CN101435849B - 电力设备地线上局部放电vhf或uhf信号的传感方法 - Google Patents

Abstract

电力设备地线上局部放电甚高频VHF或特高频UHF信号的传感属于电力设备局部放电检测技术领域，其特征在于，电力设备内部局部放电产生的VHF或UHF信号能够耦合到内部引出地线上，并沿此地线传播到设备体外。此VHF或UHF信号在内部引出地线上传播时，沿地线长度方向存在显著的幅度相位变化，相距一段距离的两点间存在传输线电位差，测量此传输线电位差，可实现局部放电的VHF或UHF信号传感。对内部引出地线和地线套管进行屏蔽，并和设备金属外壳相连，构成封闭的屏蔽体，由此可有效抵抗外部空间的电磁干扰。此传感方法不改变电力设备结构，安装方便，传感灵敏，抗电磁干扰能力强，适用于电力设备局部放电在线检测。

Description

电力设备地线上局部放电VHF或UHF信号的传感方法 

技术领域

本发明属于电力设备局部放电检测技术领域。 

绝缘介质中的局部缺陷，在交流电压作用下，发生缺陷区域的重复击穿，称为局部放电。 

局部放电是绝缘缺陷的表现，也是绝缘缺陷进一步发展的原因。电力设备绝缘中长期的局部放电能够使绝缘缺陷不断扩大，最终导致整体绝缘击穿，引发绝缘事故。因此，在电力设备的制造、安装、运行和检修中，经常需要进行局部放电检测，以保证绝缘质量。 

局部放电检测有离线检测和在线检测两种方式。离线检测时，电力设备退出系统运行，在专门的试验条件下进行。在线检测时，电力设备保持正常运行状态，测量仪器和测量操作不能影响电力设备的安全运行。 

局部放电在线检测目前有两种主要的信号传感方法，局部放电机械振动信号传感和局部放电电磁信号传感。 

所谓局部放电机械振动信号传感，是在电力设备外壳上安装机械振动传感器，检测局部放电产生的脉冲机械振动信号，实现局部放电传感。局部放电机械振动信号传感具有传感器安装方便、抗电磁干扰能力强等的优点，但在一些场合传感灵敏度较低。 

所谓局部放电电磁信号传感，是在电力设备各种可能的位置安装电磁信号传感器，检测局部放电产生的电磁暂态信号，实现局部放电传感。局部放电电磁信号传感具有灵敏度高的优点，但传感器的安装受到很多限制，在很多场合存在严重的电磁干扰问题。如何有效在高电压设备中传感局部放电的电磁信号，如何有效抑制电磁干扰，这是局部放电电磁信号传感的关键。 

本发明提出了一种在电力设备的内部引出地线上测量传输线电位差进行局部放电VHF(30-300MHz)和UHF(300-3000MHz)信号传感的方法。局部放电产生的VHF信号和UHF信号耦合到内部引出地线上，从设备内部传播到设备外部。对于VHF信号和UHF信号，内部引出地线可视为一根传输线，在设备体外的引出地线上选择两个点，一点为参考点，另 一点为测量点，测量测量点相对于参考点之间的VHF信号或UHF信号的传输线电位差，由此进行局部放电信号传感。对参考点和测量点进行屏蔽，和设备金属外壳构成一个统一的屏蔽体，可有效抵抗外部空间电磁干扰。 

本发明涉及局部放电电磁信号传感，以下是目前已有的局部放电电磁信号传感的主要方法。 

(1)高频电流互感器HFCT传感 

高频电流互感器可套在电力设备的接地线上，测量局部放电产生的脉冲电流信号。在此以电力变压器为例，介绍高频电流互感器测量局部放电的方法。图1所示是电力变压器的结构示意图，其中11为铁芯；12为高低压线圈绕组；13为金属外壳；14为高压绕组的高压端出线套管；15为高压绕组的中性点出线套管；16为铁芯接地线出线套管；17为低压绕组的中性点出线套管；18为低压绕组的高压端出线套管；19为金属外壳接地线。变压器内部的绕组中性点接地线和铁芯接地线，均通过套管引出到变压器体外，然后在体外接地。 

