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地电波法在开关柜局部放电中的应用

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《电气技术杂志》2014年第七期

1放电源的定位

采用地电波法可以对开关柜内局部放电的放电源进行定位,但现场测试时此功能常常不能得到合理充分运用。在粗略判断放电源位置时,可根据单一的信号检测强度进行多点移动测量,也可比较不同探头的信号检测强度,所测得放电幅值大的探头一般距离放电源较近,但由于信号衰减和折反射的影响,这种方法误差较大,不能用于精细定位。如果需要对放电源的空间位置准确获取,则要采用四个检测探头,根据不同探头检测信号的响应时间差,计算放电源的空间位置,为故障源排查和设备检修提供参考。如图3所示,分别定义四个检测探头和放电源的空间坐标为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4),(x0,y0,z0),探头1和探头2的信号响应时间差为t1,探头2和探头3的信号响应时间差为t2,探头3和探头4信号响应时间差为t3,电流脉冲的传播速度为v,则可列方程组如式(1),通过该方程组可以计算得到放电源的空间坐标。值得注意的是,传播速度v并不是光速c,而是c/,为导体的介电常数。

2现场干扰排除

2.1现场干扰及简单处理措施现场检测金属封闭式开关柜内的局部放电信号时,干扰常常会影响测试效果,进而影响工作人员的分析和判断,因此需要对干扰进行排除。然而在不同地区开关柜的运行环境可能千差万别,现场干扰也会有所差异,这就给干扰的抑制和甄别带来了困难。根据电网实际运行经验和理论研究可知[8-10],局部放电检测的干扰源,主要可以分为连续性干扰、脉冲性干扰和白噪声(背景噪声)。而地电波为高频电磁信号,主要干扰源为其他放电信号的高频分量及高频波,例如无线基站、轨道交通、飞机噪声、照明灯具、氖泡有电显示器、阴雨天架空线产生的电晕、在电缆头上安装的耦合器等,如图4所示。这些干扰会造成数据超标,仪器报警,给试验人员的判断带来误导,因此,在现场测试前要尽量规避这些干扰源,具体的规避措施下面加以简要介绍。1)无线电干扰防止无线电干扰对检测仪器的影响,可以将检测仪器放入特质的电磁屏蔽盒中,数据传输线路尽量短,或采用光纤传输线等。2)大功率电力设备电动机、电钻、继电器、电梯等设备通断产生的电流剧变及伴随的电火花产生的干扰,不属于连续干扰,可以通过地电波探头和跟踪示波器提取有效特征进行甄别,如果是上述干扰(在开关柜内部无局放产生的情况下),得到的信号相位必然是随机的。对于电力系统中的非线性负载(如电弧炉等)、不间断电源(UPS)等同态电源转换设备产生的干扰,主要是由于负载切换缠上大量谐波涌入电网所造成,这可以通过对电网运行状态的同期监测予以去除。3)电晕干扰如果发现有较为固定的电晕干扰情况,应该对测量环境周围的设备金属连接处,高压线路端头、杆塔以及其他一些可能引起强烈电晕的地方予以检查,保证其紧密连接,减少电晕,也可采取加装屏蔽盒、采用较短测量传输线或采用光纤传输手段抑制电晕干扰的传输途径。4)天气湿度的影响根据长期检测的历史数据可以建立放电强度与大气湿度等关系的数据库,如果是在阴雨或潮湿天气下测得的数据,可以对当前测量值与历史数据进行比对,分析出现的异常数据。如果没有大量的历史数据,就必须在相近大气湿度或确定在晴天进行测量,保证条件一致性。

