变电设备局部放电故障非接触式带电检测方法研究

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0 引言

变电设备是能够改变电路电流与电压的设备，利用电磁感应原理实现电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等功能。然而在变电设备发生故障时，由于无法控制电路，从而导致电路发生短路、断路等现象。在绝缘体中只有局部区域产生放电现象，而没有发生在施加电压的导体之间，产生于导体附近或其他位置的现象被称为变电设备局部放电故障[1]。根据近年来国内外变电设备局部放电检测技术的大量现场测试结果来看，非接触式的带电检测方式已经成为该领域的重要研究方向，这种检测方法就是在电路正常运行的状态下，检测变电设备的故障情况，可以最大程度地保证故障检测工作的安全性。然而目前采用的检测方法在实际工作中，由于抗环境干扰能力低，导致检测到的幅值大小与严重程度的不准确等问题，因此结合超声波和光检测2种技术手段，进行变电设备局部放电故障非接触带电检测方法设计。

1 非接触式带电检测方法设计

在此次变电设备局部放电故障非接触式带电检测方法设计过程中，综合了超声波和光学2个方面的检测原理，以最大程度降低变电设备运行环境对检测结果的不利影响，提升该方法的抗干扰能力[2]。当变电设备内部具有局部放电信号时，会产生振动及声波，周围的电场应力、介质应力都会失去平衡，因而产生声波振动。利用超声波的抗干扰性能，通过检测变电设备声音信号的幅度、相位、频率，从而判断变电设备的运行状况。超声波技术下的变电设备局部放电故障检测原理如图1所示。

图1 变电设备局部放电检测原理

变电设备发生局部放电故障后，除了声音变化之外，还可以通过放电光谱分析放电的具体形态、放电产生的物质等，因此本文利用光测法获取光信号，利用其来判断变电设备是否存在局部放电故障[3]。由于超声波检测技术具有较强抗干扰能力，因此将其应用至非接触式带电检测方法中，但当放电量低时利用该方式得出的检测结果与实际存在较大偏差，而光测法可以有效解决该问题，但会受到变电设备运行环境光线的影响。因此本文综合2种非接触带电检测技术的特性，从2个方面判断变电设备的运行状态，最大程度地提升变电设备局部放电故障非接触式带电检测的准确度。

1.1 划分变电设备局部放电类型

变电设备发生的局部放电故障并不是只有一种形式，不同类型的局部放电原理、特征、放电图谱都不相同，一般来说变电设备的局部放电故障类型可以分为气隙放电、沿面放电、悬浮电位放电和电晕放电[4]。而根据放电位置的不同，可以分为绝缘材料内部放电、沿面放电和尖端放电3种类型。以气隙放电类型为例，对应的气隙局部放电等效电路如图2所示。

图2 局部放电的等效电路

假设在固体或液体介质中存在一个气隙，图2中Cg表示的是气隙位置上的电容；而Ca和Cb分别代表其余完好的绝缘部分和与该气隙串联的电容；Z为气隙放电脉冲频率的电源阻抗[5]。那么整个变电设备的电容可以表示为

(1)

Cg上分配到的电压为

(2)

UMsinωt表示与变电设备连通的电源电压[6]。当变电设备发生气隙局部放电故障时，Cg两端的电压会达到气隙放电的起始电压，经过火花放电和火花放电熄灭2个步骤完成一次局部放电，任意一次气隙放电释放的电荷量为

(3)

Us的值与放电起始电压相等；而Ur表示火花放电熄灭时Cg的电压，即熄灭电压。由于电容中的电荷数量发生变化，变电设备中的电压也会随之发生变化，所以可以通过判断变电设备中是否存在气隙点来确定局部放电故障是否为气隙放电[7]。另外沿面放电是指附近电场为垂直和平行于介质沿面方向上的2个电场；悬浮电位放电是变电设备中的部件与接地极失去连接，同时不与高压极相连；电晕放电是导体周期启动所承受的场强达到击穿场强。根据不同局部放电故障类型的特点，可以判断当前变电设备的局部放电类型。

