局部放電監測在南水北調工程供電系統中的應用

韋 春，于廣杰，李 斌，李 成，李昀澤，陳維海

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局，天津300000）

1 引言

南水北調中線干線工程建設管理局天津分局分調中心辦公樓共5層，變配電室位于一層，分調中心供電采用雙路進線雙電源10 kV供電系統，每一路高壓設備均配備進線柜1臺、PT柜1臺、受總柜1臺、計量柜1臺及干式變壓器1臺。天津分調中心是南水北調天津干線輸水運行調度工作的核心，為確保分調中心10 kV供電系統運行的可靠性，及時發現存在的安全隱患，為天津分調中心變電室安裝智能開關柜局部放電在線監測系統，并提供365×7×24 h遠程在線實時監測。局部放電在線監測系統主要由前端采集設備、中繼傳輸設備和后臺接收設備及后臺軟件組成，前端采集設備是采用暫態地電壓檢測技術和超聲波檢測技術，中繼傳輸設備和后臺接收設備用于數據的匯總與對接，傳輸方式為利用聯通運營商的4 G網絡信號進行鏈接，后臺軟件負責數據解析并展示以及歷史數據查詢，并提供數據越線報警功能。局部放電在線監測系統主要負責監控變電室內高壓設備的放電情況，能在事故發生前及時監測出設備內絕緣老化情況，提醒工作人員及時采取相關措施，防范于未然，保證變電室安全運行。實驗結果表明，該系統具有實時通信高、可靠性高、傳輸速率快、運行成本低的優點，下一階段準備在沿線降壓站變電系統中使用。本文將對局部放電在線監測技術及應用詳情進行介紹。

2 局部放電在線監測系統工作原理及應用

局部放電在線監測系統是特有的一種變配電設備，是電力設備安全運行的可靠保障。局部放電在線監測系統采用超聲檢測技術、暫態地電壓（TEV）檢測技術和超高頻檢測技術，分析開關柜局部放電特征的變化趨勢，實時反映出開關柜工作時的安全情況和外部環境變化，如濕度過高、絕緣端子積塵、施工工具遺留、絕緣老化、設備過載。一旦發現局部放電幅值或重復率發生顯著增長，即可發出報警信號，提醒值班人員盡快作出相應處理。值班人員可以調取現場視頻進行研判和通知維護人員進行巡視，放電幅值較大和重復率過高達到上限值立即停電處理，免除高壓設備的放電擊穿事故，并避免擊穿事故發生時諧振對其他設備造成損害。

2.1 暫態地電壓檢測技術

暫態地電壓檢測技術由于簡單、實用的特點被各國電力公司認可。我國自2006年起，以北京、上海、天津為代表的一批國內電網公司率先引進暫態地電壓局部放電檢測技術并開展現場檢測應用，成功發現了多起開關柜局部放電案例，為該技術的推廣積累了寶貴經驗。特別的，暫態地電壓檢測技術在2008年奧運會、2010年世博會及2010年廣州亞運會等大型體育盛會的保電工作中發揮了重要的作用。

工作原理：當電氣設備發生局部放電現象時，帶電粒子會快速地由帶電體向接地的非帶電體遷移，并在非帶電體上產生高頻電流行波，且以近似光速的速度向各個方向傳播。受集膚效應的影響，電流往往會集中在金屬柜的內表面，當遇到不連續的金屬斷開或者絕緣連接處時，電流會有金屬柜體的內表面轉移到外表面，并以電磁波的形式向自由空間傳播，且在金屬柜體外表面產生暫態地電壓，而該電壓可用專門設計的暫態地電壓傳感器進行檢測。暫態地電壓信號的產生原理如圖1所示。

圖1 暫態地電壓信號的產生原理示意

2.2 超聲波檢測技術

超聲波是振動頻率大于20 kHz的聲波。電力設備尤其開關柜內部發生局部放電信號時，就會產生沖擊的振動及聲波。局部放電發生前，放電點周圍的電場應力、介質應力、粒子力處于相對平衡狀態。局部放電是一種快速的電荷釋放和遷移過程，這將導致放電點周圍的電場應力、機械應力和粒子力失去平衡狀態而出現振蕩變化過程。機械應力和粒子力的快速振蕩導致放電點周圍介質的振動現象，從而產生聲波信號。超聲波局部放電檢測在檢測放電時需要在開關柜腔體或者外壁上安裝超聲波傳感器，使得超聲波信號被轉換為模擬信號，進而由信號調理電路轉換送入處理器處理、顯示。

隨著超聲波局部放電檢測技術研究的深入，其在全世界范圍內得到了大量的推廣。目前，GIS、變壓器、開關柜等設備均有成熟的檢測裝置。在實際應用中，變電站超聲波檢測運用較廣，但是受設備運行環境影響較大，如周邊產生噪音、震動等，變壓器等本身產生的運行聲音對超聲波檢測后臺軟件濾波功能要求更高。

2.3 超高頻檢測技術

由于傳統檢測方法存在不足，繼而出現了新的檢測方法-超高頻檢測。當設備運行產生聲音對超聲波檢測等一些傳統手段有干擾時，變壓器局部放電所產生的超高頻（300～3 000 MHZ）電信號實現了電力變壓器局部絕緣放電的檢測和定位，并實現了抗干擾。

