CN101387683A - 罐式断路器局部放电检测方法 - Google Patents

Abstract

一种罐式断路器局部放电检测方法，涉及电力传输设备检测方法，采用超高频检测方法，关键点是滤波电路将传感器的信号限制在0.3－3GHz这一频段，以避开其他电信号干扰，由于信号是纳秒级别的，因此采用3个A/D采集模块，并顺序延时采样，最终可达约1.05GHz的采样频率，根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度。本发明方法能够快速、准确地将检测出故障点，缩短了设备检修查找故障点的范围，从而降低成本，节省人力、物力，为尽快消除故障点，恢复送电提供保证，同时，提高了供电可靠性。

Description

罐式断路器局部放电检测方法

技术领域：

本发明涉及电力传输设备检测方法，进一步讲涉及罐式断路器局部放电的检测方法。

背景技术：

对局部放电进行运行监测的主要困难在于消除各种干扰的影响，如何从强大的电磁干扰中提取微弱的放电脉冲信号。国内外已经提出了许多方法。

1、外复电极法

SF6断路器为金属外壳，接地点多，不宜从接地线上提取局部放电脉冲电信号。外复电极是提取局部放电脉冲信号的方法之一。在SF6断路器外壳上敷上绝缘膜与金属箔电极，外壳与金属箔电极形成小电容，局部放电引起的脉冲信号通过该小电容耦合到检测阻抗上，即可进行监测。

由于外复电极法提取局部放电脉冲信号的效果比不上内置电极法的效果，为此可采取内置电极以提取局部放电的脉冲信号。例如在盆式绝缘子内靠近接地端预先埋设电极以提取信号。也可将断路器法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极，与外壳形成电容，提取信号。内置电极法的监测效果好，但需对断路器本体进行改造，这往往是不易实现的。

2、超高频检测法

SF6设备采用高压力SF6气体绝缘，耐电强度高，放电引起的脉冲电信号的上升沿极陡，约在0.35-3ns之间，频谱中高频分量可达吉赫数量级，因此可选择超高频段(数百兆赫至数吉赫)进行局部放电的检测。超高频检测法具有以下显著优点：1)由于各种电磁干扰的辐射频率低，选择适当的超高频段可以显著提高信噪比；2)断路器以外的超高频电磁干扰信号很微弱，传播时衰减很快，故对断路器现场测试的干扰影响较小，而断路器的金属同轴结构构成良好的波导，其内部放电产生的超高频信号则可有效传播，这也有利于提高信噪比。超高频检测时一般是采用内部电极或外部电极作为耦合器来提取放电信号。由于内部电极设置上有困难，因此多采用体外检测方式。断路器多处装有盆式绝缘子，于是外壳存在绝缘缝隙，当电磁波沿断路器的金属筒传播时，部分电磁波可以从这里辐射出来。采用无线式传感器，放置在断路器盆式绝缘子外缘，就能从外部测得内部放电的信号。为消除空间干扰的影响，但传感器需采取适当的屏蔽措施，目前此技术还不成熟。

3、机械振动法

局部放电会产生声波。因此，在断路器壳体外表面装设振动传感器，可以监测内部的放电。由于气体和钢板声阻匹配不好，界面衰减较大，因此从断路器外壳上测得的声波，往往是沿固体材料以最短的距离传到壳体后，以横波的形式传播到传感器的。局部放电产生的声波频谱分布很广，但断路器中高频分量在传播过程中严重衰减，所以机械振动法检测到的主要是声波中的低频分量。

总之，当前虽有一些断路器局部放电监测诊断仪已投入运行，却远未推广，一是价格昂贵，二是故障诊断技术本身尚需完善提高，从而使此项研究开发工作仍在继续开展并形成热点。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种超高频罐式断路器局部放电的检测方法。

在断路器局部放电运行监测系统中，信号检出以超高频检测法的信噪比最高，优点最突出，因此是一种很有发展前途的检测技术。UHF法正也是基于电磁波在断路器中的传播特点而发展起来的，尽管在别的电气设备(如电机、电缆)中也有应用，但比较起来，此法特别适用，断路器中局部放电信号的监测，尤其是现场监测。对断路器中上述各类缺陷的诊断均已有研究。它的最大优点是可有效地抑制背景噪声，如空气电晕等产生的电磁干扰频率一般均较低，可用宽频法UHF对其进行有效抑制；而对超高频通信、广播电视信号，由于其有固定的中心频率，因而可用窄频法UHF将其与局部放电信号加以区别。所以罐式断路器局部放电检测仪采用了UHF前沿技术，对断路器系统的安全稳定和经济运行具有重要意义。

