局部放电监测在南水北调工程供电系统中的应用

韦 春，于广杰，李 斌，李 成，李昀泽，陈维海

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津300000）

1 引言

南水北调中线干线工程建设管理局天津分局分调中心办公楼共5层，变配电室位于一层，分调中心供电采用双路进线双电源10 kV供电系统，每一路高压设备均配备进线柜1台、PT柜1台、受总柜1台、计量柜1台及干式变压器1台。天津分调中心是南水北调天津干线输水运行调度工作的核心，为确保分调中心10 kV供电系统运行的可靠性，及时发现存在的安全隐患，为天津分调中心变电室安装智能开关柜局部放电在线监测系统，并提供365×7×24 h远程在线实时监测。局部放电在线监测系统主要由前端采集设备、中继传输设备和后台接收设备及后台软件组成，前端采集设备是采用暂态地电压检测技术和超声波检测技术，中继传输设备和后台接收设备用于数据的汇总与对接，传输方式为利用联通运营商的4 G网络信号进行链接，后台软件负责数据解析并展示以及历史数据查询，并提供数据越线报警功能。局部放电在线监测系统主要负责监控变电室内高压设备的放电情况，能在事故发生前及时监测出设备内绝缘老化情况，提醒工作人员及时采取相关措施，防范于未然，保证变电室安全运行。实验结果表明，该系统具有实时通信高、可靠性高、传输速率快、运行成本低的优点，下一阶段准备在沿线降压站变电系统中使用。本文将对局部放电在线监测技术及应用详情进行介绍。

2 局部放电在线监测系统工作原理及应用

局部放电在线监测系统是特有的一种变配电设备，是电力设备安全运行的可靠保障。局部放电在线监测系统采用超声检测技术、暂态地电压（TEV）检测技术和超高频检测技术，分析开关柜局部放电特征的变化趋势，实时反映出开关柜工作时的安全情况和外部环境变化，如湿度过高、绝缘端子积尘、施工工具遗留、绝缘老化、设备过载。一旦发现局部放电幅值或重复率发生显著增长，即可发出报警信号，提醒值班人员尽快作出相应处理。值班人员可以调取现场视频进行研判和通知维护人员进行巡视，放电幅值较大和重复率过高达到上限值立即停电处理，免除高压设备的放电击穿事故，并避免击穿事故发生时谐振对其他设备造成损害。

2.1 暂态地电压检测技术

暂态地电压检测技术由于简单、实用的特点被各国电力公司认可。我国自2006年起，以北京、上海、天津为代表的一批国内电网公司率先引进暂态地电压局部放电检测技术并开展现场检测应用，成功发现了多起开关柜局部放电案例，为该技术的推广积累了宝贵经验。特别的，暂态地电压检测技术在2008年奥运会、2010年世博会及2010年广州亚运会等大型体育盛会的保电工作中发挥了重要的作用。

工作原理：当电气设备发生局部放电现象时，带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体迁移，并在非带电体上产生高频电流行波，且以近似光速的速度向各个方向传播。受集肤效应的影响，电流往往会集中在金属柜的内表面，当遇到不连续的金属断开或者绝缘连接处时，电流会有金属柜体的内表面转移到外表面，并以电磁波的形式向自由空间传播，且在金属柜体外表面产生暂态地电压，而该电压可用专门设计的暂态地电压传感器进行检测。暂态地电压信号的产生原理如图1所示。

图1 暂态地电压信号的产生原理示意

2.2 超声波检测技术

超声波是振动频率大于20 kHz的声波。电力设备尤其开关柜内部发生局部放电信号时，就会产生冲击的振动及声波。局部放电发生前，放电点周围的电场应力、介质应力、粒子力处于相对平衡状态。局部放电是一种快速的电荷释放和迁移过程，这将导致放电点周围的电场应力、机械应力和粒子力失去平衡状态而出现振荡变化过程。机械应力和粒子力的快速振荡导致放电点周围介质的振动现象，从而产生声波信号。超声波局部放电检测在检测放电时需要在开关柜腔体或者外壁上安装超声波传感器，使得超声波信号被转换为模拟信号，进而由信号调理电路转换送入处理器处理、显示。

随着超声波局部放电检测技术研究的深入，其在全世界范围内得到了大量的推广。目前，GIS、变压器、开关柜等设备均有成熟的检测装置。在实际应用中，变电站超声波检测运用较广，但是受设备运行环境影响较大，如周边产生噪音、震动等，变压器等本身产生的运行声音对超声波检测后台软件滤波功能要求更高。

2.3 超高频检测技术

由于传统检测方法存在不足，继而出现了新的检测方法-超高频检测。当设备运行产生声音对超声波检测等一些传统手段有干扰时，变压器局部放电所产生的超高频（300～3 000 MHZ）电信号实现了电力变压器局部绝缘放电的检测和定位，并实现了抗干扰。

