配電架空線路及設備缺陷快速精確定位方法研究

劉合金，蘇國強，黃 敏，于海東，劉文彬

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

配電網作為電網系統中直接與用戶相關的環節，其運行情況直接影響著電網供電可靠性和客戶用電體驗。隨著配電網的快速發展，供電網絡日益復雜，為提升供電可靠性，線路之間“拉手”聯絡的情況日益增多，傳統的單純依靠運檢人員周期性巡視及計劃停電檢修的方法已不能滿足當前配電網運行要求，提升配電網的可靠運行水平已經成為亟待解決的主要難題之一［1-2］。

目前，配電線路以架空為主，架空線路設備種類復雜，包括絕緣子、避雷器、開關、變壓器、電纜終端等設備，影響可靠供電的因素包括樹障、鳥害、異物、表面污穢、設備缺陷、運行環境等。為提高配電網的可靠運行水平，當前主要以人工巡檢為主，人工巡檢是指定期由巡檢人員攜帶專業設備，如紅外熱成像儀、局部放電檢測儀等，對設備進行檢測，針對架空線路及其沿線設備的局部放電檢測，主要包括超聲波和特高頻兩種檢測方法［3］。

紅外熱成像儀只能檢測發熱缺陷，無法對局部放電缺陷進行檢測，且紅外測溫受光照、濕度等氣象條件影響較大，易發生過熱缺陷漏檢的問題。超聲波局部放電檢測中，當局部放電發生時會引起震動并發出聲音，大多為超聲波，通過超聲波傳感器可以檢測超聲波，間接識別局部放電［4-5］。但是超聲波傳感器靈敏度不高，有效檢測范圍較小，檢測效率不高，且無法檢測設備內部放電，無法直觀定位放電點，很難實現覆蓋性檢測。特高頻局部放電檢測法具有抗干擾性好、靈敏度高、可對放電點定位、檢測效率高等優點，但存在難以表征局部放電程度的大小，且需要設備有外露絕緣子才能保證檢測靈敏度，應用局限性較大［6-7］。

針對上述問題，提出一種針對配電架空線路及沿線設備的局部放電缺陷快速精確定位方法，在線路帶電運行的情況下，通過采集線路及設備的異常狀態信息加以分析，從而準確、有效地發現線路及沿線設備的隱性缺陷。

1 技術原理及關鍵技術

1.1 技術原理

10 kV 架空線路上劣化的絕緣子、線路上破損的絕緣等處，其絕緣耐壓能力下降，在工作電壓的作用下發生局部放電。這些放電會輻射電磁波，并沿著線路傳播。

10 kV 架空絕緣線及沿線設備發生局部放電時，會產生幅值很大的非穩態量，并由缺陷點向兩端傳播，稱為行波。行波傳播速度接近光速，約為2.0×108m/s，可以根據行波到達兩端監測點的時刻來確定缺陷點的位置。基于行波定位原理，采用衛星精確授時，在架空線路長度已知的情況下，可實現局部放電缺陷點的精確定位，能夠幫助檢修人員快速找到并及時消除缺陷點，減少不必要的停電時間［8-9］。

1.2 大跨度電流行波定位技術

當架空線路或沿線設備中出現局部放電現象時，局部放電信號會以脈沖電流行波的方式沿著架空線線路向兩端傳播，如圖1 所示，因此，通過安裝在架空線路上的高頻脈沖電流傳感器（如圖2 所示）能夠實現遠端情況下的線路局部放電檢測［10-11］。通過在架空線路兩端安裝高頻脈沖電流傳感器夠能實現局部放電缺陷定位，如圖3所示。

圖1 架空線路上局部放電放電信號的傳播

圖2 高頻脈沖電流傳感器實物

圖3 基于電流行波的局部放電雙端定位

1）精準同步技術。

雙端系統的同步性是影響局部放電定位精度的主要因素，提出一種基于脈沖交互機制的同步技術，主端發射同步脈沖，經過時間Tr到達從端，從端接收到主端發射的同步脈沖后，經過一個延時Δt2發出另一個同步脈沖，這個同步脈沖又經過時間T返回到主端。這樣一來，主端能夠檢測到兩個脈沖（時間間隔是2Tr+Δt2），從端也能檢測到兩個脈沖（時間間隔是Δt2）。根據雙端脈沖的時間差可以計算出脈沖在架空線路中的傳播時間Tr；主端第1個脈沖和從端第1 個脈沖在絕對時間上相差時間Tr，因此，可完成兩端同步。通過在架空線路上注入同步脈沖實現雙端檢測系統的精確同步，可實現雙端系統時鐘同步誤差小于10 ns。精確同步技術原理如圖4所示。