放电电磁波的传输特性，研究和试验表明，GIS中由局部放电辐射出的特高频电磁波，其在同轴波导中传播时，不仅存在横向电磁波(TEM)，而且还有横电波(TE)和横磁波(TM)。TEM波为非色散波，它能以任何频率在GIS中传播，而TE、TM波则不同，各自具有截止频率f_c，其取决于GIS的同轴尺寸，只有当电磁波频率f>f_c时，电磁波才能传播。

将母线腔，近似为同轴波导系统，内导体外半径为a，外导体的内半径为b。两导体之间充有SF6气体，其介电常数为ε，导磁率为μ，其中外导体模拟GIS外壳，电位为零。对图1所示的同轴波导，场域(a≤r≤b)内任一点

其场量E和H满足下列麦克斯韦方程

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×E=-\mathrm{j\ω\μH}\\ \▿\×H=\mathrm{j\ω\ϵE}\end{array}\right.$ 和 $\left\{\begin{array}{c}\▿\·E=0\\ \▿\·H=0\end{array}\right.$

经运算得到

$\left\{\begin{array}{c}{\▿}^{2}E+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ\ϵE}=0\\ {\▿}^{2}H+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ\ϵH}=0\end{array}\right.$

上式为亥姆霍兹方程，波导中一切波型(TEM、TE、TM)都满足亥姆霍兹方程。

同轴波导中TEM波的场分布，TEM波没有截止频率，利用边界条件r＝a时

和r＝b时

沿z轴方向传播的场量为

$E_r=\frac{u_0}{r\ln (b/a)}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kz})}$

式中u₀为信号幅值；ω为信号角频率； $k=\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}$ 为相位常数； $\mathrm{\η}=\sqrt{\mathrm{\μ}/\mathrm{\ϵ}}$ 为波阻抗。

同轴波导中TE和TM波的场分布，同轴波导中除可以传播TEM波外，还可传输TE和TM波，此时从单个波导来看，电磁场场量满足麦克斯韦方程，展开后可得

式中 ${\mathrm{\β}}^2=k^2-k_c^2$ 为传播常数；k_c为对应于截止波长的相位常数。

当E_z＝0且H_z≠0，则电场只有横向分量，这种波称为TE，此时

$H_z=[A{J}_n\left(k_{c}r\right)+B{N}_n\left(k_{c}r\right)]\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{n\φ}\\ \sin \mathrm{n\φ}\end{array}\}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}$

当H_z＝0且E_z≠0，则磁场只有横向分量，这种波称为TM，此时

$E_z=[C{J}_n\left(k_{c}r\right)+D{N}_n\left(k_{c}r\right)]\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{n\φ}\\ \sin \mathrm{n\φ}\end{array}\}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}$

式中J_n(k_cr)、N_n(k_cr)为第一、第二贝塞耳函数；A、B、C、D为常数；任何极化方向的场可以由

和

(即

和两种场)叠加而成，因此，将角向关系写成偶对称场和奇对称场两种基本类型。

当频率足够高时，k>k_c，β为实数，此时行波因子为e^-jβz，说明电磁波沿z轴传输；当频率比较低时，k<k_c，β为虚数，e^|β|z为衰减因子，电磁波的相位沿z轴不变化，其幅值沿z轴衰减很快，显然这种波不能传播。

电磁波计算，用有限时域差分法在各离散点上函数的差商来近似替代该点的偏导数。同理，对于某点的偏导数也可近似表达为差商，应用这种方法将含时间变量的麦克斯韦旋度方程可转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进以求解空间电磁场，它是求解麦克斯韦微分方程的直接时域方法。采用交替抽样的离散方式，在空间和时间上处理电磁场E、H分量，在计算中将空间某一网格点的电场(或磁场)与周围磁场(或电场)直接相关联，且介质参数已赋值给计算空间的每一个元胞，利用先进的计算机技术，通过求解差分方程组，可方便解出各网格点的场值。

本发明解决技术问题的方案是：

罐式断路器局部放电的现场试验和检测采用超高频检测方法，其检测原理为：断路器内局部放电时一个显著特点是其电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒(ns)级，该电流脉冲将激发出：高频电磁波，其主要频段为0.3-3GHz，该电磁波可从断路器上盘式绝缘子处泄露出来，并由超高频传感器接收，然后根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度。