采用超高頻檢測變壓器局部放電的主要優點：①局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬成正比，當只考慮檢測元件的熱噪聲對靈敏度的影響時，用超頻寬帶檢測有更高的靈敏度；②在變壓器使用現場，變電站的背景、噪聲和空氣中電暈產生的電磁干擾頻率一般很低，可用寬頻法對其進行有效的抑制，用窄頻法將其與局部放電信號加以區別。由此可見，用合適的超高頻傳感器可以測量真實的變壓器絕緣中局部放電的性質和物理過程。

超高頻檢測又分為超高頻窄帶檢測和超高頻超寬頻帶檢測，前者中心頻率在500 MHz以上帶寬十幾MHz或幾十MHz，后者帶寬可達幾GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測技術有噪聲抑制比高、包含信息多等優點，受到人們的關注。通常所說的超高頻檢測技術即指超高頻超寬頻帶檢測，用于超高頻局部放電檢測的傳感器主要為微帶，天線傳感器利用微帶天線作傳感器早在1980年Kurtz等人就提出過，他們設計的傳感器用于大型電機局部放電測試。安裝在一個或兩個磁極上可探測到單根定子線棒的放電。目前，微帶天線傳感器已在檢測大型電力變壓器GIS電力電纜等設備的局部放電上。對于大電機局部放電檢測有相關應用，H.G.Sedding等人在1991年提出一種定子槽耦合器stator slot coupler，該傳感器由接地平面帶狀感應導體及兩端同軸輸出電纜組成，其耦合方式具有分布參數的性質，因此具有非常寬的頻帶且能夠反映內部放電和外部干擾在波形上的差異。

3 局部放電在線監測系統的組成

3.1 現場前端采集設備

前端采集設備的采集信號包含兩部分：TEV信號和超聲波檢測。TEV傳感器是采集信號的關鍵，理想的傳感器可以準確、靈敏的捕捉局部放電信號傳到后級電路。南水北調工程局部放電在線監測系統采用的TEV傳感器如圖2所示，經過多年實際應用逐步改進，完全符合當下國家電網公司對暫態地電壓信號采集的需要。該傳感器底座采用自吸附設計，可以方便的安裝到開關柜柜體上，采集到的局放信號將通過雙芯屏蔽電纜傳遞到后級電路，信號捕捉靈敏，抗干擾能力強。應用于開關柜中可以將該傳感器安裝于高壓進線柜內，實時在線監測柜體內的運行狀態。

圖2 TEV傳感器

一般情況下，由局部放電所產生的超聲波信號頻率大多在20～120 kHz，其中，大多數放電信號的頻率集中在30～50 kHz，因此，本系統中采用的超聲波傳感器中心頻率為40 kHz。經實際應用表明，該種超聲波傳感器對局部放電信號的采集效果顯著。如圖3所示為超聲波傳感器實物，同樣的，其帶有自吸附設計及屏蔽電纜線，極大程度上避免了超聲信號傳輸過程中的干擾。該傳感器安裝在智能開關柜高壓進線柜柜體上，對高壓室的電氣運行狀態進行實時在線監測。類似于TEV檢測電路設計中信號調理流程，超聲波信號的處理同樣需要進過濾波、放大和轉換，才能最終傳入處理器進行數據融合和放電評估。超聲波傳感器與系統的交互采用雙芯屏蔽電纜連接，處理電路整體封裝在具有高保護強度的密封盒內，經過zigbee485傳輸到通信中繼中，由中繼進行數據融合及打包，經GPRS網絡傳送至后臺服務器。

圖3 超聲波傳感器

3.2 無線中繼傳輸設備

無線中繼傳輸設備（見圖4）用于接收站內所有監測終端數據，設備內設有物聯卡卡槽，可安裝任意運營商的物聯卡，目前天津公司采用的是聯通的4 G全網通物聯卡。

無線中繼傳輸設備用于接收站內所有監測終端數據，同時內部設有模電轉換器，可以將收集到的模擬信號轉換成數字信號，通過無線網絡將這些數據傳至后臺服務器。無線中繼傳輸設備與后臺服務器的通信方式可根據現場情況選擇。無線接收中繼可懸掛或吸附于變電站內的墻壁，安裝時將接收天線至開闊處。

圖4 無線中繼傳輸設備

3.3 后臺接收設備

后臺接收設備內置運營商4 G全網通物聯卡，用于實時接收由現場中繼發出的信號。根據現場需要，接收設備可安裝在無線接收中繼附近或者經過無線4 G網絡遠距離傳輸安裝于監控平臺主機上。

3.4 后臺監控軟件

后臺服務器將接收到的數據經過內部數據處理后，在前端進行顯示，方便運維人員實時觀測監督，并對響應的警告、報警進行及時處理。服務器界面如圖5所示。監控平臺上單獨設置一臺監控器用于現場設備的放電監測，軟件端設有安全穩定的有效閾值，對于軟件監測到的TEV和超聲數值臨近于閾值的，數值會變成橙色；對于軟件監測到的TEV和超聲數值高于閾值的，數值會變成醒目的紅色；以此來提醒平臺監控人員進行報警，并且進行重點記錄，提示維護人員作出相應的措施。

圖5 上位機服務界面

4 結語

局部放電在線監測系統經多次調試和測試后，能最大限度的預防事故的發生，為變電室安全用電提供可靠保證，為南水北調工程電力設施的安全運行保駕護航。局部放電在線監測系統還具備分析和管理用戶數據，為電力平衡、線路損耗分析和負荷預測提供數據。考慮到未來5 G網絡終端、攝像頭和圖像處理芯片以及圖像編碼、解碼算法和視頻傳輸協議的應用，實現遠程無線視頻監控功能指日可待。