基于超聲法的高壓開關(guān)局部放電巡檢儀設(shè)計(jì)

苗 堃，韓 光，齊文炎，趙雙兵，劉 希，李 杰，王金子

（國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源 459000）

1 引言

隨著國家電力需求的日益旺盛，對電力設(shè)備的安全可靠運(yùn)行也有了更高的要求。小型化的開關(guān)設(shè)備自誕生之初，以其對占地面積的節(jié)省而備受青睞。然而隨著開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部的高度集成化，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的距離大大縮減，加之目前受限于絕緣材料單一化，以及工藝未創(chuàng)新等因素，都會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部的局部區(qū)域場強(qiáng)突然升高的分布不均情況，在這過程中，一旦電場強(qiáng)度高于絕緣材料的耐受程度，就會(huì)引發(fā)局部放電。局部放電現(xiàn)象通常不會(huì)直接引起事故的發(fā)生，但其長時(shí)間存在會(huì)造成絕緣結(jié)構(gòu)變化，使絕緣材料表面被擊穿，進(jìn)而誘發(fā)電氣設(shè)備故障。據(jù)中國電力科學(xué)院2018年調(diào)查報(bào)告顯示，40.5 kV以下的開關(guān)設(shè)備中絕緣故障大約占全部故障的35%。

目前對于電網(wǎng)運(yùn)行中的開關(guān)設(shè)備故障維修還停留在停電檢修的層面，這樣的方式存在著諸多弊端。如果局部放電不被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，長期而言必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，造成供電事故；而加大檢修頻率則會(huì)影響正常的生產(chǎn)發(fā)展，損害社會(huì)和人民的利益[1-3]。鑒于此，對于帶電運(yùn)行中的故障發(fā)生前局部放電現(xiàn)象的檢測尤為重要。為此，設(shè)計(jì)一種基于超聲法的高壓開關(guān)局部放電巡檢儀，可以判斷局部放電類型及局部放電程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對帶電運(yùn)行中的高壓開關(guān)設(shè)備局部放電情況的巡檢檢測。

2 檢測原理

當(dāng)高壓開關(guān)柜中的絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣泡且未發(fā)生局部放電時(shí)，內(nèi)部氣體向外擴(kuò)張與絕緣介質(zhì)向內(nèi)擠壓形成的彈性力，與氣泡中電場力相平衡。若電壓繼續(xù)升高，氣泡內(nèi)部所受到的場強(qiáng)超過臨界值，便會(huì)發(fā)生氣體的擊穿，從而引發(fā)放電。放電過程僅持續(xù)幾個(gè)納秒的時(shí)間，但頻繁往復(fù)，諸多氣泡均會(huì)被擊穿，此時(shí)便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)絕緣介質(zhì)的擊穿，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

在局部放電發(fā)生的過程中，由于力平衡狀態(tài)被打破，在力的作用下，介質(zhì)平面會(huì)發(fā)生輕微的移動(dòng)，引發(fā)振蕩現(xiàn)象。振蕩過程中會(huì)在周圍介質(zhì)和氣體中產(chǎn)生超聲波，頻率在20 kHz以上，人耳能夠聽到的聲波頻率范圍為20Hz～20kHz，所以僅僅依靠感官是不可能發(fā)現(xiàn)的，必須借助于超聲波檢測設(shè)備[4-6]。

3 局部放電信號(hào)頻域變換

在超聲波傳感器檢測過程中，通過傳感器直接采集到的信號(hào)只是聲波的時(shí)域波形圖以及其信號(hào)的電壓值大小。時(shí)域的圖中只能顯示出超聲波幅值的波動(dòng)情況，而對信號(hào)各頻率的分布并不了解，這樣就不利于對放電規(guī)律的觀察和總結(jié)。因此必須在時(shí)域圖形的基礎(chǔ)上，對信號(hào)進(jìn)行頻域變換，才可以更直接地觀測到信號(hào)的頻域響應(yīng)，為超聲波信號(hào)幅頻特性分析帶來便利[7]。

3.1 離散型快速傅里葉變換

傅里葉變換是一種常用的頻域變換方法。聲波法通過采樣得到了聲波信號(hào)的時(shí)域波形，但這種方法獲得的信號(hào)并不連續(xù)，屬于離散信號(hào)，需要監(jiān)測裝置通過離散傅里葉變換（DFT）方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻域變換，函數(shù)定義為：

若直接利用離散傅里葉變換公式，當(dāng)時(shí)域數(shù)據(jù)為N個(gè)點(diǎn)時(shí)需要進(jìn)行N2次復(fù)數(shù)乘法以及N(N-1)次加法運(yùn)算。由于采集到的局部放電信號(hào)數(shù)據(jù)量十分龐大，這種變換方式會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，受到STM32運(yùn)算能力的限制，不能保證頻域變換的實(shí)時(shí)性，沒有實(shí)際意義。

隨著人們對傅里葉變換的深入研究，Cooley和Tukey發(fā)現(xiàn)了一種能將其簡化的算法——快速傅里葉變換（FFT）。此方法大大減少了計(jì)算量，將N2次復(fù)數(shù)乘法減少到log2N次。一般情況下，采用FFT變換時(shí)，所需采樣點(diǎn)為2的整數(shù)次冪[8]。此變換過程的相關(guān)公式如下：

