放电故障定位（共9篇）
放电故障定位 篇1
1 变压器局部放电检测相关标准
局部放电测量方法在:GB/T-7354-2003/IEC 60270:2000 中给出明确要求, 现场测量也在DL417-2006 给出要求。该标准将局部放电试验和耐压试验结合到一起进行, 根据设备最高电压Um的不同, 分别规定进行长时耐压试验 (ACLD) 和短时耐压试验 (ACSD) 。
对于设备最高电压Um≤72.5k V的全绝缘变压器正常情况下不需进行局部放电测量。对于设备最高电压Um>72.5k V的全绝缘变压器, 一般情况下在进行短时耐压试验时需进行局部放电测量。在不大于试验电压 (U2) 的三分之一下接通电源并升压至保持5min;将试验电压升至U2保持5min;然后, 立即将电压降至U2保持5min, 同时进行局部放电测量;再将电压降压至保持5min;最后将电压降至试验电压 (U2) 的三分之一以下切断电源。为保证相间电压不超过额定外施耐压值, 试验电压U2规定为:相对地和1.3Um相对相。
如果在上述试验过程中, 试验电压不产生突然下降, 并在施加电压U2的5min内, 所有测量端子上的视在电荷量的连续水平, 低于300p C, 没有出现明显地、不断地向接近这个极限方向增长的趋势, 且在电压下视在电荷量的连续水平低于100p C, 则试验合格。如果视在电荷量的读数超过规定的限值, 则可进行长时间耐压试验, 当满足长时间耐压试验的相应要求时, 则证明产品合格。
2 案例分析
2.1 背景
待出厂交货内蒙某电厂的一台220k V变压器局放量超标, B相高压绕组检测视在放电量达到1800p C。该厂经过更换绕组、开关处理, 局放量依然超标。针对此局放量超标问题, 采用电声定位技术对变压器进行局放源定位。
2.2 检测方法
2.2.1 脉冲电流法利用耦合单元截取变压器高压套管末屏接地线上的局放脉冲电流信号。
2.2.2 超声检测法利用局部放电超声探测器在变压器油箱壁上探测变压器内部的局部放电超声波信号。在变压器箱壁检测局部放电的超声信号, 原理是变压器内部发生局部放电就要产生超声波信号, 在油箱壁上局部放电超声探测器可以接收到变压器内部的局部放电产生的超声波信号。
2.2.3 使用仪器
TWPD-2E多通道数字式局部放电综合分析仪。
TWPD-1-4耦合单元。
US-040MEE1 局部放电超声探测器。
2.3 视在放电量检测
2.3.1 单相电源采用单相电源供电, 测试B相局部放电值, 试验结果如表1。
2.3.2 三相电源
三相电源对称加压, 同时监测A、B、C相局放。输入电源校准为标准校准方式, HFCT为间接校准方式。升压至时, 相间电压达到1.5Um=378k V。 (如表2)
2.4 电声定位
通过对该台变压器重新进行局放试验, 发现B相放电量较大, A、C两相放电量较小。超声传感器
在B相中下部H点接收到放电源产生的声波信号, H点距离箱底870mm, 距离高压B相加强筋170mm。应用电声定位法定出放电点距离箱壁500mm。
通过定位分析, 最终确定的放电区域与A相开关、B相高压绕组重叠, 由于该厂已经将B相高压绕组全部更换过, 但局放量并没有发生变化。从局放试验结果分析, 怀疑是A相开关引线对B相高压绕组放电。
将A相开关用地屏包裹再次做局放试验, 放电现象消失。
3 结语
经过对变压器进行吊罩检查, 发现A相分接开关柱下引线与B相高压绕组下部绝缘距离过近。原因分析, 主要由变压器组装人员对操作工艺流程控制不严, 工作疏忽导致。为了杜绝此类缺陷再次发生, 要求现场组装人员熟记操作流程、精心细致、互相监督, 做到事后自检与互检相结合。
参考文献
[1]李桂兰.电力调控运行的重要性与优化管理措施[J].山东工业技术, 2014 (23) .
[2]徐伟生.电力系统继电保护管理探讨[J].中国新技术产品, 2010 (14) .
[3]周洪斌.电力工程建设与管理[J].价值工程, 2012 (10) .
[4]张涛.加强电力企业安全生产管理对策建议[J].价值工程, 2010 (02) .
放电故障定位 篇2
一、概述
随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，以及煤矿企业管理部门对自身现代化管理的需求，实现煤矿企业井下人员定位检测和管理的一体化，提高煤矿企业的安全生产管理和自动化水平，煤矿井下人员定位管理系统的在线监测已是必然趋势。
在日常维护管理过程中，要对人员定位系统发生的故障，进行归纳分类，并对产生故障的原因及可能产生的故障进行分析。
二、人员定位常见的故障
1、识别卡不发送信号；
2、分站电源箱没有显示人员信息；
3、分站与地面监控主机不能正确通讯；
4、直流电源输出偏低；
5、备用电源不能正常投入；
6、出现通讯中断；
7、分站显示屏无法显示数据；
三、人员定位常见故障处理措施
1、识别卡不发送信号，应检查：
（1）是否电池电量不足，或则是簧片没有接触好；
（2）因识别卡进水造成电路板损坏或外力碰撞造成识别卡损坏。
2、分站显示面板没有显示人员信息，可能是以下几种原因：
（1）显示屏与分站之间线路出现问题。
（2）可能是芯片没有接触好，要重新插好。此时，应检查主板与无线收发板通信、电源是否正常等因素；如有，则考虑是后面电路问题。
3、分站与地面监控主机不能正确通讯，首先应检查分站与交换机之间通讯是否正常，电源是否正常，如没有异常，则考虑分站通讯板是否损坏。
4、直流电源输出偏低，应检查对应不同电源等级的变压器抽头是否正确。
5、当交流电源停电后，备用电源不能正常投入，应考虑电池是否失效。否则可能是电源充电板故障。
6、人员定位发射天线的维护：发射天线安装好后，需要维护人员定期检查天线有无损坏，若出现损坏或天线不成为规则形状需要重新布置。同时，不要把接收天线的感应头放在金属上。接收天线指向发射天线。
7、若出现通讯中断，可能是以下几种原因：
（1）通讯接口接触不良。
（2）通讯线路接触不良。
四、人员定位系统故障预防措施
在现场的管理中应加强维护，仔细检查，减少故障现象的发生。
1、使用前，要仔细检查各种接线是否准确，插头是否松动，特别是交流引入线，引入电压等级与接线端子电压等级是否相同，否则将把变压器烧毁。
2、必须按要求来连接电路和配接设备，分站各种未用的接口和插口不得随意占用。
3、每次使用前必须检查分站，板上所有IC芯片和继电器的安装方向要正确，接线插头无误。
4、检查分站连接插头座连接电缆是否正确及检查分站站号是否正确。对主板上的各个电位器不得随意拧动。
5、人员携带卡在不使用时必须远离具有磁场的环境。
6、分站、无线收发器应设置在便于读卡、观察、调试、检验、围岩稳定、支护良好、无淋水、无杂物的地点。分站应实行上架和牌版管理。分站应定期对其控制输出进行检查，使其控制功能始终保持正常工作状态。
7、由于电源箱中的备用电池是易耗件，有一定的使用寿命。如发现电池失效，应及时更换新电池组。
电力变压器的放电故障分析 篇3
【关键词】变压器；电力系统；放电故障
变压器在电力系统中扮演着非常重要、不可取代的角色，一旦变压器因故停止运行，有可能造成电力系统中电网的解列。其中放电故障已严重影响电力变压器正常运行，甚至缩短电力变压器的寿命，此下文就电力变压器放电的各种故障进行分析。
何为放电， 放电，就是使带电的物体不带电。 放电并不是消灭了电荷，而是引起了电荷的转移，正负电荷抵消，使物体不显电性。
1.放电故障对变压器绝缘的影响
