基于環形拓撲的變電站局部放電監測定位技術

聶龍杰

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

1 局部放電問題與研究現狀

21世紀以來，變電站局部放電（Partial Discharge，PD）檢測所面臨的信號環境愈發惡劣，針對這種情況，研究人員在局部放電檢測干擾防范方面引進了多種新型的技術手段，主要包括小波分析、自適應濾波以及噪聲傳感器同步降噪等。實踐中，這些手段都在一定程度上提升了局部放電檢測干擾防范的途徑豐富性以及局部放電檢測干擾抑制的質量，但卻無法從根本上屏蔽電磁干擾對于局部放電檢測裝置造成的影響[1,2]。

基于這一研究現狀，筆者從全新的研究視角出發，基于環形拓撲結構提出一種全新的變電站局部放電監測及定位方法，希望能夠為變電站局部放電問題提出全新的解決思路。

2 研究理論

2.1 研究預期

本文希望提出一個基于環形拓撲結構的變電站局放監測以及定位方法。具體思路為在變電站不同設備的位置安裝特高頻（Ultra High Frequency，UHF）監測終端，并采用無損線對這些終端進行連接，形成獨特的局放監測系統。在這種硬件基礎上，技術人員僅僅使用一個雙通道的數據采集卡就可以實現對整個變電站系統不同設備局放現象的初步定位。

2.2 局部放電信號檢測的主要影響因素

局部放電信號檢測的影響因素主要包括以下幾點。（1）變電站自身信號對局部放電信號檢測所產生的干擾，具體內容包括手機通信基站通信信號、碎鐵塊等雜質附著在高壓導體設備外部所產生的沿面類放電干擾信號、由于設備自身接觸不良等原因導致的放電干擾信號、電暈信號以及整流脈沖信號等。（2）地理因素對信號檢測造成的影響，具體內容包括以下4點。一是在環境溫度上升的背景下，包括信號幅值、信號能量在內的信號強度因素均會發生比較明顯的增強；二是信號脈沖間隔會隨著溫度的升高而減小；三是在所處環境空氣濕度增大的背景下，信號強度會隨之減小，而脈沖間隔會隨之增大[3]；四是在電壓等級升高時，各種干擾性信號出現的概率與頻率均會明顯上升。

2.3 局部放電信號在同軸電纜上的衰減特性

基于環形拓撲結構的變電站局放監測系統在產生局部放電信號之后，信號本身是雙向傳輸的，系統通過信號兩邊設置的監測設備對信號進行收集，再由計算機設備對信號收集的時間差進行計算，就可以進一步得出局部放電信號的大概位置。基于上述原理可知，對局部放電信號在同軸線上的衰減特性進行研究是非常必要的[4]。

在實踐中，電纜在傳輸信號時會不斷產生損耗，當信號到達終點時，其信號強度必然會相對減小，甚至在一定情況下，該信號的強度會降低到檢測設備信號識別的最小標準以下。

在電纜運行時，局部放電信號產生的高頻信號在其中具備一定的特性，筆者采用PSCAD/EMTDC軟件對局部放電信號在同軸電纜中的特性進行仿真分析，并完成了相關模型的建立，具體如圖1所示。

圖1 同軸電纜試驗系統仿真模型

筆者以圖1中的仿真模型為研究基礎，假設一個局部脈沖電流在零時刻進入到同軸電纜中，通過軟件計算就能夠進一步得出同軸電纜仿真脈沖波形，具體內容如圖2所示。

圖2 同軸電纜仿真脈沖波形

在圖2中，筆者充分考量了局部放電信號本身在線路運行過程中所產生的損耗以及脈沖折返的情況。在這一模型的基礎上，筆者對線纜的具體長度進行改變，就可以得出不同的衰減幅度。根據計算結果顯示，當電纜長度增加時，局部放電信號的衰減幅度也會隨之增強，當電纜長度超過了2 km時，局部放電信號的強度將會達到原有信號強度的10%以下，對這一強度范圍的信號進行檢測將會受到放電站設備的嚴重干擾，識別放電信號的難度明顯增加。因此，為了提升放電站局部放電信號監測的有效性，筆者所提出基于環形拓撲結構的局放監測系統的同軸電纜長度應該控制在 2 km 以下[5]。

3 基于環形拓撲結構的局放監測系統

變電站中往往存在數量較多的電氣設備，使用傳統方式需要對單個設備進行局部放電監測，這種方式不僅會消耗相當多的經濟成本，而且在測量過程中也很容易受到外部環境信號的干擾，效率相對比較低下[6]。

