摘要：现阶段，电力事业迅速发展。开关柜是重要的配电设备，包含断路器、隔离开关、互感器等主要部件，其安全稳定运行是电网可靠供电的重要前提。相比于传统敞开式设备，开关柜具有自动化水平高、占地面积小、可靠性高等优势。但在实际运行中，受制造、运输、安装和运行各环节中不利因素的影响，近年来由开关柜电缆终端接头安装工艺不佳造成的柜内绝缘薄弱或损坏等故障时有发生。利用局部放电带电检测技术，可在开关柜正常运行过程中实现对设备状态的评估，从而保证持续供电。对于开关柜的局部放电带电检测，常采用暂态地电压法和超声波法。

关键词：开关柜；局部放电；故障定位；研究

引言

由于高压开关柜结构限制，侵入式开柜检查维修需要进行停电操作，电力公司很少轻易地进行侵入式检修，因此随着开关柜数量增加带来的检修工作量的增加，就需要应用实时监测和评估诊断技术来检测开关柜的运行状态，并就其诊断情况进行定点故障排查、检修。当开关柜内部发生局部放电时，其产生电、声信号在传播过程中存在信号衰减、速度差异等因素，这些因素使得不同位置传感器测得的局部放电信号存在差异，根据此差异可以判断局部放电的位置。局部放电信号在成排开关柜之间进行横向传播，多面开关柜处均能检测到局部放电信号，而开关柜内设备众多、结构复杂，局部放电的声电信号在传播过程存在着折反射问题。如今应用在开关柜中的定位方法，如阵列法、声电联合法、幅值法等，在定位开关柜局部放电时效果较差，面对实际问题甚至无法将局部放电定位到某面开关柜中，影响检修工作的效率。

1级联式局部放电定位系统设计

1.1系统整体架构

根据级联式定位方法的原理，其硬件系统各组成环节应满足如下要求：TEV传感器端的硬件装置能有效检测到局部放电信号，进行初步滤波放大处理，以便在其传输至系统控制处理部分时进行采集，不同TEV传感器之间的数据同步误差应得到有效消除控制；系统控制处理侧应能对局部放电信号进行高采样率的模数转换，接收并显示数据，并控制整个工作电路的运行；检测部分与控制处理部分通过数据总线方式连接，TEV状态控制开关应能可靠开通关断，整个系统应具有良好的控制策略。整个系统主要由TEV检测节点、信号总线、控制处理节点组成。由于变电站现场高压开关柜数量不定，经常需要调整检测节点数量，因此整个系统采用模块化架构。TEV检测节点分布在每个开关柜柜面两侧的主要缝隙处，其由TEV传感器、信号处理电路及状态开关组成，负责采集并初步处理局部放电TEV信号，并根据控制命令切换自身工作状态，以使自身信号根据控制系统要求被访问；信号总线为多芯的同轴电缆，其主要由两条采集通道、处理器控制命令通道、输电通道及接地通道组成，负责将TEV检测节点与控制处理节点连接起来，以完成控制信号及采集数据的传输；控制处理节点由高采样率的双通道ADC、外接计算机、ARM微处理器以及直流电源组成，负责控制系统有序运行、数据采集及定位判断。

1.2检测节点设计

TEV检测节点的简化电路图主要由TEV传感器、滤波放大单元微处理器、状态开关构成。其中TEV传感器的等效耦合电容为C，取压电容为C1，通过此两个电容可将电磁波柜面传播过程中产生的高频瞬时电流转换为暂态对地电压，由此采集局部放电信号并供后续电路处理。电阻R1（50Ω）是用于匹配信号电缆的阻抗，可以避免信号的波形振荡，提高脉冲到达时间的计算准确性。检测节点的所用TEV传感器为双极板耦合类型，其耦合极板采用长40mm、宽40mm、高1mm的方形铜板，且平行放置，两板距离为5mm，中间为PVC填充物。TEV传感器状态开关K1-K6采用G6K⁃2P的高频信号继电器，通过其开通关断的配合可以实现与检测节与信号总线的灵活连接，切换检测节点的工作状态，同时避免了数据采集通道的增多。微处理器采用STM32芯片，其主要负责接受控制处理节点的指令，控制本检测节点滤波放大单元及状态开关的正常工作与状态切换。

