基于高頻電流傳感器陣列的開關柜局部放電檢測與定位

辛曉虎 ，王建慧 ，胡泉偉 ，吳勝志 ，季勝強

（1.國網天津薊州供電公司，天津 301900；2.國網天津電力檢修公司，天津 300230；3.國網江蘇省電力檢修公司，江蘇 南京 226699）

基于高頻電流傳感器陣列的開關柜局部放電檢測與定位

辛曉虎1，王建慧1，胡泉偉2，吳勝志1，季勝強3

（1.國網天津薊州供電公司，天津 301900；2.國網天津電力檢修公司，天津 300230；3.國網江蘇省電力檢修公司，江蘇 南京 226699）

電力設備狀態監測成為智能電網的重要方向，提出在開關柜內建立基于高頻電流傳感器的局部放電檢測與定位系統。在一組開關柜的每個電纜出線處安裝高頻電流傳感器，形成高頻傳感器陣列，利用廣義互相關算法估計高頻傳感器之間的傳輸時延，從而進行配網內的局部放電檢測和定位。利用Matlab仿真表明，該定位系統能夠較好地對配網內的局部放電源進行精確定位。

局部放電；高頻電流傳感器；廣義互相關；局放定位

0 引言

隨著電網的快速發展，電網規模不斷擴大，需維護的電氣設備不斷增多，傳統的電氣設備定期檢修模式不能適應現階段電網發展的需要，狀態檢測應運而生，電氣設備帶電檢測也是國家電網重要發展方向。近幾年，配電網系統迅速發展，用戶對電力可靠性和供電連續性要求的不斷提高，10 kV、35 kV開關柜和配電電纜的在線檢測成為帶電檢測的新熱點和重要的研究方向。

在局部放電發生時，會伴隨產生超聲、特高頻、高頻電磁波、發熱及化學分解物等［1-2］，開關柜和電力電纜局部放電檢測方法有超聲、特高頻和地電波技術。超聲、特高頻信號在開關柜內由于傳輸路徑的問題，單一傳感器不能對開關柜內所有設備實現有效的監控。在開關柜電纜出線和套管末瓶引下線等處安裝高頻電流傳感器，可檢測開關柜內部高頻信號，因高頻信號具有靈敏度高、抗干擾能力強、可進行局放量化描述、能夠沿電力設備傳播，檢測范圍廣等特點，成為開關柜局放檢測的一個重要方向。

1 高頻傳感器

高頻電流傳感器多采用羅戈夫斯基線圈結構。一般情況下，羅氏線圈為圓形或矩形，線圈骨架可以選擇空心或者磁性骨架，導線均勻的繞制在骨架上，羅氏線圈的結構如圖1所示。

圖1 羅氏線圈結構

羅氏線圈的一次側為流過被測高頻電流的導體，二次側為多匝線圈。當有交變電流流過線圈中心的導體時，會產生交變磁場。二次側線圈與被測電流產生磁通交鏈，整個羅氏線圈二次側產生的磁通正比于導體中流過的電流大小。變化的磁通產生電動勢，且電動勢大小與磁通的變化率成正比，假設導體中流過的高頻電流為I（t），線圈二次側感應電動勢為e（t），基于安培環路定理和電磁感應定律，可由麥克斯韋方程解得：

式中：M為羅氏線圈的互感系數。

為得到高頻電流I（t）的波形，需要對羅氏線圈的輸出電壓進行積分，自積分式羅氏線圈直接采用積分電阻，頻率響應較快，具有較寬的檢測頻帶。用于局放的羅氏線圈，由于測量的電流為微小的高頻電流信號，又稱為高頻電流傳感器，其檢測帶寬一般為3～30 MHz。將高頻電流傳感器安裝在電纜出線開關柜內電纜零序電流互感器處，通過采集流過電纜一次導體的高頻電流來檢測整個配電網內局放的發生情況，安裝位置如圖2所示。

由于高頻電流可沿容性設備或者一次導體傳播，因此當配網中發生局部放電時，伴隨產生的高頻電流可沿電纜或柜內一次設備傳播到開關柜內電纜終端頭處并沿著開關柜內一次導體和母線進行傳播。從而可以在每個開關柜內的高頻電流傳感器處采集到高頻電流信號。

基于高頻電流的局部放電定位系統通過在每個開關柜內安裝高頻傳感器，并采集每個高頻傳感器內高頻電流，對其進行預處理，繼而通過時差法進行定位計算，得出高頻電流的來源即局放源的位置。

圖2 高頻電流傳感器安裝位置

2 局部放電高頻定位算法

保證局部放電的定位精度除了要合理設計高頻電流傳感器、采集系統外，還需要有高精度的定位算法［3］。將局部放電部件或位置看作高頻電流信號的發射源，將各高頻電流傳感器看作信號采集的陣元，計算各個高頻傳感器陣元接收到高頻電流信號的傳輸時延，由此可計算出局部放電點與各個高頻傳感器陣元的電氣距離；再根據TDOA算法進行求解，得出放電點的電氣位置，實現局部放電的定位。

2.1 信號歸一化預處理

線性函數轉換歸一化處理，由于傳感器性能和安裝位置的不同，且信號幅值存在差別，在進行局放定位時，會對信號的時延估計造成較大誤差，因此需要對每個傳感器采集到的數據進行歸一化處理。

