10 kV开关柜局部放电检测方法研究

汪晨　余嘉文　陈强

摘 要：针对高压开关柜局部放电的问题，提出了10 kV开关柜局部放电检测方法，并设计出开关柜局部放电检测的整套系统。在本设计的方案中，采用监控装置对开关柜现场进行检测，并通过工业CCD摄像机进行实时变换立体空间，从而360°无死角地实现开关柜检测的视频、图像采集，然后引用结合 Sobel 算子的四帧差分法算法，对所采集到的视频、图像进行计算、分析。然后根据开关柜中的异常数据，选择不同的检测单元，比如红外线检测单元、超声波检测单元和特高频检测单元，从而实现开关柜局部放电的高精度、实时检测。通过试验，本研究设计的技术方案检测精度较高，大大提高了设备的安全性。

关键词：10 kV;局部放电;Sobel 算子;CCD摄像机;四帧差分法算法;检测

中图分类号：TP24      文献标识码：A

Research on Partial Discharge Detection Method of 10 kV Switchgear

WANG Chen，YU Jia-wen，CHEN Qiang

（Wuhu Power Supply Company of State Grid Corporation of China，Wuhu， Anhui 241000， China）

Abstract：Aiming at the problem of partial discharge in high-voltage switchgear， a partial discharge detection method for 10 kV switchgear was proposed， and a complete system for partial discharge detection in switchgear was designed. In the scheme designed， the monitoring device is used to detect the switchgear on-site， and the stereo space is transformed in real time by an industrial CCD camera， so that the video and image acquisition of the switchgear can be captured 360 ° without dead angles. The sub-frame four-frame difference algorithm calculates and analyzes the collected video and images. Then， according to the abnormal data in the switch cabinet， different detection units are selected， such as infrared detection unit， ultrasonic detection unit and UHF detection unit， so as to achieve high-precision， real-time detection of partial discharge in the switch cabinet. Through experiments， the technical scheme designed  has higher detection accuracy， which greatly improves the safety of the equipment.

Key words：10 kV; partial discharge; Sobel operator; CCD camera; four-frame difference algorithm; detection

10 kV开关柜作为配网系统中的重要设备，其安全性能及可靠性是关系到电力电网能否顺利正常运行的关键[1-3]。在開关柜中，诸如隔离开关、电气互感器、绝缘子、耦合电容器、高压电缆等部件一旦出现问题，则会导致整个电力系统处于瘫痪状态，尤其是高压局部放电现象，很容易给用户构成威胁，其中高压开关柜局部放电能够提前预告设备绝缘劣化状况[4-5]，如果设备在运行中，长期保持劣化状态，则影响电力运行的使用寿命，这对设备的安全性提出了巨大挑战，给用户或设备造成严重的后果。因此对设备的高电压放电检测就显得十分必要。

目前，在漏电检测方面，现有技术仍旧不够成熟。在高压侧，如果采用原始的人工检测方法，显然难以保证检测人员的人身安全，传统方法中，通常采用万用表等工具，这很难保证检测的正确性，传统技术中，也有采用超声检测方法进行检测，但是其主要原理是借助于超声波传感器感测高压开关柜内部局部放电产生的信号，然后对设备局部放电进行检测和定位[6-7]。这种方法虽然在一定程度上具有技术先进性，但是超声波检测法很容易受环境噪声的影响，比如电网谐波、电磁干扰、磁场等。因此，就需要一种新型的方法来实现高压开关柜的漏电检测。

