高压设备强电局部放电在线检测技术研究

2024-02-23梁明星

中国设备工程 2024年3期

梁明星

（贵州省机场集团有限公司，贵州贵阳 550000）

随着科技的不断发展，电力系统的建设也得到了前所未有的发展。电力物联网建设是电力系统建设的重要组成部分，已经逐渐成为电力行业的发展重点。在电力物联网建设过程中，电力系统运行安全是备受重视的一个问题。大型变压器、开关柜等高压电气设备的运行状态成为电力企业进行电力系统检测的重要目标。由于高压电气设备的检测手段目前仍以定期停机断电检修的离线监测为主要方式，大大降低了电力设备的检测效率，也给电力系统的正常运行带来了一定的风险。一旦出现设备故障问题，将会影响电力系统的正常运行，不仅有断电的风险，同时也有可能造成设备被损毁，继而导致整个电力系统瘫痪，给整个电力公司带来了极大的经济损失。为解决这一问题，局部放电在线检测技术的应用成为一种新的解决方案。这种技术可以尽可能简化电力系统的检测流程，实施分析与判断电力设备的绝缘状态，大大降低安全事故的发生。因此，局部放电在线检测技术在电力系统建设中的应用非常值得关注和探讨。

1 局部放电概述

1.1 局部放电产生原因

局部放电是指高压设备中电介质的局部区域在电场作用下发生气体放电现象。在高压设备中，电场强度较大的位置，例如，电缆终端、绝缘子表面、绕组内部等，容易形成局部放电。高压设备的绝缘材料随着高压设备的使用时间不断增长，绝缘材料会因为环境因素、电压、电流等原因而老化，可能存在气泡、裂纹、异物等瑕疵或缺陷，绝缘材料的绝缘能力大大减弱，从而导致高压设备局部电场集中，引起局部放电。同时在高压设备中，由于电介质形状和电极布局的不同，电场分布会出现不均匀性，如在变压器绕组的末端或绝缘子表面，由于电场的集中，容易形成局部放电。此外，在高压设备的使用中，由于振动、温度变化等因素，绝缘材料可能会出现变形或移位，导致绝缘介质分布不均匀，容易引起局部放电。

1.2 局部放电类型

1.2.1 内部放电

在高压电气设备内部，当电场强度达到一定值时，就会发生放电现象。而当电场强度继续上升并达到击穿场强时，整个绝缘结构就会被击穿。这种现象会导致高压电气设备失效，甚至引发火灾、爆炸等严重后果。为了避免高压电气设备内部放电现象的出现，需要在制造和安装过程中，严格控制工艺，并采用先进的绝缘材料。在制造过程中，需要注意各种绝缘结构的浇筑、挤制、层绕等过程，确保绝缘结构的质量。同时，在安装过程中，需要严格按照规范进行操作，避免出现绝缘结构的损坏或老化。此外，定期检查和维护高压电气设备也是非常重要的。定期检查可以及时发现绝缘结构中的问题，保证设备的正常运行。而维护工作则可以延长设备的使用寿命，并降低设备失效的风险。具体内容如图1 所示。

图1 内部放电示意图

1.2.2 沿面放电

高压电气设备沿面放电是指设备内部沿不同聚集态绝缘介质分界面的放电现象。在电力行业中，高压电气设备的安全运行对于电网的稳定运行至关重要。然而，高压电气设备沿面放电问题一直是电力行业中的一个难题。在油浸式变压器等高压电气设备中绝缘结构是由固体、液体和气体等不同聚集态绝缘介质组成的。当电场强度超过一定值时，绝缘介质中的电荷就会被激发，形成电子和正离子，从而导致沿面放电的出现。这种现象会导致绝缘介质的老化和损坏，从而影响设备的正常运行。为了避免高压电气设备沿面放电的出现，需要严格控制设备的制造和安装工艺，确保绝缘结构的质量，还需使用高质量的绝缘材料，并保证绝缘介质的清洁和干燥，保证电力行业的安全生产。

1.2.3 电晕放电

高压电气设备中的电晕放电是指带天体表面在气体及液体介质中出现的局部放电现象。在高压电气设备中，常常会出现电晕放电的问题，如开关柜线缆接头、变压器母线等设备。电晕放电的出现会导致设备的老化和损坏，同时也会影响设备的正常运行。电晕放电主要发生在尖端电极周围，当电场强度超过一定值时，就会出现电晕放电的情况。电晕放电的出现不仅会产生噪声和电磁干扰，还会产生臭氧等有害物质，对人体健康造成威胁。为了尽可能减小电晕放电的可能性，在设计电力设备时应该避免尖端电极的出现，采用光滑的表面来减小电场强度，可采用金属套或者防电晕管等措施来减小电晕放电的出现。此外，可通过定期检查和维护设备及时发现和排除电晕放电的问题，保证设备的正常运行。

2 局部放电在线检测技术

2.1 超声波检测法

超声波检测技术原理是利用声波在介质中的传播特性来检测设备中的强电局部放电情况。超声波检测技术主要包括超声波传感器、信号放大器、AD 转换器、数据处理器等组成部分。传感器将超声波信号传递给信号放大器，信号放大器将信号放大后转换成数字信号，再通过AD 转换器转换成计算机可识别的信号，最终由数据处理器进行数据分析和处理。在实际应用中，超声波检测技术可以通过安装在设备表面的传感器，对设备内部的声波进行检测，判断设备是否存在强电局部放电的情况。同时，超声波检测技术还可以通过多通道检测系统，对设备的多个位置进行同时检测，检测到微小的强电局部放电信号，准确地确定放电源的位置。

