基于高频电流传感器阵列的开关柜局部放电检测与定位

辛晓虎 ，王建慧 ，胡泉伟 ，吴胜志 ，季胜强

（1.国网天津蓟州供电公司，天津 301900；2.国网天津电力检修公司，天津 300230；3.国网江苏省电力检修公司，江苏 南京 226699）

基于高频电流传感器阵列的开关柜局部放电检测与定位

辛晓虎1，王建慧1，胡泉伟2，吴胜志1，季胜强3

（1.国网天津蓟州供电公司，天津 301900；2.国网天津电力检修公司，天津 300230；3.国网江苏省电力检修公司，江苏 南京 226699）

电力设备状态监测成为智能电网的重要方向，提出在开关柜内建立基于高频电流传感器的局部放电检测与定位系统。在一组开关柜的每个电缆出线处安装高频电流传感器，形成高频传感器阵列，利用广义互相关算法估计高频传感器之间的传输时延，从而进行配网内的局部放电检测和定位。利用Matlab仿真表明，该定位系统能够较好地对配网内的局部放电源进行精确定位。

局部放电；高频电流传感器；广义互相关；局放定位

0 引言

随着电网的快速发展，电网规模不断扩大，需维护的电气设备不断增多，传统的电气设备定期检修模式不能适应现阶段电网发展的需要，状态检测应运而生，电气设备带电检测也是国家电网重要发展方向。近几年，配电网系统迅速发展，用户对电力可靠性和供电连续性要求的不断提高，10 kV、35 kV开关柜和配电电缆的在线检测成为带电检测的新热点和重要的研究方向。

在局部放电发生时，会伴随产生超声、特高频、高频电磁波、发热及化学分解物等［1-2］，开关柜和电力电缆局部放电检测方法有超声、特高频和地电波技术。超声、特高频信号在开关柜内由于传输路径的问题，单一传感器不能对开关柜内所有设备实现有效的监控。在开关柜电缆出线和套管末瓶引下线等处安装高频电流传感器，可检测开关柜内部高频信号，因高频信号具有灵敏度高、抗干扰能力强、可进行局放量化描述、能够沿电力设备传播，检测范围广等特点，成为开关柜局放检测的一个重要方向。

1 高频传感器

高频电流传感器多采用罗戈夫斯基线圈结构。一般情况下，罗氏线圈为圆形或矩形，线圈骨架可以选择空心或者磁性骨架，导线均匀的绕制在骨架上，罗氏线圈的结构如图1所示。

图1 罗氏线圈结构

罗氏线圈的一次侧为流过被测高频电流的导体，二次侧为多匝线圈。当有交变电流流过线圈中心的导体时，会产生交变磁场。二次侧线圈与被测电流产生磁通交链，整个罗氏线圈二次侧产生的磁通正比于导体中流过的电流大小。变化的磁通产生电动势，且电动势大小与磁通的变化率成正比，假设导体中流过的高频电流为I（t），线圈二次侧感应电动势为e（t），基于安培环路定理和电磁感应定律，可由麦克斯韦方程解得：

式中：M为罗氏线圈的互感系数。

为得到高频电流I（t）的波形，需要对罗氏线圈的输出电压进行积分，自积分式罗氏线圈直接采用积分电阻，频率响应较快，具有较宽的检测频带。用于局放的罗氏线圈，由于测量的电流为微小的高频电流信号，又称为高频电流传感器，其检测带宽一般为3～30 MHz。将高频电流传感器安装在电缆出线开关柜内电缆零序电流互感器处，通过采集流过电缆一次导体的高频电流来检测整个配电网内局放的发生情况，安装位置如图2所示。

由于高频电流可沿容性设备或者一次导体传播，因此当配网中发生局部放电时，伴随产生的高频电流可沿电缆或柜内一次设备传播到开关柜内电缆终端头处并沿着开关柜内一次导体和母线进行传播。从而可以在每个开关柜内的高频电流传感器处采集到高频电流信号。

基于高频电流的局部放电定位系统通过在每个开关柜内安装高频传感器，并采集每个高频传感器内高频电流，对其进行预处理，继而通过时差法进行定位计算，得出高频电流的来源即局放源的位置。

图2 高频电流传感器安装位置

2 局部放电高频定位算法

保证局部放电的定位精度除了要合理设计高频电流传感器、采集系统外，还需要有高精度的定位算法［3］。将局部放电部件或位置看作高频电流信号的发射源，将各高频电流传感器看作信号采集的阵元，计算各个高频传感器阵元接收到高频电流信号的传输时延，由此可计算出局部放电点与各个高频传感器阵元的电气距离；再根据TDOA算法进行求解，得出放电点的电气位置，实现局部放电的定位。

2.1 信号归一化预处理

线性函数转换归一化处理，由于传感器性能和安装位置的不同，且信号幅值存在差别，在进行局放定位时，会对信号的时延估计造成较大误差，因此需要对每个传感器采集到的数据进行归一化处理。