采用超高频检测变压器局部放电的主要优点：①局部放电脉冲能量几乎与频带宽成正比，当只考虑检测元件的热噪声对灵敏度的影响时，用超频宽带检测有更高的灵敏度；②在变压器使用现场，变电站的背景、噪声和空气中电晕产生的电磁干扰频率一般很低，可用宽频法对其进行有效的抑制，用窄频法将其与局部放电信号加以区别。由此可见，用合适的超高频传感器可以测量真实的变压器绝缘中局部放电的性质和物理过程。

超高频检测又分为超高频窄带检测和超高频超宽频带检测，前者中心频率在500 MHz以上带宽十几MHz或几十MHz，后者带宽可达几GHz。由于超高频超宽频带检测技术有噪声抑制比高、包含信息多等优点，受到人们的关注。通常所说的超高频检测技术即指超高频超宽频带检测，用于超高频局部放电检测的传感器主要为微带，天线传感器利用微带天线作传感器早在1980年Kurtz等人就提出过，他们设计的传感器用于大型电机局部放电测试。安装在一个或两个磁极上可探测到单根定子线棒的放电。目前，微带天线传感器已在检测大型电力变压器GIS电力电缆等设备的局部放电上。对于大电机局部放电检测有相关应用，H.G.Sedding等人在1991年提出一种定子槽耦合器stator slot coupler，该传感器由接地平面带状感应导体及两端同轴输出电缆组成，其耦合方式具有分布参数的性质，因此具有非常宽的频带且能够反映内部放电和外部干扰在波形上的差异。

3 局部放电在线监测系统的组成

3.1 现场前端采集设备

前端采集设备的采集信号包含两部分：TEV信号和超声波检测。TEV传感器是采集信号的关键，理想的传感器可以准确、灵敏的捕捉局部放电信号传到后级电路。南水北调工程局部放电在线监测系统采用的TEV传感器如图2所示，经过多年实际应用逐步改进，完全符合当下国家电网公司对暂态地电压信号采集的需要。该传感器底座采用自吸附设计，可以方便的安装到开关柜柜体上，采集到的局放信号将通过双芯屏蔽电缆传递到后级电路，信号捕捉灵敏，抗干扰能力强。应用于开关柜中可以将该传感器安装于高压进线柜内，实时在线监测柜体内的运行状态。

图2 TEV传感器

一般情况下，由局部放电所产生的超声波信号频率大多在20～120 kHz，其中，大多数放电信号的频率集中在30～50 kHz，因此，本系统中采用的超声波传感器中心频率为40 kHz。经实际应用表明，该种超声波传感器对局部放电信号的采集效果显著。如图3所示为超声波传感器实物，同样的，其带有自吸附设计及屏蔽电缆线，极大程度上避免了超声信号传输过程中的干扰。该传感器安装在智能开关柜高压进线柜柜体上，对高压室的电气运行状态进行实时在线监测。类似于TEV检测电路设计中信号调理流程，超声波信号的处理同样需要进过滤波、放大和转换，才能最终传入处理器进行数据融合和放电评估。超声波传感器与系统的交互采用双芯屏蔽电缆连接，处理电路整体封装在具有高保护强度的密封盒内，经过zigbee485传输到通信中继中，由中继进行数据融合及打包，经GPRS网络传送至后台服务器。

图3 超声波传感器

3.2 无线中继传输设备

无线中继传输设备（见图4）用于接收站内所有监测终端数据，设备内设有物联卡卡槽，可安装任意运营商的物联卡，目前天津公司采用的是联通的4 G全网通物联卡。

无线中继传输设备用于接收站内所有监测终端数据，同时内部设有模电转换器，可以将收集到的模拟信号转换成数字信号，通过无线网络将这些数据传至后台服务器。无线中继传输设备与后台服务器的通信方式可根据现场情况选择。无线接收中继可悬挂或吸附于变电站内的墙壁，安装时将接收天线至开阔处。

图4 无线中继传输设备

3.3 后台接收设备

后台接收设备内置运营商4 G全网通物联卡，用于实时接收由现场中继发出的信号。根据现场需要，接收设备可安装在无线接收中继附近或者经过无线4 G网络远距离传输安装于监控平台主机上。

3.4 后台监控软件

后台服务器将接收到的数据经过内部数据处理后，在前端进行显示，方便运维人员实时观测监督，并对响应的警告、报警进行及时处理。服务器界面如图5所示。监控平台上单独设置一台监控器用于现场设备的放电监测，软件端设有安全稳定的有效阈值，对于软件监测到的TEV和超声数值临近于阈值的，数值会变成橙色；对于软件监测到的TEV和超声数值高于阈值的，数值会变成醒目的红色；以此来提醒平台监控人员进行报警，并且进行重点记录，提示维护人员作出相应的措施。

图5 上位机服务界面

4 结语

局部放电在线监测系统经多次调试和测试后，能最大限度的预防事故的发生，为变电室安全用电提供可靠保证，为南水北调工程电力设施的安全运行保驾护航。局部放电在线监测系统还具备分析和管理用户数据，为电力平衡、线路损耗分析和负荷预测提供数据。考虑到未来5 G网络终端、摄像头和图像处理芯片以及图像编码、解码算法和视频传输协议的应用，实现远程无线视频监控功能指日可待。