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高压输电线路电晕放电缺陷的检测方法研究

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：朱剑南

[导读] 摘要：随着电力生产能力和建设水平的不断提高，输电的距离、电压等级和容量显著提高，但超高压等级运行的输电线路极易出现电晕放电现象。

        （国网福建省电力有限公司龙海市供电公司福建省漳州市 363100）
        摘要：随着电力生产能力和建设水平的不断提高，输电的距离、电压等级和容量显著提高，但超高压等级运行的输电线路极易出现电晕放电现象。电晕放电会产生高强度的电磁场，会导致线路周围的空气电离，从而出现放电现象，不仅会加速线路的老化，还会引发瞬时短路故障，造成高压输电线路非计划停电。空气电离产生的电荷在电场强度作用下会快速移动，使电晕放电强度增大，发生电磁波辐射。目前，国内对高压输电线路的电晕放电检测方法较多，常见的有红外热成像法、紫外成像法、超声电晕探测法、电磁检测法和目视观察法等。
        关键词：高压输电线路；电晕放电缺陷；检测方法
        引言
        电网规模逐渐扩大，人们对电力负荷的追求日益提升，电力体系中使用到的各类高压设备损坏和故障也在增加，导致对此类情况的预防要求也越来越高，需要紧跟现代化技术的要求。输电线路与变电站的相关电器设备，在室外环境中运行，在一些特殊情况下，会随着绝缘能力的下降以及结构产生缺陷而出现放电现象。为此，对电气设备电晕放电现象进行检测，可以实时掌握绝缘出现劣化的情况，并且在事故比较严重的状况发生前，就能够对绝缘状况的危险程度进行判断，以防事故的发生。电气设备在进行放电时，电晕与局部的放电位置，会向外辐射出大量紫外线。由此可根据电晕放电以及局部放电的生成，对运行设备绝缘状况进行评估，及时发现设备存在的缺陷，并对其进行适当处理。
        1高压输电线路电晕放电机理分析
        高压输电线路正常工作时导线中流过电流，使线路附近产生电场，导线周围空气中存在着自由电子，自由电子在电场中会受到电场力的作用，电场力使其产生加速度，从而撞击周围空气中的气体原子，自由电子在撞击过程中会积累一定的能量。如果电场力足够大，达到气体电离的临界值，气体原子中会有新的电子被自由电子撞出，同时，在撞击过程中会有新的离子产生，此时，输电线路附近的空气便开始产生发生电离。从宏观角度看，电晕放电是气体未被击穿，强电场力作用使气体中的电荷发生移动而产生的放电，在黑暗中可见蓝色的光晕。从微观角度分析，电晕放电是一个电子与原子碰撞，释放能量并辐射出大量光子的过程。
        2高压输电线路电晕放电缺陷的检测方法
        2.1无人机技术
        2.1.1基于无人机技术的高压输电线路电晕放电检测系统
        基于无人机技术的高压输电线路电晕放电检测系统分为四个部分：无人机飞行本体、电晕放电检测模块、信息处理模块和地面监控计算机。其中无人机飞行本体由嵌入式飞行模块、GPS模块、机体与机翼等部件组成，主要代替人力实现高空沿线飞行和电晕检测工作。其中电晕检测模块由射频天线、电磁波接收模块、滤波模块等部件组成，射频天线主要辨识和锁定输电线路的电晕放电部位，电磁波接收模块主要采集电晕放电点产生的电磁场强度信号，滤波模块则滤除干扰信号源。其中信息处理模块是无人机电晕放电检测系统的功能核心，主要将无人机电晕探测器接收到的电磁脉冲信号进行提取、存储及运算处理，获得线路电晕放电磁场波形的幅值与相位。地面监控计算机是无人机电晕放电检测系统的控制中心，计算机内配置有无人机飞行导航地图、输电线路网架拓扑和线路的经度、纬度和高度，以及输电线路的弧度等相关信息。地面监控计算机通过无线通信的方式，实现对无人机的远程操控和电晕放电的检测。

