配电架空线路及设备缺陷快速精确定位方法研究
时间：2023-03-03 16:25:02 来源：千叶帆 本文已影响人
刘合金，苏国强，黄 敏，于海东，刘文彬
（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）
配电网作为电网系统中直接与用户相关的环节，其运行情况直接影响着电网供电可靠性和客户用电体验。随着配电网的快速发展，供电网络日益复杂，为提升供电可靠性，线路之间“拉手”联络的情况日益增多，传统的单纯依靠运检人员周期性巡视及计划停电检修的方法已不能满足当前配电网运行要求，提升配电网的可靠运行水平已经成为亟待解决的主要难题之一［1-2］。
目前，配电线路以架空为主，架空线路设备种类复杂，包括绝缘子、避雷器、开关、变压器、电缆终端等设备，影响可靠供电的因素包括树障、鸟害、异物、表面污秽、设备缺陷、运行环境等。为提高配电网的可靠运行水平，当前主要以人工巡检为主，人工巡检是指定期由巡检人员携带专业设备，如红外热成像仪、局部放电检测仪等，对设备进行检测，针对架空线路及其沿线设备的局部放电检测，主要包括超声波和特高频两种检测方法［3］。
红外热成像仪只能检测发热缺陷，无法对局部放电缺陷进行检测，且红外测温受光照、湿度等气象条件影响较大，易发生过热缺陷漏检的问题。超声波局部放电检测中，当局部放电发生时会引起震动并发出声音，大多为超声波，通过超声波传感器可以检测超声波，间接识别局部放电［4-5］。但是超声波传感器灵敏度不高，有效检测范围较小，检测效率不高，且无法检测设备内部放电，无法直观定位放电点，很难实现覆盖性检测。特高频局部放电检测法具有抗干扰性好、灵敏度高、可对放电点定位、检测效率高等优点，但存在难以表征局部放电程度的大小，且需要设备有外露绝缘子才能保证检测灵敏度，应用局限性较大［6-7］。
针对上述问题，提出一种针对配电架空线路及沿线设备的局部放电缺陷快速精确定位方法，在线路带电运行的情况下，通过采集线路及设备的异常状态信息加以分析，从而准确、有效地发现线路及沿线设备的隐性缺陷。
1.1 技术原理
10 kV 架空线路上劣化的绝缘子、线路上破损的绝缘等处，其绝缘耐压能力下降，在工作电压的作用下发生局部放电。这些放电会辐射电磁波，并沿着线路传播。
10 kV 架空绝缘线及沿线设备发生局部放电时，会产生幅值很大的非稳态量，并由缺陷点向两端传播，称为行波。行波传播速度接近光速，约为2.0×108m/s，可以根据行波到达两端监测点的时刻来确定缺陷点的位置。基于行波定位原理，采用卫星精确授时，在架空线路长度已知的情况下，可实现局部放电缺陷点的精确定位，能够帮助检修人员快速找到并及时消除缺陷点，减少不必要的停电时间［8-9］。
1.2 大跨度电流行波定位技术
当架空线路或沿线设备中出现局部放电现象时，局部放电信号会以脉冲电流行波的方式沿着架空线线路向两端传播，如图1 所示，因此，通过安装在架空线路上的高频脉冲电流传感器（如图2 所示）能够实现远端情况下的线路局部放电检测［10-11］。通过在架空线路两端安装高频脉冲电流传感器够能实现局部放电缺陷定位，如图3所示。
图1 架空线路上局部放电放电信号的传播
图2 高频脉冲电流传感器实物
图3 基于电流行波的局部放电双端定位
1）精准同步技术。
双端系统的同步性是影响局部放电定位精度的主要因素，提出一种基于脉冲交互机制的同步技术，主端发射同步脉冲，经过时间Tr到达从端，从端接收到主端发射的同步脉冲后，经过一个延时Δt2发出另一个同步脉冲，这个同步脉冲又经过时间T返回到主端。这样一来，主端能够检测到两个脉冲（时间间隔是2Tr+Δt2），从端也能检测到两个脉冲（时间间隔是Δt2）。根据双端脉冲的时间差可以计算出脉冲在架空线路中的传播时间Tr；
主端第1个脉冲和从端第1 个脉冲在绝对时间上相差时间Tr，因此，可完成两端同步。通过在架空线路上注入同步脉冲实现双端检测系统的精确同步，可实现双端系统时钟同步误差小于10 ns。精确同步技术原理如图4所示。
图4 精准同步技术原理
2）降噪技术。
由于10 kV 架空线路及沿线设备局部放电信号能量较小，高频脉冲电流传感器检测到的局部放电信号一般在毫伏级，因此极易受现场噪声干扰。
