基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第8期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.8摘要：高压绝缘设备局部漏电信号微弱、特征不明显，仅能说明是否有放电，实际定位过程中存在漏判、误判的现象，难以准确定位设备上存在的高压绝缘故障。为解决这一问题，提出了基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法。将高压绝缘设备生成的网络等效成集中参数模型，建立高压绝缘设备局部漏电故障模型，分析存在局部漏电故障的高压绝缘设备电流变化；选择平面十字阵列布置光纤传感器阵列，确定光纤传感器布置位置；采集高压绝缘设备运行参数；以光纤传感器发射的光纤与局部电流产生的“光弹效应”为依据，通过故障模型中对地电容参数值变化和光纤传感器光相位的精准变化，精准定位存在局部漏电故障的高压绝缘设备，实现高压绝缘设备局部漏电定位研究。实验结果表明：所提方法与对比方法相比，研究方法设置的传感器布置方式能得到更加精确的高压绝缘设备运行参数、提高高压绝缘设备局部漏电定位准确度。关键词：光纤传感器；高压绝缘；绝缘设备；局部漏电；漏电定位；定位方法中图分类号：TP393文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24209Local Leakage Location Method of High Voltage Insulation Equipment Based on Optical Fiber SensorPENGTao（Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Foshan 528000，Guangdong，China）Abstract:The local leakage signal of high-voltage insulation equipment is weak and its characteristics are notobvious，which can only explain whether there is discharge.There is a phenomenon of missing judgment andmisjudgment in the actual positioning process，which is difficult to accurately locate the high-voltage insulation faulton the equipment.In order to solve this problem，a local leakage positioning method of high-voltage insulationequipment based on optical fiber sensor was proposed.The network generated by high-voltage insulation equipmentwas equivalent to a centralized parameter model，the local leakage fault model of high-voltage insulation equipmentwas established，and the current change of high-voltage insulation equipment with local leakage fault was analyzed。The plane cross array was selected to arrange the optical fiber sensor array and determine the layout position of theoptical fiber sensor；the operating parameters of high voltage insulation equipment were collected.Based on thephotoelastic effect generated by the optical fiber emitted by the optical fiber sensor and the local current，the high-voltage insulation equipment with local leakage fault can be accurately located through the change of the parametervalue of the ground capacitance in the fault model and the accurate change of the optical phase of the optical fibersensor，so as to realize the research on the local leakage location of the high-voltage insulation equipment.Theexperimental results show that，compared