基于TEV傳感器與TOA算法的高壓開關柜局部放電定位方法的研究

麥茜堅 鐘 悅 唐 明 李洪杰

（1.廣西電網公司梧州供電局，廣西 梧州 543002；2.西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

高壓開關柜廣泛用于變電站中，其內部裝有電纜接頭、避雷器、電流互感器、開關等多種一次配電設備。這些設備在長期運行中由于受到電、熱、化學及異常狀況影響，導致絕緣強度降低。近年來在配網開關柜中的許多突發設備事故，多是設備絕緣問題所致。為此，以暫態地電壓（TEV）為代表的高壓開關柜絕緣狀態帶電檢測技術得到大量的研究與應用[1-3]。文獻[4-5]采用時域有限差分法（FDTD）對TEV 信號在開關柜中的傳播特性進行仿真，分析了開關柜內部各種部件對電磁波傳播的影響規律。文獻[5]從波形分布、波形形態、放電幅值與放電相位等方面將TEV 檢測法與傳統脈沖電流法進行比對，認為TEV 法與脈沖電流法具備等效性。文獻[6]以針板放電、內部放電、沿面放電與懸浮放電等4 種模型驗證TEV 法檢測在開關柜局部放電檢測中的合理性。文獻[7]基于FDTD 算法對局部放電所產生的超高頻電磁波在開關柜中的傳播特性，研究各種放電模型的局部放電信號傳播規律。此外，超聲波傳感器、超高頻傳感器、高頻電流傳感器等在開關柜等電力設備的聯合檢測中也得到大量應用[9]。

TEV 法檢測的基本流程可分為巡檢與定位兩個步驟。巡檢時先比較相鄰開關柜的TEV 檢測幅值，若某開關柜的檢測信號值大于相鄰開關柜且明顯大于背景噪聲值，則該開關柜可能存在局部放電點，需進一步定位確定。對疑似局部放電點的定位，一般有兩種手段。第一種手段通過判斷幅值的大小實現，其基本邏輯為：距離放電點越近，放電幅值越大，距離越遠，幅值越小。但這種方法只能定性檢測，較難定量分析，再加上電磁波在開關柜內部傳輸的過程中，折射與反射分量疊加到原始信號波形上，增加了準確定位難度。第二種方法通過判斷局部放電信號到達各傳感器的時間差，根據信號脈沖序列的時間差定位[10-12]。目前的高壓開關柜局部放電定位設備一般通過模擬電路判斷局部放電信號的上升沿，根據上升沿的時間差進行定位。但這種方法存在信號無法保存、原始信號無法重現以及易于被干擾信號誤觸發等缺點。為解決上述問題，本文通過采集原始時域波形信號特征，基于時間差（TOA）法實現局部放電點自動定位。本文首先采用閾值法、能量法、AIC 法與Gabor 法自動提取局部放電信號序列的波前時刻，然后根據各采樣通道的波前時刻確定時間差，以時間差定位局部放電點。放電脈沖具有統計規律，每個工頻周期內有大量的脈沖，定位結果以統計結果為準。本文作者首先在實驗室對所開發的算法進行測試，然后變電站現場對一面存在放電的開關柜進行定位，結果表明，放電點位于該開關柜上部間隔的母線處，停電檢修的結果印證了現場檢測結論。

1 局部放電定位算法

本文利用放電信號傳遞傳播到不同傳感器的時間差對局部放電源進行定位，傳感器的放置位置示意如圖1所示，圖中A、B、C、D 四個傳感器限定了疑似放電點所在開關柜的中部間隔，通過時間差可分析局部放電點是否存在于開關柜中部。算法基本流程為：①提取背景噪聲特征，根據噪聲特征，對采集的信號去噪；②提取去噪后的局部放電脈沖；③根據閾值法、能量法、AIC 法與Gabor 法分別確 定每個采樣通道局部放電脈沖的波前時刻；④根據波前時刻獲取任意兩個采樣通道之間的時間差；⑤根據時間差定位局部放電點。

圖1 TEV 定位示意圖

局部放電點定位算法是否準確，主要在于脈沖個數提取算法以及脈沖波前時刻的確定算法是否合理。

1.1 脈沖提取算法

提取脈沖算法的主要思想為：設定時間寬度可調的窗口，根據閾值提取脈沖。

1）窗口的采樣點數與采樣頻率有關，當采樣頻率比較高時，可將窗口設小些；當采樣頻率比較低時，可適當增大窗口，本文窗口時間設定為1μs。

2）獲取每個通道的數據總長度N，設定閾值，初始化循環變量i，設置初始標志位flag=0。

3）在時間窗中移動，如果窗口中的值大于閾值，則獲取脈沖波前時刻，將標志位flag 修改為1，脈沖個數加1，接著移動變量i，直到找到脈沖結束位置索引，置flag=0。以此方法遍歷所有通道的采集數據，找出所有脈沖，其流程如圖2所示。脈沖個數提取完畢后，就可確定脈沖的波前時刻。