第二代小波变换技术具有局部滤波特性良好的优点，能够有效滤除绝大多数噪声干扰，提高局部放电检测信噪比和灵敏度［12-14］，因此，采用第二代小波变换技术对现场干扰进行降噪处理，分为如下4个步骤。
a）对局部放电信号进行分层第二代小波分解，分解为低频分量和高频分量，同时反映出待处理信号的时频域信息，选择合适的母小波，并确定最优分解层，其中低频系数表示为［A1，A2，A3，...，AN］，高频系数表示为［D1，D2，D3，...，DN］，N为分解的低频分量和高频分量的数量。
b）对步骤a）得到的各分解尺度下的高频系数［D1，D2，D3，...，DN］，选择合适的阈值进行量化。
c）对局部放电信号进行重构，将步骤b）经过阈值量化处理后的系数［AN，D1，D2，D3，...，DN］通过逆变换进行信号重构，得出去噪后信号。
d）对重构信号进行平滑处理，此步骤采用窗口高斯加权平均算法用以减少虚假波峰，有利于后续信号的正确识别。
3）精确定位技术
通过监测配电架空线路局部放电缺陷点产生的行波传输到线路两端监测终端传感器的时间及两个监测终端主峰波头对应的GPS 时间差，结合行波在配电架空线路中传播的速度关系，分析计算缺陷点距离监测终端的距离位置的具体计算方法如下。
假设配电架空线路出现局部放电缺陷位置两端分别为A端和B端，则：
式中：L为A端与B端之间的距离；
L1为局部放电缺陷位置与A端之间的距离；
L2为局部放电缺陷位置与B端之间的距离；
t1为局部放电缺陷位置行波传输到A端的时间；
t2为局部放电缺陷位置行波传输到B端的时间；
v为行波在配电架空线路中传播的速度。
基于上述计算方法，采用精确同步技术、降噪技术和高频脉冲电流局部放电检测方法，可得到局部放电的放电特性谱图和精确定位谱图，如图5 所示。依据局部放电的放电特性和位置信息，可以为配电网的运维检修提供更加明确的指导。
图5 局部放电的放电特性和精确定位
1.3 优化的高频电流局部放电检测技术
高频脉冲电流局部放电检测技术是一项传统的检测技术，可以发现设备内部的局部放电信号，因此作为一种局部放电检测技术手段应用于本方法中。
高频脉冲电流法是通过耦合器从局部放电信号产生的磁场中获取能量，可以利用线圈技术耦合放电产生的脉冲电流信号。在架空线路及沿线设备发生局部放电时，线路上会流过高频的脉冲电流。此时根据右手螺旋定则，高频脉冲电流会在其周围产生磁场。高频脉冲电流法就是通过检测该磁场在传感器中感应出的电动势大小来进行局部放电的检测。
随着高频局部放电检测技术的发展，也出现了更多优秀有效的分析方法，如基于连续小波去噪脉冲提取技术的高频脉冲电流局部放电检测分析方法，其强大的自动滤波功能可在背景噪音水平下发现局部放电信号［15-17］，如图6所示。
图6 连续小波去噪脉冲提取技术
1.4 可视化设备缺陷智能诊断技术
声学成像感知终端是由多通道麦克风组成的阵列，也叫声学成像仪，其由多个麦克风按照一定规律排列，通过阵列信号处理算法生成一个平面上的声压级分布，以彩色等高线图的方式实现声音可视化，通过照片或视频的方式显示被测物的声音分布。
采用声学成像定位和缺陷识别技术，通过基于声学统计图谱的电力设备缺陷智能诊断技术，可以定位异常声响位置，并通过统计谱图实现对不同放电类型和典型机械振动的识别［18-19］。
局部放电类型包括绝缘类放电、悬浮放电和电晕放电等，不同类型的放电会产生不同的超声波信号，在声学成像仪中能够显示不同的放电图谱［20］，如图7所示。
图7 不同类型局部放电图谱
2.1 三步法技术方案
根据配电架空线路及沿线设备中绝缘状态检测的迫切需求和技术特点，提出架空线路局部放电缺陷大跨度（10 km）可视化智能化快速精确定位三步法技术方案。
1）大跨度评估。基于单端行波定位技术，对大跨度（10 km）区域内进行普测，评估线路是否存在异常信号或局部放电信号，当发现异常信号后，进入第二步操作；
2）大跨度（10 km）预定位。基于双端行波定位技术对缺陷进行预定位，由于受到架空线路分布式电容变化的影响和架空线路设备多样性的影响，无法实现精确定位并判断具体缺陷设备，故只能确定缺陷大致位置，定位精度为10 m，确定缺陷大致位置后，采取第3步操作；