放电对绝缘有两种破坏作用：一种是由于放电质点直接轰击绝缘，使局部绝缘受到破坏并逐步扩大，使绝缘击穿。另一种是放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，介质损耗增大，最后导致热击穿。
1.1绝缘材料电老化是放电故障的主要形式
（1）局部放电引起绝缘材料中化学键的分离、裂解和分子结构的破坏。
（2）放电点热效应引起绝缘的热裂解或促进氧化裂解，增大了介质的电导和损耗产生恶性循环，加速老化过程。
（3）放电过程生成的臭氧、氮氧化物遇到水分生成硝酸化学反应腐蚀绝缘体，导致绝缘性能劣化。
（4）放电过程的高能辐射，使绝缘材料变脆。
（5）放电时产生的高压气体引起绝缘体开裂，并形成新的放电点。
1.2固体绝缘的电老化
固体绝缘的电老化的形成和发展是树枝状，在电场集中处产生放电，引发树枝状放电痕迹，并逐步发展导致绝缘击穿。
1.3液体浸渍绝缘的电老化
而放电过程又使油分解产生气体并被油部分吸收，如产气速率高，气泡将扩大、增多，使放电增强，同时放电产生的X—蜡沉积在固体绝缘上使散热困难、放电增强、出现过热，促使固体绝缘损坏。
2.放电故障的类型
（1）局部放电：是指油和固体绝缘中的气泡和尖端，因耐压强度低，电场集中发生的局部放电。局部放电故障产气特征是氢成分最多（占氢烃总量的85%以上），其次是甲烷产生局部放电的几种典型结构及因素：引线：变压器绝缘结构中，引线布置是很多的。引线与引线之间的电场分布是极不均匀的。两根半径相同的引线互相平行和垂直时其最大电场强度均出现在两根引线表面处。相同条件下（忽略外包绝缘层）两根引线相互垂直比平等布置的最大电场强度高出10%左右，高压绕组首端引出线对箱壁以及对其外部的调压绕组，也是电场集中易产生局部放电的区域。端部绝缘机构：超高压电力变压器端部绝缘结构中通常在绕组端部防治静电环，一方面改善绕组冲击电压分布，另一方面作为屏蔽均匀端部电场。但静电环与端圈间形成的楔形油隙（亦称油楔）为电场集中区域。"油楔"与最大电场强度与绕组主绝缘距离，端部绝缘距离，静电环曲率半径及绝缘厚度有关。变压器中突出的金属电极表面，如油箱内壁的焊接缝及附着在其上的焊渣，引线焊接时留下的尖角毛刺。铁心柱边角基铁心片剪切时形成的毛刺等。均会造成电场集中，是场强成倍增加，（不论电极是带电还是接地）。对在制造过程中形成的尖角毛刺进行磨光处理。杂质：在变压器绝缘结构中与低压板相比油的介点常数最低。在复合绝缘结构中，油所承受的电场较高，而三种绝缘材料中油的击穿场强是最低的，这决定了变压器绝缘中最薄部分是油隙，油中含有杂质如金属和非金属颗粒、含水量、含气量等，会使油中电场发生畸变。上述因素都会造成局部放电。
（2）低能量放电一般是火花放电，是一种间歇性的放电故障，在变压器、互感器、套管中均有发生。不同电位的导体与导体、绝缘体与绝缘体之间以及不固定电位的悬浮体，在电场极不均匀或畸变以及感应电位下，都可能引起火花放电。其故障气体主要是乙烯和氢。由于其故障能量较小，总烃一般不会高。
（3）高能量放电（电弧放电）在变压器、套管、互感器内均有发生。引起电弧放电故障原因通常是线圈匝层间绝缘击穿，过电压引起内部闪络，引线断裂引起的闪弧，分接开关飞弧和电容屏击穿等。这种故障气体产生剧烈、高能量放电故障气体主要是乙炔和氢，其次是乙烯和甲烷；若涉及固体绝缘，CO的含量也较高产气量大，故障气体往往来不及溶解于油而聚集到气体继电器引起瓦斯动作。
3.总结
放电故障定位 篇4
由于谐振接地系统可以补偿单相接地短路过程中的电容电流, 允许故障后线路工作1~2 h, 所以在实际配电网中广泛应用[1,2]。但其缺点是故障电流微弱, 电弧不稳定, 致使故障点的定位变得困难, 因此一直缺乏可靠的故障定位方法。
配电网故障定位方法从原理上可分为:阻抗分析法, 注入法, 行波法和基于配电网系统信息的定位方法[3]。阻抗法原理简单, 易于实现, 但受故障类型、故障电阻和线路对端负荷阻抗的影响较大。行波法是根据行波传输理论实现输电线路故障测距, 是目前在高压输电线路上应用较多的测距方法。文献[4]在已知所有配网线路长度的条件下, 利用故障的暂态行波波头计算出各个波头对应的距离, 通过排除法找出故障距离。注入法则是通过故障后向系统注入某种信号定位具体的故障点。基于配网自动化系统的单相接地故障定位是将线路上的FTU等监控终端通过通信网络与配网SCADA系统连接, SCADA系统根据一定的故障定位算法就可以自动定位出故障区段。文献[5]提出了FTU与“S”信号注入法相结合的配电网接地故障定位技术, 首先利用线路FTU判断接地故障的区段, 然后通过向线路中注入“S”信号实现故障点的确定。文献[6]在原有矩阵算法的基础上, 提出了一种改进的通用矩阵算法, 该方法具有故障描述矩阵形成简单, 故障判断一次到位, 判断原理清晰, 计算量小的特点。文献[7]则尝试将具有较强全局搜索能力且约束条件和目标函数分开处理的模拟植物生长算法应用于配电网故障定位问题。文献[8-10]将遗传算法, 仿电磁学算法和蚁群算法等运用在配电网的故障区段判别上, 提高了算法的可靠性。
虽然目前提出了很多方法用于配电网的故障定位, 但从经济成本和运算复杂程度上讲, 如果能仅利用故障信号本身的信息, 实现快速精确的配电网故障定位是较为经济且便捷的方法。但由于谐振接地系统单相接地故障稳态信号微弱且受消弧线圈补偿度影响, 定位结果往往不理想。而暂态量幅值大且不受消弧线圈的影响, 可以为故障定位提供丰富的故障信息。因此本文从配电网单相接地故障线路电容电感的充放电暂态过程[11]出发, 分析了充放电暂态特征, 提出了一种综合考虑充电过程和放电过程频域特征的配电网故障定位方法。本文在PSCAD/EMTDC平台下搭建了35 k V中性点经消弧线圈接地的配电网仿真模型, 在此基础上通过在不同工况条件下的仿真测试, 验证了该方法在配电网馈线发生单相接地故障时故障测距的有效性。
1 基本原理
1.1 单相接地暂态电流特征
一般情况下, 配电网发生绝缘击穿而引起的单相接地故障, 通常会发生在相电压接近于最大值的瞬间。此时暂态电流中主要为暂态电容电流, 暂态电感电流几乎为零。而故障时的暂态电容电流可以看成由故障相电压突然降低而引起的放电电容电流和由非故障相突然升高而引起的充电电容电流之和[12]。在暂态信号的流通回路中, 放电电容电流通过母线而流向故障点, 直接经故障相线路对地电容与地构成流通回路, 而充电电容电流则通过变压器然后经非故障相线路对地电容与地构成通路。配电网单相接地暂态电流流通路径如图1所示。
1.2 充电暂态原理
为了能更直观、清晰地观察充电信号, 将图1中的充电暂态回路单独分离出来, 如图2所示。
图2中 (省略了线路和变压器电阻) , TL为变压器单相电感, l1~l3为母线馈线1至馈线3的长度, fl为故障点到母线的距离。lL为线路单位电感, Cpp1~Cpp3分别为馈线1至馈线3的相间电容 (假设三相对称) , CE1~CE3为馈线1至馈线3的线路对地电容。LR为中性点消弧线圈的电阻, L为消弧线圈的电感值。fR为发生单相接地故障时的过渡电阻。可见, 配电网发生单相接地故障后, 故障相电路可等效为一个复杂的RLC电路, 由于电感和电容的相互作用形成对应的充电频率。
1.3 放电暂态原理
当配电网发生单相接地故障时, 经充电过程储存的能量集中在故障相的对地电容中, 伴随着充电过程, 放电电容电流也相应产生。放电电容电流会形成类似于故障暂态行波在线路中传输形成与波速对应的行波频率[11]。如图3中画出了部分行波过程对放电暂态原理予以说明。
