改进型三维空间定位法在开关柜局放定位检测中的应用

伍弘，张巍，牛勃，李洋，陈元毅

（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.宁夏电力投资集团有限公司西夏热电有限公司，宁夏 银川 750021；3.国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏 银川 750411）

0 引言

高压交流金属封闭开关设备（开关柜）是中低压配电网中的重要电气设备之一，其主体结构一般可分为仪表室、断路器室、母线室和电缆室[1-2]。因断路器触头接触不良、母线等电位线脱落、电缆接头异常等均会导致开关柜产生局放缺陷甚至迅速发展为故障[3-5]，此外，恶劣的运行条件，如重污秽、潮湿凝露、冷热循环等也会严重影响开关柜内绝缘件和金属件的性能[6]。

当上述异常情况发生或在恶劣运行条件下开关柜内不同器件发生老化时，会产生局部放电，可通过各种基于声、光、电、化学原理的检测方法实现局放类型和位置的判定，从而实现开关柜缺陷或故障的预控预防。如文献[7]研究采用特高频法对开关柜常见的3 种缺陷类型进行测试，并通过支持向量机和逻辑回归方法对局放缺陷类型进行了识别；文献[8]研究采用超声波法对开关柜绝缘缺陷进行了局放测试，并采用小波变换对超声波信号进行特征提取；文献[9]研究了泵吸式臭氧浓度检测方法对开关柜局放缺陷检测的有效性，并对柜内穿墙套管局放源的放电类型及放电程度进行了分析。同时采用多种方法进行开关柜局放检测，既可为局放缺陷类型判定互相佐证，又便于局放位置的确定，但现有的局放定位检测多受检测仪器自身较差的抗干扰能力以及外界背景中的各类噪声影响，定位精度有限[10-12]。

为进一步提高开关柜局放缺陷定位精度，本文在平分面法的基础上，通过构建局放位置目标函数进行求解的三维空间定位法，降低信号延时影响，实现对开关柜局放缺陷的精准定位，并通过对某10 kV开关柜的现场实测进行了验证。

1 开关柜局放缺陷定位方法

开关柜局放检测常见的方法有暂态地电压局放检测法、超声波局放检测法、特高频局放检测法等。当局放发展至严重阶段，红外、紫外成像法用于其缺陷位置检测；此外，一些新方法如脉冲电流法、臭氧浓度检测法也可用于开关柜局放检测中[9-13]，但开关柜往往是多面并列运行，互相之间电、声、化学信号影响较大，如仅应用上述方法中的某一种很难确定真实局放缺陷位置，且在局放形成的初期，除特高频局放检测法外，其他方法都很难捕获到局放信号。

采用上述局放检测方法的同时，应用多传感器进行开关柜局放定位检测效果显著。尤其是特高频法、超声波法在应用多传感器时会有明确的电、声信号传播速度和传播时间差等参数，可以实现缺陷位置的定量检测及分析。将多个传感器摆放至特定位置进行开关柜局放检测，可以计算出更加准确的局放缺陷位置。比较典型的方法有平分面法，以及采用智能寻优算法精确求解缺陷位置的三维空间定位法。

1.1 平分面法

平分面法是目前用于开关柜局放缺陷定位检测较为普遍且效果相对较好的方法之一，其主要原理是利用开关柜的立体结构，依次通过横向、垂直以及深度定位检测确定三个面，进而三个面的交汇点即是局放源所在位置。平分面法定位原理如图1所示。

图1 开关柜平分面法局放定位

图1 中，采用传感器A 和传感器B 依次在开关柜的横、纵、深三个面利用时差法确定局放源所在的P1、P2 和P3 三个面，进而根据开关柜内部结构即能判断出局放源所在位置。

1.2 三维空间定位法

采用声电联合局放检测，可实现开关柜局放缺陷的三维空间定位，即通过超声波局部放电信号幅值变化判断局部放电源信号来源，之后通过特高频传感器捕获时延进行局部放电源定位，相应的定位方程为式（1）所示的双曲面方程组，其中双曲面方程组交点即为异常局放点位置。

