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摘要：针对高压开关柜局部放电易引起设备劣化，威胁电力系统安全运行的情况，根据空气绝缘开关柜典型的局部放电特性，利用FPGA采集局部放电脉冲电流，通过频域变换对典型缺陷的局部放电脉冲电流进行分析，获得脉冲电流波形图和频谱图，实验结果表明，该装置能够实时在线监测高压开关柜内部局部放电信息，通过分析脉冲电流波形图和频谱图可以判断高压开关柜是否发生局部放电。
关键词：开关柜；局部放电；在线监测
1 引言
近年来，电力系统中开关柜应用越来越广，开关柜现场试验方法的不足和投运的开关柜绝缘特性劣化导致的电力事故数量逐年攀升，严重威胁着电力系统的安全运行，最终影响供电质量和供电可靠性。
传统情况下，电力公司对于台区安全防范采取定期巡检的方式。由于各台区在地域、运行环境、负荷情况以及设备本身一致性不尽相同，因此对维护周期和工作内容也会有所区别。如果按照传统的巡检方式，势必会造成人员、物资，时间上的浪费。加上不同的外在因素影响（如温湿度、雷雨、外力等），若故障时没有被及时发现，微小的放电即可能会引发成大事故。据统计，仅驻马店市每年台区事故就有几十起，而绝大多数的事故前期都有不同程度的放电，所以对台区实时放电情况的检测已经迫在眉睫。
尽管很多电力公司采用了巡检或者监控的方法在做台区安全防范，运用的技术手段也多种多样，如红外成像、紫外成像、超声巡检等。但是由于受人力、成本、干扰等问题的束缚，低成本地解决台区放电监控问题最终仍未得到解决。
局部放电是一种脉冲现象，局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。超声测量和暂态低电压测量就是基于这些伴生现象而总结出的测量办法。
由于放电是瞬间的，因此局放波形是一个单次的脉冲，当放电结束后，由于杂质电容的充放电作用，波形会经过小段时间的振荡再趋于平坦，为此本文设计了一种基于电容传感器式开关柜局放在线监测系统，该种方法可将潜在事故扼杀在萌芽状态，提高运行安全性，为状态检修提供科学的依据，具有广阔的推广应用前景。
2 局部放电的机理
绝缘介质内部含有一个气隙时的放电情况是最简单的，如下图1（a）所示。
图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分的介质。假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用上图（b）所示的等效电路来分析。
假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向相垂直，则按电流连续性原理可得
（1）
式中
分别气隙和介质上的电压，
分别为气隙和介质的等效电导。工频电场中若
均小于10－11（ •m）-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为
（2）
式中
分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数，气隙和介质中的电场强度Ec、Eb 的关系为
（3）
由式（3）可见：
（1）气隙放电在工频电场中气隙中的电场强度是介质中电场强度的
倍。通常情况下
，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比气体的击穿场强低，因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道。
（2）油隙放电在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的间隙，这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质为低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。
（3）在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其它金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强时，则介质局部击穿而形成了局部放电。
3 监测装置的硬件设计
3.1 高压开关柜局部放电监测装置的整体结构
高压开关柜局部放电监测装置通过FPGA采集局部放电信号，微处理器进行处理后显示在液晶屏上，同时还可以将数据上传到后台监控中心进行实时监控和数据查询。主要电路包括三路高速信号采集电路、FPGA、STM32微处理器、显示模块、SD卡存储模块、RS485通信模块、按键模块、电源模块等，其整体结构图如图3所示。
图 3 高压开关柜局部放电监测装置的整体结构图
3.2 高速采集电路
图4是一路局部放电高速采集电路，由于高压开关柜局部放电时间在us级别，采用50MHz采样速率可以不失真的采样到完整的局部放电信号[17]，而且局部放电的电压不会低于mV级别，所以12位ADC足以保证采样信号精度，根据采样速率和采样精度，最终选择亚德诺半导体（ADI）公司生产的AD9226芯片，其是一款采用单电源供电、12位、65 MSPS的模数转换器（ADC），片内设计了一个高性能采样保持放大器，并且芯片自身提供基准电压源，在整个工作温度范围内保证无失码，满足设计要求，具体设计电路如图4所示。首先需要对脉冲电流法测量的电压进行预处理，满足模数转换器的输入要求。高速运算放大器U1对输入电压进行跟随和电压偏移，跟随部分保证输入的低阻抗信号可以不衰减的被模数转换器U3采集到，同时由于AD9226是单电源供电，所以需要借助基准电压将输入信号整体向上偏移，满足模数转换器采集的标准。运算放大器U2A和U2B对模数转换器AD9226内部提供的基准电压VREF1进行跟随处理，提高基准电压的带负载能力，使得输入的局部放电电压偏移一个2V的电压基准。
图4 一路局部放电高速采集电路
4 实验结果
由于本文涉及模式识别方法的运算时间，不同硬件环境对运算速度有一定的影响。本文局部放电信号处理硬件环境为：处理器Intel（R）Core（TM）i5-4590 3.30 GHz×4、内存8.00 GB、硬盘4T；软件环境为：操作系统Windows7 64位。
在对局部放电信号进行模式识别前需要进行特征提取。将时域信号进行S变换得到二维复时频矩阵，并对该复矩阵求模，2种不同模型放电信号及对应S变换的时频谱图如图5、图6所示。由图可以看出不同放电模型产生的放电信号经S变化后得到的时频谱图均存在一定的差异，因此可以将此作为表征不同类型放电信号的特征量。
（a）时域信号 （b）S变换所得时频谱图
图5电晕放电模型信号及对应S变换的时频谱图
（a）时域信号 （b）S变换所得时频谱图
图6放电模型信号及对应S变换的时频谱图
5 结论
本设计基于电容耦合法，采用高速AD芯片与FPGA相结合的方法采集局部放电短暂、微弱的脉冲信号，又通过微处理器STM32对采集的数据进行分析处理，同时控制液晶屏实时显示局部放电信号的波形图、频谱图。经实际测试表明，通过该装置可以有效测量高压开关柜上的局部放电现象，确保安全检查人员及时发现问题，避免高压开关柜绝缘特性劣化导致的电力事故。
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论文作者:李健1,辛忠良1,赵双兵1,李书田1,郭红梅1,胡
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/19
标签：局部论文; 开关柜论文; 介质论文; 电场论文; 信号论文; 电压论文; 频谱论文; 《电力设备》2017年第28期论文;