如图3所示, 放电电流形成的故障行波将在配电馈线上不断传播, 当遇到不连续阻抗点时就会发生折反射现象。图中F点发出的暂态行波一部分向母线A传播, 另一部分向馈线1末端B传播。传播到母线A处的行波一部分发生反射返回馈线1, 而另一部分发生折射, 传播到馈线2, 馈线3末端再次发生折反射现象。在馈线1末端B处接受到的行波也会发生反射返回母线A。如此往返, 则会在放电过程中形成大量的放电频率。针对故障定位而言, 需要找到母线A距离故障点F的路径下的的行波固有频率。这种情况下, 馈线2, 馈线3以及母线侧的变压器部分可看成本端的系统阻抗, 计算时可将放电回路可等效成故障点到系统端的一条线路故障行波测距问题。依据输电线路中的行波固有频率测距思想, 通过波速与行波固有频率的关系则可以得到相应的故障距离。但是配电网中馈线较多, 在母线处会检测到多种频率的放电电流, 再加上频谱分析中的频谱混叠现象, 对提取故障点到母线距离下行波频率带来了非常大的难度。
2 基于充放电暂态特征的故障定位方法
2.1 仿真模型的建立
结合一条实际运行线路的参数, 在PSCAD/EMTDC中建立了一个3馈线中性点经消弧线圈接地系统的分布参数模型, 其拓扑如图4所示。图中, RL和L分别表示消弧线圈的电阻和电感, 馈线1架空线路长度为30 km, 馈线2为10 km, 馈线3为5km。架空线路的正/负序阻抗Z1=Z2=0.25542+j0.37294Ω/km, 零序阻抗Z0=0.51664+j1.48516Ω/km;正/负序导纳Y1=Y2=j3.0803×10-6 s/km, 零序导纳Y0=j1.47574326×10-6 s/km。消弧线圈按8%过补偿整定。
2.2 单相接地故障充放电暂态频谱分析
以图4仿真模型为研究对象, 假设在t=0.5209 s时馈线1距母线10 km处发生A相金属性接地, 零序电流经快速傅里叶变换后求取幅频分析图如图5所示。
从图5各馈线零序电流的频谱图中可以看出, 故障后的各馈线零序电流都包含一个频率较低幅值较大的充电电流和一系列频率较高幅值较低的放电电流。充电通路整个流通回路电感较大, 振荡频率较低, 所以充电信号衰减慢, 幅值大;而放电通路由于回路电感小, 振荡频率较高, 所以放电信号衰减很快, 幅值较小。
2.3 基于高斯复小波的信号特征提取
对于包含多种频率的故障信号, 需要一种信号处理的方法提取到所需要的故障特征频率。小波变换由于其多分辨率分析的特点, 在暂态特征提取中有显著的优势。由于需要提取充电暂态频率下的故障电流电压相量, 因此本文选取高斯复小波作为母小波用于故障信号分析, 高斯复小波的表达式如式 (1) 所示。
其中:Cp表示归一化因子;p为高斯复小波的阶数。6阶高斯复小波的时域波形如图6所示。
将故障信号和高斯复小波做连续小波变换如式 (2) 。
其中:a为小波变换的尺度因子;b为小波变换的平移因子;x (t) 为故障信号。由于只需要得到所需频率下的电流电压分量相关的小波系数, 因此必须对小波变换的尺度因子进行设置, 使其通过小波滤波后得到所需要的频率下的小波系数。尺度因子a的计算公式为
其中:fa表示高斯复小波的中心频率;fs表示对故障馈线信号的采样频率;fc表示需要提取的电容电流的充电频率。通过式 (2) 就可以得到充电频率下的故障信号小波系数, 为后面的故障测距提供数据支持。
2.4 故障测距算法
在分析故障馈线的放电暂态过程中可知, 要在众多的放电频率中识别对应故障距离的放电频率是非常困难的, 因此本文借助充电过程中的故障信息确定故障的初步位置用于判定放电频率的范围, 最终实现精确的故障定位。以2.2节中的故障例子 (fl=10 km) 作说明。在PSCAD/EMTDC仿真模型中提取故障相 (A相) 母线出口处的暂态相电压和暂态相电流如图7所示。
在故障发生后一个周期内故障相电流信号和电压信号存在明显的故障暂态。利用故障馈线零序电流频谱中获得的充电频率 (图5中fc=1 567 Hz fs=100 k Hz) , 通过2.3节复小波变换提取充电频率下A相电流电压相量的小波系数, 得到小波系数波形图如图8所示。
考虑到电抗法理论上可以避免故障过渡电阻的影响, 所以通过结合充电暂态的过程, 利用暂态充电频率和充电电压、充电电流就可以近似的计算出故障距离fl, 计算公式如式 (4) 和式 (5) [11]。
其中:Xf为充电频率下故障点到馈线出口处的总电抗;uc, fc为经复小波变换后得到的与充电电压相量相关的小波系数;ic, fc为充电电流相量相关的小波系数;X为线路充电频率下的单位平均电抗值;X50为线路50 Hz工频下的电抗;fc为50 Hz工频;X 0、X 1、X2分别为线路单位零序电抗, 单位正序电抗以及单位负序电抗。此时, 得到的故障距离如图9所示。
图9可见, 由于是利用充电频率下的瞬时电流电压相量, 每一个测量点都能得到一个距离, 因此最终得到的是一条距离曲线。由于母小波自身幅频特性的影响和暂态不稳定的因素, 在曲线尾部振荡严重, 可以通过求取曲线稳定部分估计值的平均数得到稳定的故障距离。
对于放电过程, 由于只需要考察故障点到母线端的部分, 因此母线端的其余馈线与母线变压器端并联作为线路系统端。为了精确计算故障距离, 避免线路电气量耦合, 这里先对故障馈线三相电流采用克拉克变换解耦, 考虑到是A相发生单相接地故障, 故克拉克变换矩阵T及逆矩阵T-1采用式 (6) , 式 (7) 为电流量的克拉克变换形式。
其中:i0、iα、iβ分别表示故障馈线的0模 (零序) 、α模、β模分量;ia、ib、ic为采集的故障馈线三相电流。行波在线路母线端的反射系数矩阵δ1和故障点反射系数矩阵δ2分别为[13]
其中:Z1为系统等效阻抗矩阵, 由于母线变压器单位阻抗很大, 所以可以等效为母线处剩余馈线 (除故障馈线) 单位阻抗的并联值作为等效系统阻抗;Z m为馈线模量特征阻抗;Yf为短路点等效导纳矩阵;I为单位矩阵。由于单相接地短路故障解耦后仍然会存在部分“模混杂”现象, 通常采用0模和α模量求平均的方法抵消误差, 所以依据放电频率的传播原理, 故障距离公式[13]为
其中:θ1, 0, θ2, 0为反射系数矩阵δ1、δ2中0模分量的反射角;θ1, α、θ2, α为反射系数矩阵δ1、δ2中α模分量的反射角;vd, 0, vd, α分别为所选放电固有频率下的0模波速和α模波速, 计算公式为
式中, f d、Ym、Zm代入对应0模或者α模下的频率, 馈线单位导纳和单位阻抗。以10 km故障为例, 经过相模变换后0模或者α模下的零序电流如图10所示。图10中存在大量峰值点, 无法判定故障下的放电频率点。根据在充电频率下估计得到的距离为9.478 7 km, 按照0模分量测距公式估算其放电固有频率 (θ设为最大值π, v可假设为光速) , 大致范围为15 825 Hz左右。从图11的局部频谱图中可见, fd 0取14 140 Hz, fdα取0模频率附近的值, 图中可见14 140 Hz较为合适。
通过式 (11) , 可计算故障点距母线距离为
综上, 本文基于充放电暂态特征的故障定位方法流程图如图12所示。
3 算法仿真
3.1 不同故障距离时故障测试
本小节在所搭建的35 k V配电网模型的基础上, 分别测试馈线1上5 km、10 km、15 km、20 km、25 km处发生单相故障时的测距情况。假设在t=0.520 9 s时发生A相金属接地故障, 馈线末端负荷功率0P=5 MVA, 测试结果如表1所示。
