變電站高壓電氣設備局部放電檢測技術分析

張春野 郝博 孫蕊 肖楊

遼寧省檢驗檢測認證中心（遼寧省產品質量監督檢驗院） 遼寧沈陽 110000

高壓電氣設備受到運行環境的綜合影響，容易出現過度爬電及意外放電的隱性故障，該故障除了可能造成電網內瞬間雜波外，短期內對設備及電網運行不會產生直接影響。但高壓電氣設備局部放電是其出現微小故障的典型標志。在安全工程學的檢修窗口理論中，設備發生故障到發生相應事故之間的時間窗口，是狀態檢修的理想切入點，如果可以早期發現變電站高壓電氣設備的局部放電現象，對實現高壓電氣設備的狀態檢修有積極意義。

1 高壓電氣設備在線監測故障分析

1.1 電力變壓器

根據高壓電氣設備的故障模式進行分析可以得出，變壓器和負荷開關是高壓電氣設備在線監測的重點。負荷開關在線監測范圍包括負荷開關自身的絕緣情況、觸頭磨損程度、觸頭行程、放電情況、機械結構形變狀況、油質情況和電氣回路的可靠性等內容，在線監測變壓器的作用是從缺陷到初始故障進行一個為期很長的測量和分析的過程，如絕緣老化問題[1]。導致絕緣老化的因素有很多，包括油溫差變化、氧化速度、其他污染物等因素，而催化劑、相關應力作用和貫穿性故障是加劇這些因素變化的主要原因，主要表現為油泥的沉積、閃光點降低、機械強度減弱等。在運行的過程中，如果運行方式發生異常則會引起過熱現象，致使油中的水分轉化為氣泡，最終導致液體絕緣介質的強度降低，從而使介質失去作用。對電力變壓器進行在線監測和分析，可以將潛在的隱形故障及時查找出來，從而對設備絕緣變化的發展形勢進行充分的掌握。同時還可以根據監測結果，選擇不同的試驗周期，增強試驗的實效性。

1.2 容性設備

容性設備在運行的過程中，由于受電、熱、機械應力和環境應力等作用的影響，導致容性設備的絕緣性能逐漸下降，影響嚴重的會加劇其絕緣性的惡化，最終使其絕緣性能喪失，從而引發突發設備事故，給相關電力企業帶來不可估量的經濟損失。因此，對容性設備進行在線監測十分必要。對容性設備在線監測的項目有電容、不平衡電壓、阻性電流、電容電流、介質損耗、功耗和氧化鋅避雷器的全電流等參量。值得注意的是，在對容性設備進行實時在線監測和分析的過程中，由于末屏電流比較微弱，為了避免末屏電流遭受現場電磁場和傳輸信號衰減的干擾，在采集末屏電流時，盡量運用數字化傳輸方案；在對氧化物避雷器監測結果進行分析的過程中，通常情況下都會采用抵消容性電流分量法進行分析，但是這種電容比較小，容易遭受電場的干擾而影響最終測量數據的準確性。為了解決這一問題，保障測量數據的真實性，可對測量的阻性電流進行橫向和縱向比較，但是這種方法對系統諧波影響的狀況難以進行有效抑制，因此，在測量裝置中可以通過軟件和硬件同時補償的方式解決這一問題[2]。

1.3 斷路器和氣體絕緣組合電器

在對高壓電氣設備進行在線監測的過程中，斷路器在線監測是其中的重點內容，其監測的項目主要包括絕緣特性、開斷能力、機械特性和操作回路完整性等，對氣體絕緣組合電器、斷路器的電氣及機械性能的在線監測和狀態評估，主要通過以下方式實現：①對于斷路器觸頭磨損的評估，可以通過開斷能力累積量的測量進行評估，在評估的過程中，主要是利用保護裝置實現開斷能力測量；②在斷路器所有故障中，斷路器機械故障最為常見，由于機械特性停電和不揭蓋的在線監測難度比較大，可以通過保護裝置完成對電氣回路的測量，以便確保保測量數據的完整性；③在當前斷路器在線監測的工作內容中，對真空泡的真空度測量方式尚處于技術探索階段，目前所有的在線監測方法成本過高且欠缺一定的安全性；④對氣體絕緣組合電器局部放電的在線監測方式是通過振動法，其監測原理主要是結合放電強度趨同于振動強度、周期性振動信號和局部放電與振動脈沖相同相位等特征，將振動法得以實現，這種監測方法是我國目前一種新興的監測方法，其運行效果尚處于考證階段。