圖4 精準同步技術原理

2）降噪技術。

由于10 kV 架空線路及沿線設備局部放電信號能量較小，高頻脈沖電流傳感器檢測到的局部放電信號一般在毫伏級，因此極易受現場噪聲干擾。

第二代小波變換技術具有局部濾波特性良好的優點，能夠有效濾除絕大多數噪聲干擾，提高局部放電檢測信噪比和靈敏度［12-14］，因此，采用第二代小波變換技術對現場干擾進行降噪處理，分為如下4個步驟。

a）對局部放電信號進行分層第二代小波分解，分解為低頻分量和高頻分量，同時反映出待處理信號的時頻域信息，選擇合適的母小波，并確定最優分解層，其中低頻系數表示為［A1，A2，A3，...，AN］，高頻系數表示為［D1，D2，D3，...，DN］，N為分解的低頻分量和高頻分量的數量。

b）對步驟a）得到的各分解尺度下的高頻系數［D1，D2，D3，...，DN］，選擇合適的閾值進行量化。

c）對局部放電信號進行重構，將步驟b）經過閾值量化處理后的系數［AN，D1，D2，D3，...，DN］通過逆變換進行信號重構，得出去噪后信號。

d）對重構信號進行平滑處理，此步驟采用窗口高斯加權平均算法用以減少虛假波峰，有利于后續信號的正確識別。

3）精確定位技術

通過監測配電架空線路局部放電缺陷點產生的行波傳輸到線路兩端監測終端傳感器的時間及兩個監測終端主峰波頭對應的GPS 時間差，結合行波在配電架空線路中傳播的速度關系，分析計算缺陷點距離監測終端的距離位置的具體計算方法如下。

假設配電架空線路出現局部放電缺陷位置兩端分別為A端和B端，則：

式中：L為A端與B端之間的距離；L1為局部放電缺陷位置與A端之間的距離；L2為局部放電缺陷位置與B端之間的距離；t1為局部放電缺陷位置行波傳輸到A端的時間；t2為局部放電缺陷位置行波傳輸到B端的時間；v為行波在配電架空線路中傳播的速度。

基于上述計算方法，采用精確同步技術、降噪技術和高頻脈沖電流局部放電檢測方法，可得到局部放電的放電特性譜圖和精確定位譜圖，如圖5 所示。依據局部放電的放電特性和位置信息，可以為配電網的運維檢修提供更加明確的指導。

圖5 局部放電的放電特性和精確定位

1.3 優化的高頻電流局部放電檢測技術

高頻脈沖電流局部放電檢測技術是一項傳統的檢測技術，可以發現設備內部的局部放電信號，因此作為一種局部放電檢測技術手段應用于本方法中。

高頻脈沖電流法是通過耦合器從局部放電信號產生的磁場中獲取能量，可以利用線圈技術耦合放電產生的脈沖電流信號。在架空線路及沿線設備發生局部放電時，線路上會流過高頻的脈沖電流。此時根據右手螺旋定則，高頻脈沖電流會在其周圍產生磁場。高頻脈沖電流法就是通過檢測該磁場在傳感器中感應出的電動勢大小來進行局部放電的檢測。

隨著高頻局部放電檢測技術的發展，也出現了更多優秀有效的分析方法，如基于連續小波去噪脈沖提取技術的高頻脈沖電流局部放電檢測分析方法，其強大的自動濾波功能可在背景噪音水平下發現局部放電信號［15-17］，如圖6所示。

圖6 連續小波去噪脈沖提取技術

1.4 可視化設備缺陷智能診斷技術

聲學成像感知終端是由多通道麥克風組成的陣列，也叫聲學成像儀，其由多個麥克風按照一定規律排列，通過陣列信號處理算法生成一個平面上的聲壓級分布，以彩色等高線圖的方式實現聲音可視化，通過照片或視頻的方式顯示被測物的聲音分布。

采用聲學成像定位和缺陷識別技術，通過基于聲學統計圖譜的電力設備缺陷智能診斷技術，可以定位異常聲響位置，并通過統計譜圖實現對不同放電類型和典型機械振動的識別［18-19］。

局部放電類型包括絕緣類放電、懸浮放電和電暈放電等，不同類型的放電會產生不同的超聲波信號，在聲學成像儀中能夠顯示不同的放電圖譜［20］，如圖7所示。

圖7 不同類型局部放電圖譜

2 缺陷快速精確定位方法實現

2.1 三步法技術方案

根據配電架空線路及沿線設備中絕緣狀態檢測的迫切需求和技術特點，提出架空線路局部放電缺陷大跨度（10 km）可視化智能化快速精確定位三步法技術方案。

1）大跨度評估。基于單端行波定位技術，對大跨度（10 km）區域內進行普測，評估線路是否存在異常信號或局部放電信號，當發現異常信號后，進入第二步操作；

2）大跨度（10 km）預定位。基于雙端行波定位技術對缺陷進行預定位，由于受到架空線路分布式電容變化的影響和架空線路設備多樣性的影響，無法實現精確定位并判斷具體缺陷設備，故只能確定缺陷大致位置，定位精度為10 m，確定缺陷大致位置后，采取第3步操作；