3）精确定位。基于可视化超声成像技术和高频局部放电相结合的精确定位技术，实现缺陷的精确定位（如缺陷设备、缺陷类型、缺陷相、缺陷位置、内部缺陷或外部缺陷等）。
具体实施基本思路如图8所示。
图8 局部放电缺陷精确定位三步法
采用三步法进行缺陷精确定位时，在线路一端安装局部放电传感器即可实现安装点10 km 范围内设备是否有缺陷的初步判断；
若存在异常信号，在线路两端安装局部放电传感器可实现缺陷的粗略定位，再采用可视化声波成像技术对粗略定位范围内的设备进行检测，即可实现缺陷的精确定位。与常规逐设备、逐点开展带电检测相比，该方法能够显著提高带电检测工作效率和缺陷的检出速度。
2.2 现场检测技术方案
假设待测配电架空线路两端安装高频脉冲电流传感器的位置为A 端和B 端，以双端行波定位检测为例，现场检测工作大致分为4个步骤。
1）AB之间线路传播时间的测定。
a）设两点相距L，在A 端，控制单元启动脉冲发射器产生和发射一个脉冲，该脉冲沿架空线路传播至B端；
b）B 端的脉冲接收单元收到一个脉冲，可根据检测幅值确定架空线路的高频衰减系数α，并立即启动脉冲发射器反射一个脉冲；
c）A端的脉冲接收装置收到B的反射脉冲；
d）A 端测得发射脉冲和反射脉冲时间间隔为T，则脉冲沿整条线路的单向播时间为T/2，传播速度v=2L/T。
2）局部放电脉冲位置的判断。
局部放电在某时刻发生时，脉冲向架空线路两端传播。根据A端信号采集所记录的波形，传感器A在时间t1接收到第一个脉冲，传感器B 在时间t2接收到这个脉冲，则局部放电发生的位置x（距离A端），则
3）局部放电强度的评估。
在首端由脉冲发射器注入已知电荷的脉冲来标定，可推测实际放电量。
4）局部放电类型的识别。
根据放电脉冲的重复性、极性、频谱特性、波形特征及相位特征等信息，采用支持向量机模式识别技术对放电类型进行判定。
为验证配电架空线路及设备局部放电缺陷快速精确定位方法的有效性，选取部分运行状况较差、运行年限较长的配电线路，开展了现场试点应用。
根据现场试点应用情况，配电架空线路局部放电缺陷快速精确定位方法可发现多种类型设备的局部放电缺陷，包括电缆终端、避雷器、绝缘子、线夹、配电变压器高压进线等。
3.1 耐张线夹缺陷
在某供电公司10 kV 架空绝缘线路上开展局部放电检测，分别将检测系统的主端和从端安装在10 kV 线路的19 号杆和37 号杆位置，如图9 所示。需要注意的是，27—28 号杆塔之间敷设了200 m 的地下电缆。检测结果显示，在距离主端997 m 处存在局部放电缺陷，如图10 所示，随后对该处进行精确定位，发现架空线路耐张线夹存在局部放电缺陷，如图11所示。
图9 大跨度预定位示意图
图10 预定位结果
图11 精确定位结果
3.2 绝缘子污秽
在某10kV 配电架空线路上开展局部放电检测，在实施中，采用架空线路局部放电缺陷快速精确定位三步法进行快速定位，检测结果显示，该线路上存在绝缘子污秽导致的局部放电缺陷，如图12所示。
图12 实施过程和定位结果
3.3 故障指示器对线夹放电
在某供电公司10 kV 架空绝缘线路上开展局部放电检测，分别将检测系统的主端和从端安装在10 kV 线路的23 号杆和35 号杆位置，如图13 所示。检测结果显示，在距离主端132 m 处存在局部放电缺陷，如图14 所示。随后对该处进行精确定位，发现该处线路B 相的故障指示器对线夹放电，如图15所示。
图13 大跨度预定位现场
图14 预定位结果
图15 精确定位结果
本文阐述了配电架空线路及沿线设备局部放电缺陷快速精确检测方法的技术原理和关键技术，提出了局部放电缺陷快速精确定位三步法技术方案和现场检测技术方案，可实现对配电架空线路及沿线设备的局部放电缺陷的检测和快速精确定位，具有检测效率高、速度快、定位准等特点，解决了配电设备内部局部放电缺陷无法检测的难题。
通过现场应用，验证了配电架空线路及沿线设备局部放电缺陷快速精确定位方法可高效、准确地检测出多种配电设备的局部放电缺陷，其在配电设备带电检测中具有广阔的应用前景。但本文的研究仍有一定局限性，该方法在含分支线路和设备较多的架空线路上应用的有效性仍需进一步研究验证。
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