变电站高压电气设备局部放电检测技术分析

2021-12-02张春野郝博孙蕊肖杨

商品与质量 2021年44期

张春野郝博孙蕊肖杨

辽宁省检验检测认证中心（辽宁省产品质量监督检验院）辽宁沈阳 110000

高压电气设备受到运行环境的综合影响，容易出现过度爬电及意外放电的隐性故障，该故障除了可能造成电网内瞬间杂波外，短期内对设备及电网运行不会产生直接影响。但高压电气设备局部放电是其出现微小故障的典型标志。在安全工程学的检修窗口理论中，设备发生故障到发生相应事故之间的时间窗口，是状态检修的理想切入点，如果可以早期发现变电站高压电气设备的局部放电现象，对实现高压电气设备的状态检修有积极意义。

1 高压电气设备在线监测故障分析

1.1 电力变压器

根据高压电气设备的故障模式进行分析可以得出，变压器和负荷开关是高压电气设备在线监测的重点。负荷开关在线监测范围包括负荷开关自身的绝缘情况、触头磨损程度、触头行程、放电情况、机械结构形变状况、油质情况和电气回路的可靠性等内容，在线监测变压器的作用是从缺陷到初始故障进行一个为期很长的测量和分析的过程，如绝缘老化问题[1]。导致绝缘老化的因素有很多，包括油温差变化、氧化速度、其他污染物等因素，而催化剂、相关应力作用和贯穿性故障是加剧这些因素变化的主要原因，主要表现为油泥的沉积、闪光点降低、机械强度减弱等。在运行的过程中，如果运行方式发生异常则会引起过热现象，致使油中的水分转化为气泡，最终导致液体绝缘介质的强度降低，从而使介质失去作用。对电力变压器进行在线监测和分析，可以将潜在的隐形故障及时查找出来，从而对设备绝缘变化的发展形势进行充分的掌握。同时还可以根据监测结果，选择不同的试验周期，增强试验的实效性。

1.2 容性设备

容性设备在运行的过程中，由于受电、热、机械应力和环境应力等作用的影响，导致容性设备的绝缘性能逐渐下降，影响严重的会加剧其绝缘性的恶化，最终使其绝缘性能丧失，从而引发突发设备事故，给相关电力企业带来不可估量的经济损失。因此，对容性设备进行在线监测十分必要。对容性设备在线监测的项目有电容、不平衡电压、阻性电流、电容电流、介质损耗、功耗和氧化锌避雷器的全电流等参量。值得注意的是，在对容性设备进行实时在线监测和分析的过程中，由于末屏电流比较微弱，为了避免末屏电流遭受现场电磁场和传输信号衰减的干扰，在采集末屏电流时，尽量运用数字化传输方案；在对氧化物避雷器监测结果进行分析的过程中，通常情况下都会采用抵消容性电流分量法进行分析，但是这种电容比较小，容易遭受电场的干扰而影响最终测量数据的准确性。为了解决这一问题，保障测量数据的真实性，可对测量的阻性电流进行横向和纵向比较，但是这种方法对系统谐波影响的状况难以进行有效抑制，因此，在测量装置中可以通过软件和硬件同时补偿的方式解决这一问题[2]。

1.3 断路器和气体绝缘组合电器

在对高压电气设备进行在线监测的过程中，断路器在线监测是其中的重点内容，其监测的项目主要包括绝缘特性、开断能力、机械特性和操作回路完整性等，对气体绝缘组合电器、断路器的电气及机械性能的在线监测和状态评估，主要通过以下方式实现：①对于断路器触头磨损的评估，可以通过开断能力累积量的测量进行评估，在评估的过程中，主要是利用保护装置实现开断能力测量；②在断路器所有故障中，断路器机械故障最为常见，由于机械特性停电和不揭盖的在线监测难度比较大，可以通过保护装置完成对电气回路的测量，以便确保保测量数据的完整性；③在当前断路器在线监测的工作内容中，对真空泡的真空度测量方式尚处于技术探索阶段，目前所有的在线监测方法成本过高且欠缺一定的安全性；④对气体绝缘组合电器局部放电的在线监测方式是通过振动法，其监测原理主要是结合放电强度趋同于振动强度、周期性振动信号和局部放电与振动脉冲相同相位等特征，将振动法得以实现，这种监测方法是我国目前一种新兴的监测方法，其运行效果尚处于考证阶段。

2 高压电气设备局部放电的三点定位法

2.1 基于倾斜摄影的三点定位法

在电网智能巡线等早期使用倾斜摄影的方法中，使用无人机挂载倾斜摄影设备对输电线路等电网设施进行离线测量并进行数据分析，可以实现较为精确的定位测量及占位测量。而采用固定式倾斜摄影探头的方式，可以给出更加精确的探头坐标，实现精确到毫米级的最终测量结果。鉴于微小电弧的电弧长度一般小于1cm且其在可见光、红外光、紫外光频段均有物理表现，因此使用倾斜摄影在广域波谱上对微小电弧进行定位，是本方法的重要创新点。

多轴平行摄影技术，可以提供远超可见光波谱的平行轴摄影技术支持。通过将可见光、红外光、紫外光等CMOS感光元件使用平行轴镜头的方式进行模块整合，可以提供一个拥有三摄像头平行轴整合的监测模块，该模块已经在包括电力监测系统在内的诸多监测系统中得到有效应用。其中，可见光摄影可以捕捉到电弧放电的可见光辐射部分，红外线摄影可以捕捉到电弧放电时的局部瞬时温度改变，紫外线摄影可以捕捉到电弧放电时的紫外辐射部分。对于摆杆式高压断路器来说，其外部空间较为宽阔，可以在距离其10～15m的位置布置不同方向的3个多轴平行摄影系统，每个多轴平行摄影系统包括3个摄像头并配置高精度云台、时钟同步系统、光学镜头、惯性探头等子系统，实现光学频谱上的图像数据采集功能，利用三点定位法可以解算出电弧形态和电弧位置：

