开关柜局部放电的地电波检测技术

文/罗建勇　钱翊　倪娜　柳菲

开关柜是配网中重要的开关设备，因内部装有电缆终端、避雷器、电流互感器等多种一次设备，绝缘事故时有发生，因此确保其安全可靠运行是管理重点。目前高压开关柜的局放检测手段主要为非侵入式。但其缺点是缺陷检出率较低，而且频繁发生误判事件。分析原因是由于变电站中干扰源繁多，而检测设备的抗干扰能力较弱。因此，开展多种干扰环境下开关柜局部放电带电检测中抗干扰措施的研究具有重要意义。

1　国内外研究现状

1.1　国外研究情况

英国南安普顿大学及EA Technology公司和IPEC公司开展了高压开关柜地电波测试方法的研究，并开发出了PDL1,TEVPlus及HVPD等产品，广泛应用于欧洲及我国。

1.2　国内研究情况

国内西安交大、武大等高校都开展了开关柜局放的地电波检测技术研究；厦门红相、领步科技等公司开发出了手持式巡检仪器，在国网及南网都有一定的应用。

2　设计方案

2.1　总体设计

利用有限元分析软件（COMSOL），建立开关柜仿真模型，研究开关柜缝隙平行和垂直于放电脉冲电流方向对电磁波传播的影响，研究从开关柜缝隙中辐射出的电磁波沿开关柜表面及空间的分布情况。同时对比研究开关柜内部放电和外部干扰的脉冲特性；基于常见故障类型设计制作典型放电缺陷模型，组建TEV检测系统。研究分析不同缺陷下TEV局放脉冲和外部干扰脉冲的时间频率特性；设计制作具有方向性的电磁传感器。搭建TEV抗干扰检测系统，并通过试验评估其抗干扰性能；研制光敏相位识别装置，利用灰度图提取典型缺陷的放电特征，通过支持相量机的识别算法进行模识识别，提高系统的抗干扰能力。对测试数据进行归类、分析、校正、对比分析，评估开关柜的运行状态并进行必要的告警提示。

2.2　系统单元构成

系统主要由传感器、信号电缆、滤波电路、放大和数据采集电路、电源以及计算机组成。其中传感器分别为地电波传感器、具有方向性的电磁传感器，信号线缆采用双端BNC的同轴电缆。滤波电路采用带通滤波。数据采集电路将采集到的放电数据传送到计算机完成数据的分析和处理。

2.3　开关柜内部放电和外部干扰脉冲分类技术的研究

等效时间和等效频率分析方法是一种基于傅里叶变换的方法。具体来讲采用了公式3

3　地电波传感器

3.1　地电波传感器的设计

测量局部放电的传感器，包括能够测量开关柜表面的电磁波的传感器（地电波传感器）。为此，结合理论分析试制了偶极子天线、螺旋天线和贴片天线三种传感器，实验表明贴片天线结合谐振腔取得的效果最好。基于超声/地电波的电缆环网柜局部放电检测系统的地电波传感器的安装方式采用内置式的，便于现场操作和测量。多功能局部放电检测定位系统则为了便于功能扩展和升级，地电波传感器采用外置式。

3.2　方向性电磁波传感器的设计

当开关柜表面有高频电磁波传播时，会在柜体表面形成一个暂态对地电压，这就是TEV传感器检测发生在开关柜内部放电的原理。然而，当外界存在干扰时，同样也能在开关柜表面形成暂态对地电压，这会严重影响TEV测量数据的可信度。TEV的传感器不能有选择的接收有用信号，即内部放电信号，它的接收能力只与耦合到开关柜柜体表面的电磁波的大小有关。所以，TEV传感器的抗干扰能力较弱。因此，研究一种具有方向性、能最大程度接收内部放电信号并且抑制外部干扰信号的电磁波接收器对于提高开关柜局部放电检测系统抗干扰能力具有重要的意义和价值。

4　电磁波接收设计

4.1　电磁波接收器的设计

由于要求设计的天线接收器频带很宽，而为了在实际应用中的便携性，又要求设计的接收器体积不能过大。

4.2　巴伦的设计

电磁波接收器是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式。同轴线需要增加相应的非平衡馈电到平衡馈电转换电路即巴仑的设计。从微带线转换到平行双线，是从非平衡馈电方式到平衡馈电方式变换的一种很好的选择。当微带线的地板指数渐变到与上带条同样宽度时，就变成了平衡的平行双线结构。如果上带条同时变化进行阻抗变换，那么就同时实现了阻抗匹配与平衡—不平衡变换。用渐变线实现阻抗匹配，可以很宽的工作频带上都有比较好的性能。

4.3　滤波电路和放大电路

本次研制的滤波电路的带宽为5-50MHz，它集成在传感器内部。放大电路集成在了采样系统内部。

4.4　采样系统

本次研制的采样系统 2通道，前置放大器具有100倍的放大倍数，带宽为200MHz，每通道采样频率500MHz。使用FPGA启动采样、停止采样、数据同步与高速数据存取。采集板卡则使用自主研发的高速采样板卡。

5　总结

通过对变电站地电波相关的干扰源进行了分析，系统重新优化了传感器的设计方案，并重新进行了设计，使其研制的地电波检测系统具有较高的抗干扰能力，能有效识别出内部放电和外部干扰脉冲。并且具有方向性的电磁波传感器和地电波相比具有更好的抗干扰能力，满足了现场设计要求和实际需要。