2.2 信號時延估計及定位

在歸一化預處理后，通過求取不同陣元間的信號傳輸時延對局放源進行定位［4］。求取不同陣元間的信號傳輸，通常采用互相關來進行。

假設某兩個陣元采集數據為x1，x2，則

假設兩陣元采集到的信號為同一個信號源，且時延為 τ，則存在式（5）成立：

則計算這兩個信號的互相關函數

假設信號與噪聲之間不相關。則式（6）中信號與噪聲的相關函數以及噪聲與噪聲的相關函數為零，即存在式（7）成立。x1，x2的互相關函數等于兩信號的信號子空間，如式（8）。

當 Δt-τ時，兩信號的信號子空間 Rss（Δt-τ）取最大值，即相關函數Rx1x2（Δt）取得最大值時，因此通過求Rx1x2（Δt）的最大值就可以求得時間差τ。

廣義互相關是兩個接收信號在進行互相關之前進行預濾波處理，然后再根據濾波輸出信號的互相關函數的峰值進行時延估計，以改進時延估計精度。式（9）為采用最大似然加權的廣義互相函數，對式（9）進行傅里葉逆變換，得到兩信號的廣義互相關函數，進行兩信號的時延估計。

式中：Gx1x2（f）為信號的互功率譜；Gx1x1（f）、Gx2x2（f）為信號自功率譜。

當對信號時間差進行準確估計后，根據信號的傳輸路徑、速度，實現對信號源進行定位。

3 局部放電定位系統仿真

基于高頻電流信號的局部放電定位監測系統組成如圖3所示，包括試驗平臺、高頻電流傳感器、信號采集預處理、AD采集、PC機處理。

圖3 局部放電帶電監測系統

利用Matlab對基于高頻的局部放電定位系統進行仿真，為使仿真目標明確，假設：

1）局放源距離兩傳感器陣元間的電氣距離差為6.5 m；

2）局部放電產生的高頻信號為窄帶遠場信號，采用射頻信號模擬，如式（11），其中心頻率為10 MHz，信噪比為2.5；

3）系統采樣頻率200 MHz。

圖4 開關柜內局放定位仿真模型

假設在圖4的5號柜內發生放電，在5號柜和6號柜的傳感器均能采集到高頻電流信號，局放源距離兩傳感器陣元間的電氣距離差為6.5 m，兩陣元采集到的信號如圖5所示。

圖5 兩個陣元采集到的高頻信號

利用廣義互相關算法對兩個信號進行時延估計，結果如圖6所示。依據圖6的定位結果，兩陣元時差 0.022 μs；高頻信號傳輸距離 l1=c×t=3×108m／s×0.022×10-6s=6.6 m。 定位誤差仿真試驗表明，本定位系統定位算法定位誤差為1.52%，定位精度較高。

圖6 廣義互相時延估計

4 結語

設計了用于配電網局放檢測的高頻電流傳感器，提出用廣義互相關算法估計高頻電流在不同傳感器間的傳輸時延，并進行配電開關柜內的局部放電定位。搭建了配電網內局部放電檢測與定位仿真系統，并利用Matlab對定位系統進行了定位仿真，實現了配電網內局部放電源精確定位，為配電網設備帶電監測提供思路。

［1］王昌長，李福祺，高勝友．電力設備的在線監測與故障診斷［M］．北京：清華大學出版社，2011.

［2］吳玉婷.城市配電網中10 kV電纜局部放電在線監測及定位系統研究［J］.通訊世界，2014（19）：66-67.

［3］朱曉輝，杜伯學，周風爭，等.高壓交聯聚乙烯電纜在線監測及檢測技術的研究現狀［J］.絕緣材料，2009，42（5）：58-63.

［4］王永良，陳輝，彭應寧，等．空間譜估計理論與算法［M］．北京：清華大學出版社，2004．

［5］辛曉虎，羅勇芬，杜非，等.用于油中局部放電定位的超聲波接收陣列的定向算法比較［J］.中國電機工程學報，2015，35（20）：5 351-5 359.

［6］張寶金.交聯聚乙烯電纜局放在線監測方法研究與系統設計［D］.保定：華北電力大學，2013.

Based on High-frequency Current Sensor Array for Partial Discharge Detection and Location in Switchgear

XIN Xiaohu1，WANG Jianhui1，HU Quanwei2，WU Shengzhi1，JI Shengqiang3
（1.State Grid Tianjin Jizhou Electric Power Supply Company，Tianjin 301900，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Maintenance Company，Tianjin 300230，China；3.State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Company，Nanjing 226699，China）

The electric equipment condition monitoring has become an important research area of the smart grid.This article proposes a method for detecting the partial discharge within the distribution network by installing high frequency current sensor at each cable connection of the switchgear of the switchgear cabin.Thus a sensor array can be formed.Using generalized crosscorrelation algorithm to estimate the transmission delay between each sensor，then the partial discharge detection and location in the distribution grid can be achieved.Matlab simulation shows that the partial discharge detection and location system can precisely locate the partial discharge in a distribution grid.

partial discharge；high frequency current sensor；generalized cross-correlation algorithm；locate partial discharge

TM591

A

1007－9904（2017）11－0077－04

2017-06-14

辛曉虎（1988），男，從事局部放電在線檢測與定位方面的研究工作。