线阵UHF 传感器开关柜局部放电定位方法研究

2022-02-25张红兵索春光

软件导刊 2022年1期

张红兵，索春光

（昆明理工大学理学院，云南昆明 650500）

0 引言

开关柜作为电力系统中的关键组件已广泛应用于输电配电网络，承担着开合、控制和保护用电设备的作用，其运行可靠性直接影响着电力系统供电质量及安全性能。局部放电作为一种潜在威胁，直接影响着开关设备和电力系统的稳定和绝缘安全［1］。因此，对开关柜局部放电进行检测和定位是发现其内部早期绝缘缺陷的基础［2-4］，可用于指导巡检人员对开关柜进行下一步操作、维护及检修［5-9］。

局部放电信号包含了丰富的绝缘状态信息［10］，特高频（Ultra High Frequency，UHF）法作为最重要的检测方法之一，广泛应用于电气设备绝缘缺陷的检测和故障诊断。UHF 法是针对传统方法的不足而提出的检测方法，20 世纪80 年代英国人Boggs 和Stone 将其应用于气体绝缘开关设备的局部放电检测中。该检测方法由于抗干扰能力强、灵敏度高，近几年得到迅速发展［11］。

文献［12-14］采用高压开关柜局部放电特高频在线监测系统对开关柜进行在线监测，结果表明UHF 法可以很好地满足开关柜局部放电在线监测要求；文献［15］提出了一种基于Android 平台的开关柜局部放电UHF 检测系统设计方案，在实验室进行实验获得了较好效果。

上述检测、识别方法虽然能满足开关柜局部放电检测与定位要求，但仍存在一些不足之处，如UHF 信号频率较高，对数据采集系统采样精度、采样带宽要求较高；采集设备通道数量受限，对多面开关柜同时监测较为困难。基于此，本文提出一种新型的基于线性阵列式UHF 传感器的开关柜局部放电在线监测方法。该方法通过同轴电缆将多个特高频传感器串联组成线性阵列传感器系统，并与数据采集设备组成一套完整的开关柜局部放电在线监测系统。通过本套系统可以实现同时对多个开关柜进行局部放电的在线监测与定位，解决了采集设备数量通道受限问题，并具有灵活的可扩展性。该方法降低了采集设备的采样带宽，提高了开关柜局部放电检测与定位系统的经济性。

1 系统结构设计

开关柜对于电力系统提供高可靠、高稳定的电能起着十分重要的作用，然而开关柜数量众多、分布广泛的特点给开关柜的局部放电在线监测带来很大困难。基于此，本文提出一种新型的开关柜局部放电在线监测与定位方法，其装置示意图如图1 所示。

本套开关柜局部放电在线监测与定位系统采用多个UHF 传感器组成线性阵列来实现对多面开关柜进行监测，其中一个传感器阵元可监测一面开关柜，与此同时，运用包络检波电路对UHF 传感器阵列采集到的局部放电信号进行降频处理。通过频谱搬移方式降低了数据采样率要求，同时降频处理更利于信号在同轴电缆中传输。

Fig.1 Positioning system device图1 定位系统装置

当开关柜产生局部放电时，信号由UHF 传感器阵元检测并沿两条固定的通道传回至数据采集分析系统，系统根据信号的波程差以及相关性分析便可确定信号源的位置，从而实现信号源定位功能。

系统依赖UHF 检测法及同轴电缆传输电磁波信号的优点，具有较强的抗干扰能力以及较高的检测灵敏度。相比于传统的并联式开关柜局部放电检测与定位方法，本方法解除了采集通道数量的限制，利用双通道实现同时对多面开关柜的局部放电检测与定位，具有灵活的可扩展性与较高的经济性。

2 系统原理分析

2.1 定位原理

当开关柜内发生局部放电时，便会由UHF 传感器阵元进行感知与信号采集，最终在数据采集分析系统中得到两列具有时间延迟的信号，如图2 所示。

Fig.2 Delayed signal图2 时延信号

同轴电缆属于分布参量网络，在理想情况下可视为均匀传输线，其特性阻抗如下：

其中，R、L、G、C 分别表示同轴电缆单位长度的电阻、电感、电导、电容。对于同轴电缆，由于ωL＞＞R，ωC＞＞G，即R 和G 可忽略不计，因而：

本文实验采用同一型号同轴电缆，以保证特性阻抗的一致性，使采集到的两列信号具有较高的相似性，利用自相关分析便可得到其之间的时延。其局部放电位置x可表示为：

式中，L 为系统所使用的同轴电缆总长度，t1、t2分别为信号到达数据采集端口两个通道的时间，vp为局部放电信号在本实验所使用的同轴电缆中的传播速度。

2.2 同轴电缆行波特性分析

同轴波导是一种由内、外导体构成的双导体导波系统，也称为同轴线。局部放电信号在同轴电缆中传输时的损耗与同轴电缆的尺寸、介电常数、工作频率有关，根据文献［16］，电缆的衰减分为3 个部分，分别为导体（铜）损耗、介质损耗和附加损耗，其公式如下：