3）精確定位。基于可視化超聲成像技術和高頻局部放電相結合的精確定位技術，實現缺陷的精確定位（如缺陷設備、缺陷類型、缺陷相、缺陷位置、內部缺陷或外部缺陷等）。

具體實施基本思路如圖8所示。

圖8 局部放電缺陷精確定位三步法

采用三步法進行缺陷精確定位時，在線路一端安裝局部放電傳感器即可實現安裝點10 km 范圍內設備是否有缺陷的初步判斷；若存在異常信號，在線路兩端安裝局部放電傳感器可實現缺陷的粗略定位，再采用可視化聲波成像技術對粗略定位范圍內的設備進行檢測，即可實現缺陷的精確定位。與常規逐設備、逐點開展帶電檢測相比，該方法能夠顯著提高帶電檢測工作效率和缺陷的檢出速度。

2.2 現場檢測技術方案

假設待測配電架空線路兩端安裝高頻脈沖電流傳感器的位置為A 端和B 端，以雙端行波定位檢測為例，現場檢測工作大致分為4個步驟。

1）AB之間線路傳播時間的測定。

a）設兩點相距L，在A 端，控制單元啟動脈沖發射器產生和發射一個脈沖，該脈沖沿架空線路傳播至B端；

b）B 端的脈沖接收單元收到一個脈沖，可根據檢測幅值確定架空線路的高頻衰減系數α，并立即啟動脈沖發射器反射一個脈沖；

c）A端的脈沖接收裝置收到B的反射脈沖；

d）A 端測得發射脈沖和反射脈沖時間間隔為T，則脈沖沿整條線路的單向播時間為T/2，傳播速度v=2L/T。

2）局部放電脈沖位置的判斷。

局部放電在某時刻發生時，脈沖向架空線路兩端傳播。根據A端信號采集所記錄的波形，傳感器A在時間t1接收到第一個脈沖，傳感器B 在時間t2接收到這個脈沖，則局部放電發生的位置x（距離A端），則

3）局部放電強度的評估。

在首端由脈沖發射器注入已知電荷的脈沖來標定，可推測實際放電量。

4）局部放電類型的識別。

根據放電脈沖的重復性、極性、頻譜特性、波形特征及相位特征等信息，采用支持向量機模式識別技術對放電類型進行判定。

3 現場應用

為驗證配電架空線路及設備局部放電缺陷快速精確定位方法的有效性，選取部分運行狀況較差、運行年限較長的配電線路，開展了現場試點應用。

根據現場試點應用情況，配電架空線路局部放電缺陷快速精確定位方法可發現多種類型設備的局部放電缺陷，包括電纜終端、避雷器、絕緣子、線夾、配電變壓器高壓進線等。

3.1 耐張線夾缺陷

在某供電公司10 kV 架空絕緣線路上開展局部放電檢測，分別將檢測系統的主端和從端安裝在10 kV 線路的19 號桿和37 號桿位置，如圖9 所示。需要注意的是，27—28 號桿塔之間敷設了200 m 的地下電纜。檢測結果顯示，在距離主端997 m 處存在局部放電缺陷，如圖10 所示，隨后對該處進行精確定位，發現架空線路耐張線夾存在局部放電缺陷，如圖11所示。

圖9 大跨度預定位示意圖

圖10 預定位結果

圖11 精確定位結果

3.2 絕緣子污穢

在某10kV 配電架空線路上開展局部放電檢測，在實施中，采用架空線路局部放電缺陷快速精確定位三步法進行快速定位，檢測結果顯示，該線路上存在絕緣子污穢導致的局部放電缺陷，如圖12所示。

圖12 實施過程和定位結果

3.3 故障指示器對線夾放電

在某供電公司10 kV 架空絕緣線路上開展局部放電檢測，分別將檢測系統的主端和從端安裝在10 kV 線路的23 號桿和35 號桿位置，如圖13 所示。檢測結果顯示，在距離主端132 m 處存在局部放電缺陷，如圖14 所示。隨后對該處進行精確定位，發現該處線路B 相的故障指示器對線夾放電，如圖15所示。

圖13 大跨度預定位現場

圖14 預定位結果

圖15 精確定位結果

4 結語

本文闡述了配電架空線路及沿線設備局部放電缺陷快速精確檢測方法的技術原理和關鍵技術，提出了局部放電缺陷快速精確定位三步法技術方案和現場檢測技術方案，可實現對配電架空線路及沿線設備的局部放電缺陷的檢測和快速精確定位，具有檢測效率高、速度快、定位準等特點，解決了配電設備內部局部放電缺陷無法檢測的難題。

通過現場應用，驗證了配電架空線路及沿線設備局部放電缺陷快速精確定位方法可高效、準確地檢測出多種配電設備的局部放電缺陷，其在配電設備帶電檢測中具有廣闊的應用前景。但本文的研究仍有一定局限性，該方法在含分支線路和設備較多的架空線路上應用的有效性仍需進一步研究驗證。