2.2 信号时延估计及定位

在归一化预处理后，通过求取不同阵元间的信号传输时延对局放源进行定位［4］。求取不同阵元间的信号传输，通常采用互相关来进行。

假设某两个阵元采集数据为x1，x2，则

假设两阵元采集到的信号为同一个信号源，且时延为 τ，则存在式（5）成立：

则计算这两个信号的互相关函数

假设信号与噪声之间不相关。则式（6）中信号与噪声的相关函数以及噪声与噪声的相关函数为零，即存在式（7）成立。x1，x2的互相关函数等于两信号的信号子空间，如式（8）。

当 Δt-τ时，两信号的信号子空间 Rss（Δt-τ）取最大值，即相关函数Rx1x2（Δt）取得最大值时，因此通过求Rx1x2（Δt）的最大值就可以求得时间差τ。

广义互相关是两个接收信号在进行互相关之前进行预滤波处理，然后再根据滤波输出信号的互相关函数的峰值进行时延估计，以改进时延估计精度。式（9）为采用最大似然加权的广义互相函数，对式（9）进行傅里叶逆变换，得到两信号的广义互相关函数，进行两信号的时延估计。

式中：Gx1x2（f）为信号的互功率谱；Gx1x1（f）、Gx2x2（f）为信号自功率谱。

当对信号时间差进行准确估计后，根据信号的传输路径、速度，实现对信号源进行定位。

3 局部放电定位系统仿真

基于高频电流信号的局部放电定位监测系统组成如图3所示，包括试验平台、高频电流传感器、信号采集预处理、AD采集、PC机处理。

图3 局部放电带电监测系统

利用Matlab对基于高频的局部放电定位系统进行仿真，为使仿真目标明确，假设：

1）局放源距离两传感器阵元间的电气距离差为6.5 m；

2）局部放电产生的高频信号为窄带远场信号，采用射频信号模拟，如式（11），其中心频率为10 MHz，信噪比为2.5；

3）系统采样频率200 MHz。

图4 开关柜内局放定位仿真模型

假设在图4的5号柜内发生放电，在5号柜和6号柜的传感器均能采集到高频电流信号，局放源距离两传感器阵元间的电气距离差为6.5 m，两阵元采集到的信号如图5所示。

图5 两个阵元采集到的高频信号

利用广义互相关算法对两个信号进行时延估计，结果如图6所示。依据图6的定位结果，两阵元时差 0.022 μs；高频信号传输距离 l1=c×t=3×108m／s×0.022×10-6s=6.6 m。 定位误差仿真试验表明，本定位系统定位算法定位误差为1.52%，定位精度较高。

图6 广义互相时延估计

4 结语

设计了用于配电网局放检测的高频电流传感器，提出用广义互相关算法估计高频电流在不同传感器间的传输时延，并进行配电开关柜内的局部放电定位。搭建了配电网内局部放电检测与定位仿真系统，并利用Matlab对定位系统进行了定位仿真，实现了配电网内局部放电源精确定位，为配电网设备带电监测提供思路。

［1］王昌长，李福祺，高胜友．电力设备的在线监测与故障诊断［M］．北京：清华大学出版社，2011.

［2］吴玉婷.城市配电网中10 kV电缆局部放电在线监测及定位系统研究［J］.通讯世界，2014（19）：66-67.

［3］朱晓辉，杜伯学，周风争，等.高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状［J］.绝缘材料，2009，42（5）：58-63.

［4］王永良，陈辉，彭应宁，等．空间谱估计理论与算法［M］．北京：清华大学出版社，2004．

［5］辛晓虎，罗勇芬，杜非，等.用于油中局部放电定位的超声波接收阵列的定向算法比较［J］.中国电机工程学报，2015，35（20）：5 351-5 359.

［6］张宝金.交联聚乙烯电缆局放在线监测方法研究与系统设计［D］.保定：华北电力大学，2013.

Based on High-frequency Current Sensor Array for Partial Discharge Detection and Location in Switchgear

XIN Xiaohu1，WANG Jianhui1，HU Quanwei2，WU Shengzhi1，JI Shengqiang3
（1.State Grid Tianjin Jizhou Electric Power Supply Company，Tianjin 301900，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Maintenance Company，Tianjin 300230，China；3.State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Company，Nanjing 226699，China）

The electric equipment condition monitoring has become an important research area of the smart grid.This article proposes a method for detecting the partial discharge within the distribution network by installing high frequency current sensor at each cable connection of the switchgear of the switchgear cabin.Thus a sensor array can be formed.Using generalized crosscorrelation algorithm to estimate the transmission delay between each sensor，then the partial discharge detection and location in the distribution grid can be achieved.Matlab simulation shows that the partial discharge detection and location system can precisely locate the partial discharge in a distribution grid.

partial discharge；high frequency current sensor；generalized cross-correlation algorithm；locate partial discharge

TM591

A

1007－9904（2017）11－0077－04

2017-06-14

辛晓虎（1988），男，从事局部放电在线检测与定位方面的研究工作。