1 总体方案设计

10 kV开关柜在结构上主要包括真空断路器、电流互感器、就地安装的微机保护装置、操作回路附件、各种位置辅助开关[8-10]。在10 kV开关柜中，通常将断路器和电流互感器设置在开关柜的内部，将微机保护、智能电能表安装在继电器室内的面板上，其中端子排与各种电源空气开关则安装在继电器室内部，端子排通过控制电缆或专用插座与断路器机构连接[11-13]。在检测10 kV开关柜局部放电时，在检测位置上需要考虑容易放电的地方。由于高压放电对人体造成的危害较大，不易使用户接近，因此在分析数据时，可以将图像处理融合到检测方式中，实现局部放电的精准检测，如图1所示，本系统在检测漏电时，在现场安装监控系统，通过监控系统监测开关柜现场检测状况。同时在现场设置有旋转摄像头，旋转摄像头能够实现立体空间范围内的360°旋转，在配置时，使用高清工业CCD摄像头，将拍摄的图片通过Internet传递到PC，采集不同角度的开关柜图像，使用户远程操控现场检测情况[14]。在检测现场，设置LED点阵矩阵背光源，为工作现场提供光照度，拍摄的图像更为清晰、可信。在PC端基于结合 Sobel 算子的四帧差分法算法对采集到的图像进行分析，根据存在的不同问题，选择不同类型的检测单元，比如红外线检测单元、超声波检测单元和特高频检测单元，检测单元检测到的数据通过DSP计算单元进行计算，本系统可以采用TI公司DSP芯片TMS320C6203B和ADS5422实现30 MHz，20 ms高速数据采集，将模拟信息转换成数字信号，供PC机识别、应用。计算结果传递到PC端，从而实现开关柜局部放电的高精度、实时检测[15]。在PC端通过诊断设备诊断检测结果，显示单元将检测结果显示给用户分析、研究。检测结果也可以通过无线发射的方式传递给PDA、智能手机或者平板电脑等智能设备，实现数据的即时分享[16]。在PC客户端的数据可以通过以太网的方式远程传递到中央控制中心，供更高一级的管理系统使用并发布指令。

2 局部放电检测分析方法

基于旋转摄像头拍摄现场图片，将拍摄图上传至PC机进行图像分析，根据分析结果能够快速、精准地判断放电位置，再结合超声波检测单元、红外线检测单元和特高频检测单元“三位一体”的检测方式，有效地测出高压开关柜局部放电情况[17]，供开关柜工作人员掌握最新的放电情况。

2.1 基于旋转摄像头的图像采集系统设计

采用Xilinx FPGA进行动态视频图像采集系统，其主要包括摄像头、图像采集单元、图像数据储存单元、VGA显示驱动单元。摄像头为360°旋转的OV7670摄像头，其像素为30 W，采用双口通讯的RAM进行数据存储，显示图像窗口尺寸为320x240，实施立体图像无死角图像采集[18]。其中摄像头配置为采用SCCB协议进行数据通讯，SCCB也称为I2C总线。PC接收到摄像机收到的图片时，使用结合 Sobel 算子的四帧差分法算法步骤分析图片，以用于指导启动哪些传感器[19]。在分析图像时，首先对采集到视频图像的序列中连续的两帧图像做差分运算，这样可以获取现场传感器（超声波检测单元、红外线检测单元或特高频检测单元中）的运动轮廓。当在监控过程中出现异常物体运动时，相邻的两帧图像之间会出现比较明显的差异，将具有差异的两帧图像相减，得出图像相应位置的像素值之差的绝对值，进一步判断该绝对值是否大于设定的阈值，然后分析出所采集到传感器的运动特征。下面结合图2和算法公式进一步说明。

四帧差分算法的基本流程如下：

（1）从摄像中选取所获得图像中的相邻四帧像素，定义第一帧为Ik（x，y）、第二帧为Ik+1（x，y）、第三帧为Ik+2（x，y）、第四帧为Ik+3（x，y），然后分别计算到两帧差值得到灰度图像DFk， k+3， DFk+1， k+2[20]。则灰度图像的计算公式为：

DFk，k+3=|Ik+3（i，j）-Ik（i，j）|

DFk+1，k+2=|Ik+2（i，j）-Ik+1（i，j）|（1）

（2）设阈值X，作为参考比较值，将采集到的图像进行二值化操作，Mk，k+3， Mk+1，k+2为最终的二值化图像。则得到公式：

Mk，k+3=1DFk，k+3≥T

0其他（2）

Mk+1，k+2=1DFk+1，k+2≥T

0其他（3）

（3）将计算到的二值化图像值Mk，k+3和 Mk+1，k+2进行“与”操作。得到Mk，Mk即是拍摄传感器的组最终运动信息，即：

Mk=0Mk，k+3∩Mk+1，k+2=1

0其他（4）

在进行四帧差分法运算时，它是对连续的四帧图像进行相应的差分运算，得到前景目标。四帧差分法是在三帧差分算法的基础上进行的改进。三帧差分算法对于慢速运动的物体具有较差的计算能力[21]，而四帧差分法运算能够有效地解决这个问题。在本研究应用中，通过对旋转摄像头的特征选择，可以准确地判定在哪个点具有高压放电现象，而后通过PC发布命令。

