超高頻電磁波檢測(cè)在變電站局部放電定位中的應(yīng)用

1、超高頻電磁波檢測(cè)在變電站局部放電定位中的應(yīng)用摘要：局部放電是電氣設(shè)備絕緣化的主要征兆和表現(xiàn)形式，定期的對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行局部放電檢測(cè)可及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣缺陷和位置，并采取有針對(duì)性的解決方法，避免絕緣缺陷引起電氣故障，提高供電的可靠性。現(xiàn)階段常用的局部放電檢測(cè)定位方法有：電氣參數(shù)測(cè)量、超聲波和超高頻電磁波等。其中超高頻電磁波檢測(cè)可有效的排除電氣設(shè)備的電磁干擾，具有較強(qiáng)的靈敏度，已逐漸成為常用的電磁設(shè)備局部放電檢測(cè)方法。本文簡(jiǎn)要分析超高頻電磁波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于變電站局部放電的定位原理與檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成，并分析其在變電站局部放電電源定位的實(shí)際應(yīng)用，以期為我國(guó)變電站局部放電檢測(cè)工作提供參考，提高變電站設(shè)

2、備運(yùn)行的可靠性。關(guān)鍵詞：超高頻；電磁波檢測(cè)；變電站；局部放電；定位隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)和人民對(duì)電能的需求量不斷增加，對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高。變電站作為連接發(fā)電廠和用戶的重要環(huán)節(jié)，其電力設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)于提高電力系統(tǒng)的可靠性具有重要的意義。如果變電站電氣設(shè)備的絕緣材料遭到破壞就會(huì)造成電氣設(shè)備發(fā)生局部放電，雖然局部放電不會(huì)造成電氣設(shè)備絕緣材料被擊穿，但是如果長(zhǎng)時(shí)間存在將會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備的絕緣材料的電氣強(qiáng)度降低，造成絕緣破壞的進(jìn)一步惡化，影響電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠性。因此對(duì)電氣設(shè)備的局部放電的檢測(cè)定位對(duì)于避免電氣設(shè)備絕緣故障和提高電氣設(shè)備運(yùn)行的可靠性具有非常重要的意義，目前常用的局部放電電源定

3、位方法主要有：電氣參數(shù)測(cè)量、超聲波和超高頻電磁波等。其中超高頻電磁波檢測(cè)可有效的排除電氣設(shè)備的電磁干擾，具有較強(qiáng)的靈敏度，已逐漸成為常用的電磁設(shè)備局部放電檢測(cè)方法。一、基于超高頻電磁波的變電站局部放電定位原理（一）超高頻電磁波的局部放電定位原理超高頻電磁波檢測(cè)是通過(guò)外置的天線傳感器接收局部放電過(guò)程中輻射的超高頻電磁波，通過(guò)時(shí)間差計(jì)算局部放電電源的位置。超高頻電磁波檢測(cè)具有：檢測(cè)波段高，可有效的避開(kāi)局部放電過(guò)程中開(kāi)關(guān)、電暈等電氣干擾；靈敏度高，可以有效的檢出電氣設(shè)備之間存在的所有放電類型。超高頻電磁破在傳播的過(guò)程中如果遇到障礙物或者與波形大小相同的孔時(shí)就會(huì)發(fā)生明顯的衍射，由于電磁波發(fā)生衍射，其會(huì)

4、繞開(kāi)障礙物或者孔在其背后繼續(xù)傳播。如果變電站的電磁設(shè)備發(fā)生局部放電就會(huì)激發(fā)出多種波長(zhǎng)不相同的超高頻電磁波，當(dāng)這些超高頻電磁波在傳播的過(guò)程中通過(guò)電力設(shè)備的絕緣夾縫時(shí)，電磁波信號(hào)就會(huì)發(fā)生衍射，傳播到外部的空氣中。電磁波的傳播速度與光速接近，當(dāng)內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波通過(guò)在電氣設(shè)備外設(shè)置的超高頻天線接收器時(shí)，由于天線位置的不同，接收時(shí)間也會(huì)存在不同，這樣就可以根據(jù)天線之間接收信號(hào)的時(shí)間來(lái)對(duì)局部放電電源進(jìn)行定位。（二）變電站局部放電電源定位計(jì)算方法本文采用積累能量曲線對(duì)天線接受的超高頻電磁波信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)信號(hào)的電壓和能量之前的關(guān)系，可將信號(hào)的波形轉(zhuǎn)換成為積累能量曲線，積累能量的公式為 （1）

5、式中為采樣信號(hào)在k點(diǎn)的電壓值。積累能量曲線如圖1所示。圖1 積累能量曲線通過(guò)能量曲線可以分別獲得四個(gè)天線各自的能量曲線，在能量曲線上獲取各個(gè)天線上超高頻電磁波的拐點(diǎn)值，該值就是接收超高頻電磁破的初始時(shí)間，則對(duì)角天線的時(shí)間差為 （2）在實(shí)際的測(cè)量中，四個(gè)天線距離電力設(shè)備的距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致矩形天線陣列與脈沖所在的平面相差較小，因此可將實(shí)際的三維空間計(jì)算看做成二維空間進(jìn)行計(jì)算。因此，假如系統(tǒng)中只有兩個(gè)天線時(shí)，例如天線1和天線2，則兩者之間接收信號(hào)的時(shí)間差為，則可以根據(jù)時(shí)間和余弦三角函數(shù)得到位置夾角b的值，從而可知PD存在兩個(gè)解，因此位置無(wú)法確定，如圖2所示。圖2 局部放電方向定位計(jì)算方法本文采用的定位

