高壓設備強電局部放電在線檢測技術研究

梁明星

（貴州省機場集團有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著科技的不斷發展，電力系統的建設也得到了前所未有的發展。電力物聯網建設是電力系統建設的重要組成部分，已經逐漸成為電力行業的發展重點。在電力物聯網建設過程中，電力系統運行安全是備受重視的一個問題。大型變壓器、開關柜等高壓電氣設備的運行狀態成為電力企業進行電力系統檢測的重要目標。由于高壓電氣設備的檢測手段目前仍以定期停機斷電檢修的離線監測為主要方式，大大降低了電力設備的檢測效率，也給電力系統的正常運行帶來了一定的風險。一旦出現設備故障問題，將會影響電力系統的正常運行，不僅有斷電的風險，同時也有可能造成設備被損毀，繼而導致整個電力系統癱瘓，給整個電力公司帶來了極大的經濟損失。為解決這一問題，局部放電在線檢測技術的應用成為一種新的解決方案。這種技術可以盡可能簡化電力系統的檢測流程，實施分析與判斷電力設備的絕緣狀態，大大降低安全事故的發生。因此，局部放電在線檢測技術在電力系統建設中的應用非常值得關注和探討。

1 局部放電概述

1.1 局部放電產生原因

局部放電是指高壓設備中電介質的局部區域在電場作用下發生氣體放電現象。在高壓設備中，電場強度較大的位置，例如，電纜終端、絕緣子表面、繞組內部等，容易形成局部放電。高壓設備的絕緣材料隨著高壓設備的使用時間不斷增長，絕緣材料會因為環境因素、電壓、電流等原因而老化，可能存在氣泡、裂紋、異物等瑕疵或缺陷，絕緣材料的絕緣能力大大減弱，從而導致高壓設備局部電場集中，引起局部放電。同時在高壓設備中，由于電介質形狀和電極布局的不同，電場分布會出現不均勻性，如在變壓器繞組的末端或絕緣子表面，由于電場的集中，容易形成局部放電。此外，在高壓設備的使用中，由于振動、溫度變化等因素，絕緣材料可能會出現變形或移位，導致絕緣介質分布不均勻，容易引起局部放電。

1.2 局部放電類型

1.2.1 內部放電

在高壓電氣設備內部，當電場強度達到一定值時，就會發生放電現象。而當電場強度繼續上升并達到擊穿場強時，整個絕緣結構就會被擊穿。這種現象會導致高壓電氣設備失效，甚至引發火災、爆炸等嚴重后果。為了避免高壓電氣設備內部放電現象的出現，需要在制造和安裝過程中，嚴格控制工藝，并采用先進的絕緣材料。在制造過程中，需要注意各種絕緣結構的澆筑、擠制、層繞等過程，確保絕緣結構的質量。同時，在安裝過程中，需要嚴格按照規范進行操作，避免出現絕緣結構的損壞或老化。此外，定期檢查和維護高壓電氣設備也是非常重要的。定期檢查可以及時發現絕緣結構中的問題，保證設備的正常運行。而維護工作則可以延長設備的使用壽命，并降低設備失效的風險。具體內容如圖1 所示。

圖1 內部放電示意圖

1.2.2 沿面放電

高壓電氣設備沿面放電是指設備內部沿不同聚集態絕緣介質分界面的放電現象。在電力行業中，高壓電氣設備的安全運行對于電網的穩定運行至關重要。然而，高壓電氣設備沿面放電問題一直是電力行業中的一個難題。在油浸式變壓器等高壓電氣設備中絕緣結構是由固體、液體和氣體等不同聚集態絕緣介質組成的。當電場強度超過一定值時，絕緣介質中的電荷就會被激發，形成電子和正離子，從而導致沿面放電的出現。這種現象會導致絕緣介質的老化和損壞，從而影響設備的正常運行。為了避免高壓電氣設備沿面放電的出現，需要嚴格控制設備的制造和安裝工藝，確保絕緣結構的質量，還需使用高質量的絕緣材料，并保證絕緣介質的清潔和干燥，保證電力行業的安全生產。