基于環形拓撲結構的局放監測系統不需要在整個變電站所有設備附近安裝大量的監測終端，只在需要檢測的設備附近進行安裝即可，而且對于數量的要求也比較低。局放檢測終端的組成部分一般可以由傳感器、放大器以及隔離器3個構件組成。其中，傳感器連接電氣設備自身，可以根據設計者的實際需求選擇內置式或者外置式，用于對局部放電信號進行接收。放大器在系統中主要起到放大信號的作用，降低系統對于信號識別的難度。隔離器連接環形信號線，其目的是將監測終端與同軸電纜之間進行隔離，保證信號只能從傳感器這一途徑傳導到信號總線處[7]。

在環形信號線也就是同軸電纜中，電纜兩端共同接入到同一個數據采集卡中，并通過計算機設備對整個系統不同設備監測終端處所產生的信號進行收集、整理以及分析。數據采集卡能夠將同軸電纜所傳輸的數據進行收集與傳遞，再由計算機中的Labview軟件完成最終的數據處理和分析以及結果顯示工作，最終完成局部放電位置的初步測定。

4 實驗分析及驗證

在基于環形拓撲結構的局放監測系統在理論上設計完成之后，如果想要保證其預期功能能夠順利實現，就必須在模擬平臺上對筆者所論述的系統構成進行檢驗。實驗平臺結構示意如圖3所示。

圖3 局部放電實驗平臺結構示意

在圖3中，筆者在局部放電位置產生局部放電信號，該信號在經過UHF傳感器之后，強度和頻率等信息就會被傳感器所收集，經由放大器與隔離器等部件接入環形同軸線，再經由數據采集卡傳遞到上位機上，采用雙通道顯示，最終提升整個實驗結果的準確性。

在具體的線路運行過程中，可以首先選擇單個傳感器進行局部放電信號采集實驗，具體而言，技術人員可以選擇一個監測終端（包括傳感器、放大器以及隔離器等部件），將其放置在一個30 m長同軸電纜的中間部位。在實際操作過程中，技術人員一定要對兩者之間的距離進行準確把控，保證兩端電纜長度完全相等，全部都為15 m，只有這樣才能確定傳感器的監測質量，防止產生由于傳感器質量問題而引發的信號檢測失常現象[8]。

在實際操作過程中，技術人員可以采用局部放電模擬裝置模擬產生局部放電信號，并在單傳感器局部放電采集試驗裝置中進行傳導，同時向30 m長同軸電纜的兩端進行信號傳輸，使用示波器對信號進行采集，最終得出相應的波形。在這一流程結束后，技術人員應該對最終檢測到的單傳感器實驗局部放電波形的狀態進行收集與分析。從理論角度講，由于模擬局部放電信號處于整個同軸電纜的中心部位，因此當兩個端口接收到局部放電信號的強度與幅度大小相近時，則表明同軸電纜兩端傳遞局放信號具備較強的一致性。在這一基礎上，基于環形拓撲結構的局放監測系統才能夠實現較好的效果與功能。

5 綜合分析

在單個傳感器局部放電信號采集試驗以及多個傳感器局部放電信號采集試驗結束后，筆者對實驗結果進行了全面分析。首先，局部放電信號在同軸電纜中傳播時，其內部的波形畸變相對較小，能夠避免系統受到整個變電站在運行過程中產生的諸多干擾信號的影響[9]。其次，局部放電信號在同軸電纜中的傳播速度相當穩定，滿足通過信號傳遞時間差數據進行局部放電位置測算的基礎條件。由此可知，使用環形拓撲結構的變電站局部放電檢測方法能夠完成信號的初步定位，且與傳統位置檢測技術相比，其在經濟性和靈敏度等方面均具備更加明顯的優勢[10]。

6 結 論

縱觀全文，筆者基于環形拓撲結構提出了一種全新的變電站設備局部放電動態監測以及初步定位的方法。與傳統技術背景下在整個變電站電力設備上安裝監測裝置的方式相比，基于環形拓撲結構的局放監測系統具備更強的經濟性和可操作性。在實際操作過程中，技術人員只需要在具備監測需求的電力設備上進行監測終端的安裝，并采用長度在2 km以下的環形拓撲結構同軸電纜進行連接即可。通過這種手段，技術人員就可以在上位機上獲取所有傳感器所傳遞來的相關數據，并且產生局部放電情況時，整個系統能夠非常快速地實現對電力設備局部放電現象的初步定位。從效率角度講，這種方式也比傳統測量方式更加優越。由此可見，與傳統技術相比，基于環形拓撲結構的局放監測系統在實踐中具備更強的操作性，值得相關領域的專家、學者以及企業將其進行進一步的改善與推廣，進而改善當前變電站局部放電信號監測效果較差的現狀。