从表1中可以发现, 故障馈线的充电频率与故障距离是相关的。故障距离从5 km变化到25 km, 充电频率即从1 703 Hz减小到1 173 Hz。故障充电频率是随故障距离的增加而呈现依次减小的现象。观察充电暂态的测距结果, 可以看出, 通过计算充电暂态频率下电感值来估计故障距离存在一定的误差, 特别在故障发生在线路末端的时候误差较大。而观察放电暂态过程, 在充电暂态测距误差范围内, 从放电暂态频谱中仍能够准确识别故障距离对应的频率, 测距结果都在1%以内, 测距精确程度较高。同时从0模和α模的测距结果, 也可以看出, 通过利用两种模量求取平均数, 可以在一定程度上抵消“模混杂”的影响。
3.2 不同接地电阻时故障测试
本组仿真以故障fl=15 km, 馈线末端负荷功率P0=5 MVA, 故障时间t=0.520 9 s为条件作测试。过渡电阻分别设置为0Ω、10Ω、20Ω、30Ω、40Ω、60Ω、100Ω、150Ω, 考察本文基于充放电暂态特征的故障定位方法对不同接地电阻的适应性。
表2为馈线1在15 km发生A相接地故障时, 不同故障接地电阻的故障测距结果。在表中可以看到随着过渡电阻的增加, 充电暂态下的充电频率发生了缓慢变化, 由1 394 Hz变化到1 225 Hz。从表中结果可以看出, 当故障接地电阻在100Ω以内的情况下, 故障测距的精度都在1%以内, 有故障电阻时的测距精度甚至要比金属接地情况还要好, 这是由于在充电过程测距误差范围内, 在没有影响放电频率的识别情况下, 0模和α模量求平均的方法在有一定接地电阻的工况时“模混杂”现象得到了较好的抵消, 所以测距误差更小。但在接地电阻较大时, 一方面由于充电频率下的测距结果受到严重干扰, 一方面接地电阻对充放电频率的幅值影响较大, 频率的识别上存在困难, 测距误差相对增加。
3.3 不同故障时刻时故障测试
本组仿真以故障fl=15 km, 馈线末端负荷功率P0=5 MVA, 通过设置不同的故障时间即不同的故障初相角, 考察本文基于充放电暂态特征的故障定位方法对单相接地故障时不同初相角的适应性。本组设置的时间分别对应故障时相电压相角为0+ (表示正接近于0°) 、30°、45°、60°、90°。
表3为馈线1发生单相接地故障时不同时刻下的测距结果。从表中的数据可以发现, 当故障角在接近0°时, 放电暂态中的α模频率已经无法识别, 仿真中其余频率虽然可以勉强识别但其幅值也非常小。这是由于故障角接近0°时, 暂态特征非常微弱, 无法提取到正确的充电和放电特征频率。其他情况下, 故障初相角不为0°时, 充电暂态频率几乎没有发生变化, 对放电频率也没有影响, 测距结果都在0.6%以内, 测距效果较好。在仿真中还发现, 随着故障角接近90°, 故障暂态特征更加明显, 充电和放电频率对应的幅值也随之增加, 给频率的精确识别带来了方便。
4 结论
放电故障定位 篇5
电力变压器绝缘性能是保证其正常、可靠运行的极为重要的因素,而影响绝缘性能的重要因素之一则是局部放电现象[1]。对变压器局放进行检测、定位,能及时发现并排除绝缘故障隐患,避免突发事故,维护电力系统安全、正常运行。
为了能使用电气方法对变压器中的局部放电源进行定位,需要了解不同位置发生的放电脉冲沿线圈传输至测量点时的变化规律,探求放电位置不同时脉冲传输的差异。在变压器的局部放电检测中,一般可以从各线圈出线套管的末屏接地线、外壳接地引下线以及中性点接地线等少数几个测量端获得响应信号。局部放电信号从放电源经绝缘介质、线圈等到达变压器外部的测量装置,即局部放电脉冲在变压器内部传输时,必然会受到多种影响,具体表现为信号能量和幅值的衰减、波形的畸变和延时等[2]。这些影响与变压器线圈的绝缘结构、脉冲传输路径和距离存在一定关系,对此进行深入的分析研究,有助于对变压器局部放电信号进行准确定位。
1 变压器线圈等值电路
在研究变压器线圈局部放电定位时发现,以前所建立的一些等值电路由链式电容网络构成,并在一定程度上反映了变压器线圈的特性,但有很大的局限性。为了更准确地研究局部放电脉冲的传输过程,还需要更全面地考虑等值电路的组成。
等值电路以电容、电感、电阻集中参数网络为基础[3],要求模型在电路特性上与变压器线圈等效。仿真建模主要包括:(1)将变压器线圈划分为若干实物单元,每个实物单元由等效网络中的一个电路单元代表。(2)电路单元由电感性支路和电容性支路组成,建模时要计算各电路单元组成元件的参数。(3)为电路单元的相互连接处(称作节点)编号。将一个或若干个线饼作为一个单元来划分变压器线圈,在仿真模型等值电路中,每个单元包括电感性支路和与其并联的纵向电容性支路以及对地的横向电容性支路。电感性支路反映导线的自感、互感;纵向电容性支路反映线匝间电容、线饼间电容、层间电容;对地横向电容性支路包括单元对变压器外壳、单元对铁心的电容。单元中这些支路的参数可根据变压器线圈的结构形式、导线的尺寸、绝缘厚度等确定。
变压器线圈模型等值电路如图1所示,其中L、M分别为变压器线圈的自感与互感,Ck为纵向电容性支路的等值电容,Cg为对地横向电容性支路的等效电容,R为高频下各种损耗的等价电阻,包括导线中的损耗、铁芯中的损耗和介质损耗。
从图1可见,该模型由n个结构相似的单元组成(如图2所示)。模型等值电路在一定程度上反映出变压器线圈在一定频率范围的特性。线圈模型等值电路两端分别表示高压套管末屏接地和中性点接地,上面均接有检测电阻。当变压器内部发生局部放电时,放电脉冲沿线圈传输到达测量端,从两端的检测电阻上可以得到放电脉冲响应信号。该放电脉冲响应包含了丰富的放电特性和局放定位所需的有用信息,通过对放电脉冲进行分析,可以确定局部放电源的位置。
2 局部放电定位
在模拟变压器线圈中发生单个局部放电源放电情况时,可以把图1简化为图3。x(t)为局部放电信号,h(t)为系统传输函数,k为故障发生点,N为变压器线圈等值电路总的单元数或节数,y1(t)为高压套管处的响应信号,y2(t)为中性点处的响应信号。
2.1 传输函数理论
当局部放电信号在变压器线圈中传输时,可以把线圈看成是一个多端输入多端输出的线性时不变系统,对其特征可以通过传输函数给出精确的数学描述。因此,线性时不变系统可以用图4所示的模块来表述。
时域上的传输函数h(t)可以通过在系统中注入单位脉冲信号或用陡脉冲信号近似单位脉冲信号来求得。如果传输函数h(t)已知,那么任何离散时间的输入信号x(t)和输出响应信号y(t)都能够通过卷积定理给予确定。
2.2 定位原理
根据变压器线圈模型的结构特征,可以把等值电路分为N节,那么有(N-1)个节点处可能会发生局部放电,如图3所示。假设局部放电发生在k节点处,把放电点到高压套管处和中性点处的传输路径分别看成两个系统,则根据信号与系统的理论知识可知,在高压套管处和中性点处检测到的输出响应信号为局部放电信号与系统传输函数的卷积[4],即:
那么图3所示的系统内部局部放电信号x(t)的计算式为:
而在每个节点处计算得到的两个信号中,最相近的那一组即为局放发生处。
2.3 定位算例
160kVA/10kV分段层式干式变压器实体模型如图5所示。该模型高压线圈分为4段,每段5层,共20层,具体参数见表1。
根据分段层式干式变压器实体模型的特点,设置线圈模型等值电路单元数或节数为20,则等值电路的节点编号为1～19。在图3的变压器线圈某节点注入波前时间为20ns的双指数脉冲模拟局部放电源,波形如图6所示,表达式为:
算例中设置单个局部放电信号x(t)位于k节点,从高压套管处和中性点处得到的响应信号如图7所示。