2.2 检测单元的检测、定位

图像采集完毕并利用四帧差分法运算后，通过旋转摄像头不仅仅要实现巡检的功能，还要根据巡检情况再定位传感器位置，精确检测出局部放电的位置，再根据检测单元检测放电情况，传感器检测方法如图3所示。

红外线检测单元检测主要采用红外线传感器基于红外热成像检测方法对发热部位进行的检测，由于高压放电，使设备集中放电的位置处的温度陡增，采用红外线传感器对发热位置检测，比起其他传感器对发热位置检测更准确。该检测方法不仅直观、检测灵敏度较高，使得用户能够快速从检测位置获取检测数据[22]。其不仅能够测量高压放电，还能够基于红外测距的方式获取检测距离，即放电距离[23]。其结构外形图如图4所示。

图5是基于一种热释电红外传感器进行红外测温的电路，其中传感器单元电路中接入有温度补偿电路，采样信号通过C1被耦合到放大信号的放大器A1，其输出端输出的信号经由有源滤波器进行不必要成分的滤除，补偿电路基于2 mV/℃的硅二极管，输入信号通过A4进行放大，而后输出信号输出到放大器A3的输入端，并且与该信号进行相加，最后输出，在应用时，比如在200℃下，输出电压为4 V，放大器的输出电压为3 V，温度补偿器的输出电压为1 V。

红外线检测虽然有诸多优点，但是检测的持续性较差，难以实时检测。超声波检测的方法能够有效地克服上述缺点。

超声波检测单元为基于超声波传感器的检测单元。在应用时根据用户需要将超声波检测传感器设置在局部放电的位置处。在物理学中，机械波传播时，其在弹性介质传播被分类，即次声波、声波以及超声波，这是按波不同频率为进行的分类。超声波的物理特性包含声强、声压以及声阻抗[24]。在开关柜开关柜局部放电时，会产生猛烈的冲击波，当冲击波传播到超声波传感器时，超声波传感器能够将超声振动信号变成数字电信号。并对收到的电信号计算（比如放大、变换等），示波器可以得到收到其信息（比如信号波形、到达时间等），根据收到的数据信息便可实现对开关柜高压设备内部局部放电事故进行科学分析，以备后患。但超声波在传播过程中衰减比较严重，会降低检测的灵敏度。

特高频检测单元利用特高频性能的传感器检测特高频发出的电磁波，进一步检测开关柜是否有局部放電。该传感器能够克服上述两种传感器检测单元的技术弊端，能够处理高频信息，当发生局部放电时，具有很强的抗噪能力。放电现象发出的电磁波处于500 MHz ～1500 MHz，检测现场噪声不超过 400 MHz。但是针对电晕放电时，特高频检测法的效果无法发挥最大，其检测实例如图7所示。

3 测试验证及分析

在测试时，选择的操作系统为Microsoft Windows 2010，64 位。主要开发工具为Visual Studio 2015，OpenCV 3.0。运行环境硬件参数为CPU：Inter（R）Core（TM）i7;主频为2.59 GHz;内存8 G。实验中在 Visual Studio 2015 的环境下利用 C++来实现对异常图像的保存，opencv 中提供了 cvSaveImage（）函数保存采集的图像，将异常图像按照检测的时间或者尺寸大小保存在对应文件夹下。再用socket 在其保存的对应文件夹下获取相应的异常图像，然后传递到用户可随时查看的智能移动设备端（包括但不限于平板电脑、智能手机或PDA）。图8为摄像头安装示意图。

图9为开关柜测试点示意图，在试验时，选择不同的4个点位置，作为高压放电试验点。

然后将测试的波形以局部放电分解图谱的形式显示，如图11所示。

根据上述测试，对4个不同的采样点进行对比分析，检测对比图如表1所示。

在图9中的开关柜中，选择测试点A、B、C、D，分别对A、B、C、D进行40次放电试验，分别用超声波检测单元、红外线检测单元和特高频检测单元在安装旋转摄像头和未安装摄像头的情况下进行测试。测试结果见表1所示。其中在未使用旋转摄像头情况下，三种不同检测方式检测到的正确率为85%以下，而在使用旋转摄像头测量放电情况，三种不同检测方式检测到的正确率为90%以上，可见，在通过旋转摄像头监控的情况下，检测效果更好。

4 结 论

将图像采集技术与传感器检测技术相结合实现开关柜高压开关柜的局部放电检测，大大提高了检测的精度。无需工作人员在场，便可实现实时远程检测，电力工作人员只需通过软件分析的数据即可获取现场检测情况，并根据数据分析调整检测措施，大大提高了检测工作的安全性。比起传统方案，本方案节省了高壓开关柜的维修费，减少了设备突发事故发生率，提高了开关柜的整体工作性能稳定性，具有较好的经济效益和社会效益，也为下一步高压放电的检测技术提供一定的参考价值。

参考文献

[1] 郭威， 王子伊， 姜言金， 等. 高压开关柜局部放电监测系统设计J]. 自动化与仪器仪表， 2017， （4）： 132-134.