1.2 设置变电设备局部放电故障检测标准

设置故障检测判断标准的目的是为了提供量化的可对比数据，变电设备局部放电故障标准数据如表1所示。

表1 变电设备局部放电故障标准数据

另外可以通过音量幅值参数判断局部放电的故障情况，当音量小于6 dB表示变电设备无放电现象，音量在区间[6 dB,15 dB)时，存在轻微放电现象，在区间[15 dB,25 dB]时放电现象明显，音量值大于25 dB时说明放电故障较为严重[8]。将其与光测得出的直观结果相结合得出更加精准的检测结果。

1.3 安装非接触带电检测装置

非接触带电检测装置需要能够同时接收超声波信号和光感信号，因此将聚焦性传感器和光感传感器上的传感芯片连接到非接触带电检测装置中，按照图3所示的结构进行连接，形成局部放电故障非接触带电检测的传感器装置。

图3 传感器装置结构

从局部放电的脉冲时域来看，脉冲脉宽越窄，频段分布越趋于高频，脉冲上升时间越快，脉冲的高频含量越多[9]。然而在非接触带电检测传感器中频带加宽的同时也会产生更多的噪声因素，为了使传感器达到灵敏度和方向性的要求，最终选定非接触带电检测传感器装置的检测频带为0.1～30 MHz。

1.4 提取局部放电特征量

利用非接触带电检测装置分别采集变电设备附近的超声波信号、光谱信号和电力信号，分别从声学和光学角度提取变电设备局部放电的特征量。其中超声波的特征量包括幅值、能量、持续时间、次数、频率等，当变电设备发生局部放电故障时，超声波信号中的信号幅值、频率和信号持续时间会发生明显的变化，因此以上述3个参量作为声学特征量[10]。在变电设备和检测装置之间添加介质，结合加入介质的衰减系数，得出实际的超声波信号幅值，同理可以得出频率以及持续时间等参数与变电设备局部放电量之间的关系，其中局部放电情况下得出的特征量与放电量之间的关系可以表示为

(4)

Az、Fz和Tz分别为在变电设备运行状态下超声波信号的幅值、频率和持续时间。同理可以得出其他局部放电类型下对应的超声波信号特征量[11]。

从光学的角度来看，变电设备局部放电的过程中由于设备内部能量的转移和释放，而产生光信号，光信号产生的辐射强度和波长范围与局部放电的强弱程度以及放电类型有关[12]。因此设置光信号的辐射强度和波长范围作为分辨变电设备是否存在局部放电故障的特征量，该特征量能够直接反映局部放电的强度和类型。以电晕局部放电类型为例，对应的光谱采集信号如图4所示。

图4 电晕局部放电光谱

由图4可以看出，在变电设备电晕局部放电过程中，连续光信号的波长主要分布在280～400 nm之间，而小部分波长分布在230～280 nm之间[13]。光谱的分布情况可以证明在电晕局部放电过程中，光信号光谱主要位于紫外波段。通过相同的方式可以得出不同放电类型和放电强度对应的光辐射信号的特征量。

除了声学特征量和光学特征量之外，变电设备自身的电力数据也可以作为检测故障的特征量。电力特征量参数为时域和频域特征参数，分别确定信号峰值上升、下降的时间段和时间比值、不同阶段谱峰的频率和幅值，得出的计算结果即为局部放电故障的电力特征量。

1.5 实现局部放电故障非接触式带电检测

同步相位计算的目的是保证带电检测信号的匹配位置与局放信号采集的起始位置相近脉冲相位和标准脉冲出现的时间密切相关，并与检测信号频率相关，具体的计算过程可以表示为

φi=2πf(Δt)+φ0

(5)

φi和φ0分别为第i个脉冲信号的相位角以及首个脉冲信号的相位角；f为实时检测信号的频率；Δt为出现首个脉冲到出现第i个局部脉冲的时间[14]。则变电设备局部放电电压基波的初相位情况可以表示为

(6)

Muφ1和Muφ0分别辨识检测周期对应的电压数据与检测基波对应的三角函数正交处理结果。以计算得出的基波初相位为起点，实现标准信号特征量与检测信号特征量之间的匹配[15]，综合变电设备局部放电故障非接触式带电检测的判断结果、放电类型诊断结果，获取最终的故障检测结果，表示为

(7)

2 测试实验分析

2.1 在线测试准备

变电设备局部放电用PC来表示，放电检测使用的电压为3～35 kV，由于使用普通的仪表设备无法显示dB读数和PC转换，因此用相对电压读数作为故障检测的测试结果。检测设备包括变电设备、局部放电幅值检测设备、脉冲计数设备以及实现环境设备等。