1.3定位系统控制逻辑

为有效实现局部放电“定位到柜”的目的，需要根据级联式定位方法工作原理及系统硬件配置进行工作逻辑设计。定位系统启动后，需要先设置本次检测的定位参数，如级联TEV传感器数量（即开关柜数量+1）、局部放电筛选阈值、环境噪声大小、脉冲到达时间提取阈值，并检测控制处理节点与各检测节点的通讯是否正常，以方便后续检测；之后主节点会进行正式定位前的预检测工作，主节点控制各个检测节点处于工作状态，进行TEV局部放电信号的数据采集，以确定各节点是否检测到局部放电信号，以及检测到的局部放电信号幅值大小，以备后续定位工作参考；一旦检测到局部放电信号，即会进入正式定位阶段，按照成排开关柜从左至右的顺序执行定位程序，对各相邻传感器组由左至右分时检测，依次获得各相邻节点的脉冲到达时间差，分时检测中的单个时间段可根据现场情况进行调整，获得足够多的脉冲到达时间差值；之后对脉冲到达时间差值进行校准，并根据差值结果进行定位。

2基于5G专网TEV+AE原理的局部放电模式识别

在5G专网中，利用TEV的工作原理可以监控开关柜体表面瞬态地电压。该方法能够对装置中的局部放电信号进行有效监控，同时还具有较强的抗干扰能力，可以进行对高压开关柜的不停电的局部放电监测。在开关箱内，当发生局部放电时，将产生一种以光速向四面八方迅速传播的高频电流。电流场的趋肤效应会使电流场无法通过金属盒，而是在金属盒中传输。在金属与绝缘连接的位置上，电流波会发生转变，并产生电磁波。电磁波能够在空隙中传播。当电流波经过金属外壳时，在外壳上会形成一个电压，即1TEV。在5G专网的AE原理的基础上，可对高压开关柜的局部放电进行监测，在不改变设备原有运行模式的情况下，可以利用多个传感器和接收到的时差对缺陷进行定位，并且监测过程中不会受电磁的影响。根据上述论述，该文提出一种基于5G专网的TEV+AE原理放电模式识别方式。利用TEV+AE原理，将增强处理后的局部放电信号数据进行局放特征提取，得到归一化的高压开关柜各类典型绝缘缺陷局部放电信号特征。

遗传算法是一种模仿遗传机制和自然界中的优胜劣汰原则的进化算法，具有良好的收敛性能、较少的计算时间和较高的鲁棒性。但是，它也存在编程复杂、无法及时反馈网络信息以及容易发生早熟等问题。为了解决这些问题，该文利用各种群遗传算法来寻找开关柜局部放电模式识别的最优参数。寻优的流程如下：确定编码方式—设置种群规模与种群数量—设定控制参数—设置适应度函数—移民操作—人工选择操作—设置迭代终止判据—选择、较差和变异—解码—输出最优参数。利用最优参数，将其代入上述核函数中，通过核函数的运算得到相应的输出结果，并将其与上述5种不同局部放电类型进行比较，进行对放电模式的识别。

3开关柜局部放电在线监测系统的分析

3.1智能机器人巡检

机器人可按照系统指令，自动定位到需要操作的配电柜旁边，利用开关柜面板识别，自动判断目前开关柜所属状态，在人员反复确认无误后，实施倒闸操作。机器人在到达目的地以后，还可按照巡检系统的指令，识别按钮与旋钮，并执行点按按钮、旋转旋钮的动作，代替人员实施配电柜的基础操作。通过巡检可及时发现设备上的异常，如指示灯异常、指针读数异常、零件过热等。机器人本身带有环境监测模块，可对粉尘浓度、环境温湿度进行监测。机器人实施采集的环境信息可第一时间传输至系统管理平台中。在安全防护方面，雷达扫描周围环境，若发现障碍物在设定的急停区域中，安全雷达输出IO信号至自动化可编程程序模块，该模块通过逻辑处理输出IO信号至驱动器，驱动器就会切断电机电源，此时电机刹车，运动停止，其所具备的3D视觉扫描功能可检测周围环境，把检测数据传输至工控机，通过数据处理，若识别出障碍物处在急停区域，就会马上刹车。机器人运动学主要处理控制参数与系统在空间运动之间的关系，包含有逆运动学、正运动学。