由图7可知,响应信号y1(t)在1.18μs到达第一个电压峰值;响应信号y2(t)在4.66μs到达第一个电压峰值。由此可知,在传输中局部放电信号发生了幅值衰减、波形严重畸变并伴随着时延等现象。随着局部放电点离两端位置的远近不同,峰值电压出现的时刻有较大差别。算例中线圈为20节,左边高压套管处的响应信号y1(t)出现峰值电压的时间明显较右边中性点处的响应信号y2(t)早3.48μs,由此可以初步判断局部放电位置距高压套管较近。
对高压套管处和中性点处测得的响应信号和前面已经算得的传输函数,分别用式(5)、式(6)求频域内对应节点的信号,然后将这些计算得到的信号进行FFT逆变换得到时域内各节点对应的信号波形并进行比较,如图8所示。
从图8可知,局部放电信号一定在第4号节点处,因为在各对应节点计算得到的两个信号的相互比较中,只有第4号节点的两个信号最为相似。利用传输函数对单个局部放电点的定位做过多次验算,证明了定位的可靠性。
图9为4号节点到高压套管与中性点之间传输函数的幅频特性。
由图9可知,两个频谱的相似特点是在较低频段,幅频特性中出现多个谐振点,导致响应信号波形畸变;而在较高频段,频谱较为平坦,即传输过程对信号的影响基本上只是衰减;随着传输距离的增加,响应信号的能量衰减逐渐增大。因此,研究信号能量的变化规律,也能够为局部放电点的定位提供依据。
3 结束语
研究表明,本文介绍的变压器线圈局部放电模型和定位方法是合理可靠的,并且可以得出以下几点结论:
(1)在变压器设计阶段,通过改变变压器线圈的结构形式、导线的尺寸、绝缘厚度等,可以得到不同的电感、电容、电阻等参数值。基于这个特点,可以合理地确定变压器线圈结构。
(2)基于传输函数理论的变压器线圈局部放电定位方法能有效地对局部放电点进行定位,多次的验算结果显示了其定位的准确性和可靠性,因此,它为变压器局部放电在线监测系统提供了依据。
(3)可以测定明显的放电位置,并且可以估计信号能量的大小,因此,这种方法为进一步判断绝缘状态的好坏及估计绝缘材料的内部损坏程度提供了依据。
(4)研究还存在一些需要改进的地方,如变压器线圈模型等值电路的建立、局部放电信号在线圈中传输的情况等都需要在试验中深入研究。
对于变压器制造厂家和现场监护人员来说,在确定变压器内部存在局部放电的同时,需要快速准确地对局部放电进行定位,这对迅速排除故障、保障电力系统的正常运行具有重要意义。
摘要：建立局部放电脉冲信号在变压器线圈中的传输模型,模拟局部放电信号在线圈中的传输过程。根据变压器线圈模型等值电路,研究不同位置输入的局部放电信号与其它节点输出响应信号之间的关系,提出基于传输函数的局部放电定位方法。
关键词：变压器线圈,传输函数,局部放电,定位
参考文献
[1]桂峻峰,高文胜,谈克雄.变压器绕组局部放电脉冲响应的相关分析及电气定位[J].清华大学学报(自然科学版),2003, 43(3):304-306
[2]高文胜,桂峻峰,谈克雄,等.局部放电信号在电力变压器绕组传播过程中的畸变[J].中国电机工程学报,2002,22(4): 31-36
[3]Z.D.Wang.Partial discharge location in power transformers using the spectra of the terminal current signals[C].Proc.of the 11th Intern Symp.on H.V.Eng.1999,S10-5:58-61
放电故障定位 篇6
关键词：GIS局部放电检测,定位技术,现场应用
在我国电力系统中GIS局部放电检测和定位技术出现于20世纪80年代, 并且在这之后随着GIS设备服役时间的增长以及全新的GIS设备的不断投运, GIS设备的出现故障的次数呈上升趋势。因此对于运行中GIS设备的绝缘性能进行跟踪检测也就成为了进行GIS状态检修风险评估的重要手段之一。
1 GIS局部放电检测和定位技术
GIS局部放电检测和定位技术是一项系统性的技术, 这主要体现在超声波定位法、声电联合定位法、便携式定位技术等环节。以下从几个方面出发, 对GIS局部放电检测和定位技术进行了分析。
1.1 超声波定位法
超声波定位法是比较常见的GIS局部放电检测和定位技术, 这一技术的原理主要是GIS内部产生局部放电信号的时候往往会产生冲击的振动及声音, 因此可以用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。除此之外, 在与其他定位技术进行对比时, 超声波定位法由于具有不受电气方面的干扰的优越性而得到了较多的应用。但是超声波定位法的应用对于大型的设备往往较为依赖, 因此在实际的现场应用过程中仍旧存在着较多不便的因素。
1.2 声电联合定位法
声电联合定位法是一种根据现场运行的GIS的结构特点来进行定位的定位技术。通常来说这一技术的应用可以有效的对于GIS进行局部放电在线监测。除此之外, 声电联合定位法的合理应用还可以通过对于两种信号的对比分析来更加有效地排除现场干扰并且更好地提高局部放电定位精度和缺陷类型识别的准确性, 最终可以有效发现并确定绝缘缺陷并且实现GIS的安全维护。
2 GIS局部放电检测和定位技术现场应用
GIS局部放电检测和定位技术的现场应用包括了许多内容。其主要内容包括了应用前提、应用范围、应用实例等内容。以下从几个方面出发, 对GIS局部放电检测和定位技术的现场应用进行了分析。
2.1 应用前提
GIS局部放电检测和定位技术的现场应用有着相应的应用前提。由于气体绝缘组合电器 (Gas Insulated Switchgear, GIS) 会受到内部杂质和毛刺以及部件松动甚至是接触不良等问题的影响, 并且在严重的情况下会导致绝缘老化等现象。在这一情况下如果发现测试数据的可靠性没有办法得到保证, 则可以结合GIS内部SF6气体快速检测进行综合分析来更好地确定设备运行状态。目前采用的GIS局部放电检测和定位技术需要比较灵活、快速、简洁的有效手段来支持。这一手段通过提升其抗干扰能力并且优化现场应用环境来促进GIS局部放电检测和定位技术的现场应用水平的有效提升。
2.2 应用范围
GIS局部放电检测和定位技术的现场应用也有着自身相应的应用范围。通常来说在线检测的进行往往是不会影响GIS的正常运行的。因此在进行GIS局部放电检测和定位技术的现场应用时应当考虑到其相应的抗干扰能力。例如可以采用特高频电磁波传感来有效避开了电晕放电等干扰信号。除此之外, 检测灵敏度也是影响到其应用范围的重要因素, 这意味着检测灵敏度高的情况下能够更好地实现精确定位并且操作也更加灵活方便, 从而能够在此基础上促进GIS局部放电检测和定位技术的现场应用效率的不断进步。
2.3 应用实例
在GIS局部放电检测和定位技术的现场应用过程中我们还需要考虑到对于实际的应用实例进行分析。例如江苏某一大学根据基于声电联合检测法的便携式GIS局部放电检测系统在我国数个省份进行了GIS变电站的现场实测并且在这一过程中取得了很好的效果。另外, 在GIS局部放电检测和定位技术的现场应用过程中某电力企业通过确定绝缘缺陷的具体位置更好地进行设备安全维护, 最终促进了GIS局部放电检测和定位技术的现场应用可靠性和精确性的有效提升。
3 结论
根据电力系统发展速度的持续加快, 气体绝缘全封闭组合电器的应用越来越多广泛。因此在电力系统中GIS局部放电检测和定位技术有着更为重要的意义, 并且通过现场应用的进行来促进我国电力系统整体水平的有效提升。
参考文献
[1]肖燕, 郁惟镛.GIS中局部放电在线监测研究的现状与展望[J].高电压技术, 2005, 31 (01) :47-49.
[2]姚勇, 岳彦峰, 黄兴泉.GIS超高频/超声波局放检测方法的现场应用[J].高电压技术, 2008, 34 (02) :422-424.