[2] 张千千， 张卫东， 毕凯， 等.开关柜局部放电区域检测与精确定位方法研究[J]. 电气自动化， 2016， 38（3）：111-113.

[3] 程丹， 黄新波， 朱永灿， 等. 开关柜电容型设备在线监测系统设计与应用[J]. 广东电力， 2016， 29（4）： 55-61.

[4] 何聪， 袁川， 曾伟， 等. XLPE高压电力电缆局部放电检测方法[J]. 电网与清洁能源，2016， 32（5）： 27-33.

[5] 唐云辉， 胡曦琳. 基于声信号分析的开关柜局部放电检测算法研究[J]. 电子器件，2018， 41（3）：100-104.

[6] 许家焰， 陈浩敏， 习伟，等. 基于OS2的开关柜一体化监控模拟仿真系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制， 2015， （15）： 111-117.

[7] 笃峻， 张海宁， 柏杨， 等. 智能开关柜设备状态监测系统通信关键技术及实现[J]. 电力自动化设备， 2016， 36（4）：151-156.

[8] 李丽君， 何亚非. GIS超高频局部放电检测方法的研究与应用[J]. 自动化技术与应用， 2016， 35（9）： 157-161.

[9] 刘晓华， 邓科， 陈理， 等. 基于远程监控的开关柜二次设备运维主站系统的开发与设计[J]. 电子设计工程， 2018， 26（17）： 57-61.

[10]孙继经， 徐光亮， 刘伟， 等. 开关柜程序操作远程监控系统的设计与应用[J/O].电力科学与技术学报， 2016， 31（2）： 97-102.

[11]张巧霞， 贾华伟， 叶海明， 等.智能开关柜虚拟二次回路监视方案设计及应用[J].电力系统保护与控制， 2015， （10） ：123-128.

[12]周文俊， 刘宇舜， 李鹏飞等.基于特高频法检测开关柜局部放电的改进Vivaldi天线[J].电工技术学报，2017， 32（12） ：259-267.

[13]凌霜寒， 黄立军， 江虹， 等.核电厂高压厂用变压器局部放电在线监测[J].变压器， 2018， 55（1） ：32-36.

[14]刘桂涛.基于开关柜多点采集无线传输系统的设计[J].电源技术， 2016， 40（9）：1867-1868.

[15]高云峰， 李江， 王新宇， 等.大型开关柜分布式自动化检修系统设计[J].计算机测量与控制， 2017， 25（10） ：255-258.

[16]仇娟. 电力计量装置的异常原因分析及监测方法研究[J].自动化与仪器仪表， 2017， （12）： 29-30.

[17]郝洪星， 李刚， 汪亮， 等. 电能计量装置品级评价管理系统设计 [J].信息技术， 2018， 40（4）：66-69.

[18]詹智华， 詹荣荣， 陈争光， 等. 基于EPON网络的智能开关柜继电保护技术研究[J].电力系统保护与控制， 2016， 44（5）： 102-107.

[19]毛婷， 李凤海， 赵娜. 智能开关柜电子式电压互感器运行异常分析及处理[J].变压器， 2015， 52（7）：73-74.

[20]陈朋， 刘金忠， 孙业荣， 等. 有载调容变压器附加损耗的计算方法[J]. 变压器， 2017， 54（2）：17-22.

[21]佘凤. 基于EPON技术的配网光通信网络[J].激光杂志， 2017， 38（5）：137-139.

[22]王超， 朱颖， 张汉雄. 开关柜局放带电检测数据异常的缺陷诊断及处理[J]. 江西电力， 2016， 40（4）：47-49.

[23]黄诗敏.10 kV开关柜局部放电带电检测技术应用与仿真分析研究[J].电气工程， 2015，（10）：1-96.

[24] 李昂. 35 kV开关柜带电检测异常分析[J]. 数字通信世界， 2018，（4）：250-251.