with the comparison method，the sensor layout set by the research methodcan obtain more accurate operating parameters of high-voltage insulation equipment and improve the accuracy oflocal leakage location of high-voltage insulation equipment.Key words:optical fiber sensor；high voltage insulation；insulated equipment；local leakage；leakage location；positioning method作者简介：彭涛（1973），男，本科，高级工程师，主要研究方向为输变电技术与电力系统自动化，Email：基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法彭涛（广东电网有限责任公司 佛山供电局，广东 佛山 528000）彭涛高压绝缘设备是保证电力系统供电安全和可靠运行的基础。当电力系统长时间运行时，其电力设备会出现老化、遭受到外力破坏等问题，损坏设备绝缘体、产生绝缘缺陷，从而影响电力系统安全运行1。因此，需要研究高压绝缘设备漏电定位方法。目前，我国一直实行普查式方91彭涛：基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法电气传动 2023年 第53卷 第8期法，检测高压绝缘设备运行状态，以此推断定位高压绝缘设备存在的漏电故障，并针对故障位置进行维修2。但随着智能电网的发展，这种检修方式已经难以满足智能电网高压绝缘设备检修结果的可靠性需求，亟需研究出可以更真实、更及时地反映出设备漏电位置的方法。基于此，相关学者提出如下研究观点，并取得了较多成果。文献3方法针对目前电网设备存在的漏电问题，根据电网暂态与稳态运行过程，建立一体化模型，确定电网设备存在漏电故障时产生的故障信号，以此来实现漏电故障精准定位。该方法对漏电故障定位的准确度较高，但对漏电故障信号提取的速度较慢，存在定位耗时较长的问题。文献4方法采用MEMS工艺，以多孔式敏感膜片为原料，制作机电系统局部放电检测传感器，并验证了该传感器的应用性能。该方法采用传感器检测局部放电情况，提升了定位的有效性，但对传感器分布的位置需要进一步的改进。文献5、文献6分别引入了双光谱辐射特性理论和距离互相关算法，定位电力设备局部放电故障位置，但定位的效果不佳，需要进一步的完善。文献7引入人工智能技术，根据高压绝缘设备出现漏电故障时，产生的放电信号定位设备漏电故障。该方法定位信号中存在一定噪声需要抑制，否则影响定位的结果。文献8提出了一种基于振荡波局部放电检测的电力电缆故障定位方法。该方法通过局部放电装置以及根据电缆老化程度，对电缆放电的位置进行确定，该方法具有良好的适用性。文献9提出设计一种基于套管屏蔽环的开关柜脉冲电流法在线局部放电检测系统。该系统设计中借助开关柜提取套管中的脉冲，并根据配套检测阻抗完成漏电的定位。文献10设计了一种基于特高频自感知的变压器局部放电检测方法。该方法通过特高压天线感知模型对放电信号进行感知，并构建特高频信号的检测模型。该方法提升了电力设备安全运行，具有一定的可行性。在上述相关学者研究的放电漏电检测定位成果基础上，此次研究提出基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法。通过光纤传感器的设置以及光纤信号的提取，完成高压绝缘设备局部漏电定位。通过实验验证了所提方法的有效性。1基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法1.1 高压绝缘设备局部漏电故障模型构建将高压绝缘设备生成的网络等效成集中参数模型，当该模型中的高压绝缘设备出现局部漏电故障时，其产生的电流是流经局部漏电高压绝缘设备的零序电流之和，基于此，可以生成如图1所示的故障模型。图1高压绝缘设备局部漏电故障模型Fig.1Local leakage fault model of high-voltageinsulation equipment图1所示的模型属于零序网络，在这一网络中，可以将连接高压绝缘设备的线路对地电容设置为相等的值，即模型所有线路中对地电容值为网络任意对地电容值的50%。基于此，建立如下所示的模型方程：U0=R0I0-R0CidU0dt+L0dI0dt-L0Cid2U0dt+1Cj0tI0dt-CiCjU0（1）式中：U0为零序电压；R0为零序电阻；I0为零序电流；Ci为模型中第i条支路的对地电容；L0为零序电感；Cj为模型中第j条支路的对地电容11。依据式（1）所示的方程，即可得到图1所示的模型电流变化。基于此，引入光纤传感器，将其布置在高压绝缘设备生成的网络中，采集网络运行参数，以实现高压绝缘设备的漏电定位。1.2 基于光纤传感器采集高压绝缘设备数据提取1.2.1布置传感器阵列由于光纤传感器主要依靠光纤采集网络中的光信号，再通过传感器内部的光纤耦合器，将光信号转化为电信号，以此获取高压绝缘设备运行参数12。基于此，在光纤传感器工作过程中，会受到传感器波长和布置位置、工作温度和压力4个92彭涛：基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法电气传动 2023年 第53卷 第8期因素的影响。