式中：x0，y0，z0—基准特高频传感器位置坐标；

xi，yi，zi—测量特高频传感器Si坐标；

x，y，z—局部放电源位置坐标；

c—电磁波信号在空气中的速度；

Δti0—检测信号与基准信号时间差；

ti、tj—信号时延。

根据定位模型，构建求解局放源位置的目标函数，即两个特高频局放传感器采用时差法的定位差与真实局放源距离两个特高频局放传感器的距离差的差值，继而通过超声波法或平分面法确定局放源的初始位置，即可通过相关算法进行目标函数寻优。相应的目标函数如式（3）所示。

式中：c—电磁波信号在空气中的速度；

cΔti—两个基准特高频局放传感器采用时差法的定位距离差；

f(pi)—真实局放源距离两个特高频局放传感器的距离差。

当f(p)无限趋近于0 时，cΔti即为某个平面真实局放源与两个传感器的距离之差。将式（3）的目标函数扩展到三维空间，即得到以下目标函数。

式中：f(pji)—空间中两组传感器阵列所在位置（用三维坐标表示）与真实局放源位置的距离差值，未知数即为真实局放源的位置。

相应的定位模型如图2所示。

图2 开关柜三维空间法局放定位模型

当采取不同的算法对f(p)寻优求解时，通过平分面法确定真实局放源的位置初始值后，即能不断寻优，最终获得局放源最准确的空间位置。常用的寻优算法如蚁群算法、粒子群算法、遗传算法等均可用于上述目标函数求解，其中粒子群算法基于群体智能化算法，与遗传算法相比其无交叉变异操作，其通过个体之间的协作来搜索最优解，具有搜索速度快、效率高和算法简单等特点[14-15]，适宜用于式（4）求解。

2 改进型三维空间定位法及其检测流程

应用三维空间定位法更加快速、准确地求取局放缺陷位置，需给定其一个更加接近真实局放缺陷位置的初值。考虑平分面法相较于其他单一方法在开关柜局放定位检测中具有更高的精度和更好的抗干扰性能，将其与三维空间定位法进行融合，形成开关柜局放检测的改进型三维空间定位法，即通过平分面法确定三维空间定位法所需的缺陷位置初值。详细的检测流程如图3所示。

图3 改进型三维空间定位法检测流程

改进型三维空间定位法主要流程如下：

1）通过常规局放带电检测方法，如超声波局放检测、暂态地电压局放检测及特高频局放检测等方法（图3中以检测法ABC表示）确定被测开关柜存在局放缺陷，并根据检测图谱确定疑似局放类型；

2）根据各类检测信号幅值初步确定局放大致位置；

3）采取平分面法确定局放缺陷所在的横、纵、深三个面，确定具有一定可信度的局放缺陷位置，并给出能够量化的初始值（三维空间坐标）；

4）通过传感器阵列检测方式，结合平分面法给出的局放缺陷位置初始值和检测结果，采用粒子群算法或其他智能算法对目标函数求解，筛除掉与平分面法确定的局放位置明显不同的结果后，保留最终的局放位置结果（三维空间坐标）；