3.2局部放电的判定

在工频周期中，局部放电信号的特征非常显著，各放电种类的统计特性存在差异，可作为放电判定的图像参考。按照所监测的放电信号的分析，对一秒内放电信号的幅值与放电相位进行统计，获得相应图像。悬浮点位体放电集中于电源信号的0°～90°、180°～270°间，也就是正负电压的上升阶段，每次放电的幅值差相对较小。绝缘件内部气隙放电集中在电源正负电压接近峰值的上升处，其放电幅值基本毫无规律，且变化幅度较大，缺乏稳定性。此外，还有金属尖端放电，其主要集中在电源负电压下。

3.3检测超高频信号

局部放电生成的电流脉冲上升沿极短，处于ns级，放电时电源会朝周围辐射电磁波。运用超高频检测法一般在300MHz～3GHz区间选用频带。使用等角螺旋天线接受局部信号，可实现500MHz～1500MHz的工作频率，适用于局部放电的在线监测。由于超高频信号的频率过高，很难对其进行直接分析，须进行降频处理。例如，可设计峰值保持系统，让信号峰值在1m/s内降至1%以内，随时复位峰值，具有较高的可控性。峰值检测芯片的检测范围在50mV～400mV，比信号的动态范围要小得多。所以，放大输入信号的对数，对其动态范围进行压缩，便可满足峰值检测要求。

4局部放电测试分析

对于用低电压器件进行局部放电测试来说，根据所提供的结果，有两个标准来判断器件是否通过了局部放电测试。即起始和消失电压，以及测量的电荷的局部放电。这里假定10pC的局部放电电荷为极限qlimit，这意味着在测试期间，电荷小于10pC被视为没有局部放电。在第一种情况下，当局部放电起始和消失电压至少比最大工作电压Uop高20%时，则在工作期间不能开始局部放电，并且器件已通过。在这种情况下，最大表面电荷只能低于qlimit，否则起始电压将低于工作电压。当起始电压和消失电压低于最大工作电压时，测量的电荷必须即可消失。如果局部放电电荷qmeasured保持在qlimit以下，该装置可以假定为“通过”，但当它高于或等于qlimit时，该装置已经失效。

由于需要人工对老化设备进行长期测量或短期测量，因此设备中允许的局部放电电荷值的定义很难设置。但是，在低电压配置的几种情况下，定义了10pC作为最大允许电荷的值。在这项工作中已经得到随着温度的升高，局部放电电荷减少，所以需要较低的局部放电电荷。因此，10pC被认为是一个有效的第一假设。

在室温下，测试设备将显示有无负面的局部放电行为。但在操作过程中，温度升高，可能导致连续局部放电，从而可能导致设备提前失效。根据电荷的不同，超过10pC的连续或重复PD导致固体绝缘的侵蚀或形成次级效应，如臭氧。因此，局部放电测试不仅应包括室温测量，而且还应包括较高工作温度下的测量，因为它们可以大大降低起始电压。在这里，测量结果为75°C和100°C，但数值可根据待测设备和操作温度进行调整。

此外，根据这里给出的结果，使用“自然条件”样品进行测试，显示了较低的起始电压。与此同时，“自然条件”样品在操作过程中比“干燥”条件下更有可能出现低起始电压。此外，在较高的温度下，“干燥”和“自然条件”情况的行为和数值变得相似。

结语

针对目前开关柜局部放电定位中存在的定位误差大、效率低，甚至难以将局部放电源定位到某一具体开关柜中的现状，提出了传感器级联式的定位方法。在TEV信号时间差比较定位的基础上，采用传感器有线级联的方式，通过双母线分时比较与TEV传感器状态开关切换策略，解决了硬件成本问题，使得单个双通道采集卡能对多面开关柜上的TEV传感器信号脉冲进行采集与比较，从而低成本、高效率地实现了局部放电源定位到柜的目的。

参考文献：

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