CN101495879B - 输电线路的局部放电探测和监视 - Google Patents

输电线路的局部放电探测和监视 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种输电分配系统(100)，所述系统(100)配置有探测在电缆(105)上局部放电的元件设置。所述局部放电探测方法包括(a)确定输电线路上的噪声功率谱的频谱的基础波谱成分的特性，和(b)基于该特性确定输电线路的情况。

Description

输电线路的局部放电探测和监视
技术领域
本发明涉及自动监视电噪声环境下的中、高压电缆和绝缘体的情况，并且更具体地涉及交流(AC)输电线路放电。本发明在以下情况中尤其具有优势，即输电线路通信基础构造可以向中央位置传送监视数据。
背景技术
局部放电(partial discharge)(PD)是在具有持续性损伤的绝缘体中发生的现象，所述损伤例如：通过老化、物理损伤或者暴露于过强高电场。PD可以对电缆、连接器、电涌放电器以及其它高压设备造成损害。故障悬式绝缘体也可以产生与PD的频率和相位特征类似的噪声。PD产生短脉冲，其持续时间处于纳秒级别或者更短。PD脉冲倾向于在AC电压的特定相位上出现，并且倾向于与输电频率大致同步，或者是输电频率的两倍。PD是被视为线路同步噪声或者线路触发噪声的一类噪声中的一员。PD脉冲具有覆盖至少从千赫兹到几百兆赫兹范围的连续宽频带频谱。
存在很多用于感测和识别由输电线路上的PD产生的信号和用于提供PD源位置的指示的技术。例如Boggs S.A.，The Case for FrequencyDomain PD Testing in the Context of Distribution Cable，IEEE ElectricalInsulation Magazine，Vol.19，No.4，July-August 2003描述了用于频域中的PD探测的方法，其中频率轴与输电线路上的电压的相位同步。
通常在怀疑电缆存在PD时使用这些技术，并且由于缺乏与一些中心位置方便通信的能力或者由于成本过高而不适合永久使用。这些技术的一个缺陷是，它们要求PD信号是出现的最强信号，并且因此这样的技术不能在包括被电缆拾取的强无线电信号的场环境中运行良好。无线电信号和其他形式的外部干扰被称为“侵入(ingress)”。
发明内容
本发明提供了一种方法，所述方法包括(a)确定输电线路上的噪声功率谱的频谱的基础波谱成分的特性和(b)基于该特性确定输电线路的情况的方法。
附图说明
图1A是功率分配系统的一部分的示意图，该系统被配置有组件的配置，以探测功率分配系统中的电缆上的PD。
图1B是图1A的系统的一部分的另一个视图，示出了电缆上的耦合器的配置。
图2A和2B是示出用于探测电缆上的PD的处理中的各种波形的图表。
图2C是图表2A和2B的一部分的数值的表。
图3A是一组说明了使用作为在图2A-2C的上下文中讨论的模板之外的其他选择的另一种模板的图表。
图3B是周期为360度的模板的图表。
图4是噪声频谱和乘积波形的图表。
图4A和4B是线路触发的噪声功率波谱的图表，上述图表具有不同宽度的波谱峰。
图4C是另一个线路触发的噪声功率波谱的图表；
图5是PD探测器的功能性框图。
图6是另一个PD探测器的功能性框图。
图7是功率分配系统的一部分的示意图，该系统包括耦合器和通信节点的网络，被配置在大部分或者全部分配变压器处，并且被配置用于在多个位置探测PD。
图8是在频率1MHz-30MHz之间的线路触发噪声频谱的图表。
图9A和9B是在宽频率范围上测量PD的系统的框图。
图10是由图9A的系统获得的一些波谱的图表。
具体实施方式
在输电线路通信系统中，输电频率通常在50-60赫兹(Hz)的范围内，并且数据通信信号频率大于1MHz，并且通常处于1MHz-50MHz。用于输电线路通信的数据耦合器耦合输电线路和例如调制解调器的通信设备之间的数据通信信号。
这样的数据耦合器的实例是电感耦合器，它包括铁芯，围绕铁芯部分的绕线式绕组。铁芯是由磁性材料制造的，并且包括一个孔。电感耦合器充当变压器，并且被设置在输电线路上，这样输电线路被引导穿过该孔并且充当变压器的初级绕组，并且电感耦合器的绕组充当变压器的次级绕组。数据通信信号通过铁芯在输电线路和次级绕组之间耦合。接下来，次级绕组被耦合到通信设备。