2.2干扰信号消减策略干扰信号进入检测系统的途径有空间耦合、地线、电源以及通过测量点四种。前三种主要通过增强屏蔽、电源滤波、单独接地等方法可以将干扰抑制到足够小的水平。干扰及其进入试验回路的途径如图5所示,M为邻近试验回路的金属物件;UA为电源干扰;UB为接地干扰;UC为经试验回路杂散电容C耦合产生的干扰;UD为悬浮电位放电产生的干扰;UE为高压各端部电晕放电的干扰;UF为试验变压器的放电干扰;IB为经试验回路杂散电感M耦合产生的辐射;IC为耦合电容器放电的干扰。对于干扰信号的消除,主要从干扰源、干扰途径、信号后处理三个方面来考虑。直接消除干扰源和切断干扰路径是最有效最根本的方法,例如改进结构,合理设计电路,增强屏蔽,保证连接处紧密稳定和清除现场孤立导体,而对于各种耦合进入监测系统的干扰,除了加装滤波器等硬件外,数字处理方面则可通过信号处理的办法解决,可以建立一个分层式综合模型,如图6所示。

2.3干扰甄别技术1)现场测试前,先评估周围环境的噪声水平,多次检测背景噪声波形,然后检测开关柜局部放电信号,两次检测相隔时间不能太长,在后期的数据分析中再将放电信号与噪声信号进行比较。2)采用局部放电检测对开关柜绝缘状态进行监测和诊断,可根据测量数据的历史变化来推测绝缘状态的发展趋势(纵向比较)。另外,同一变电站的高压室内通常都安装有多面开关柜,有的甚至为同一型号,在短期内可对一个变电站普测完毕后通过比较多面开关柜的测量结果可有效揭示异常情况(横向比较),如图7所示。3)在电磁噪声比较强的环境中,充分运用地电波仪器的双通道响应功能,第一个通道Ch1测量薄钢板上的噪声水平,另外一个通道Ch2测量开关柜上信号,若Ch1先于Ch2触发,则可以认为是干扰。4)结合其他检测手段综合测量,比如超声波检测法和超高频检测法。超声探头的检测频段在几十kHz到几百kHz之间,超高频天线的检测频段在300MHz到3GHz之间,都与地电波探头的检测频段不同,联合使用可以有效避开周期性干扰和脉冲性干扰。另外,将地电波传感器和高频电流互感器(HFCT)、数字示波器组合,可有效测得局部放电波形,再采用窄带滤波、小波去噪等处理方法,也能达到较好的放电波形提取的效果。

2.4干扰处理效果在现场检测开关柜局部放电信号时,分别采用加装屏蔽盒、模拟滤波和小波降噪的方法处理干扰。图8为在检测仪器外面加装屏蔽盒的干扰处理效果,在装屏蔽盒前,由于外部电磁信号的影响,放电脉冲序列的背景噪声带较宽,信噪比较低,不利于放电信号的提取和分析,加装屏蔽盒后,背景噪声明显减弱。图9为在传感器后端装模拟滤波器后,对放电脉冲波形的处理效果,滤波前,放电脉冲下降沿有较大幅度的过冲和振荡,滤波后,过冲和振荡都得到了有效的削减,有助于脉冲波形的特征提取。图10为利用小波降噪算法,对检测信号处理的效果,在降噪前,现场噪声很大,几乎淹没了放电信号,通过多层小波分解后,噪声信号被有效的消减,清晰的脉冲序列得到提取。

3结论

本文通过对地电波法带电检测开关柜局部放电的原理、定位方法和现场干扰排除等问题进行讨论,为现场工作提供了参考。1)虽然都是检测局部放电的电磁波信号,但地电波法的检测原理与超高频天线的检测原理不同,地电波法采用电容耦合方式提取暂态对地电压,测试时传感器需要紧贴接地柜体。2)采用地电波法粗略定位放电源时,可根据传感器的信号响应幅值判断,但要精细定位放电源的空间位置时则需四个传感器,并根据传感器的响应时间差计算得到。3)开关柜局部放电检测的现场干扰抑制可根据干扰源灵活采用应对措施,并采用纵向比较法、横向比较法和多种检测方法联合测量等技术有效甄别干扰,提取放电信号。

作者:任重单位:深圳供电局有限公司

电气技术杂志责任编辑:田老师    阅读:人次
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