放电故障定位 篇7
关键词：特高频,检测技术,局部,放电源,定位
局部放电现象是变压器、GIS、电缆等电气设备的绝缘介质在长期运行中发生裂化的一种重要表现。局部放电是因为电气设备的绝缘介质局部发生缺陷造成的非贯穿性放电现象。所有的电气设备的绝缘介质都是由非铁磁材料制成的, 具有非常良好的绝缘性能。与铁磁材料相比, 这些绝缘材料的绝缘性能很好, 可以保证电气设备使用的安全性和稳定性, 但是从另一方面来说, 这些绝缘材料的材质的耐用性比较弱。在长期的使用和运行过程中, 这些绝缘介质会因为线路发热或者环境的其他因素发生局部的缺陷, 比如产生裂缝、气泡和电极毛刺等。这些局部的缺陷就是造成电力设备发生局部放电的主要原因。电力设备如果长期持续地发生局部放电现象, 会对绝缘材质形成进一步的破坏, 最终导致绝缘材质被完全破坏, 造成电力设备故障、引起火灾等重大安全问题。为了防止局部放电现象的危害性扩大, 在局部放电的问题发生后要及时找到局部放电源位置并对局部放电的问题进行排除。对局部放电源进行定位对于局部放电问题处理至关重要。目前用于局部放电源检测定位的方法有很多种, 包括超声波法、紫外成像法、脉冲电流法、特高频法、红外检测法等方法。其中, 特高频检测技术的防干扰性和灵敏性比较高, 对于对局部放电问题的早期发现比介损测量和色谱分析以及气体分析等方法有效得多。因此, 研究采用特高频检测技术的局部放电源定位方法具有非常重要的意义。
1 局部放电特高频定位原理
特高频检测技术是一种通过检测局部放电发出的电磁波信号来进行局部放电定位的检测技术。与其他检测技术相比, 特高频检测技术具有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度, 且对所有的放电类型都比较敏感。因此特高频检测技术的应用范围非常广泛, 涉及了局部放电研究的诸多领域。
局部放电特高频定位技术是指通过获得局部放电发出的500~3000MHz的特高频电磁脉冲信号来定位局部放电的位置。当局部放电在很小的范围发生时, 由于气体击穿过程很快, 所以每一次局部放电都伴随一个非常陡的脉冲电流, 并且脉冲电流会向周围辐射出特高频电磁波。因为电气设备的绝缘结构均为非铁磁材料, 绝缘性能比较好, 可以透射超高频电磁波信号, 所以当局部放电发生后可以通过绝缘结构向外辐射很高频率的电磁波。这些电磁波中的特高频分量非常丰富, 运用电容传感器或者微波天线就可以捕获到这些电磁波信号。在得到电磁波信号之后通过定位方法对电磁波进行分析, 对放电源进行准确定位。
目前, 局部放电特高频定位技术采用频率最高的定位方法是到达时间差定位方法。到达时间差定位方法的基本思想是通过计算电磁波从放电源到不同传感器的时间差, 利用相关算法获得放电源与传感器之间的距离, 再通过空间搜索来完成局部放电源的定位工作。
2 基于特高频检测技术的局部放电源定位方法
2.1 到达时间差的定位算法
假设待检测的电气设备的局部放电源P的位置为 (x, y, z) , 传感器的位置为 (xsi, ysi, zsi) , 则电磁波从放电源到传感器的位置的传播时间为:
将式1) 变形, 可以得出式2) , 即
其中, ti为电磁波信号从放电源到达传感器si的传播时间, v为信号在均匀介质中的传播速度。
假设参考传感器为s0, 电磁波信号从放电源到达传感器s0的传播时间为t0, 传感器si (i=1, 2, 3, 4) 与参考传感器s0的时间差为t1i, 电磁波信号从放电源到达传感器si的传播时间ti=t0+t1i, 将上述参数带入式2) , 得到方程组为:
通过检测设备测得时间差t1i (i=0, 1, 2, 3, 4) 后, 再带入方程组3) 中, 计算出x, y, z的具体数值。从上述算法可以看出, 局部放电源的定位的准确度主要跟时间差估计和传感器位置参数有关。在采用时间差定位法确定放电源位置时, 要注意以下三个方面:第一, 要重视时间差估计工作。时间差的精确度直接关系到放电源定位结果的精确度。第二, 要确保传感器的参数数值的正确性。传感器的位置参数的准确度也会对放电源定位结果的准确度产生非常重要的影响。第三, 要选择合适的算法来完成方程组的求解工作。方程组3) 属于非线性方程组, 的计算过程比较复杂, 耗费时间比较长。选择合适的算法对于获得放电源的准确数值至关重要。本文采用了最小二乘法求解方程组3) , 以获得放电源位置的物理坐标。
另外, 由于方程组3) 求解过程比较复杂, 耗费的时间比较长, 而且经常会出现无解的情况。为了使得检测过程可以顺利进行, 在采用特高频检测技术对局部放电源进行定位时可以引入其他的算法进行配合, 以弥补上述算法的不足。
2.2 到达时间差的获取方法
时间差的准确度会直接影响到局部放电源检测结果的准确度, 因此在采用特高频检测技术对局部放电源进行定位时要重视时间差获取工作。获取到达时间差的方法主要分为两种, 一种是选择信号的具有特征的某一个点, 将不同信号在这一特征点上的时间进行相减获得时间差;另一种是基于信号的相关性, 通过分析对不同信号间的时间差进行估计。获取到达时间差的具体方法主要有信号初始峰值法、相关性时间差估计法、能量累积法和能量最小值法等。
2.2.1 信号初始峰值法
2.2.2 相关性时间差估计法
互相关法是基于信号相关性来分析估算不同信号间的时间差的一种方法, 也是时间差估计的经典算法。
相关性时间差估计法主要是利用获取的电磁波信号之间的相关性, 通过计算两种信号数据之间的相关函数, 得到这个函数的峰值, 从而获得两种电磁波之间的时间差。
假设参考传感器s0获得的电磁波信号为x0l (l=1, 2, 3…N) , 其他传感器si的信号为xil (i=1, 2, 3, 4) , 下文以s1为例, 利用相关性时间差估计法求算s1与s0之间的时间差。首先, s0与s1之间的互相关函数R (m) 如下:
R (m) 的最大值的对应值为M, 所以s1与s0之间的时间差的计算公式为:
由于不同频率的信号的衰减速度存在差异, 再加上不同电信号在传播通道中的折射反射作用不同, 使得检测到的电磁波信号存在变异。因此, 采用相关性时间差估算法获得的时间差存在一定的误差。
2.2.3 能量积累法
能力积累法是指通过将超高频信号的电压波形转化为累积能量曲线来确定信号之间的时间差的一种计算方法。由于超高频信号的能量与电压平方成正比, 可以将超高频信号的电压波形转换成超高频信号能量相关值。将电压波形转换成能量相关值后, 再以时间为横坐标, 累积能量为纵坐标, 作出累积能量曲线, 如图2。
如图2所示, 积累能量曲线的趋势是先缓慢上升, 到达拐点后开始上升速度加快, 上升趋势明显, 上升到某一点后开始趋向水平。拐点主要是局部放电的电磁波信号远远强于背景噪音的干扰的情况下出现的。因此, 该拐点可以视为局部放电发生的起始时刻。通过对两条曲线的拐点的时间进行相减得到两种信号之间的时间差。
2.2.4 三种获取到达时间差的具体方法的优劣比较
经过比较, 三种方法各有优势和劣势, 要根据使用的具体情况进行判断。首先, 信号初始峰值的获取方法简单易行, 不需要经过复杂的计算过程也不需要精密的仪器相配合, 但是采用信号初始峰的获取方法获得的时间差的准确度不高, 而且容易受到背景噪音、信号折反射等因素的影响, 精确程度达不到要求。其次, 采用累积能量曲线法获取时间差的过程也比较简单, 计算过程也比较简单, 但是由于拐点的选取标准没有统一, 存在一定的不稳定性。最后, 采用相关性时间差估计法的精确度比较高, 常用于互相关函数的主极大峰很尖锐的情况下。然而, 在实际应用中, 由于背景噪音影响和折反射等因素的影响, 会使得获取的电磁波信号存在误差, 造成互相关函数出现多个较大峰值或者无较大峰值等无明显极大峰的情况。因此, 相关性时间差估计法的精确度比较高, 但是存在一定的不稳定性和数据误差, 应用范围受到一定的限制。
3 结语
综上, 为了减少局部放电现象对电气设备的进一步破坏, 避免更加严重的后果发展, 要及时发现局部放电的位置并对问题进行排除。特高频检测技术是目前局部放电源定位方法中最有效的一种。特高频检测技术具有较强的抗干扰性和灵敏度, 对所有的放电现象均具有敏感性。局部放电特高频定位技术需要采用相关定位方法来对感应器捕获的电磁波信号进行分析和计算, 到达时间差定位方法是最常见的方法之一。时间差定位方法的最根本计算参数是时间差。目前, 时间差的获得往往需要依靠高精密的仪器来进行, 这给局部放电检测工作带来了很大的不便。希望在以后的研究中, 我们通过不断的实践和研究, 可以突破这一难关, 使得局部放电检测工作进展更加顺利, 检测结果更加精确。
参考文献
[1]高文胜, 丁登伟, 刘卫东, 冯瑞.采用特高频检测技术的局部放电源定位方法[J].高电压技术, 2009.
[2]彭超, 阮江军, 黄道春, 雷清泉, 周瑜.基于特高频谱图统计参量的局部放电定位方法研究[J].电机与控制学报, 2014.