电感耦合器的又一个用途是在相导线(phase conductor)周围放置电感耦合器，并且感测由PD产生的高频能量。优选地是实现包括连续地探测电缆及绝缘体的情况，和数据通信的功能组合的协同。
电容耦合器也可以被应用于PD探测和通信。但是，高压电容本身容易受到内部PD的发展的影响，内部PD与来自电缆的PD或者绝缘PD之间很难被区分开。因此，尽管电容耦合器可以用于探测PD，电感耦合器更适合完成该任务。
图1A是功率分配系统100的一部分的示例图，该部分配置有用于探测系统100中的电缆上的PD的组件的配置。系统100包括：中压地下电缆即电缆105、分配变压器101、接地棒118、电感耦合器即耦合器120和PD探测器130。
电缆105经由弯头连接器107对分配变压器101馈电。分配变压器101具有连接到接地棒118的中性导线115，以及次级端子140。从次级端子140，分配变压器101以输电频率提供低压。
图1B是系统100的一部分的另一个视图，示出了电缆105上的耦合器120的设置。耦合器120包括磁芯即具有贯穿其中的孔111的铁芯116。耦合器120充当电流互感器，并且位于电缆105上，使得电缆105被引导穿过孔111并且充当耦合器120的初级绕组。耦合器120还包括具有导线122a和122b的次级绕组，导线122a和122b经由电缆125连接到PD探测器130。电缆105具有同心的中性导线110，其聚合在一起成为编织层112并且被引导通过孔111到达接地棒118。
如同美国专利6975210中描述的那样，引导编织层112通过孔111导致取消中性电流感应进入耦合器次级。结果是耦合器120感测电缆105的相导线中的电流，包括输电频率电流和由于PD和侵入引起的电流。感测到的电流可出现在次级绕组即耦合器120的导线122a和122b。
作为电缆105上的耦合器120的另一种配置，或者在电缆105不包括同心的中性导体110时，例如在多相功率电缆中，耦合器120可以被直接放置在相电线的绝缘体106上。在这种情况下，耦合器120优选地被包装在健壮的接地导电屏蔽中，一旦相导线的绝缘失效，该屏蔽能够将故障电流引导到地面。
再次参考图1A，存在电缆105上的电压(和电流)相位和次级端子140上的低电压的相位之间的固定相位关系。
PD探测器130经由电缆125从耦合器120接收感测到的电流，并且经由电缆145从次级端子140接收输电频率低电压。输电频率低电压提供用于探测器130的相位参考。PD探测器130处理来自耦合器120的感测电流，从而探测电缆105中的PD，并且提供连接到通信链路(在图1A中未示出)的输出135，从而允许正在进行的PD监视数据流到达远程监视站(在图1A中未示出)。
耦合器120还充当输电线路通信数据耦合器。这就是说，电缆125也被引导到通信设备(在图1A中未示出)，并且耦合器120被用于在电缆105和通信设备之间耦合数据通信信号。
局部放电产生宽频带噪声，并且因此单独局部放电包括横亘大范围频率的波谱成分。而且，单独局部放电的持续时间也很短，通常在几纳秒的级别。随着频谱分析器扫过一定的频率范围，频谱分析器获取出现在一些点上的波谱运动，这些点在时间上沿着水平轴，扫描处理了该水平轴。因此，频谱分析器的水平轴通常被当作频率轴，它还可以被解释为相位轴和时间轴。
图2A和2B是一组图表，即图像210、220、230、240和250，解释了用于探测电缆105上的PD的处理中的各种波形。图2C是图表220、230、240和250的一部分的数值的表。
图表210是归一化的输电线路电压波即电缆105上的电压的余弦电压波213。图表210的水平轴是按照相位的单位。正波峰211与负波峰212每180度转换一次。
根据电缆105的绝缘损伤情况，PD脉冲将出现在正波峰211附近，在负波峰212附近，或者同时在正波峰211和负波峰212附近。一旦PD主要只出现在一极(即只在正波峰211或者只出现在负波峰212)，放电将表现出每个循环一次或者360度的周期性。一旦同时在正波峰211和负波峰212出现足够的放电，放电将表现出每个循环两次或者180度的周期性。