圖2 脈沖提取框圖

1.2 波前時刻確定算法

在局部放電定位的實際應用中，波前識別的準確與否成為確定放電位置的關鍵因素，常見的提取波前的方法有能量法、閾值法、Akaike Information Criterion 法（AIC）、Gabor centroid 法等，本文分別采用這幾種方法提取局部放電脈沖的波前時刻。

1）閾值法

閾值法尋找信號xk波前時刻，首先定義一個閾值xthr，在所采集信號中大于該閾值的第一個點即為所找到的脈沖波前時刻。閾值的選擇與當前背景噪聲有關，一般選取規則為

式中，m為用戶所選參數，Pn為當前噪聲的功率。

2）能量法

能量法基于信號的能量查找局部放電的波前時刻，其基本原理是假設在信號到達時刻信號的能量會發生變化。該方法將信號數據進行能量轉換，獲取能量累積曲線，認為能量拐點即為局部放電信號波前時刻。

以一維離散信號x為例，其長度為N，則信號的能量定義為

式中，k為采樣信號的點數。

當添加一個負的趨勢δ時，有

此時S′的全局最小值即可代表信號的到達時間，而δ可由下式求取

上式中引進了一個因子α來減小δ的延遲效應，一般情況下可取為1。當信號具有較高信噪比時，α應當視情形增加。

信號的全局最小極值點由下式計算：

能量法需要在包含整個脈沖并事先確定的時間窗內進行。若同時對多個脈沖使用能量法確定波前時刻，由于脈沖有強弱之分，能量曲線上幅值過低的脈沖所對應的全局最小值可能無法確定，故通常將脈沖單獨提取，再進行分析。

3）Gabor 法

Gabor 定義的脈沖波前時刻為

4）AIC 法

AIC 方法是一種衡量統計模型擬合優良性能的標準，可權衡所估計模型的復雜度和模型擬合數據的優良性。分步AIC 方法首先從脈沖信號中提取特征函數波形CF，為了可以同時反映脈沖信號的幅值與頻率變化，CF曲線的提取形式如下表示：

觀察得到的CF 曲線，選取該時刻的一個鄰域，計算每點的AIC值，并得到AIC特征曲線為

式中，k為從1 到N之間的值，N為采樣總數。σm2,n為信號xk從下標m到n的方差。

對每個點計算AICk值，則波前時刻t為所有AICk中最小值對應的位置。

1.3 放電點定位算法

脈沖提取以及波前時刻確定完成后，可得各采樣通道的波前時刻數組，假定傳感器A 與傳感器B對應采樣通道的波前時刻數組分別為A=[x1,x2,x3,…,xn]，B=[y1,y2,y3,y4,…,ym]。傳感器A 第一個脈沖的波前時刻x1與傳感器B 中所有脈沖的波前時刻的時間差為：Δt11=(x1-y1)，Δt12=(x1-y2)…Δt1m=(x1-ym)，得到數組Δt1=[Δt11,Δt12,Δt13,…,Δt1m]。同樣的，傳感器A 的第二個脈沖x2與傳感器B 中所有脈沖的波前時刻的時間差為數組Δt2=[Δt21,Δt22,Δt23,…,Δt2m]。最后得到n個時間差數組，但是每個數組中的數值只有一個是合理的，即上述n*m個數據中，有一個時間差的值將占統計數據的最多數。其余幾個通道兩兩尋找時間差，最終將獲得局部放電點的位置。

1.4 實驗驗證

算法實現完畢后，首先考察算法的準確程度，采用信號發生器產生正弦波、方波、鋸齒波與高斯脈沖，信號頻率均為10MHz，采樣點數均為2500點。四種波前時刻算法確定的正弦波波前時刻如圖4所示，人工分析該波形，可認為最準確的波前時刻應位于1250 點處，閾值法、能量法、AIC 法與Gabor 法確定的正弦波波前時刻分別為1247、1252、1214 與1253。對圖3所示正弦波，在四種波前時刻的確定算法中，能量法準確程度最好。而方波、鋸齒波以及高斯脈沖的波前時刻，也是能量法準確程度較其他方法要高，見表1。

