基于超高頻和脈沖電流的變電開關(guān)柜局放識別

摘 要：由于變電站運行環(huán)境復(fù)雜，35 kV開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象時有發(fā)生，因此本文提出基于超高頻和脈沖電流的變電站35 kV開關(guān)柜帶電局放識別。基于超高頻法帶電獲取變電站35 kV開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻信號，結(jié)合時延計算進行局放源定位；基于脈沖電流法帶電測量變電站35 kV開關(guān)柜局放信號的脈沖電流，根據(jù)電流計算視在放電量，完成開關(guān)柜局放強度的量化識別。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計方法可以有效定位35 kV開關(guān)柜局放源，準(zhǔn)確識別局放強度，能夠滿足變電站35 kV開關(guān)柜帶電局放識別的實際需求。

關(guān)鍵詞：超高頻法；脈沖電流法；變電站；開關(guān)柜；局放識別

中圖分類號：TM 854" " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

35kV開關(guān)柜存在運行環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備老化等問題，局部放電現(xiàn)象時有發(fā)生。35kV開關(guān)柜是電力傳輸與分配的關(guān)鍵設(shè)備，其運行狀態(tài)直接關(guān)系電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和供電質(zhì)量，對35kV開關(guān)柜進行帶電局部放電識別與監(jiān)測具有重要意義。目前，我國學(xué)者在局部放電檢測方面的研究取得了一系列成果，文獻[1]通過脈沖電流法和紫外脈沖法聯(lián)合檢測得到局放信息特征，進而準(zhǔn)確識別出局放類型，但是這種聯(lián)合檢測方法難以保證局放檢測效率。文獻[2]基于光纖外差式干涉原理進行局放源定位，準(zhǔn)確性較高且成本低廉，但是這種方法對光源穩(wěn)定性要求較高，實際應(yīng)用效果有限。文獻[3]利用特高頻法進行局放信號實時監(jiān)測，具有較高監(jiān)測精度，但是這種方法無法對放電進行定量分析，從而無法確定局放現(xiàn)象的嚴(yán)重程度。針對以上問題，本文研究了一種基于超高頻和脈沖電流的變電站開關(guān)柜帶電局放識別方法，結(jié)合時延計算進行局放源定位，根據(jù)電流計算視在放電量，最終完成開關(guān)柜局放強度的量化識別。期望能夠為變電站35kV開關(guān)柜帶電局放識別技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。

1 超高頻法帶電定位變電站35kV開關(guān)柜局放源

1.1 獲取開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻信號

當(dāng)變電站35kV開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電時，會引起周圍電磁波擾動并逐漸向周圍輻射，因此本文基于超高頻帶法進行變電站35kV開關(guān)柜局放源定位[4]。選擇能夠捕捉局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波信號的超高頻傳感器，其中常見的超高頻傳感器-單極子天線具有結(jié)構(gòu)簡單、帶寬較寬和增益穩(wěn)定等優(yōu)勢。當(dāng)選用單極子天線時，還需要確定其關(guān)鍵參數(shù)[5]，即帶寬、駐波比和增益。

帶寬決定了天線能夠接收的頻率范圍，根據(jù)公式（1）來確定。

（1）

式中：B為單極子天線的帶寬；V0為單極子天線周圍介質(zhì)中的相速度；L0為單極子天線的有效長度。

駐波比主要用于衡量天線與傳輸線匹配程度的指標(biāo)，過高的駐波比會導(dǎo)致信號反射和能量損失。本文根據(jù)公式（2）來確定合適的駐波比。

（2）

式中：γ為單極子天線的電壓駐波比系數(shù)；λ為單極子天線輸入端的反射系數(shù)。

增益反映了天線接收信號的能力，增益越高，接收的信號強度就越大。本文主要根據(jù)公式（3）來確定增益。

G=10·log（αβ） （3）

式中：G為單極子天線的增益系數(shù)；α為單極子天線的方向系數(shù)；β為單極子天線的效率。

將上述超高頻傳感器安裝在變電站35kV開關(guān)柜上，采集開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻電磁波信號，采集的電磁波信號遵循如公式（4）所示的麥克斯韋電磁場基本理論方程組[6]。