当光纤传感器未曾布置在最佳工作点时，受传感器本身波长限制，会直接影响传感器采集参数的灵敏度；当传感器工作温度每次波动达到10 及以上，以及布置位置上下存在较大的压力差时，都会导致传感器出现非线性漂移。此外，工作环境中存在的噪声也会对传感器的光纤放大器、环形器等配件的性能噪声影响，导致光纤传感器采集到的信号产生较大的差异。为此，根据图1所示的高压绝缘设备局部漏电故障模型，选择平面十字阵列布置传感器阵列，将高压绝缘设备信号作为光纤传感器监测目标，记为O；假设每条线路上的阵元间距为D，则在D/2的位置布置a，b，c，d 4个阵元。由于光纤传感器采集信号强度、准确度会直接受到高压绝缘设备信号影响，因此，依据高压绝缘设备信号产生的波长确定D值，则存在：=v/D=/2（2）式中：为信号中心频率；v为信号传播速度。依据式（2）计算得到的 D值，按照正时针旋转的方式，确定模型中4个阵元的位置。此时，4个阵元的中心位置即为光纤传感器采集高压绝缘设备运行参数位置。1.2.2获取高压绝缘设备运行参数在上述布置的光纤传感器基础上，采集高压绝缘设备运行信号。其输出的光信号时域表达式如下式所示：E(t)=exp j(20t+v0)（3）式中：E(t)为光场时域信号；为光信号幅值；exp为取经验值函数；j为信号虚数单位；0为初始光频率；v0为光纤传感器采集高压绝缘设备运行信号速率13。在此过程中，光纤传感器会受到网络中设备干扰影响，此时，传感器采集到的信号强度表达式为Q=v1z2E2（4）式中：v1为信号传播速度；z为传感器光纤折射率；为真空介电常数。此时，光纤传感器采集到的信号为光信号，需要在传感器内部进行光电信号转换，通过滤波处理后，得到高压绝缘设备电信号，则存在：(t)=1cos 2v0t1t+-(t)（5）式中：(t)为电信号；1为电信号幅值；t1为传感器采集信号所需要的往返时间；为恒定相位；为受到的干扰差值。依据上述式（3）式（5），即可通过光纤传感器获取高压绝缘设备生成的网络运行信号，此时只需要根据信号的变化情况，判断该网络中的高压绝缘设备是否存在局部漏电故障，并确定网络中存在局部漏电故障的高压绝缘设备位置。1.3 高压绝缘设备局部漏电故障定位实现若高压绝缘设备存在局部漏电故障，那么光纤传感器发射的光纤会与局部电流产生“光弹效应”14。基于此，将根据图1所示的故障模型中对地电容参数值变化，判断高压绝缘设备是否存在局部漏电故障，则存在：C=1nl=1nCl 0and1nl=1n|Cl-C|C（6）式中：C为对地电容平均值；n为高压绝缘设备所处网络线路数量；Cl为光纤传感器在第l条线路上得到的对地电容值；C为网络中总对地电容；为对地电容最大波动差值。如式（6）所示的高压绝缘设备局部漏电故障判断公式，当网络满足C的表达式时，表明网络中第l条线路上的对地电容平均值为负，表明该条线路上的高压绝缘设备处于负工作状态，可以直接判断该条线路上的高压绝缘设备存在局部漏电故障；当网络满足C的表达式时，表明网络中第l条线路上的对地电容变化剧烈，产生较大误差，此时也可以直接判断该条线路上的高压绝缘设备存在局部漏电故障。由于网络中同一条线路上可以安装多个高压绝缘设备，所以将式（6）所示的判断依据记为一次判据。一旦网络中第l条线路上存在多个高压绝缘设备，需要在式（6）所示的一次判据基础上采用相位调制的方式，定位该条线路上存在局部漏电故障的高压绝缘设备，进行二次判断，从而达到精准定位存在局部漏电故障的高压绝缘设备。基于此，将光纤传感器光相位的精准变化作为高压绝缘设备局部漏电故障二次判断依据。假设只含有光纤的传感器实际光纤与参考光纤长度差一定时，()t才会具有已知频率，则与()t同频率的正交参考信号1(t)和2(t)式为1(t)=0(t)cos(2t)2(t)=0(t)sin(2t)（7）93彭涛：基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法电气传动 2023年 第53卷 第8期式中：0(t)为正交参考信号幅值；为信号频率15。将式（7）和式（5）进行正交运算，即先乘，后低通滤波，再微分，最后与式（7）相乘，最终得到如下所示的表达式：1(t)=14220sin2 -(t)(t)2(t)=14220cos2 -(t)(t)（8）对式（8）得到的1(t)值和2(t)值，先进行除法运算，再进行积分运算，最终得到如下式所示的函数表达式：r(t)=-+1(t)2(t+t1)dt（9）式中：1，2分别为1(t)，2(t)相位差；r(t)为相位差的相关函数。由式（9）所示的函数表达式可知，当r(t)值达到峰值时，其所在的高压绝缘设备即存在局部漏电故障。综合式（6）式（9）计算过程，将根据高压绝缘设备所处网络实际情况，先后进行一次判据和二次判据，判断存在局部漏电故障的高压绝缘设备位置，从而实现高压绝缘设备局部漏电定位。2实验分析为验证所提方法的可行性，进行实验分析。实验中选择基于套管屏蔽环的开关柜脉冲电流法在线局部放电检测系统（方法一）和基于特高频自感知的变压器局部放电检测方法（方法二）作为此次试验的对比方法，检测此次研究的局部漏电定位方法定位高压绝缘设备局部漏电故障准确度。三组方法定位高压绝缘设备局部漏电结果，将采用示波器展示，定位过程中的磁场变化，则采用特斯拉计测量设计的高压绝缘设备所处磁感应强度，以此提高实验精确度。