2 高壓電氣設備局部放電的三點定位法

2.1 基于傾斜攝影的三點定位法

在電網智能巡線等早期使用傾斜攝影的方法中，使用無人機掛載傾斜攝影設備對輸電線路等電網設施進行離線測量并進行數據分析，可以實現較為精確的定位測量及占位測量。而采用固定式傾斜攝影探頭的方式，可以給出更加精確的探頭坐標，實現精確到毫米級的最終測量結果。鑒于微小電弧的電弧長度一般小于1cm且其在可見光、紅外光、紫外光頻段均有物理表現，因此使用傾斜攝影在廣域波譜上對微小電弧進行定位，是本方法的重要創新點。

多軸平行攝影技術，可以提供遠超可見光波譜的平行軸攝影技術支持。通過將可見光、紅外光、紫外光等CMOS感光元件使用平行軸鏡頭的方式進行模塊整合，可以提供一個擁有三攝像頭平行軸整合的監測模塊，該模塊已經在包括電力監測系統在內的諸多監測系統中得到有效應用。其中，可見光攝影可以捕捉到電弧放電的可見光輻射部分，紅外線攝影可以捕捉到電弧放電時的局部瞬時溫度改變，紫外線攝影可以捕捉到電弧放電時的紫外輻射部分。對于擺桿式高壓斷路器來說，其外部空間較為寬闊，可以在距離其10～15m的位置布置不同方向的3個多軸平行攝影系統，每個多軸平行攝影系統包括3個攝像頭并配置高精度云臺、時鐘同步系統、光學鏡頭、慣性探頭等子系統，實現光學頻譜上的圖像數據采集功能，利用三點定位法可以解算出電弧形態和電弧位置：

式中：L1，L2，L3為通過光學原理獲得的電弧發生位置與3個攝像頭之間的距離；（x0，y0，z0）為被定位點的三軸坐標；（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）為3個探頭的三軸坐標。因3個探頭的三軸坐標可以明確獲得，所以只要獲得（x0，y0，z0），即可解算出3個距離量L1，L2，L3，從而實現對電弧發生位置的明確定位。

2.2 基于聲吶定位原理的三點定位法

早期部署噪聲探頭的目的是采集設備中的噪聲信息以還原設備的微震動特征曲線。較長時間以來，這種噪聲探頭的應用從未改變。在多探頭同步測量的過程中，利用聲速遠低于光速的特征，基于聲吶定位學原理，分析其高頻噪聲波峰的出現時間差，提供精度遠大于光譜定位的三維定位，是本方法的第二個重要創新點。為配合多軸平行攝影技術的數據分析需求，利用噪聲探頭的聲吶定位原理，對電弧放電的位置進行進一步定位。此時電弧放電的發生位置到3個固定位置噪聲探頭的距離（由聲學原理獲得）L'1，L'2，L'3可根據公式（2）獲得：

式中：h為當前氣壓、風速、濕度條件下的聲速；t1，t2，t3為聲音抵達3個探頭所經歷的時間。同樣以擺桿式高壓斷路器為例，其自身尺寸一般小于5m，各聲音探頭間距一般小于15m，雖然聲速可能受到氣壓、風速、濕度等條件影響，但在此尺度內3個探頭所受到的影響差異性可以忽略不計。因為標準大氣壓靜態空氣中的聲速一般為340m/s，聲音探頭的采樣頻率一般達到44MHz，系統可以達到極高的理論定位精度。但考慮到聲音反射、散射等影響，實際分析中，采用2kHz頻率進行分析，其定位精度可以達到0.17m。