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        2.1.2无人机技术在输电线路电晕放电中的实际应用
        为验证基于无人机技术的输电线路电晕放电检测方法的可行性，本文采用比对法。首先，在实验室内构建电晕放电检测平台，人工模拟输电线路的运行环境及不同工况。其次，人为制造三个电晕放电点，并通过调压器控制电晕放电的电压大小。再次，将装有电晕放电检测装置的无人机沿实验电缆线路飞行，自动锁定电晕放电点和检测电磁场强度。然后，将实验室电晕检测数据与无人机检测的数据进行对比、分析，评估出无人机电晕放电检测系统的灵敏度、正确性和可行性。实验初始射频为100MHz，按25MHz作为步长直至频率升至350MHz结束测试。无人机检测出的电晕放电曲线与实验室标准电晕放电曲线的趋势一致，平均误差值为1.2MHz／min，远低于常规方法的检测精度。同时，放电点位置锁定的平均误差值为0.68m，随着放电射频的增加锁定误差最小值为0.45m，位置锁定的准确度满足要求。最后，根据福建地区的检测需求，本文选取多条110kV线路进行实际检测应用，取得了很好的应用结果，充分证明了本文所提方法和研制检测设备的实用性和有效性。
        2.2基于电磁波的电晕放电射频检测方法
        电磁波检测法主要通过接收待测点放电时发出的电磁波来检测。线路电晕放电会产生射频波段的脉冲电磁波，其频谱分布范围较广，需选取合适的测量频段进行信号检测。电力系统中电晕放电的主要电磁干扰信号频率一般在150MHz以下，而在空气中传播的衰减速度很快。本文采用射频电磁波检测脉冲电流时测得的是该辐射电磁场各不同频率的分量，然后再将不同频率分量的幅值叠加形成完整的辐射场分布。输电线路检测系统主要由信号采集单元、信号处理单元及显示单元组成。其中，信号采集单元包括接收电晕放电产生的电磁波信号的天线、对接收到的电磁波信号进行滤波以消除噪音及干扰信号的滤波模块、将经过处理的电磁波信号进行放大以便更容易进行后续检测的前置放大单元。为实现对高频信号的采集，该系统还设置了信号处理单元，将信号采集单元输出的信号经过特定的计算（包括乘法运算、信号处理、模数转换等方式），得到输电线路电晕射频信号的幅值与相位信息。根据傅里叶变换原理，对输电线路脉冲电流进行傅里叶变换，可得到该脉冲电流的频谱特性。由于输电线路放电电晕产生的电磁波是高频震荡波，其频谱分布范围主要为200～350MHz，而频谱特性较稳定，因此主要依靠频谱特性来判断输电线路的电晕放电情况。
        2.3基于射频频段分析的电晕放电缺陷检测方法
        本文提出了一套基于射频频段分析的电晕放电缺陷的检测方法，并以无人机为母体构建了一套电晕放电自动检测系统。利用无人机高空飞行功能和远程控制技术，快速、高效地完成高压输电线路的电晕放电点的定位和数据的采集。无人机电晕放电检测系统由无人机、射频检测模块、信息处理模块和地面监控计算机构成。无人机本体搭载有天线、飞行控制模块、电晕检测模块（射频探测器）和信息处理模块，通过无人机代替巡检人员完成高空输电线路的巡视和电晕检测工作。当高压输电线路局部发生电晕放电缺陷时，射频探测器会自动辨识和锁定放电位置，并对射频信号进行现场提取、存储及运算处理，获取电晕放电部位的射频波段。同时，在地面配置一台监控计算机，计算机内配置有无人机的飞行地图和输电线路等相关信息，地面监控计算机通过无线通信方式，实现无人机的远程控制和高空输电线路的电晕放电实时检测。
        结语
        现行电晕放电检测方法弊端较为明显，无法在高原山地、雪域峡谷和崇山峻岭等复杂地形上的高压输电线路上开展检测。为了提高输电线路电晕放电的检测水平，本文提出的集中高压输电线路电晕放电缺陷检测方法，弥补了传统检测方法的不足，提高了电力系统输电线路运行稳定性。
        参考文献：
        ［1］张海峰，庞其昌，陈秀春．高压电晕放电特征及其检测［J］．电测与仪表，2006，43（2）：6－8，31．
        ［2］阮旭良，桑小田，秦建锋．基于电磁波衰减和相移特性的籽棉回潮率检测方法分析［J］．科学技术与工程，2016，16（3）：127－129．