基于超高频法的高压开关柜局部放电在线监测的研究

摘要

局部放电（Partial discharge, PD）的发生会损坏设备绝缘，同时它也是设备绝缘完整性退化的标志。由于局部放电的发生往往是突发性的，电气设备的定期检修往往很难发现，因此对其进行在线监测是发现设备潜伏性故障，实现故障预警，最终避免故障发生的有效措施。高压开关柜作为电网中大量运用的设备，又与用户供电直接相关，其发生故障造成停电事故带来的经济损失和社会损失非常巨大。因此，对运行中的高压开关柜进行局部放电在线监测，能为开关柜状态检修提供重要参数和依据，提高开关柜试验检修效率，从而避免开关柜突发事故，提高供电质量，具有深远的科学意义和广泛的应用价值。
　　超高频(Ultra-high-frequency, UHF)法作为局部放电的一种重要的检测方法，由于其检测灵敏度高、抗干扰能力强具有较好的应用前景。本文对超高频法在高压开关柜局部放电在线监测中的应用展开了分析和研究，本文根据高压开关柜的结构特点及PD监测要求，设计了一种尺寸为200mm×200mm×25mm的超高频天线，该天线是基于Koch边界的分形原理设计，通过实测，天线的频带为565MHz-850MHz，最大增益为3dB，平均增益为1.2dB，并具有较好的方向性。而且，通过与其它传感器的局部放电信号幅值进行对比，发现该天线具有较好的检测效果，能够对开关柜内的不同类型的放电进行有效地检测。本文设计了四种典型缺陷放电模型用以模拟产生开关柜内不同类型的局部放电，在此基础上，对不同缺陷下局部放电的发展规律进行了研究，并分析了不同类型放电的超高频信号的特征谱图，为放电故障模式识别奠定了理论基础。为了确定开关柜内部超高频传感器的最佳安装位置，本文运用时域有限差分（Finite-difference time-domain, FDTD）法对开关柜内部的超高频电磁波的传播特性进行了研究，得到了局部放电波形参数、监测距离以及开关柜内各主要组件对电磁波传播的影响，并通过对比开关柜中不同检测点对不同放电位置的局部放电信号的检测效果，得出开关柜前柜底板右侧为开关柜内超高频传感器的最佳安装位置。
　　基于以上研究工作，本文通过集成超高频天线、滤波放大器、高速采集卡、工频电压采集电路以及工控机等硬件设备，研制了一套高压开关柜局部放电超高频在线监测系统，并设计出相应的系统软件平台。将该监测系统安装至某110kV变电站的开关柜室挂网运行，通过在现场的实际应用，验证了本系统能够对现场运行的开关柜进行有效地局部放电在线监测，并能够发现突发性放电，具有较好的监测效果。

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1 绪 论

1.1 高压开关柜局部放电监测的意义

1.2 高压开关柜局部放电检测的研究现状

1.3 超高频法的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 高压开关柜局部放电监测超高频分形天线的研制

2.1 引言

2.2 天线理论

2.3用于开关柜局放监测的超高频天线的设计要求及选型

2.4基于Koch边界的分形微带天线的设计

2.5基于Koch边界的分形天线的性能实测

2.6本章小结

3 高压开关柜局部放电试验的研究

3.1 引言

3.2 高压开关柜内四种典型放电模型的设计

3.3 高压开关柜局部放电试验平台的搭建

3.4多种传感器的局部放电波形幅值的对比试验研究

3.5不同试验电压下的局部放电的试验研究

3.6 不同放电缺陷下局部放电超高频信号的特征谱图

3.7 本章小结

4 基于时域有限差分法的开关柜超高频信号传播特性研究

4.1 引言

4.2 高压开关柜局部放电电磁波辐射原理

4.3 时域有限差分法的基本原理

4.4 基于时域有限差分法的开关柜模型的建立及参数设置

4.5 局部放电源波形参数及监测距离对电磁波传播影响的仿真分析

4.6 开关柜内不同结构组件对电磁波传播影响的仿真分析

4.7 开关柜内部超高频天线最佳安装位置的研究

4.8 本章小结

5 高压开关柜局部放电超高频监测系统的研制

5.1 引言

5.2 监测系统概述

5.3 系统构成及其工作原理

5.4 监测系统的现场安装、调试及监测数据分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录