5）停电检查并验证定位结果，及时处置。

3 开关柜局放定位实测

为验证采取平分面法及三维空间定位法进行开关柜局放定位检测的有效性和准确性，按照上节所述的检测流程对某110 kV变电站2号所变521断路器开关柜进行实测。

3.1 常规局放带电检测

3.1.1 暂态地电压检测

对2 号所变521 断路器开关柜进行暂态地电压检测，数值结果如表1所示。

表1 暂态地电压检测数据

PRPS&PRPD 图谱如图4所示，其中金属背景为14 dB。

图4 521断路器柜暂态地电压PRPS&PRPD图谱

根据表1 和图4，521 断路器开关柜存在异常局放信号，且脉冲图谱为信号幅值宽度较宽、大小相差较小的两簇信号，呈悬浮放电特征；缺陷位置大概靠近前柜中部。

3.1.2 特高频局放检测

采用莫克EC 4000P 局放检测仪对521 断路器柜及相邻间隔开关柜进行特高频局部放电检测，检测位置为开关柜底部的观察窗，检测数据如图5、图6所示。

图5 相邻间隔开关柜特高频PRPS&PRPD图谱

图6 521断路器柜特高频PRPS&PRPD图谱

与邻近间隔相比，521 断路器柜的特高频图谱显示有两簇明显的连续放电脉冲，疑似为柜内所变隔断内的悬浮放电。

3.2 平分面法局放定位检测

3.2.1 横向定位

对开关柜进行横向定位检测，特高频局放传感器现场布置及检测到的图谱（示波器）如图7所示。

图7 开关柜局放横向定位检测

由图7（b）可以看出传感器B接收到的局放信号比传感器A接收到的信号早0.8 ns，即放电源与传感器B的距离比传感器A近24 cm。将传感器A向右挪至开关柜中轴线，检测到的图谱仍显示传感器B接收到的信号比传感器A早0.25 ns，表明局放源在开关柜中偏右的位置处。

3.2.2 纵向定位

对开关柜进行纵向定位检测，特高频局放传感器现场布置及检测到的图谱（示波器）如图8所示。由图8（b）可以看出传感器B 接收到的局放信号较传感器A 接收到的信号早1.75 ns，即放电源与传感器B 的距离比传感器A 近52.5 cm。再将传感器A 放置于开关柜顶部，测得的图谱显示传感器B接收到的局放信号比传感器A早3.2 ns，即放电源与传感器B的距离比传感器A近96 cm。

图8 开关柜局放纵向定位检测

根据上述检测结果进行分析，在纵平面上，局放源的位置有两个可能，一是在开关柜中轴线下部约237.5 mm 处；二是在开关柜中轴线上方约20 mm处。

3.2.3 深度定位

将特高频局放传感器A放在后柜，传感器B放在前柜，两者高度一致，检测到的图谱如图9所示。

图9 开关柜局放深度定位检测图谱

由图9 可以看出，传感器B 接收到的局放信号比传感器A 接收到的信号早2 ns，即放电源与传感器B的距离比传感器A近60 cm，表明局放源靠近前柜处。

3.3 三维空间定位法局放检测

受开关柜机械结构、布置方式影响，采用如图10所示的特高频局放传感器布置方式，且采用3 个传感器的组合式定位方法完成空间定位：S0,S1,S2和S0,S1,S3两组。以S0所在位置为三维坐标系的原点，横向为x轴，纵向为z轴，深度为y轴，则根据传感器位置所在的不同面，获得S0（0，0，0），S1（500，0，0），S2（500，0，-1000），S3（0，1500，-500）。局放源所在位置P（x，y，z）即要通过三维空间定位法求取的未知数。

图10 三维空间定位法特高频传感器布置方式

根据平分面法检测得到的结果，分别选择局放源定位的初始值P0坐标为（287.5，450，20）和（287.5，450，-237.5），单位为mm。

对采取上述布置方式的传感器阵列进行多次局放信号采集，按照式（4）所列的目标函数进行定位。采用粒子群算法对目标函数进行求解，分别代入不同的P0，筛除掉明显错误的结果后，最终得到局放位置P的空间坐标为（355，652，27），单位为mm。即局放源在开关柜的右前侧、中部稍偏上位置。

3.4 停电检查验证

对521 断路器柜进行停电检查，发现手车开关W 相下触头梅花触指箍紧弹簧松动，触头附近有白色粉末，判断为长时间局部放电造成的烧蚀。具体位置如图11所示。

图11 真实局放缺陷位置

经过现场测量，实际缺陷位置与通过改进型三维空间定位法确定的位置直线距离仅相差50 mm，考虑局放发展情况，可以认为检测到的缺陷位置与实际位置相一致。停电检查结果验证了采取改进型三维空间定位法确定开关柜局放源位置的有效性和正确性。

4 结论

1）为准确判断开关柜或其他输变电设备的局放缺陷类型及准确位置，需同时采取多种检测方法，检测结果除相互验证外，还可作为另一种方法的基础。

2）在传统的局放时差定位法的基础上引入智能寻优算法，能够最大限度地减小外界干扰信号影响，从而大幅提高检测定位的精准性。

3）由于开关柜内缺陷位置存在于三维空间，导致平分面法确定的某个面并非唯一，而在采取三维空间定位法后，则可根据智能寻优筛除掉错误结果。

4）基于平分面法的改进型三维空间定位法可准确判断开关柜局放缺陷位置，从而为开关柜的运维处置提供依据，对保障开关柜安全可靠运行具有重要意义。