放电故障定位 篇8
局部放电是发生在介质中的局部击穿现象,电气设备在工作电压下的局部放电是使绝缘老化并发展到击穿的重要原因,因此局部放电检测对于及时发现设备绝缘缺陷,避免绝缘击穿具有重要意义[1]。而局部放电源的定位则可对设备缺陷进行针对性处理,减小停电时间并提高检修效率。对于敞开式变电站,站内有变压器、互感器、避雷器、导线、套管等多个一次设备,任何一个设备都有可能发生内部的或者外部的放电。目前除了对变压器等大型贵重设备施加局部放电在线监测外,由于成本原因对其余设备基本未施加在线监测装置。而站内任何设备的绝缘击穿都可能会导致事故的发生,威胁电网的安全。因此研究可对敞开式变电站全站设备的放电情况进行检测并进行局放源定位的检测装置,对于设备的安全维护具有重要意义。
局部放电的检测与定位方法目前有超声波法、特高频法等,超声波法在空间的衰减较快,目前主要用于变压器的局放源定位,而不适合于空间定位[2]。特高频法自从英格兰Strathclyde大学提出后,在GIS和变压器局部放电的检测上得到了广泛应用[3]。其基本原理为当介质中发生局部放电时,会辐射出电磁波信号,通过对电磁波信号的检测,从而进行局部放电的检测。
为了对敞开式变电站的全站设备进行局部放电的检测和定位,本文研究了基于空间电磁波信号检测的车载式电气设备局部放电定位系统。其基本思路为通过在检测车的顶部安装四个天线,进行设备产生局部放电时空间电磁波信号的耦合,并计算出放电源的位置。本文对该系统的组成及实现方案进行了阐述,并通过实验室测试证明了该方法的有效性。
1 系统组成
当局部放电发生在设备内部时,如变压器内部的油纸绝缘,一方面放电所产生的电磁波信号可以通过套管向外传播,另一方面电磁波在传播的过程中遇到障碍物或者孔的尺寸与电磁波波长λ相近或小于λ时,会发生明显的衍射现象,此时电磁波会离开直线传播的路径而绕道障碍物背后传播。而局部放电所激发的电磁波具有频率范围广的特点,因此即使是发生在设备内部的放电,也会通过箱体夹缝或者GIS盆式绝缘子等传播出来。
当设备外部发生放电时,如常见的金属尖端、接触不良导致的悬浮电位等,也会产生电磁波信号,与在变压器等设备内部产生的放电不同,此时的放电脉冲前沿要缓,其所激发的电磁波信号频率范围会集中在低频段,这主要是与发生放电所在的介质不同有关。研究表明当介质绝缘强度高时,其所产生的放电脉冲上升沿陡,激发的电磁波信号频率高;而当介质绝缘强度低时,其所产生的放电脉冲上升沿缓,激发的电磁波信号频率低。由此可见,在对整个变电站设备进行监测时,由于放电可能发生在设备内部,也可能发生在设备外部的金属部件中,因此监测频带要求覆盖到整个可检测范围,根据以上分析,传感器采用宽带传感器,其频带范围为10MHz~1GHz。传感器采用圆锥传感器,其结构如图1所示。
系统组成如图2所示,其中采集装置采用高速示波器TEK7104,具有1GHz的带宽,2.5GHz的采样率。
四路传感器可安装在车顶,通过电缆将信号引入到检测车内,示波器、存储硬盘、UPS及上位机位于车内,组成车载式定位系统,如图3所示。
整个系统采用车载方式具有使用灵活、检测方便的优点,可沿敞开式变电站的巡检路线行驶进行移动式检测,从而达到多个位置检测和定位的目的,大大提高了定位的准确程度。
2 定位原理
对于本系统,四个传感器架设在一个水平面上,而且对于敞开式变电站,设备距离检测车的距离相对较远,因此设备如果存在局部放电,放电产生的电磁波信号到达传感器的角度区域往往不超过±5°,因此可忽略设备的高度,将设备当做是平面上的一个点进行2-D定位[4]。由于本系统是车载式系统,可在移动过程中不断调整测试位置进行实时测量,因此=采用2-D定位在现场最具有实用性。
2-D平面中传感器的布置和局放源到达传感器的关系如图4所示。
在图4中,1、2、3、4为四个布置在一个平面上,呈现矩形的传感器组,四个天线的中心定义为O点,以此建立笛卡尔坐标系,局放源坐标为(x,y),则有如下方程:
式中c为光速,(x k,y k)为第k个传感器的坐标;tk是放电信号到达第k个传感器的时间,τ是信号发出时刻的时间,则(tk-τ)为信号经过放电源与第k个传感器之间距离所用的时间。
可以看出,局放电磁波到达不同传感器之间的时延(时间差)估计是保证定位计算准确的关键因素。系统采用信号的累积能量法进行时延的计算。
放电产生的电磁波信号可以转化为累积能量曲线来确定信号之间的时间差。累积能量X可以按照如下公式进行计算:
式中:
Vk——信号波形上的第k个点的值。
计算出累积能量X之后,以时间为横坐标,累积能量为纵坐标,做出信号的累积能量曲线,信号时域波形和累积能量如图5所示。信号的能量总是稳定的衰减,所以累积能量曲线最终趋向于水平,其最终的纵坐标值代表了接收天线全部接收的能量。曲线的趋势是,先缓慢上升,然后在一点处开始急剧上升,到最终趋于水平,曲线上出现急剧上升的点称为拐点,此时放电信号开始超过背景噪声。信号时延可以通过比较每条曲线的拐点处的时间得到。
通过以上方法即可求出时延,并代入式(1)所示方程组,即可求出局放源位置。
3 实验室应用
实验室中采用在一个110k V避雷器作为放电源,将试品避雷器的多片伞裙割破,并将3个铁钉在避雷器垂直等距分布打入避雷器的环氧树脂层,再用扁铜导线将三铁钉连接,与避雷器顶端和底端保持约30cm距离,然后在伞裙上喷水,人为制造一个避雷器外绝缘损坏的放电试品,试品如图6所示。
实验室试验中将避雷器放置在检测系统正前方10m处进行定位试验,同时采用英国DMS特高频局放测试仪进行辅助检测。当外加电压升高到45k V时,本系统和DM测试仪均检测到明显的放电信号,其中DMS的检测结果为污秽放电;本测试系统所采集到的信号如图7所示。
图7a为完整的2μs内的检测信号,图7b为四路传感器检测得到信号的波头部分,可以看出,由于试品处于系统正前方,传感器1和传感器2的信号基本同时到达,传感器3和传感器4的信号基本同时到达。多次测量定位结果为放电方位角为85°~95°之间,定位结果与实际结果基本吻合,其中某单次局放事件的定位图如图8所示。
由于避雷器加压试品的位置固定,此时移动车载检测系统,将天线传感器逆时针旋转90°,进一步测试该系统的定位准确性,如图9所示,某单次局放检测的定位结果为1°~17°之间,定位结果与实际结果接近。
4 结束语
放电故障定位 篇9
当电力设备在运行状态下的时候, 会因为绝缘材料的老化等原因而产生局部放电, 因此对局部放电进行监测是为了能够及时的发现电力设备中存在的绝缘缺陷, 从而预防因局部放电而造成大面积的电网停电事故。
由于局部放电电流的脉冲会造成高频空间的电磁波辐射, 再加上超高频监测频带比较宽, 与以往的脉冲电流监测方法相比, 具有更多的局部放电数据信息。
因此, 基于超高频电磁波的局部放电空间定位方法, 对电力设备, 尤其是高压电力设备局部放电进行监测和定位, 具有重要的作用和意义。
1 电站局部放电空间定位方法概述
1.1 电站局部放电定位监测的优点
随着传感器和故障诊断技术的不断发展, 使电力设备运行状态的检测增添了更多的技术支持, 而对于局部放电定位监测的方法, 在高压电力设备绝缘领域中也得到了普遍的应用, 和传统的在线检测方法相比, 局部放电定位监测具有以下几个方面的优点。
1) 局部放电进行测试能够是在设备运行状态的条件下, 从中可以获取在停电检测中无法拥有的数据和信息, 从而能够及时的将绝缘材料老化所潜在的故障得以实现, 为设备的风险进行综合评估给予更多的数据支持;另外还能够防止因为需要停电进行试验而使电气设施出现不必要的损失, 使设备的使用寿命得以延长。
2) 通过使用局部放电检测能够对电力设备在设计、制造中可能存在的绝缘缺陷进行及时的发现, 并且采取相适应的措施进行及时的处理。
3) 由于在局部放电定位监测过程中所使用到的传感器具有比较高的灵敏度, 从而能够对绝缘材料中因出现老化、局部放电的部位而产生的电磁波进行有效的采集, 之后再运用计算机诊断系统对设备中拥有的绝缘情况进行整合性的诊断和分析, 从中使检修的效率和质量得到大幅度的提高。