3.2 FFT數(shù)據(jù)集的窗函數(shù)處理方法

上述頻域變換過程的核心是傅里葉變換，主要討論的是時(shí)域上的頻域關(guān)系。由于信號(hào)采集時(shí)無法完成同步采樣，所以就會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)；由于信號(hào)本身的緣故，無論怎么增加時(shí)間，信號(hào)終歸是有限的區(qū)間，所以必須在想要得到的無限的時(shí)間長度下截取若干個(gè)有限時(shí)間長度，這便是所謂的周期延拓。但在截取過程中，頻譜會(huì)存在畸變的現(xiàn)象，使中心頻率的能量被分散到周圍頻帶較寬的位置中去，引發(fā)泄露效應(yīng)；各次諧波間泄露的能量相互影響，也容易產(chǎn)生泄露誤差。

在理論上，柵欄效應(yīng)與泄露效應(yīng)都無法避免。但為了削弱二者對于頻域變換的影響，可以在信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行加窗處理。在每個(gè)窗中，函數(shù)的頻域特性大體一致，都分為一個(gè)主瓣以及大量的旁瓣。主瓣寬度減小可以提高開窗處理后頻率的分辨率，而降低旁瓣峰值可以加快衰減速度、減弱泄露效應(yīng)，因此理想的窗函數(shù)特點(diǎn)為主瓣寬度最窄，旁瓣峰值最小，且旁瓣衰減速度最快。

常用的窗函數(shù)包括矩形窗、三角窗、漢寧窗、海明窗等。對比不同窗函數(shù)的主瓣寬度、旁瓣峰值、旁瓣衰減速度，可從結(jié)果中很明顯看出，主瓣寬度、旁瓣峰值、旁瓣衰減速度不可同時(shí)在一個(gè)窗函數(shù)下全部都是最優(yōu)的解，換言之，一種特性的增強(qiáng)便意味著其他兩種特性的衰弱。在試驗(yàn)中，由于信號(hào)產(chǎn)生的條件是隨機(jī)的，時(shí)域波形極其復(fù)雜，雜亂無章，導(dǎo)致的結(jié)果就是頻帶寬。對此，從試驗(yàn)的實(shí)際出發(fā)，想要得到的其實(shí)就是信號(hào)在各個(gè)不同頻率下的分布情況。在此選擇漢寧窗函數(shù)，這種函數(shù)可以很好地對信號(hào)的頻域情況進(jìn)行分析，其表達(dá)式為：

頻域表達(dá)式為：

時(shí)域及頻域波形如圖1所示。

圖1 漢寧窗時(shí)域及頻域波形

4 巡檢儀硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

手持式局放巡檢裝置由超聲傳感器、帶通濾波器、按鍵模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、微處理器模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、藍(lán)牙模塊等構(gòu)成，其工作結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 超聲法高壓開關(guān)局放巡檢儀原理框圖

局部放電形成的聲波信號(hào)以局部放電發(fā)生位置為中心向周圍擴(kuò)散，在空氣中傳播時(shí)振動(dòng)頻率在38kHz～40kHz附近較為集中，而傳統(tǒng)的聲音錄制設(shè)備頻率響應(yīng)范圍為0～20kHz，不能有效采集局部放電聲波信號(hào)，為此，從實(shí)際的超聲波頻率出發(fā)，選用了頻寬包含了局部放電形成的聲波信號(hào)的40 kHz左右的超聲波傳感器。超聲傳感器構(gòu)造原理如圖3所示。

圖3 聲波傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

超聲波傳感器的類型眾多，在此采用壓電型傳感器，它是利用壓電材料變形來實(shí)現(xiàn)功能的。壓電晶體會(huì)存在特定的諧振頻率，與諸多因素有關(guān)，且與厚度成反比。經(jīng)綜合考慮，最終采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷作為壓電材料，來制作超聲波傳感器，具體尺寸為：內(nèi)徑15mm，外徑38mm，厚度5mm。

局放聲波信號(hào)在介質(zhì)中傳播時(shí)具有很強(qiáng)的方向性，因?yàn)槠漕l率遠(yuǎn)大于人耳能聽到的聲音頻率，所以其全反射情況最為嚴(yán)重，這樣會(huì)使得采集到的信號(hào)大大衰減，不利于檢測。因此安裝超聲傳感器時(shí)需要注意諸多情況，特別要留心探頭的安放問題，既不能讓探頭跟物體之間距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致信號(hào)采集不到，也不能距離太近導(dǎo)致檢測范圍大大減小。

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)際檢測試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4(a)為利用聲波法處理得到的局部放電聲波信號(hào)波形；圖4(b)為利用巡檢儀實(shí)現(xiàn)局部放電聲波數(shù)據(jù)的FFT變換。巡檢儀對于超聲波信號(hào)的采集效果很好，時(shí)域圖形與頻域圖形均在頻域圖中直觀可見。放電時(shí)超聲波信號(hào)頻率集中在40kHz周圍，與理論預(yù)期相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出的聲波法能夠應(yīng)用于高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測。

圖4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

6 結(jié)束語

高壓開關(guān)柜受環(huán)境潮濕、灰塵等因素影響，經(jīng)常發(fā)生絕緣擊穿事故，為預(yù)防事故發(fā)生，供電公司巡檢部門每年都要定期檢測高壓開關(guān)柜局部放電情況。利用超聲傳感器獲取局部放電波形，以傅里葉變換獲得局部放電頻譜圖，再根據(jù)放電頻譜圖實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜局部放電程度的判斷和檢測，以此法實(shí)現(xiàn)的裝置在實(shí)際測試中獲得了理想的效果，對保障供電安全、提高巡檢的效率與可靠性，都具有重要的意義。