本发明方法包括以下步骤：

1、采用超高频传感器捕捉放电产生的超高频电磁信号；

2、采用滤波电路将传感器输出的电磁波形信号限制在0.3-3GHz频段；

3、采用检波电路将一次放电中的多个脉冲形成包络曲线；

4、采用增益电路补偿在滤波和检波电路中的信号衰减；

5、采用3个A/D采集模块对包络曲线进行顺序延时采样；

6、采用A/D驱动模块与微处理器配合产生控制三个A/D的启动时序；

7、采用FIFO模块进行缓存，并产生溢出标志给微处理器，由微处理器统一进行读取；

8、采用方波发生模块为微处理器提供一个500MHz的基准方波；

9、采用倍频器产生A/D驱动模块的控制时序；

10、采用微处理器用于连接整个电路，实现发生A/D工作时序、进行数据处理、控制液晶显示，通过显示器显示波形数据及信号强度。

本发明的关键点是滤波电路将传感器的信号限制在0.3-3GHz这一频段，以避开其他电信号干扰，如电晕等，由于信号是ns级别的，而A/D采集模块芯片最快只能达到400MHz的采样频率，因此采用3个A/D采集模块，并顺序延时采样，最终可达约1.05GHz的采样频率。

发明还可以通过USB存储和USB驱动模块进行波形存储，由于微处理器自身不具备USB接口，需要外接一个USB设备的接口芯片。

本发明方法能够快速、准确地将检测出故障点，缩短了设备检修查找故障点的范围，从而降低成本，节省人力、物力，为尽快消除故障点，恢复送电提供保证。在有放电时进行定位检修，大大缩短检修停电时间，其经济效益更是可观。对于现代电网商业化运营其经济效益更加明显，提高了检修质量，避免突发事故，实现断路器绝缘的状态检修，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率。同时，提高了供电可靠性。

附图说明；

图1为检测装置的硬件框图；

图2为检测方法的整体流程图；

图3为A/D采集模块顺序延时采样流程图。

具体实施方式：

检测装置包括超高频传感器1、滤波电路2、检波电路3、增益电路4、第一A/D采集模块5、第二A/D采集模块6、第三A/D采集模块7、A/D驱动模块8、FIFO模块9、方波发生模块11、倍频器12、液晶显示器13、微处理器10、USB存储模块14和USB驱动模块15构成，超高频传感器1连接滤波电路2，滤波电路2连接检波电路3，检波电路3连接增益电路4，增益电路4分别与并联的三个A/D采集模块连接(A/D采集模块5、6、7)，微处理器10连接A/D驱动模块8，A/D驱动模块8分别与并联的三个A/D采集模块连接(A/D采集模块5、6、7)，三个A/D采集模块(A/D采集模块5、6、7)分别与FIFO模块9连接，方波发生模块11通过倍频器12连接微处理器10，微处理器10连接液晶显示器13、微处理器10通过USB驱动模块15连接USB存储模块14。检测方法是将超高频传感器1放置在断路器盆式绝缘子外缘，测得放电产生的高频电磁波信号，滤波电路2将传感器输出的电磁波行信号限制在0.3-3GHz频段，再经过检波电路3将一次放电中的多个脉冲形成包络曲线，增益电路4补偿在滤波电路2和检波电路3中的信号衰减，A/D驱动模块8与微处理器10配合产生控制三个A/D采集模块的启动时序，启动第一A/D采集模块5进行A/D转换，并将转换后的数值送入FIFO模块9进行缓存，延时250ns，启动第二A/D采集模块6进行A/D转换，并将转换后的数值送入FIFO模块9进行缓存，延时250ns，启动第三A/D采集模块7，微处理器10依次等待到三个FIFO模块的溢出标志后，统一进行读取，方波发生模块11提供一个500MHz的基准方波，倍频器12产生A/D驱动模块的控制时序，微处理器10对读取的信号进行处理，通过液晶显示器13显示信号强度数据信息，通过USB驱动模块15连接USB存储模块14对信息进行存储。

Claims (3)

1、一种罐式断路器局部放电检测方法，包括以下步骤：

(1)采用超高频传感器捕捉放电产生的超高频电磁信号；

(2)采用滤波电路将传感器输出的电磁波形信号限制在0.3-3GHz频段；

(3)采用检波电路将一次放电中的多个脉冲形成包络曲线；

(4)采用增益电路补偿在滤波和检波电路中的信号衰减；

(5)采用3个A/D采集模块对包络曲线进行顺序延时采样；

(6)采用A/D驱动模块与微处理器配合产生控制三个A/D的启动时序；

(7)采用FIFO模块进行缓存，并产生溢出标志给微处理器，由微处理器统一进行读取；

(8)采用方波发生模块为微处理器提供一个500MHz的基准方波；

(9)采用倍频器产生A/D驱动模块的控制时序；

(10)采用微处理器用于连接整个电路，实现发生A/D工作时序、进行数据处理、控制液晶显示，通过显示器显示波形数据及信号强度。

2、根据权利要求1所述的局部放电检测方法，其特征是，采用USB存储和USB驱动模块进行波形存储。

3、根据权利要求1所述的局部放电检测方法，其特征是，A/D采集模块之间的启动时序分别延时250ns。

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