1.2.3 電暈放電

高壓電氣設備中的電暈放電是指帶天體表面在氣體及液體介質中出現的局部放電現象。在高壓電氣設備中，常常會出現電暈放電的問題，如開關柜線纜接頭、變壓器母線等設備。電暈放電的出現會導致設備的老化和損壞，同時也會影響設備的正常運行。電暈放電主要發生在尖端電極周圍，當電場強度超過一定值時，就會出現電暈放電的情況。電暈放電的出現不僅會產生噪聲和電磁干擾，還會產生臭氧等有害物質，對人體健康造成威脅。為了盡可能減小電暈放電的可能性，在設計電力設備時應該避免尖端電極的出現，采用光滑的表面來減小電場強度，可采用金屬套或者防電暈管等措施來減小電暈放電的出現。此外，可通過定期檢查和維護設備及時發現和排除電暈放電的問題，保證設備的正常運行。

2 局部放電在線檢測技術

2.1 超聲波檢測法

超聲波檢測技術原理是利用聲波在介質中的傳播特性來檢測設備中的強電局部放電情況。超聲波檢測技術主要包括超聲波傳感器、信號放大器、AD 轉換器、數據處理器等組成部分。傳感器將超聲波信號傳遞給信號放大器，信號放大器將信號放大后轉換成數字信號，再通過AD 轉換器轉換成計算機可識別的信號，最終由數據處理器進行數據分析和處理。在實際應用中，超聲波檢測技術可以通過安裝在設備表面的傳感器，對設備內部的聲波進行檢測，判斷設備是否存在強電局部放電的情況。同時，超聲波檢測技術還可以通過多通道檢測系統，對設備的多個位置進行同時檢測，檢測到微小的強電局部放電信號，準確地確定放電源的位置。

2.2 熱成像檢測法

熱成像檢測技術是一種非常有效的高壓設備強電局部放電在線檢測技術，具有精度高、速度快、范圍廣等優點，其原理是利用設備表面的溫度變化來識別設備中的強電局部放電情況。熱成像檢測技術具體應用過程中，紅外熱像儀可通過感光元件將設備表面的熱輻射轉換成電信號，再通過數據采集卡將信號轉換成計算機可識別的信號，最終由計算機進行數據分析和處理，識別設備中的強電局部放電情況。

2.3 暫態地電壓檢測法

暫態的電壓檢測技術原理是通過監測設備中暫態地電壓的變化來識別設備中的強電局部放電情況。電容式電壓傳感器通過感應設備中的暫態地電壓變化，將其轉換成電信號，再通過信號放大器和濾波器對信號進行放大和濾波，最終由數據采集卡將信號傳輸到計算機中進行數據分析和處理，暫態的電壓檢測技術結合其他檢測技術，可大大提高檢測效率和精度。

2.4 高頻電流檢測法

高頻電流檢測技術能夠直接獲取局部放電信號的時域波形，充分了解表征局部放電的嚴重程度。該技術原理是通過監測設備中放電產生的高頻電流信號來識別設備中的強電局部放電情況。在實際應用中，高頻電流檢測技術可以通過傳感器對設備中放電產生的高頻電流信號進行實時監測，并通過計算機對信號進行分析和處理，識別設備中的強電局部放電情況。