当变压器内部出现局部放电时，局部放电的电磁暂态可以耦合到所有的地线上，包括高低压绕组中性点接地线、铁芯接地线和外壳接地线。将高频电流互感器HFCT套在这些地线上，测量地线上的局部放电的高频暂态电流，可实现局部放电检测。图2所示是采用高频电流互感器在内部引出地线上进行局部放电检测的示意图，其中21为电力设备金属外壳；22为内部引出地线的套管；23为内部引出地线；24为高频电流互感器。 

高频电流互感器的频率响应特性受磁芯特性的限制，工作频率通常在数十MHz以内。在这个频率范围内，变电站存在有大量的电磁干扰，影响高频电流互感器方法的局部放电检测。 

(2)暂态地电压TEV传感 

当电力设备内部出现局部放电时，局部放电的高频电磁暂态可以传播到设备金属外壳上，尽管设备金属外壳有接地，但仍出现高频暂态电位分布，称为暂态地电压(TEV)。在电力设备金属外壳上放置电容式感应电极，测量局部放电产生的暂态地电压，可以实现局部放电检测。 

图3所示是采用电容式感应电极进行电力设备局部放电暂态地电压信号传感的示意图，其中31为电力设备金属外壳；32为电容式感应电极；33为信号处理和显示电路；34 为屏蔽。局部放电在电力设备金属外壳31上产生暂态地电压，通过杂散电容耦合到感应电极32，再输入至信号处理和显示电路33，实现局部放电检测。 

电力设备金属外壳上也存在有大量的电磁干扰，影响暂态地电位方法的局部放电检测。 

(3)局部放电特高频UHF传感 

电力设备局部放电能够辐射宽频带的电磁波，高频分量可以达到特高频UHF频段。在特高频段检测局部放电的电磁波信号，称为局部放电特高频传感。在特高频段，干扰信号通常会显著减小，因此局部放电特高频传感能够获得较高的信噪比，具有较好的抗干扰能力。 

图4所示是在电力设备内部设置特高频耦合器进行局部放电特高频传感的示意图，其中41为电力设备金属外壳；42为设备金属外壳上的手孔结构；43为特高频耦合器；44为高频电缆接头。电力设备内部局部放电产生的特高频电磁波信号被特高频耦合器43接收，通过高频电缆接头44传送到电力设备体外，进行后续的信号处理，实现局部放电检测。 

电力设备内部的特高频耦合器能够有效传感局部放电信号，抵御外部干扰，具有良好的抗干扰能力和传感灵敏度。但是，内部特高频耦合器只能在设备制造时安装，对于没有安装内部特高频耦合器的设备，局部放电特高频传感受到很大限制。 

电力设备金属外壳的屏蔽作用，限制了局部放电高频电磁信号的传感。本发明提出一种在电力设备内部引出地线上测量传输线电压降进行局部放电甚高频VHF(30MHz-300MHz)或特高频UHF(300MHz-3GHz)信号传感的方法。 

发明内容

本发明的特征在于，在电力设备的由其内部元件接地线经过地线套管引出到体外的一段地线上，选择相隔距离为L的两点，离开所述的地线套管近的一点为测量点，离开地线套管远的一点为参考点，测量局部放电所产生的甚高频VHF信号或特高频UHF信号在所述的内部引出地线上传播时测量点相对于参考点所出现的传输线电位差，用于局部放电信号测量。 

有一个与所述的内部引出地线上参考点相连接的导体屏蔽罩，对所述的参考点和测量点之间的地线线段进行屏蔽，在测量点的位置取测量点相对于屏蔽罩的电位差，用于局部放电信号测量。 

在所述屏蔽罩的对应于测量点的位置安装高频电缆接头，引出测量点相对于屏蔽罩的也位差信号，用于局部放电信号测量。 

对所述的屏蔽罩进行延长，至所述的电力设备的金属外壳，并和电力设备的金属外壳相连，使设备外壳和屏蔽罩构成一个封闭的屏蔽体，对所述的参考点至设备内部的地线线段进行屏蔽。 

对于频率为f的信号分量的传感，所述的测量点和参考点之间距离L按四分之一波长选择，有 $L=\frac{c}{4f},$ c为电磁波沿地线传播速度，f为信号频率，其中f为局部放电测量信号频段的中心频率。 