6、計(jì)算方法是選擇四個(gè)天線接收信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行定位，其中一對(duì)對(duì)角線上的天線的接收時(shí)間差作為參照，另一對(duì)角線上的天線接收時(shí)間差進(jìn)行信號(hào)的定位。正常測(cè)量的過(guò)程中電磁波的傳播速度是確定的，而四個(gè)天線所處的位置不同，因此接收到信號(hào)的時(shí)間不同。由圖2（b）可知，夾角b的計(jì)算公式為 （3）式中c為光速，為天線1和天線3之間的距離。此公式還存在一定的誤差，需要對(duì)對(duì)角線天線的時(shí)間差進(jìn)行修正就可以得到準(zhǔn)確的夾角公式 （4）此時(shí)根據(jù)公式還無(wú)法得到準(zhǔn)確的局部放電電源位置，還需要變換天線的位置進(jìn)行多次的測(cè)量，當(dāng)所指的方向交于一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)即為局部放電電源的位置。二、變電站超高頻電磁波局部放電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的構(gòu)成本次研究采用的

7、局部放電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)是由4個(gè)超高頻的天線傳感器組成的天線矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站局部放電超高頻信號(hào)的接收，所采用的超高頻接收天線均為全向的標(biāo)準(zhǔn)天線可實(shí)現(xiàn)360°信號(hào)的接收，且增益一致。經(jīng)過(guò)天線接收的超高頻電磁波信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)度相同的同軸電纜傳輸至含有濾波模塊、超高頻信號(hào)放大模塊和數(shù)字采集模塊組成的數(shù)據(jù)采集單元，采集單元將處理過(guò)的信號(hào)傳輸至裝有局部放電監(jiān)測(cè)定位計(jì)算軟件的電腦進(jìn)行位置的計(jì)算，并準(zhǔn)確的顯示出局部放電電源的位置。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。圖3 超高頻局部放電檢測(cè)定位系統(tǒng)構(gòu)成三、變電站超高頻電磁波局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析本文選取某220kV的變電站進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，將4個(gè)超高頻天線放置在經(jīng)過(guò)專門

8、改裝的汽車上，汽車在變電站內(nèi)緩慢的行駛，如果監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)出現(xiàn)超高頻信號(hào)時(shí)，則停止汽車進(jìn)行超高頻信號(hào)的接收和局部放電電源位置的計(jì)算，首先計(jì)算出一個(gè)方向角，然后移動(dòng)汽車進(jìn)行另一方向角的計(jì)算，最后對(duì)放電設(shè)備的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。本次實(shí)驗(yàn)中，在變電站的3號(hào)變壓器附近檢測(cè)到了超高頻信號(hào)，通過(guò)置于車頂?shù)?個(gè)超高頻電磁波接收天線以及兩次的變換車輛的停放位置，對(duì)發(fā)生局部放電的電源進(jìn)行定位，其中檢測(cè)到最大的放電電壓為800mV，定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的信號(hào)波形和頻譜特性如圖4和圖5所示。圖4 檢測(cè)信號(hào)波形圖圖5 檢測(cè)信號(hào)頻譜圖通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收信號(hào)的分析處理并經(jīng)過(guò)定位計(jì)算軟件進(jìn)行定位計(jì)算，得到了局部放電電源的具體位

9、置，如圖6所示。圖6 局部放電電源位置判定示意圖圖7 疑為局部放電電源位置經(jīng)過(guò)超高頻變電站局部放電電源定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算，最終確定的疑似放電電源點(diǎn)如圖7所示，為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用DMS特高頻局部放電檢測(cè)儀器，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)到的超高頻信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)的超高頻電磁信號(hào)具有明顯的相位特征，幅值也較高，具有放電信號(hào)的特征。通過(guò)采用超高頻變電站局部放電電源定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)本次檢測(cè)到的超高頻信號(hào)進(jìn)行定位計(jì)算，確定疑似局部放電的電源點(diǎn)，并采用DMS檢測(cè)設(shè)備對(duì)該點(diǎn)的超高頻信號(hào)進(jìn)行分析最終確定為污穢放電，定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到此放電信號(hào)為連續(xù)超高頻信號(hào)，建議變電站采取停電措施，以對(duì)該變壓器進(jìn)行檢修。

10、變電站負(fù)責(zé)電能的分配、電壓的變換和調(diào)整，是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用超高頻電磁波檢測(cè)技術(shù)對(duì)局部放電電源位置的定位，可以準(zhǔn)確的確定電源的位置，避免變電站內(nèi)的電磁干擾，靈敏度和準(zhǔn)確度較高，對(duì)于及時(shí)的排除變電站電力設(shè)備的絕緣故障，保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性具有重要的意義。參考文獻(xiàn)：1侯慧娟,盛戈皞,苗培青,李秀衛(wèi),胡岳,江秀臣. 基于超高頻電磁波的變電站局部放電空間定位J. 高電壓技術(shù),2012,06:1334-1340.2侯慧娟. 基于電磁波天線陣列的變電站局部放電信號(hào)處理及定位方法D.上海交通大學(xué),2014.3黃琮鑒. 基于超高頻法的高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)的研究D.重慶大學(xué),2013.4周電波. 基于超高頻