1.2 电站局部放电定位现有方法的缺点
目前, 在对局部放电定位的方法中主要有电气参数定位法、超声波定位法、超高频电磁波侦测法三种, 但是在实践过程中, 电气参数定位法的操作相对来说具有一定的复杂性, 并且不具备良好的通用性, 在现场特别容易受到电磁的干扰而造成影响, 因此不适用在对局部放电的在线检测上;超声波定位法由于在空间传递的程度衰减比较快, 尤其是在不同的介质中进行传播的时候, 所拥有的速度完全不同, 只能够几十厘米内进行小范围的准确定位;而超高频电磁波侦测法虽然能够对常规局部放电测量中出现的电晕、开关等各种电气干扰进行有效的躲避, 但是由于超高频电磁波的传播速度非常快, 因此对时间延误差具有很强的敏感性, 对局部放电进行定位极有可能会因为微小的时延误差而造成失败。
2 基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位的实验
2.1 实验平台的建立
由于在常规的电站中各种类型的电气设备都会不可避免的会在发生绝缘故障之前而出现局部放电的情况, 而由其局放信号所产生的电磁波信号却能够通过不具有屏蔽效果的套管、绝缘材料、油等向电站空间进行传输。
为了能够更好的进行局部放电监测和定位, 首先需要构建一个基于超高频电磁波的局部放电测量系统, 在系统中包括了检波器、微带全向天线、数字示波器、计算机等多种设备。在实验的时候需要对局部放电而产生的超高频电磁波的单次放电信号以及150个工频周期的统计波形进行收集, 其中, 数字示波器是用来采集电磁波信号单次的波形以及统计谱图的, 计算机则是用来对电磁波信号单次波所拥有的波形特征量及统计谱图参数进行提取。
如图3、图4所示, 图3是局部放电试验系统图, 图4是局部放电电磁波测量机数据采集的系统接线图。
2.2 精确定位方法的计算原理
由于在电站中各种电气设备都会相应的封闭在一些接地性的金属外壳内, 因此当发生绝缘故障的时候很难及时的从外部对故障的位置进行判断, 因此在以往传统的检测方法中单单就对绝缘故障发生的位置进行确定就要浪费很多的时间, 若是能够及时的对电站局部放电源进行及时准确的定位那么不仅能够使查找故障源的时间缩短, 而且还能够有效的提高工作效率。
在一般情况下, 变电站内部的噪声频率通常都会在300MHz以下, 因此利用超高频电磁波中的300~1500MHz频段就能够对噪声的干扰进行有效的避开, 从而使定位的精确度得以提高。
目前, 在寻找局部放电源相近位置的时候, 为了避免出现较大的计算量以及将计算进行简化, 都会采用空间快速搜索法来进行, 也就在空间坐标系中将三维搜索区域进行等效的分为若干个小网格, 就如图5所示。
通过利用网格, 运用以下公式进行计算:
其中, L0k1为传感器到放电源的距离, 而i=1, 2, 3。由fk0= (L0K1, L0k2, L0k3) , fk= (LK1, LK2, LK3) 组成的空间向量方程进行求出两者存在的空间距离, 然后通过对不同的网格点K进行依次改变, 当dk最小的时候, 那么其所对应的网格也就是离放电源最近的位置。
3 实验结果分析
3.1 现场测量的在线系统
由于在现场所采用的是微带天线传感器, 其所具有的带宽为10~3000MHz, 所具有的优点主要有宽频带、高测量频率、大信息量以及具有较强的抗干扰能力。
在实验中将两个超高频传感器安装在试验的每一台变压器上, 可以分别在变压器的下方底座以及上方检修孔存在的绝缘缝隙地方进行安装, 如图6所示。
因为在现场还具有外界产生的电磁波的干扰, 因此有必要在传感器外面加多一层金属外壳, 以此来将外界产生的干扰进行屏蔽, 只是在缝隙的那一面上对准, 留出开口来对变压器内部产生的电磁波信号进行接收。
同时由于微带天线的耦合电磁波具有一定的方向性, 因此外界产生的对电磁信号进行的干扰性能够进入到传感器的入射角度相对来说很小, 再加上当干扰信号传递到传感器的时候已经得到了严重的衰减, 因此能够对传感器外面的电磁干扰进行有效的屏蔽。
另外, 可以将在变压器附近安装的一台工控机进行充分的利用, 对两个传感器所偶和道德超高频信号进行同时采集, 在系统中所具有的采样率为1×109s-1, 而所需的采样时间为1μs, 在进行连续采集的时间最好控制其的间隔时间为2h, 同时运用光缆将收集到的数据进行及时的传送到处于电站的主控制在线监测服务平台上, 如图7所示是传感器检测到的局部放电产生的电磁波信号。
3.2 现场测量的结果分析
为了验证系统现场能够在具有强干扰环境下进行正常运行的效果, 可以选择在500k V的变电站进行对现场系统测试的试验, 如图8所示则为监测系统的现场测试图, 而天线则可以安装在具有可移动性的支架上, 当天线安装之后所得出的坐标则如图9所示, 并且利用模拟放电源对其进行相应的验证。
当示波器将放电源所发出的超高频电磁波信号数据进行采集之后, 运用系统对信号数据进行相应的分析和定位算法计算之后, 可以得出测试位置1的平均位置坐标是 (5.46m, 0.68m, 0.58m) , 测试位置2的平均坐标是 (0.26m, 9.34, -0.18m) , 而实际上的模拟放电源的真实位置坐标分别是 (5.3m, 0.7m, 0.6m) 和 (0.1m, 9.5m, 0) , 由此可见, 放电源在10m的范围内进行定位的结果误差比20cm小, 因此能够完全满足于对变电站全站的局部放电进行精确定位的要求。
4 总结
综上所述, 通过对基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位方法进行介绍, 从对电站局部放电空间定位方法的作用、优点、缺点进行简单的介绍之后, 再将基于超高频电磁波的传播和定位原理进行介绍, 通过实验平台进行相应的实验之后可以得出, 基于超高频电磁波上的对电站局部放电监测和定位的方法具有明显的优势, 其在使用过程中拥有较高的灵敏度, 再加上电磁波的波速具有一定的稳定性, 信号比比较高等的特点, 能够将局部放电的大致区域进行快速的查找, 能够充分额度满足电站中对局部放电的监测和放电空间进行精确的定位, 从而为电力设备的安全运行提供必要的保障。
摘要：对高压电力设备的运行状态进行评估的其中一个方法就是对局部放电进行测量和诊断, 但是在现阶段对局部放电进行监测主要还是采取对单个设备进行监测为主要的办法, 而在测试的过程中, 所需要的测试仪器以及程序相对来说比较大, 难免对电站局部放电空间定位具有一定的缺陷, 而目前基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位方法, 能够对电力设备的查找存在的缺陷上具有明显的优势, 因此在对高压电力设备的运行状态进行测量和诊断具有良好的发展应用前景。
关键词：超高频电磁波,电站,局部放电,空间定位
参考文献
[1]侯慧娟, 盛戈皞, 苗培青, 李秀卫, 胡岳, 姜秀臣.基于高超频电磁波的变电站局部放电空间定位[J].高电压技术, 2012.
[2]郑波, 靳海军.基于超高频电磁波和超声波精确定位局部放电的方法[J].山东电力高等专科学校学报, 2013.
[3]沈志祺.GIS超高频局部放电在线监测技术应用研究[J].科技信息, 2011.
[4]黄凤萍, 刘开贵.超高频在线监测技术在GIS局部放电检测中的应用[J].南方电网技术, 2013.
[5]赵煦, 孟永鹏, 成永红, 吴锴, 高飞.变压器现场超高频局部放电信号的时域特征分析[J].西安交通大学学报, 2011.
[6]彭超, 阮江军, 黄道春, 雷清泉, 周瑜.基于特高频谱图统计参量的局部放电定位方法研究[J].电机与控制学报, 2014.
[7]叶海峰, 钱勇, 王江, 盛戈皞, 江秀臣.用于变电站放电源空间定位的特高频传感器研究[J].电力系统保护与控制, 2013.