发源，同时采集3路信号；从右往左移动S2，寻找S1，S2通道波形与参考传感器接收信号波形时延一致点，局放源就在S1S2直线的垂直平分面上；在垂直平分面再次固定参考传感器，以同样的方法可以找到关于上下边沿的另一个垂直平分面；局放源就在两垂直平分面的交线上。

对于外绝缘不规则，不易寻找平分面的疑似放电设备，如大型主变等，可采取简易的平面时差法，逐步缩小放电区域，其基本思路为：采用两个传感器S1、S2，S1固定不动，移动S2，观察两路波形时延；利用时延与信号传播速度，可确定出以S1为中心的球面，进一步在球面上寻找局部放电源。

2 方向角准确度理论分析

如1.1节所述，定位模型，式(1)方程组中第2式与第1式相减可求得x，第3式与第2式相减可求得y，结果可得式(3):

(3)

方程组(2)中第1、3式相加的结果与第2、4式相加的结果相等可得式(4)：

(4)

将式(4)变形得到：

(5)

将式(3)中两式相除，并应用上式(5)，并用1.1节中提到的滞后时间t41=t4-t1，t21=t2-t1带入式中，便可得到方向角达式(6)：

(6)

观察式(6)角度表达式，当t41、t21基数较大时(相对于时延误差)，即不在x、y轴时，一定时延误差范围内，t41/t21变化会非常小。而阵列大小决定t41、t21数值上不会超过2r2/c、2r1/c，(c为局部放电特高频信号传播速度)，t1表征了局部放电源的距离信息，显然，局放源距离是远大于传感器阵列尺寸2r1、2r2的，所以t1数值远大于t41、t21，导致(t21+2t1)/(t41+2t1)永远是一个与1非常靠近的数，无论t1变得多大，它只会变得与1更靠近。综合上述2点，可说明当局放源不在x、y轴附近时(此条件可以通过移动小车位置给予保证)，时延误差对tanθ的影响较小，定位结果方向角θ的可信度高。而表达式(2)中随时延变化，距离r并不稳定，这也是本文区域定位算法中，采用两次计算局放源相对于移动传感器阵列的方向角，并标记其交叉区域从而定位局放源的主要原因。

3 仿真算例

图3 区域定位算法仿真示意图

车载天线阵列尺寸r1=1.5 m，r2=0.85 m，系统时延算法误差水平为±1 ns，各时延误差利用随机函数取值。仿真示意图如图3所示，图中设定局放源PD在位置1时，相对于传感器阵列坐标为(8，10，6)，小车沿Y轴向前移动15 m到达位置2。两次检测利用有误差的时延仿真值和关系式(1)计算方向角，结果分别为47.89°和-29.58°；根据上述方向角求出±5°扇形区域分别为L1OL2和L3O′L4；两扇形区域相交得到区域检测定位结果，即交点ABCD围成的四边形。交点坐标：A(9.27,8.61)，B(10.82,10.05)，C(8.43,11.14)，D(7.46,9.86)。仿真所用数据和结果如表1所示。

表1 区域定位算法仿真结果

精确定位算法主要是人工寻找波形时延一致点，此处不再仿真。上述区域定位算法仿真结果不难看出，在现场检测时，该四边形区域基本可以确定疑似放电设备，四边形4顶点坐标平均值(8.995，9.915)跟真实值二维坐标已相当接近。

4 系统应用

现场检测时，首先沿变电站巡视线路不高于5 km/h的速度巡检一次，对全站高压设备进行局部放电检测与初定位。发现疑似信号后在疑似放电位置附近，前后移动小车按照前文所述区域定位方法，确认疑似放电区域。最后在疑似放电区域，用二分平面法逐步缩小范围，直至找到放电源。

本文阐述的变电站局部放电全站检测方案及相应的检测系统，在中国各地多个变电站进行了现场测试，并在广东某500 kV敞开式变电站检测出放电缺陷。在该变电站巡检时，发现疑似局放信号。通过前后移动小车，改变特高频传感器阵列的位置，初步定位疑似放电区域为2#主变所在区域，如图4所示。利用多个特高频传感器近距离移动位置并比较时差对其进行精确定位，确认放电点位于B相套管处。后来经停电检修确认为B相套管末屏接地接触不良，产生了悬浮电位放电，放电处放电痕迹明显。

5 结束语

图4 精确定位波形时差图

(1) 针对室外

变电站全站带电局部放电检测，提出了一种先基于车载特高频阵列巡检进行区域定位，发现疑似放电区域后，基于多个传感器间的时差，利用二分平面法或声电联合法精确定位的检测方案。相比传统局部放电带电检测手段，该方案可提高整站检测效率、降低检测成本。

(2) 基于四元平面矩形特高频阵列区域检测算法的三维坐标定位及二维方位角与距离定位模型，理论分析了方位角及距离与传感器信号时延的关系，推导出方位角准确度对时延计算精度依赖性小，即方位角定位准确度高，这为基于二次方位角重叠的区域定位算法提供了理论依据。

(3) 基于先区域定位后精确定位方案，开发了一套变电站车载巡检定位系统。通过区域定位仿真计算算例及车载巡检系统现场应用所发现的局部放电案例，证实了该方案与系统可以快速有效检测电力设备外绝缘放电以及离非屏蔽绝缘较近的设备内部放电，后续将进一步研究对信号幅值较小的设备内部放电的检测效果。

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A Research on Regional Detection and Precise Location of Partial Discharge in Substations

Zhang Qianqian1, Zhang Weidong2, Bi Kai2，Hu Yue1, Tang Lin1, Jiang Xiuchen1

(1. Key Laboratory of the Ministry of Education for Power Transmission and Power Conversion Control, Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China;2. State Grid Shandong Power Co. Weihai Power Supply Co., Weihai Shandong 264200, China)

In view of such disadvantages as high workload, low efficiency and high cost in the inspection of the whole substation using traditional PD (partial discharge) live detection method and device, in the principle of combined UHF and multi-sensor PD detection, this paper presents a substation PD detection solution, whereby a touring detection is made for regional location, before precious location and insulation diagnosis is made. This paper theoretically discusses how time delay error of the time difference location algorithm of UHF PD sensor array affects the location result, and verifies the rationality and validity of the algorithm of regional touring detection location algorithm. The results of the theoretical study and the tests made on the site of the substation verify that this approach and detection system can efficiently and quickly locate the discharge of external insulation in the whole area of an open substation, as well as internal discharge of the equipment close to unshielded insulation.

partial discharge;regional location; precise location; ultrasound;ultra-high-frequency (UHF)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.034

TM711

A

1000-3886(2016)03-0108-03

张千千(1990-)，女，浙江人，硕士生,研究方向局部放电检测与定位，局部放电仿真计算。 胡岳(1978-)，男，湖南人，博士，高级工程师。主要从事局部放电检测，局部放电检测系统评估的研究。 汤林(1990-)，男，重庆人，硕士生,研究方向局部放电在线检测与定位，高电压绝缘与技术。 江秀臣(1965-)，男，山东人，博士，教授，博士生导师。从事电气设备在线监测、状态检修和自动化的研究。

定稿日期: 2015-10-20