本发明在电力设备体外的内部引出地线上进行局部放电VHF或UHF信号的传感，不改变电力设备的结构，安装方便，传感灵敏度高，抗电磁干扰能力强，为电力设备局部放电在线检测提供了一种有效的信号传感方法。 

附图说明

图1：电力变压器结构示意图。11为铁芯；12为高低压线圈绕组；13为金属外壳；14为高压绕组的高压端出线套管；15为高压绕组的中性点出线套管；16为铁芯接地线出线套管；17为低压绕组的中性点出线套管；18为低压绕组的高压端出线套管；19为金属外壳接地线。变压器内部的绕组中性点接地线和铁芯接地线，均通过套管引出到变压器体外，然后在体外接地。 

图2：采用高频电流互感器在内部引出地线上进行局部放电检测的示意图，21为电力设备金属外壳；22为内部引出地线的套管；23为内部引出地线；24为高频电流互感器。 

图3：采用电容式感应电极进行电力设备局部放电暂态地电压信号传感的示意图。31为电力设备金属外壳；32为电容式感应电极；33为信号处理和显示电路；34为屏蔽。局部放电在电力设备金属外壳31上产生暂态地电压，通过杂散电容耦合到感应电极32，再输入至信号处理和显示电路33，实现局部放电检测。 

图4：在电力设备内部设置特高频耦合器进行局部放电特高频传感的示意图。41为电力设备金属外壳；42为设备金属外壳上的手孔结构；43为特高频耦合器；44为高频电缆接头。电力设备内部局部放电产生的特高频电磁波信号被特高频耦合器43接收，通过高频电缆接头44传送到电力设备体外，进行后续的信号处理，实现局部放电检测。 

图5：在电力设备内部引出地线上测量传输线电位差进行局部放电甚高频VHF传感或特高 频UHF传感的原理示意图。51为电力设备内部引出地线；52为内部引出地线的套管；53为电力设备金属外壳；54为内部引出地线上选定的参考点；55为内部引出地线上选定的测量点；56为内部引出地线的外加屏蔽，此屏蔽在参考点54位置和内部引出地线连接；57为内部引出地线套管的外加屏蔽，此屏蔽一端和地线的外加屏蔽56连接，另一端和设备外壳53连接；58为高频电缆接头。局部放电的VHF信号或UHF信号沿内部引出地线传播，测量点55相对于参考点54之间出现传输线电位差。内部引出地线的屏蔽56从参考点54出发，延伸到测量点55，取测量点55和屏蔽56之间的电位差，由高频电缆接头58引出，输入至后续的信号处理电路，进行局部放电VHF或UHF信号测量。套管屏蔽57连接在地线屏蔽56和设备外壳53之间，构成封闭的屏蔽体，测量点55处在此封闭屏蔽体之内，可有效抵御设备外部空间的电磁干扰。 

图6：在电力设备内部引出地线上测量传输线电位差进行局部放电甚高频VHF或特高频UHF信号传感的一个实施例。61为电力设备金属外壳；62为电力设备内部引出地线的套管的导体；63为内部引出地线的套管的绝缘；64为内部引出地线延伸的扁地线；65为扁地线和套管端子连接的固定螺母；66为内部引出地线的屏蔽；67为连接导体；68为高频电缆接头；69为内部引出地线套管的屏蔽。 

具体实施方式

如电力变压器这类设备，其内部元件的接地线通常经过套管引出到设备体外，然后在体外接地，以下称这种接地线为“内部引出地线”。当设备内部出现局部放电时，局部放电的高频电磁暂态能够以多种途径耦合到内部引出地线上，并沿内部引出地线传播到设备体外。对于局部放电的VHF(波长10-1m)信号和UHF(波长1-0.1m)信号，信号波长和内部引出地线的长度在相同数量级，这些信号在内部引出地线上的传播具有传输线传播特性，沿地线长度方向的不同点之间存在显著的幅度相位变化，因此存在电位差。在内部引出地线上测量传输线电位差，可进行局部放电甚高频VHF信号或特高频UHF信号传感，实现局部放电检测。 