式中：L1，L2，L3为通过光学原理获得的电弧发生位置与3个摄像头之间的距离；（x0，y0，z0）为被定位点的三轴坐标；（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）为3个探头的三轴坐标。因3个探头的三轴坐标可以明确获得，所以只要获得（x0，y0，z0），即可解算出3个距离量L1，L2，L3，从而实现对电弧发生位置的明确定位。

2.2 基于声呐定位原理的三点定位法

早期部署噪声探头的目的是采集设备中的噪声信息以还原设备的微震动特征曲线。较长时间以来，这种噪声探头的应用从未改变。在多探头同步测量的过程中，利用声速远低于光速的特征，基于声呐定位学原理，分析其高频噪声波峰的出现时间差，提供精度远大于光谱定位的三维定位，是本方法的第二个重要创新点。为配合多轴平行摄影技术的数据分析需求，利用噪声探头的声呐定位原理，对电弧放电的位置进行进一步定位。此时电弧放电的发生位置到3个固定位置噪声探头的距离（由声学原理获得）L'1，L'2，L'3可根据公式（2）获得：

式中：h为当前气压、风速、湿度条件下的声速；t1，t2，t3为声音抵达3个探头所经历的时间。同样以摆杆式高压断路器为例，其自身尺寸一般小于5m，各声音探头间距一般小于15m，虽然声速可能受到气压、风速、湿度等条件影响，但在此尺度内3个探头所受到的影响差异性可以忽略不计。因为标准大气压静态空气中的声速一般为340m/s，声音探头的采样频率一般达到44MHz，系统可以达到极高的理论定位精度。但考虑到声音反射、散射等影响，实际分析中，采用2kHz频率进行分析，其定位精度可以达到0.17m。

3 高压电气设备局部放电的物联网系统设计

3.1 摄影探头的设计与布局

可见光探头采用了较高解析度的摄影探头，一般采用2K（1920像素×1080像素）以上画质、60帧/s以上的帧率采集图像信息，而红外探头和紫外探头的解析度要求并不高，一方面其获得的数据与可见光探头进行数据整合时，仅是将红外信号与紫外信号与可见光信号进行叠加，另一方面其画面数据量并不大，特别是紫外探头部分，因为视场内可能发出紫外辐射的等离子体物质并不多见，其实际拍摄内容可能仅为图像中的电弧部分。因此，红外探头和紫外探头一般采用640像素×480像素的解析度进行60帧/s的同步摄影。

嵌入系统的主要计算职能包含2部分：①将3个摄像头数据进行叠加处理，即将红外探头数据和紫外探头数据叠加到可见光数据中。同时对系统内的关键点进行判读并利用公式（1）给出关键点的实时定位监测结果。②当可见光探头发现异常闪光、红外探头发现异常瞬时高温、紫外探头发现异常紫外辐射点这3个异常现象出现1项或多项时，标定时间戳并将实时单帧数据进行单独存储，并报送到IDC中进行远程离线处理。

3.2 探头的物联网拓扑结构

采用3个多轴平行摄影探头和3个噪声探头进行数据采集，采集数据在探头嵌入系统进行初步处理后，报送到嵌入式集中板中进行数据缓存，集中板外挂一个不少于5TB的SSD工业存储阵列系统，同时由集中板通过工业网桥主机向IDC报送相关数据。探头物联网系统向IDC报送信息的工作数据流主要包括以下内容：①对摄像头、噪声探头的流媒体数据进行存储并与IDC数据仓库的流媒体服务器进行同步。②对疑似放电发生时间的重点流媒体信息时间戳进行存储并与IDC数据仓库的逻辑数据仓库服务器进行同步[3]。

3.3 监测系统的IDC架构设计

IDC部分，基本满足当前电力IDC的CBA架构。所谓CBA，是指在一个工业生产环境机房中，同时布局云计算（C.C.）、大数据（B.D.）、人工智能（A.I.）等相关硬件，以实现对智能电网提供相应服务的大数据功能。但不同智能电网相关系统对IDC的要求有所不同，其CBA架构的侧重点也有所不同。

①数据库部分侧重流媒体数据的仓储及检索功能。本文采用多个流媒体服务器，在对应任务服务器的统一协调下实现服务器集群功能。任务服务器功能为协调存储服务器的可用存储空间，使用服务器虚拟化技术将多台存储服务器在逻辑上形成单台大容量服务器。逻辑数据主机负责存储疑似放电时间戳的相关信息。②使用包含多个GPU计算核心的浮点计算主机，实现C.C.和A.I.功能。该系统对此两项功能的要求并不高，其中C.C.部分除Python数据分析功能和BIM数据整合功能外，无额外要求；而A.I功能则采用单一神经网络模块实现数据的二值化判断。③使用本地负载均衡器与提供流媒体服务的任务服务器联合对系统内的任务分发和负载均衡实现统一管理，使用API服务器搭建与平行系统和上级系统的数据逻辑通道管理，使用LAMP服务器实现桌面端和移动端的数据展示，使用工业网桥主机实现与物联网系统的连接。