2.2 热成像检测法

热成像检测技术是一种非常有效的高压设备强电局部放电在线检测技术，具有精度高、速度快、范围广等优点，其原理是利用设备表面的温度变化来识别设备中的强电局部放电情况。热成像检测技术具体应用过程中，红外热像仪可通过感光元件将设备表面的热辐射转换成电信号，再通过数据采集卡将信号转换成计算机可识别的信号，最终由计算机进行数据分析和处理，识别设备中的强电局部放电情况。

2.3 暂态地电压检测法

暂态的电压检测技术原理是通过监测设备中暂态地电压的变化来识别设备中的强电局部放电情况。电容式电压传感器通过感应设备中的暂态地电压变化，将其转换成电信号，再通过信号放大器和滤波器对信号进行放大和滤波，最终由数据采集卡将信号传输到计算机中进行数据分析和处理，暂态的电压检测技术结合其他检测技术，可大大提高检测效率和精度。

2.4 高频电流检测法

高频电流检测技术能够直接获取局部放电信号的时域波形，充分了解表征局部放电的严重程度。该技术原理是通过监测设备中放电产生的高频电流信号来识别设备中的强电局部放电情况。在实际应用中，高频电流检测技术可以通过传感器对设备中放电产生的高频电流信号进行实时监测，并通过计算机对信号进行分析和处理，识别设备中的强电局部放电情况。

3 高压设备强电局部放电的在线检测技术应用设计

3.1 系统总体设计

高压设备在长期运行过程中，由于环境因素、材料老化等原因，容易出现局部放电现象，从而导致设备的损坏或者故障。因此，对高压设备进行绝缘状态巡检是非常必要的。而在进行局部放电在线检测系统总体设计中，需要根据相关需求设计便携式的在线检测系统，确保系统能够应用于高压设备绝缘状态巡检环节中。为了实现这一目标，需要搭载超声波传感器、TEV 传感器以及HFCT 传感器，采集TRV、HFCT 等高频信号，及时响应与处理高速数据信息。在线检测系统能够从高频与低频两个通道进行局部放电系统地放电信号采集工作，利用传感器所采集的信号，可利用信号调理电路进行隔离与放大，高频与低频两个通道的局部信号能够在Zynq的PL 区域进行高速并行处理。在进行局部放电在线检测系统总体设计中，需要根据相关需求设计便携式的在线检测系统，确保系统能够应用于高压设备绝缘状态巡检环节中。通过搭载超声波传感器、TEV 传感器以及HFCT 传感器，采集TRV、HFCT 等高频信号，及时响应与处理高速数据信息。在线检测系统能够从高频与低频两个通道进行局部放电系统地放电信号采集工作，利用传感器所采集的信号，可利用信号调理电路进行隔离与放大，高频与低频两个通道的局部信号能够在Zynq 的PL区域进行高速并行处理。系统整体设计结构如图2 所示。

图2 整体设计结构图

3.2 硬件设计

为满足设备的长时间工作需求，该设备采用了5000mAh 锂离子电池进行供电。该电池具有高能量密度、长使用寿命、轻便等特点，能够为设备提供稳定可靠的电源支持，确保设备能够连续工作5 ～6 小时。同时，该电池还具有较高的充电效率和安全性能，在充电时也能够保证工作人员的安全。

为方便用户的操作和观察测试结果，该设备还采用了5 寸TFT-LCD 显示屏，用户可以通过该显示屏直观地观察测试结果和操作设备。该显示屏具有高亮度、高对比度、广视角等特点，能够在不同环境下都能够清晰地显示。

系统设计的内部存储和外部存储通道，方便用户进行测试数据的存储和管理。用户可以通过内部存储器将测试数据存储在设备内部，也可以通过外部存储通道将测试数据存储在其他存储设备中，以便于后期处理和分析。该存储系统具有高速读写、大容量、稳定可靠等特点，能够满足用户对数据存储的需求。

设计移动终端USB 和传统以太网的连接模式，用户可以根据实际需要选择不同的连接方式，其中移动终端USB 连接模式适用于需要频繁移动的测试场景，可以方便地进行数据传输和设备控制；而传统以太网连接模式适用于需要长时间连续测试的场景，可以保证设备的稳定性和可靠性。

3.3 应用程序设计

为了方便用户对设备的操作和控制，设计的操作响应模块能够实现对外部设备的快速响应和控制，包括USB 设备、以太网设备等。同时，仪器参数设置模块能够实现对仪器的参数设置和管理，包括局部放电检测参数、数据存储参数等。这两个模块的设计，可以为用户提供方便的操作和管理手段，使得用户能够更加轻松地完成检测任务。分时操作系统可实现对局部放电信号相关信息的实时展现和处理。分时操作系统可以将处理器时间分成若干个时间片，每个时间片可以为不同的任务分配处理器时间，保证任务之间的切换和优先级的处理。在局部放电在线检测系统中，可将局部放电信息的处理和显示作为一个高优先级任务，保证其能够在第一时间得到处理和显示，同时，也可将其他任务分配到其他时间片中进行处理，保证数据收发工作以及数据存储活动不会影响人机交互界面显示以及外设操作响应。此外，可利用多线程技术来妥善处理以及应用处理器资源，提升处理器应用效率。在局部放电在线检测系统中，将不同的任务分配到不同的线程中进行处理，保证每个线程都能够得到充分的处理器时间，提高处理器的利用率。同时通过设置优先级线程，可保证高优先级任务的及时处理和响应，保证系统的稳定性和可靠性。