2.2 选择测试干扰信号

此次变电设备局部放电故障检测实验是在无局放实验室中进行的，能够最大程度抑制实验过程中的干扰因素。为了检测本文所设计的检测方法在变压设备局部放电故障检测中的抗干扰能力，在测试过程中增加现场测试干扰信号。此次选择的测试干扰源为电火花发生器，利用该设备用来制造悬浮放电干扰因素。

2.3 设定变电设备运行状态

变电设备样本数据在很大程度上决定了实验结果的可信度。通过查阅相关文献以及数据资料，统计并分析大量变电设备故障数据，从中选择400组放电故障数据作为实验样本数据。上述样本的设置与分布情况如表2所示。

表2 变电设备局部放电故障样本分布

以实验样本为基础，针对不同的故障类型，按照图5设置不同的变电设备局部放电故障参数。

图5 变电设备参数设定界面

2.4 确定故障检测测点

实验中各局部放电检测装置的位置会直接影响实验测试效果，因此需要选择合适的测点安装检测装置。实验中故障测点分布情况如图6所示。

图6 变电设备检测测点布置示意

图6中沿着变电设备轴线方向布置6个测点，在信号最大点，即测点3位置上另外布置3个测点。

2.5 测试实验过程

变电设备的局部放电可以分为初始放电、发展和放电末期3个阶段，因此针对不同阶段的放电信号特征，采用阶梯声压加速放电的方式对变电设备气隙放电、电晕放电、悬浮电位放电和沿面放电4种局部放电故障进行实验研究。首先利用测试样本进行测试，看是否能够输出检测结果。在认定测试流程正常的情况下，启动实验环境内的干扰装置，并设置干扰强度。确定变电设备通入的起始电压，并以2 kV/次的幅值缓慢升高电压，每次升压操作成功后，停留5 min，利用图7所示的信号采集程序，观察是否出现放电脉冲。

图7 局部放电信号采集程序主界面

当信号采集程序界面出现放电脉冲时，降低变电设备的通电电压，再次观察放电信号的变化情况。在确定放电脉冲的电压值后，将变电设备的电压降为0 V。重新添加确定的放电脉冲电压值，若再次出现相同的放电脉冲，则可以证明该值即为变电设备的放电电压。针对不同类型的局部放电故障可以得出不同的放电电压值。综合检测装置输出的超声波信号和光谱信号，输出包括局部放电故障判断结果、局部放电类型和放电量的最终检测结果。

2.6 实验检测结果

按照上述实验流程，得出不同类型变电设备局部放电故障的检测结果。通过非接触式带电检测方法的运行，不同放电类型的放电信号输出结果，如图8所示。

分析图8a可知，当工作频率相位提前半周时，产生的电信号通常为电晕放电产生的。一般来说，电晕放电出现频率高超声波幅度较小。从图8a中可以看出工作频率相位无论出于超前还是落后半周都会出现悬浮电位放电现象，且得出的放电信号较为对称。

分析图8b可知，变电设备的放电幅值呈现出一种周期性，这符合变电设备的气隙局部放电的特征，且该信号的放电幅值变化较为均匀，放电幅值在180～660 mV之间变化。

分析图8c可知，利用本文方法能够准确捕捉到悬浮电位放电信号，该信号幅值在110～970 mV之间变化，且信号幅值变化具有一般规律性。

分析图8d可知，用本文方法能够准确捕捉到面放电信号，该信号波动较大，变化均一性程度低。

图8 放电信号输出结果

综合电晕放电、气隙放电和悬浮电位放电、沿面放电4种类型在干扰环境下的检测结果，并与设置的变电设备故障类型作对比，得出检测综合分析结果如表3所示。

表3 局部放电检测结果

从表3中可以看出，在干扰环境下，使用变电设备局部放电故障非接触式带电检测方法的检测准确率较高。

3 结束语

为提升变电设备安全性，本文提出了一种变电设备局部放电故障非接触式带电检测方法。实验结果表明，该方法可以在保证检测精度的同时，最大程度上保证检测工作的安全性，验证了该方法的有效性。原因在于该方法将超声波技术与光谱技术融合在一起，并将其应用到带电检测方法中,可以有效降低周围环境对检测结果的干扰，从而为变电设备检修提供准确的参考数据，能够保证变电设备的运行安全。