图5所示是在电力设备内部引出地线上测量传输线电位差进行局部放电甚高频VHF传感或特高频UHF传感的原理示意图，其中51为电力设备内部引出地线；52为内部引出地线的套管；53为电力设备金属外壳；54为内部引出地线上选定的参考点；55为内部引出地线上选定的测量点；56为内部引出地线的屏蔽，此屏蔽在参考点54位置和内部引出地线连接；57为内部引出地线套管的屏蔽，此屏蔽一端和地线屏蔽56连接，另一端和设备 外壳53连接；58为高频电缆接头。 

局部放电的VHF信号或UHF信号沿内部引出地线传播，测量点55和参考点54之间存在传输线电位差。内部引出地线的屏蔽56从参考点54出发，延伸到测量点55，取测量点55和屏蔽56之间的电位差，由高频电缆接头58引出，输入至后续的信号处理电路，进行局部放电VHF或UHF信号传感。套管屏蔽57连接在地线屏蔽56和设备外壳53之间，构成封闭的屏蔽体，测量点55处在此封闭屏蔽体之内，可有效抵御设备外部空间的电磁干扰。 

测量点55和参考点54之间的距离L依据传感信号的频段而定。VHF信号或UHF信号沿内部引出地线传播，在参考点54发生负的全反射，形成驻波。对于波长为λ的频率分量，在距离 $L=\frac{\mathrm{\λ}}{2},$ L＝λ， $L=\frac{3\mathrm{\λ}}{2}$ 等位置为驻波电压的波节；在 $L=\frac{\mathrm{\λ}}{4},$ $L=\frac{3\mathrm{\λ}}{4},$ $L=\frac{5\mathrm{\λ}}{4}$ 等位置为驻波电压的波腹；选择驻波电压的波腹点进行传输线电位差测量，能够获得最大的信号。例如，当传感信号频段的中心频率对应的波长为λ时，可选择距离 $L=\frac{\mathrm{\λ}}{4}.$

本发明的一个实施例如图6所示，其中61为电力设备金属外壳；62为电力设备内部引出地线的套管的导体；63为内部引出地线的套管的绝缘；64为内部引出地线延伸的扁地线；65为扁地线和套管端子连接的固定螺母；66为内部引出地线的屏蔽；67为连接导体；68为高频电缆接头；69为内部引出地线套管的屏蔽。 

内部引出地线的屏蔽66为矩形截面的金属管，环绕扁地线64；屏蔽66通过连接导体67与扁地线64相连，连接点为信号测量的参考点。在扁地线上靠套管一侧，离开参考点L距离的位置为测量点，此处安装高频电缆接头68引出信号。内部引出地线套管的屏蔽69将套管罩住，并一端和设备金属外壳61相连，另一端和内部引出地线的屏蔽66相连，构成一个封闭的屏蔽。 

Claims (1)

1.电力设备地线上局部放电VHF或UHF信号的传感方法，其特征在于，在电力设备的由其内部元件接地线经过地线套管引出到体外的一段地线上，选择相隔距离为L的两点，离开所述的地线套管近的一点为测量点，离开地线套管远的一点为参考点，测量局部放电所产生的甚高频VHF信号或特高频UHF信号在所述的内部引出地线上传播时测量点相对于参考点所出现的传输线电位差，用于局部放电信号测量，对于频率为f的信号分量的传感，所述的测量点和参考点之间距离L按四分之一波长选择，有

c为电磁波沿地线传播速度，f为信号频率，取f为局部放电测量信号频段的中心频率，还设有一个与所述的内部引出地线上参考点相连接的导体屏蔽罩，对所述的参考点和测量点之间的地线线段进行屏蔽，在测量点的位置取测量点相对于屏蔽罩的电位差，用于局部放电信号测量，在所述屏蔽罩的对应于测量点的位置安装高频电缆接头，引出测量点相对于屏蔽罩的电位差信号，用于局部放电信号测量，对所述的屏蔽罩进行延长，至所述的电力设备的金属外壳，并和电力设备的金属外壳相连，使设备外壳和屏蔽罩构成一个封闭的屏蔽体，对所述的参考点至设备内部的地线线段进行屏蔽。

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