（4）

式中：Δ2為二階微分算子；?為開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻電磁波信號的動態(tài)標(biāo)量位；Δ為向量微分算子；σ為開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻電磁波信號的動態(tài)矢量位；ρ為電荷體密度；κ為介電常數(shù)。

綜上所述，本文將單極子天線安裝在變電站35kV開關(guān)柜上，在開關(guān)柜帶電運行過程中，當(dāng)開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象時，就會采集到由局放產(chǎn)生的超高頻電磁波信號，為后續(xù)的局放源定位提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 基于超高頻信號定位局放源

獲取變電站35kV開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻信號后，為了進一步確定局放源位置，本文采用基于時延計算的局放源定位法[7]。當(dāng)變電站35kV開關(guān)柜發(fā)生局放現(xiàn)象時，產(chǎn)生的局放信號會以電磁波的形式在設(shè)備內(nèi)部傳播。由于電磁波在介質(zhì)中的傳播速度是有限的，因此不同位置的傳感器接收信號的時間存在差異，即存在時延。此時可根據(jù)時延，并結(jié)合電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，計算出局放源與傳感器間的距離。假設(shè)變電站35kV開關(guān)柜局放產(chǎn)生的超高頻信號到達傳感器A的時間為tA，到達傳感器B的時間為tB，那么時延τAB如公式（5）所示。

τAB=tA-tB （5）

由于超高頻電磁波信號在介質(zhì)中的傳播速度是已知的，因此根據(jù)公式（5）所求時延，即可進一步計算開關(guān)柜局放源到2個超高頻傳感器間的距離差[8]。

DBA=V·τAB （6）

式中：DBA為變電站35kV開關(guān)柜局放源到傳感器A和傳感器B間的距離差；V為超高頻電磁波信號在介質(zhì)中的傳播速度。

進而利用卷尺測量開關(guān)柜上布置的2個傳感器間的距離D，即可確定局放源的位置，如公式（7）所示。

（7）

式中：D'為局放源與傳感器間距離。

如果τAB為正，那么變電站35kV開關(guān)柜局放源應(yīng)位于距離高頻傳感器A的D'位置處；如果τAB為負，那么變電站35kV開關(guān)柜局放源應(yīng)位于距離高頻傳感器B的D'位置處，以此進行變電站35kV開關(guān)柜局放源帶電定位。

2 脈沖電流法帶電識別變電站35kV開關(guān)柜局放強度

2.1 測量開關(guān)柜局放信號的脈沖電流

雖然超高頻法可以完成變電站35kV開關(guān)柜局放源的帶電定位，但是在實際的局放檢測中，要判斷開關(guān)柜的絕緣狀態(tài)，還需要確定局放的放電量。本文引入脈沖電流法，進一步識別變電站35kV開關(guān)柜的局放強度[9]。一般來說，在35kV開關(guān)柜中，局部放電產(chǎn)生的脈沖電流信號通常由接地線或高壓母線傳導(dǎo)。為了捕獲這些信號，本文將Rogowski線圈纏繞在接地線或高壓母線上，一旦變電站35kV開關(guān)柜出現(xiàn)局部放電，產(chǎn)生的脈沖電流會在Rogowski線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。測量這個感應(yīng)電動勢，并結(jié)合Rogowski線圈的校準(zhǔn)參數(shù)，可以計算出脈沖電流。綜合考慮變電站35kV開關(guān)柜局放識別的成本和精度等多方面因素，本文采用矩形Rogowski線圈進行局放電流檢測。已知矩形線圈的感應(yīng)電動勢如公式（8）所示。

（8）

式中：E（t）為Rogowski線圈的感應(yīng)電動勢；?（t）為線圈矩形截面的磁通；Q為線圈的磁感應(yīng)強度；S為線圈矩形截面的面積；S（t）為隨t時間變化的線圈矩形截面面積；t為時間的積分變量。

在公式（8）所求矩形線圈的感應(yīng)電動勢的基礎(chǔ)上，利用積分運算即可還原出變電站35kV開關(guān)柜局放信號脈沖電流數(shù)據(jù)，即電流的瞬時值，如公式（9）所示。

