超高頻電磁波檢測在變電站局部放電定位中的應(yīng)用

1、超高頻電磁波檢測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，定期的對電氣設(shè)備進(jìn)行局部放電檢測可及時的發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣缺陷和位置，并采取有針對性的解決方法，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定位方法有：電氣參數(shù)測量、超聲波和超高頻電磁波等。其中超高頻電磁波檢測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)備局部放電檢測方法。本文簡要分析超高頻電磁波檢測技術(shù)應(yīng)用于變電站局部放電的定位原理與檢測系統(tǒng)的構(gòu)成，并分析其在變電站局部放電電源定位的實際應(yīng)用，以期為我國變電站局部放電檢測工作提供參考，提高變電站設(shè)

2、備運行的可靠性。關(guān)鍵詞：超高頻；電磁波檢測；變電站；局部放電；定位隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會和人民對電能的需求量不斷增加，對供電可靠性的要求越來越高。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)備的安全運行對于提高電力系統(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造成電氣設(shè)備發(fā)生局部放電，雖然局部放電不會造成電氣設(shè)備絕緣材料被擊穿，但是如果長時間存在將會導(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)備的運行可靠性。因此對電氣設(shè)備的局部放電的檢測定位對于避免電氣設(shè)備絕緣故障和提高電氣設(shè)備運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)測量、超聲波和超高頻電磁波等。其中超高頻電磁波檢測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是通過外置的天線傳感器接收局部放電過程中輻射的超高頻電磁波，通過時間差計算局部放電電源的位置。超高頻電磁波檢測具有：檢測波段高，可有效的避開局部放電過程中開關(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程中如果遇到障礙物或者與波形大小相同的孔時就會發(fā)生明顯的衍射，由于電磁波發(fā)生衍射，其會

4、繞開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)生局部放電就會激發(fā)出多種波長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程中通過電力設(shè)備的絕緣夾縫時，電磁波信號就會發(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在電氣設(shè)備外設(shè)置的超高頻天線接收器時，由于天線位置的不同，接收時間也會存在不同，這樣就可以根據(jù)天線之間接收信號的時間來對局部放電電源進(jìn)行定位。（二）變電站局部放電電源定位計算方法本文采用積累能量曲線對天線接受的超高頻電磁波信號進(jìn)行處理，根據(jù)信號的電壓和能量之前的關(guān)系，可將信號的波形轉(zhuǎn)換成為積累能量曲線，積累能量的公式為 （1）

5、式中為采樣信號在k點的電壓值。積累能量曲線如圖1所示。圖1 積累能量曲線通過能量曲線可以分別獲得四個天線各自的能量曲線，在能量曲線上獲取各個天線上超高頻電磁波的拐點值，該值就是接收超高頻電磁破的初始時間，則對角天線的時間差為 （2）在實際的測量中，四個天線距離電力設(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，因此可將實際的三維空間計算看做成二維空間進(jìn)行計算。因此，假如系統(tǒng)中只有兩個天線時，例如天線1和天線2，則兩者之間接收信號的時間差為，則可以根據(jù)時間和余弦三角函數(shù)得到位置夾角b的值，從而可知PD存在兩個解，因此位置無法確定，如圖2所示。圖2 局部放電方向定位計算方法本文采用的定位

6、計算方法是選擇四個天線接收信號的時間差進(jìn)行定位，其中一對對角線上的天線的接收時間差作為參照，另一對角線上的天線接收時間差進(jìn)行信號的定位。正常測量的過程中電磁波的傳播速度是確定的，而四個天線所處的位置不同，因此接收到信號的時間不同。由圖2（b）可知，夾角b的計算公式為 （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，需要對對角線天線的時間差進(jìn)行修正就可以得到準(zhǔn)確的夾角公式 （4）此時根據(jù)公式還無法得到準(zhǔn)確的局部放電電源位置，還需要變換天線的位置進(jìn)行多次的測量，當(dāng)所指的方向交于一點時，該點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)測定位系統(tǒng)的構(gòu)成本次研究采用的

7、局部放電監(jiān)測定位系統(tǒng)是由4個超高頻的天線傳感器組成的天線矩陣實現(xiàn)對變電站局部放電超高頻信號的接收，所采用的超高頻接收天線均為全向的標(biāo)準(zhǔn)天線可實現(xiàn)360°信號的接收，且增益一致。經(jīng)過天線接收的超高頻電磁波信號經(jīng)長度相同的同軸電纜傳輸至含有濾波模塊、超高頻信號放大模塊和數(shù)字采集模塊組成的數(shù)據(jù)采集單元，采集單元將處理過的信號傳輸至裝有局部放電監(jiān)測定位計算軟件的電腦進(jìn)行位置的計算，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)測系統(tǒng)的現(xiàn)場實驗分析本文選取某220kV的變電站進(jìn)行系統(tǒng)的測試，將4個超高頻天線放置在經(jīng)過專門

8、改裝的汽車上，汽車在變電站內(nèi)緩慢的行駛，如果監(jiān)測定位系統(tǒng)出現(xiàn)超高頻信號時，則停止汽車進(jìn)行超高頻信號的接收和局部放電電源位置的計算，首先計算出一個方向角，然后移動汽車進(jìn)行另一方向角的計算，最后對放電設(shè)備的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。本次實驗中，在變電站的3號變壓器附近檢測到了超高頻信號，通過置于車頂?shù)?個超高頻電磁波接收天線以及兩次的變換車輛的停放位置，對發(fā)生局部放電的電源進(jìn)行定位，其中檢測到最大的放電電壓為800mV，定位監(jiān)測系統(tǒng)采集到的信號波形和頻譜特性如圖4和圖5所示。圖4 檢測信號波形圖圖5 檢測信號頻譜圖通過監(jiān)測系統(tǒng)對接收信號的分析處理并經(jīng)過定位計算軟件進(jìn)行定位計算，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)過超高頻變電站局部放電電源定位監(jiān)測系統(tǒng)的計算，最終確定的疑似放電電源點如圖7所示，為了對結(jié)果進(jìn)行驗證，采用DMS特高頻局部放電檢測儀器，對該點進(jìn)行檢測并對檢測到的超高頻信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該點的超高頻電磁信號具有明顯的相位特征，幅值也較高，具有放電信號的特征。通過采用超高頻變電站局部放電電源定位監(jiān)測系統(tǒng)對本次檢測到的超高頻信號進(jìn)行定位計算，確定疑似局部放電的電源點，并采用DMS檢測設(shè)備對該點的超高頻信號進(jìn)行分析最終確定為污穢放電，定位監(jiān)測系統(tǒng)檢測到此放電信號為連續(xù)超高頻信號，建議變電站采取停電措施，以對該變壓器進(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技術(shù)對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，對于及時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關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測的研究D.重慶大學(xué),2013.4周電波. 基于超高頻