3 高壓電氣設備局部放電的物聯網系統設計

3.1 攝影探頭的設計與布局

可見光探頭采用了較高解析度的攝影探頭，一般采用2K（1920像素×1080像素）以上畫質、60幀/s以上的幀率采集圖像信息，而紅外探頭和紫外探頭的解析度要求并不高，一方面其獲得的數據與可見光探頭進行數據整合時，僅是將紅外信號與紫外信號與可見光信號進行疊加，另一方面其畫面數據量并不大，特別是紫外探頭部分，因為視場內可能發出紫外輻射的等離子體物質并不多見，其實際拍攝內容可能僅為圖像中的電弧部分。因此，紅外探頭和紫外探頭一般采用640像素×480像素的解析度進行60幀/s的同步攝影。

嵌入系統的主要計算職能包含2部分：①將3個攝像頭數據進行疊加處理，即將紅外探頭數據和紫外探頭數據疊加到可見光數據中。同時對系統內的關鍵點進行判讀并利用公式（1）給出關鍵點的實時定位監測結果。②當可見光探頭發現異常閃光、紅外探頭發現異常瞬時高溫、紫外探頭發現異常紫外輻射點這3個異?，F象出現1項或多項時，標定時間戳并將實時單幀數據進行單獨存儲，并報送到IDC中進行遠程離線處理。

3.2 探頭的物聯網拓撲結構

采用3個多軸平行攝影探頭和3個噪聲探頭進行數據采集，采集數據在探頭嵌入系統進行初步處理后，報送到嵌入式集中板中進行數據緩存，集中板外掛一個不少于5TB的SSD工業存儲陣列系統，同時由集中板通過工業網橋主機向IDC報送相關數據。探頭物聯網系統向IDC報送信息的工作數據流主要包括以下內容：①對攝像頭、噪聲探頭的流媒體數據進行存儲并與IDC數據倉庫的流媒體服務器進行同步。②對疑似放電發生時間的重點流媒體信息時間戳進行存儲并與IDC數據倉庫的邏輯數據倉庫服務器進行同步[3]。

3.3 監測系統的IDC架構設計

IDC部分，基本滿足當前電力IDC的CBA架構。所謂CBA，是指在一個工業生產環境機房中，同時布局云計算（C.C.）、大數據（B.D.）、人工智能（A.I.）等相關硬件，以實現對智能電網提供相應服務的大數據功能。但不同智能電網相關系統對IDC的要求有所不同，其CBA架構的側重點也有所不同。

①數據庫部分側重流媒體數據的倉儲及檢索功能。本文采用多個流媒體服務器，在對應任務服務器的統一協調下實現服務器集群功能。任務服務器功能為協調存儲服務器的可用存儲空間，使用服務器虛擬化技術將多臺存儲服務器在邏輯上形成單臺大容量服務器。邏輯數據主機負責存儲疑似放電時間戳的相關信息。②使用包含多個GPU計算核心的浮點計算主機，實現C.C.和A.I.功能。該系統對此兩項功能的要求并不高，其中C.C.部分除Python數據分析功能和BIM數據整合功能外，無額外要求；而A.I功能則采用單一神經網絡模塊實現數據的二值化判斷。③使用本地負載均衡器與提供流媒體服務的任務服務器聯合對系統內的任務分發和負載均衡實現統一管理，使用API服務器搭建與平行系統和上級系統的數據邏輯通道管理，使用LAMP服務器實現桌面端和移動端的數據展示，使用工業網橋主機實現與物聯網系統的連接。

4 結語

綜上，隨著我國社會經濟的不斷發展，電力工程的建設規模也不斷的擴展，如何提升電力輸送質量和保障電力輸送的安全，是當前電力企業面臨的新課題。高壓電氣設備狀態檢修可以有效排除故障，是電力系統運行過程中最為關鍵的內容之一。