（9）

式中：I（t）為變電站35kV開關(guān)柜局放時的脈沖電流信號；μ為Rogowski線圈的互感系數(shù)。

綜上所述，本文采用Rogowski線圈測量了變電站35kV開關(guān)柜局放信號的脈沖電流。

2.2 計算開關(guān)柜視在放電量

視在放電量主要是指在一定時間內(nèi)，由開關(guān)柜絕緣系統(tǒng)傳遞到測量回路的電荷量。本文以視在放電量為描述變電站35kV開關(guān)柜局放強度的指標(biāo)。根據(jù)脈沖電流法測量變電站35kV開關(guān)柜局放時的脈沖電流信號后，本文基于一個能夠反映開關(guān)柜絕緣系統(tǒng)放電特性的等效電路模型（包括放電源、絕緣介質(zhì)和測量回路等部分）計算視在放電量。在等效電路模型中，放電源通常被視為一個電流源，所產(chǎn)生的電流與放電強度成正比。絕緣介質(zhì)是一個阻抗網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由電阻、電容和電感等元件組成，用于描述絕緣系統(tǒng)在放電過程中的電學(xué)特性。測量回路利用Rogowski線圈等傳感器獲取放電產(chǎn)生的脈沖電流信號。因此，本文在已知測量回路中的脈沖電流信號I（t）的基礎(chǔ)上，對脈沖電流信號進行積分運算，即可得到開關(guān)柜放電過程中通過測量回路的電荷量，即視在放電量，如公式（10）所示。

（10）

式中：F為變電站35kV開關(guān)柜局放的視在放電量；T1、T2分別為變電站35kV開關(guān)柜局放現(xiàn)象開始和結(jié)束的時間。

如公式（10）所示，變電站35kV開關(guān)柜實際局部放電過程非常短暫，本文在時間窗內(nèi)進行脈沖電流信號的積分運算，求得視在放電量，進而量化識別局放強度，即所求視在放電量數(shù)值越大，表明變電站35kV開關(guān)柜局放強度越高。如果視在放電量持續(xù)增大，就表明開關(guān)柜內(nèi)部絕緣系統(tǒng)存在嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象。

3 試驗分析

3.1 試驗設(shè)置

上文完成了變電站35kV開關(guān)柜帶電局放源的定位與局放強度的量化識別，為了驗證該方法的有效性和正確性，本節(jié)將在實驗室內(nèi)建立一套可模擬變電站35kV開關(guān)柜各種局放源位置和局放強度的帶電檢測實驗平臺，進行帶電局放識別試驗。以我國變電站常見的35kV開關(guān)柜為試驗對象，其具體參數(shù)指標(biāo)見表1。

基于表1所示35kV開關(guān)柜，采用局部放電檢測儀、超高頻檢測儀、脈沖電流檢測儀和升壓裝置等設(shè)備，搭建本次35kV開關(guān)柜帶電局放識別實驗平臺，并調(diào)節(jié)局放模塊在開關(guān)柜電場中的位置與控制試驗電壓，來模擬不同局放源和不同局放強度的35kV開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象。

3.2 局放源定位結(jié)果分析

在上述實驗平臺中進行變電站35kV開關(guān)柜局放源的定位試驗，即使局放模塊位于35kV開關(guān)柜一段母線C相通管附近，模擬開關(guān)柜局放源。在試驗過程中，分別在35kV開關(guān)柜一段母線的A、B和C三相處設(shè)置超高頻傳感器，采用超高頻檢測儀獲取各傳感器監(jiān)測的局放超高頻信號，局放源超高頻定位波形圖如圖1所示。

從圖1可以看出，當(dāng)利用超高頻法對變電站35kV開關(guān)柜進行局放識別時，開關(guān)柜超高頻信號的時域形態(tài)出現(xiàn)明顯震蕩現(xiàn)象，說明該35kV開關(guān)柜存在局部放電現(xiàn)象。與此同時，C相處設(shè)置的超高頻傳感器的監(jiān)測波形在時間上明顯比A相與B相波形超前，并且超高頻信號更強，表明局放源靠近C相傳感器，即位于35kV開關(guān)柜一段母線的C相附近，與實際情況相符。因此，超高頻法可以有效、準(zhǔn)確地定位變電站35kV開關(guān)柜局放源。