2.1实验环境设计根据此次试验选择的三组局部漏电定位方法，模拟的配电网如图2所示。基于图2所示的配电网模拟图，设计的高压绝缘设备局部漏电故障位置，布置的传感器监测点如图3所示。如图2所示的配电网模拟图，其线路1，2，3，4上的高压绝缘设备不存在局部漏电故障时，按照图3所示的传感器布置点，获取的线路正常电位值如表1所示。图2配电网模拟图Fig.2Simulation diagram of distribution network图3高压绝缘设备局部漏电故障位置图Fig.3Location map of local leakage fault ofhigh-voltage insulation equipment表1线路正常电位值Tab.1Line normal potential valuemV传感器高压绝缘设备1234567线路173.36371.86771.34771.29771.05170.66270.173线路272.23775.63175.25372.04172.15672.31372.223线路371.76770.16170.27173.13273.17972.17272.643线路470.00470.17370.32370.16470.34573.19473.9732.2实验结果分析根据此次试验设置的局部漏电位置，三组方法根据传感器采集到高压绝缘设备运行参数，得到的调制后电压幅度变化如图4所示。基于图4所示的电压波形图，计算传感器监测电压幅值与正常电压幅值之间的电压变化率，则有：P=(Aicosm-Bisin)*100%（10）式中：P为电压变化率；为电压变化幅度；Ai为第i个高压绝缘设备正常电压值；为传感器采集高压绝缘设备参数振幅；Bi为第i个高压绝缘设94彭涛：基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法电气传动 2023年 第53卷 第8期图4三组定位方法监测电压波形图Fig.4Monitoring voltage waveforms of threesets of positioning methods备实际监测电压值；*为卷积运算方式。按照式（10）所示的计算公式，其得到的计算结果小于6%时，配电网线路电压处于正常波动。通过式（10）得到的计算结果如表2所示。根据表2所示的电压变化率值，三组定位方法定位到的高压绝缘设备局部漏电故障位置如图5所示。表2配电网电压变化率Tab.2Distribution network voltage change rate%传感器1234567方法一3.8444.524.564.733.866.625.60方法方法二3.1745.543.2236.575.334.022.49研究方法3.2343.863.472.3145.065.433.61图5高压绝缘设备局部漏电故障定位图Fig.5Local leakage fault location diagram ofhigh-voltage insulation equipment从图5b可以看出，方法一只识别出了一处高压绝缘设备局部漏电故障；从图5c可以看出，方法二定位高压绝缘设备局部漏电故障2位置时，出现了定位错误；而研究方法定位局部漏电故障位置与此次试验设置故障位置一致。由此可见，此次研究方法定位高压绝缘设备局部漏电故障时，具有更高的准确度，验证了所提方法的有效性。3结论为满足高压绝缘设备局部漏电定位准确度需求，此次研究在前人研究基础上，引入光纤传感器采集高压绝缘设备运行参数，并综合考虑了影响光纤传感器运行因素，依据光纤传感器发射的光纤会与局部电流产生的“光弹效应”，定位存在局部漏电故障的高压绝缘设备，以此提高光纤传感器采集高压绝缘设备运行参数可靠度，从而达到提高高压绝缘设备局部漏电定位准确度的目的。经实验验证，此次研究的方法定位局部漏95彭涛：基于光纤传感器的高压绝缘设备局部漏电定位方法电气传动 2023年 第53卷 第8期电故障位置与此次试验设置故障位置一致，具有一定可行性。参考文献1袁玉和，刘亮，张洪涛，等.锂离子电容器自放电检测方法研究J.储能科学与技术，2022，11（2）：690-696.YUAN Yuhe，LIU Liang，ZHANG Hongtao，et al.Study on self-discharge detection method of lithium-ion capacitorsJ.EnergyStorage Science and Technology，2022，11（2）：690-696.2刘宇舜，程登峰，殷巧玲，等.基于EEMD与边际谱能量的电缆局部放电定位方法J.电力工程技术，2022，41（1）：156-164.LIU Yushun，CHENG Dengfeng，YIN Qiaoling，et al.Cable partial discharge location method based on EEMD and marginalspectral energyJ.Electric Power Engineering Technology，2022，41（1）：156-164.3高宏杰，赵建文，郭秀才.煤矿电网单相漏电故障区段自动定位探索J.工矿自动化，2021，47（5）：106-111.GAO Hongjie，ZHAO Jianwen，GUO Xiucai.Research 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