3 高壓設備強電局部放電的在線檢測技術應用設計

3.1 系統總體設計

高壓設備在長期運行過程中，由于環境因素、材料老化等原因，容易出現局部放電現象，從而導致設備的損壞或者故障。因此，對高壓設備進行絕緣狀態巡檢是非常必要的。而在進行局部放電在線檢測系統總體設計中，需要根據相關需求設計便攜式的在線檢測系統，確保系統能夠應用于高壓設備絕緣狀態巡檢環節中。為了實現這一目標，需要搭載超聲波傳感器、TEV 傳感器以及HFCT 傳感器，采集TRV、HFCT 等高頻信號，及時響應與處理高速數據信息。在線檢測系統能夠從高頻與低頻兩個通道進行局部放電系統地放電信號采集工作，利用傳感器所采集的信號，可利用信號調理電路進行隔離與放大，高頻與低頻兩個通道的局部信號能夠在Zynq的PL 區域進行高速并行處理。在進行局部放電在線檢測系統總體設計中，需要根據相關需求設計便攜式的在線檢測系統，確保系統能夠應用于高壓設備絕緣狀態巡檢環節中。通過搭載超聲波傳感器、TEV 傳感器以及HFCT 傳感器，采集TRV、HFCT 等高頻信號，及時響應與處理高速數據信息。在線檢測系統能夠從高頻與低頻兩個通道進行局部放電系統地放電信號采集工作，利用傳感器所采集的信號，可利用信號調理電路進行隔離與放大，高頻與低頻兩個通道的局部信號能夠在Zynq 的PL區域進行高速并行處理。系統整體設計結構如圖2 所示。

圖2 整體設計結構圖

3.2 硬件設計

為滿足設備的長時間工作需求，該設備采用了5000mAh 鋰離子電池進行供電。該電池具有高能量密度、長使用壽命、輕便等特點，能夠為設備提供穩定可靠的電源支持，確保設備能夠連續工作5 ～6 小時。同時，該電池還具有較高的充電效率和安全性能，在充電時也能夠保證工作人員的安全。

為方便用戶的操作和觀察測試結果，該設備還采用了5 寸TFT-LCD 顯示屏，用戶可以通過該顯示屏直觀地觀察測試結果和操作設備。該顯示屏具有高亮度、高對比度、廣視角等特點，能夠在不同環境下都能夠清晰地顯示。

系統設計的內部存儲和外部存儲通道，方便用戶進行測試數據的存儲和管理。用戶可以通過內部存儲器將測試數據存儲在設備內部，也可以通過外部存儲通道將測試數據存儲在其他存儲設備中，以便于后期處理和分析。該存儲系統具有高速讀寫、大容量、穩定可靠等特點，能夠滿足用戶對數據存儲的需求。

設計移動終端USB 和傳統以太網的連接模式，用戶可以根據實際需要選擇不同的連接方式，其中移動終端USB 連接模式適用于需要頻繁移動的測試場景，可以方便地進行數據傳輸和設備控制；而傳統以太網連接模式適用于需要長時間連續測試的場景，可以保證設備的穩定性和可靠性。

3.3 應用程序設計

為了方便用戶對設備的操作和控制，設計的操作響應模塊能夠實現對外部設備的快速響應和控制，包括USB 設備、以太網設備等。同時，儀器參數設置模塊能夠實現對儀器的參數設置和管理，包括局部放電檢測參數、數據存儲參數等。這兩個模塊的設計，可以為用戶提供方便的操作和管理手段，使得用戶能夠更加輕松地完成檢測任務。分時操作系統可實現對局部放電信號相關信息的實時展現和處理。分時操作系統可以將處理器時間分成若干個時間片，每個時間片可以為不同的任務分配處理器時間，保證任務之間的切換和優先級的處理。在局部放電在線檢測系統中，可將局部放電信息的處理和顯示作為一個高優先級任務，保證其能夠在第一時間得到處理和顯示，同時，也可將其他任務分配到其他時間片中進行處理，保證數據收發工作以及數據存儲活動不會影響人機交互界面顯示以及外設操作響應。此外，可利用多線程技術來妥善處理以及應用處理器資源，提升處理器應用效率。在局部放電在線檢測系統中，將不同的任務分配到不同的線程中進行處理，保證每個線程都能夠得到充分的處理器時間，提高處理器的利用率。同時通過設置優先級線程，可保證高優先級任務的及時處理和響應，保證系統的穩定性和可靠性。

4 結語

綜上所述，高壓設備強電局部放電在線檢測技術可保障高壓設備的安全運行，及時發現設備內部的強電局部放電現象，減少設備的故障率，延長設備的使用壽命。為此需要靈活應用局部放電在線檢測技術，推動電力系統的安全穩定運行，為電力行業的發展提供有力的技術支持。