3.3 局放強度識別結(jié)果對比

在上述實驗平臺中進行變電站35kV開關(guān)柜局放強度的量化識別試驗。以本文設(shè)計方法為試驗組，以基于特高頻法的變電站35kV開關(guān)柜帶電局放識別方法和基于超聲波的變電站35kV開關(guān)柜帶電局放識別方法為對照組。在試驗過程中控制試驗電壓，模擬不同強度的35kV開關(guān)柜一段母線C相局部放電現(xiàn)象，并分別采用試驗組方法與對照組方法進行局放放電量的量化識別，具體識別結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比情況見表2。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在變電站35kV開關(guān)柜局放強度的量化識別中，與對照組方法相比，本文設(shè)計方法所得識別數(shù)據(jù)與實際放電量數(shù)據(jù)間偏差更小。具體來說，在本文設(shè)計方法下，不同局放放電強度的量化識別結(jié)果的誤差均在1pC以下，平均相對識別誤差僅0.4763pC，比對照組2種方法分別降低了1.3912pC、2.0975pC。因此，本文設(shè)計方法識別精度與穩(wěn)定性在3種方法中最高，可以滿足變電站35kV開關(guān)柜帶電局放的實際識別需求。

4 結(jié)語

本文深入研究了基于超高頻和脈沖電流的變電站35kV開關(guān)柜帶電局放識別技術(shù)，基于脈沖電流法帶電測量變電站35kV開關(guān)柜局放信號的脈沖電流，根據(jù)電流計算出視在放電量，經(jīng)過理論分析與試驗驗證，對開關(guān)柜局放源的準(zhǔn)確定位與局放程度進行了量化評估。本研究不僅為變電站的運維管理提供了有效的技術(shù)支持，也為局部放電檢測領(lǐng)域的研究提供了新的思路和方法。未來，本文將進一步優(yōu)化算法，提高檢測精度和實時性，并探索更多先進的傳感器與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以期在復(fù)雜多變的電力環(huán)境中進行更精準(zhǔn)、可靠的帶電局放識別。同時，本文也將關(guān)注新技術(shù)在電力系統(tǒng)其他領(lǐng)域的應(yīng)用，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行貢獻更多力量。

參考文獻

[1]蘇志雄，孫康，丁浩，等.基于脈沖電流和紫外脈沖的多源局部放電診斷方法[J].絕緣材料，2024，57（1）：101-108.

[2]曾凌烽，林朝哲，黃建理，等.光纖分立式多點局部放電檢測與定位技術(shù)[J].應(yīng)用光學(xué)，2023，44（5）：1125-1132.

[3]張曉新，劉瑩瑩，林峰，等.基于特高頻法的開關(guān)柜局放監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù)，2023，57（6）：42-45，81.

[4]陳長江，曹雯，宋倩文，等.異型波電壓下氣隙缺陷的局部放電檢測方法設(shè)計[J].電網(wǎng)與清潔能源，2022，38（1）：7-13.

[5]鞠玲，翁蓓蓓，牛錫玲，等.基于膜片式光纖法布里-珀羅傳感器的超聲波檢測[J].激光與光電子學(xué)進展，2023，60（15）：130-137.

[6]王瑞芳，張姣，汪紀(jì)鋒.基于信號去噪的電氣設(shè)備高頻局放檢測仿真[J].計算機仿真，2023，40（11）：82-85，201.

[7]張軒瑞，王昊天，胡一丹，等.電力變壓器振蕩型雷電沖擊耐壓試驗及局部放電檢測技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2023，49（12）：5032-5041.

[8]楊智豪，黃輝，劉偉麟，等.基于寬帶射頻的換流變局部放電檢測定位技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2022，48（8）：2952-2960.

[9]郝洋，高妍，張紅娟，等.基于復(fù)合干涉原理的局部放電檢測光纖傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2023，36（3）：373-379.