总衰减：

导体损耗：

介质损耗：

附加损耗：

式中：d 为内导体有效外径（mm）；D 为外导体有效内径（mm）；K1为内导体结构系数；K2为外导体结构系数；Zc为特性阻抗（Ω）；εr为等效介电常数；tanδe为等效介质损耗角正切；s为驻波；f为频率（MHz）。

开关柜局部放电在线定位系统采用RG316 同轴电缆，其阻抗为50Ω，最大工作频率为3 000MHz，最大工作电压为1.2KVrms，传输速率为70%。结合式（5）和式（6）可计算出在100MHz 时衰减为0.262dB/m。

除了同轴电缆的衰减特性外，影响本系统定位精度的因素还有射频信号在同轴电缆中的传播速度，这也是系统定位误差的来源之一。

信号向前传播的速度取决于电场和磁场建立的速度，对于空气中的无损耗线，行波沿线传播的相速（即电磁波沿线传播的速度）为：

即等于空气（或真空）中的光速。式（8）中μ0、ε0分别为真空中的磁导率、介电常数。若无损耗线绝缘介质的相对介电常数为εr，则行波沿线传播的相速为：

对本系统使用的同轴电缆扫频速度进行测试，测试10～160MHz 的电磁波信号在同轴电缆中的传输速度，结果如图3 所示。

由图3 可以看出速度随频率的增加基本保持不变。由于同轴电缆的折反射以及趋肤效应存在，电磁波在同轴电缆中的速度会有一定波动，在后续实验及计算中，速度取其平均值2.2×108m/s。

2.3 包络检波电路设计

开关柜内发生的局部放电是一个伴随着正负电荷的中和过程。在发生绝缘击穿过程中会产生一个陡度很大的脉冲电流，其脉冲电流上升时间通常小于1ns，因此会向周围辐射出0.3～3GHz 的电磁波，UHF 局放监测法就是检测该电磁波信号。但根据奈奎斯特采样定理，要求采集设备具有很高的采样频率，另外高频信号也不利于在同轴电缆中传输。因此，本系统在UHF 采集天线后端增加包络检波电路，对采集到的高频信号进行频谱搬移，以降低设备采样率和克服局部放电传感器互易性带来的辐射问题。

Fig.3 Coaxial cable propagation speed at different frequencies图3 不同频率下的同轴电缆传播速度

在工程实际中有一类信号叫做调幅波信号。调幅波信号是一种用低频信号控制高频信号幅度的特殊信号。检波电路是一类专门把低频信号提取出来的电路，使用二极管可以组成最简单的检波电路。包络检波电路原理如图4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of envelope detection图4 包络检波原理

根据文献［17］可知衰减震荡函数能够很好地表征其局部放电特性。结合ADS（Advanced Design System，ADS）仿真软件对包络检波电路进行仿真，采用射频二极管HSMS-2822，其信号源数学模型如下：

式中，A 为信号幅值1V，fΩ为包络信号频率100MHz，fc为载波信号频率1GHz。仿真时包络检波电路电容为100pF，负载电阻为50Ω。仿真输出结果如图5 和图6 所示。其中，图6 为包络检波电路的输出波形，其最大幅值约为0.2V，且该包络检波电路可以较好地提取出载波信号中的包络，实现UHF 信号的频谱搬移。

图7 为包络检波电路实物，其长约40mm，宽约12mm，利用SMA 接头使其方便与同轴电缆进行连接，便携性好。前端加入高通滤波器，滤除300MHz 以下的低频信号，使其抗干扰能力加强。输出阻抗为50Ω，与同轴电缆的阻抗匹配可最大程度减小信号传输时的折反射。

Fig.5 Local discharge signal source simulation图5 局部放电信号源仿真

Fig.6 Envelope detection simulation results图6 包络检波仿真结果

Fig.7 Envelope detection circuit图7 包络检波电路实物

3 系统定位试验

为了验证该方案的可行性，在实验室环境下搭建实验平台对该系统进行测试，如图8 所示。

实验使用ns 陡脉冲信号发生器输出脉冲信号模拟开关柜局部放电信号。实验时脉冲信号的幅值为20V。UHF传感器采用北京领翼中翔科技有限公司的UHF 特高频耦合器，频率带宽为100～2 000MHz，其在示波器通道内采集到的波形如图9 所示。

由图8 可以看出，示波器两个通道内采集到的波形之间具有明显的延时，对采集到的数据进行函数自相关分析，结合MATLAB 软件计算出两列信号之间的延时，再结合式（3）计算出信号源的位置。利用信号发生器在不同位置进行信号耦合，并通过分析计算出信号源位置，再与实际的源位置进行比较，以此确定本套系统的定位精度以及定位误差。多次实验结果如表1 所示。