在實驗室中采用缺陷模型產生局部放電信號，波形如圖4所示，從圖中可見，波形有一段非常明顯的起始空白區域，有利于判斷波前時刻。定位算法對兩個通道的數據進行脈沖提取、波前時刻確定以及時間差計算。自動定位實驗進行50 次，對50組數據進行統計，其統計結果見表2。實驗時，兩個傳感器的距離為60cm，對應的兩個傳感器采集通道的時間差為2ns，當時間差計算誤差大于10%時認為結果有誤，從表中可見，在50 次計算結果中，能量法計算正確的次數為49 次，正確率為98%。

圖3 信號發生器產生的正弦波波前時刻

表1 各算法確定的波前時刻

圖4 局部放電脈沖波形

表2 基于四種方法的定位結果

2 局部放電現場檢測

現場檢測系統具有4 個采樣通道，如圖5所示。首先檢測站內的背景噪聲，站內空氣的噪聲為30dBmV，與開關柜無接觸的金屬門背景值為39dBmV。開關柜的TEV 傳感器及超聲波傳感器部分檢測結果如表3所示。從表中可見，檢測數據具有背景噪聲較小與數據橫向變化明顯等特征，為查找疑似存在局部放電的開關柜提供了便利。編號為3017 的開關柜TEV 信號幅值已超量程，由于放電幅值很大，電磁波傳輸到相鄰開關柜衰減后其幅值依然很大，因此與相鄰開關柜之間的檢測數值差異不明顯。但超聲波信號與相鄰開關柜的讀數差異則比較明顯，3017 開關柜的幅值最大，與其相鄰的開關柜幅值逐步降低。因此，初步懷疑該開關柜存在放電現象，接下來對該開關柜具體的放電間隔進行定位。

圖5 檢測裝置框圖

表3 部分開關柜的TEV 以及超聲幅值

傳感器放置如圖6所示，檢測波形如圖7所示，從圖中可見，信號先傳輸到通道B 與通道C 對應的傳感器，然后再繼續傳播，到達通道A 與通道D 對應的傳感器。通道B 與通道C 之間的時間差約為1.2ns，而通道A 與通道D 的時間差約為1.5ns，對應的空間距離不超過40cm。這說明局部放電信號從該開關柜內部傳出，自動定位算法的結果如表4所示，可見，四種定位算法均表明該開關柜存在局部放電信號，其中能量法判斷為局部放電信號的占比最高。為了定位放電信號的具體間隔，傳感器位置如圖8所示，檢測波形如圖9所示，從圖中可見，通道A 與通道B 的到達時間差相等，通道C 與通道D 的到達時間差相等，而通道A、B 與通道C、D之間具有一定時間差，說明放電信號并未在傳感器所框定的間隔內，而是從該開關柜的中部或上部傳輸而來。自動定位算法的結果如表5所示，每種算法測試20 次，四種TOA 定位算法均認為所測試信號為干擾信號，即信號不是從傳感器限定的區間產生，而是從區域外部傳入。接下來對上部間隔進行檢測，因作者身高有限，只能將傳感器放置到該開關柜的中部與上部一部分，如圖10所示。信號波形如圖11所示，可見信號先傳輸到通道A 對應的傳感器，然后同時到達傳感器B 與傳感器C，最后才到達傳感器D。可以說明，放電點應位于該開關柜的上部間隔。自動定位算法結果如表6所示，四種TOA 定位算法均認為信號從傳感器限定的區間產生。

圖6 開關柜局部放電電定位

圖7 圖6對應的檢測波形

表4 四種方法圖6定位結果

圖8 開關柜下部放電間隔定位

圖9 圖8對應的檢測波形

表5 四種方法圖8定位結果

圖10 開關柜放電上部間隔定位

圖11 與圖10對應的檢測波形

表6 四種方法圖10定位結果

3 解體結果

在獲得停電計劃后，作者對開關柜進行解體檢查，發現1 號站用變柜與出線倉間的穿柜套管內用彈簧將母排與穿柜套管屏蔽層搭接，因彈簧生銹與腐蝕斷裂失去彈性導致母排與套管不能可靠連接發生放電，逐漸腐蝕使得母排與套管內屏蔽層連接線斷裂脫落，如圖12所示。本文的檢測結論與解體結果相符。

圖12 解體結果

4 結論

開關柜局部放電帶電檢測是及時發現開關柜內部絕緣缺陷的重要手段，定位缺陷位置是提高檢測效率的關鍵方法。本文基于四種波前時刻計算方法實現局部放電定位，在實驗室與現場進行測試驗證。從應用效果可看到，在四種方法的定位結果中，閾值法效率高，但閾值選取是否準確成為檢測成功的關鍵因素，能量法定位的準確率最高。

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