在PD出现在大部分输电电压循环并且跨越很广的相位角度范围的情况下，优选地处理从频谱分析器的单次扫描而获得波谱数据。
在其它情况下，PD波谱线可以偶尔地出现，并且可以几乎或者完全不出现在频谱分析器的一些扫描中。在这些情况下，优选地积加在N个频率扫描上测量的频谱的一组最高值，并且这是通过为每个波谱线计算“最大保持(max hold)”值而执行的。
波谱的“最大保持”是用于频谱的频率成分的最大幅值的图表。也就是说，最大保持频谱是多个波谱的组合体，其中组合体配置有为多个波谱的每一个所探测的最大幅值。例如，假设频谱分析器评估包括7.4MHz频率成分的信号。进一步假设频谱分析器执行多次扫描，并且在这些扫描过程中，频谱分析器感测7.4MHz成分，幅值范围从-45dBm到-38dBm。对于7.4MHz频率成分，频谱分析器将表现出-38dBm的“最大保持”值。
如同由频谱分析器指示的，图表220是一个同步的“最大保持”频谱，即电缆105上的信号的频谱227，该频谱分析器具有由信号触发的扫描，该信号具有与余弦电压波213的特定相位关系。更具体地，在图形220中，频谱分析器具有其在余弦电压波213的0度相位角处触发的扫描，具有1800度或者余弦电压波213的5个完整循环的扫描持续时间，以及具有5MHz的开始频率和12MHz的结束频率。图形220具有对数的竖轴221，单位是dBm，以及两个水平轴，即指明输电线路相位222的轴，和指明噪声频率223的轴。
在图表220中，由于频谱分析器在余弦电压波213的0度相位角处触发，在频谱分析器的扫描和余弦电压波213的相位之间存在固定的关系。例如，当余弦电压波213在180度和360度的相位时，频谱分析器的扫描分别是大约5.8MHz和6.5MHz的评估频率(evaluating frequency)。值得注意的是，频谱分析器扫描的持续相位触发产生输电线路相位222和噪声频率223之间的固定关系。因此，频谱227是电缆105上的信号的线路触发噪声功率谱。
实验性地在25微微库仑的幅值处测量频谱227。当出现PD或者其他线路同步的百万赫兹噪声时，线路触发噪声功率谱例如频谱227将具有可观的周期性，对应于线路频率(360度)或者两倍线路频率(180度)。频谱227显示在相位的180度的整数倍附近形成峰值的频谱成分226。频谱227还包括分别在大约6.9MHz和7.5MHz的波谱峰值224和225，其没有落入相位的180度的整数倍处的频谱。波谱成分226是PD的代表。波谱峰值224和225是来自于源而不是PD的波谱贡献，例如来自无线电广播的侵入或者来自电缆105附近的开关负载的闭合或者打开的瞬时噪声。
此处描述的方法的一个目的是识别波谱成分226是PD的代表，并且波谱峰值24和225是来自源而不是PD的波谱贡献。相应地，如同后面描述的，该方法继续执行频谱227的波谱分析。
执行频谱227的频谱分析的一种可能技术是计算电缆105上的信号的对数倒频谱。对数倒频谱是频谱对数的傅立叶变换。也就是说，它是频谱的对数幅值进行傅立叶变换的结果，如同频谱的对数幅值是信号。因此，对数倒频谱是波谱的波谱。在本实例的环境中，通过计算频谱227的傅立叶变换找到电缆105上的信号的对数倒频谱。对数倒频谱将揭示在对应于余弦电压波213的相位的180度整数倍的频率上的强化的波谱活动，例如波谱成分226，从而揭示PD的存在。
但是，如同前面提到的，为了探测PD，感兴趣的波谱区域出现在相位的180度的整数倍处。因此，计算对数倒频谱的另一种方式是通过将频谱227与模板相关来确定对数倒频谱的主要成分，该模板在相位的180度的整数倍处遮蔽频谱227的频谱区域。图表230、240和250示出了该技术。
为了使相关可视化，如后面解释的，通过在平均值附近居中频谱227，消除频谱227中的零频率成分。
图表230是图220的零-居中版本，并且因此表示出零-居中频谱，即频谱232。图表230有效地消除了可能出现在频谱227中的任何零频率成分，其中对于频谱分析的第二过程，频谱227被视为波主体。通过计算频谱227的平均值，并且从其每个点中减去平均值从而产生频谱232来获得频谱232。更具体地，对于图表220(并且便于在图2C中参看)。
平均值＝((-48.0)+(-41.9)+...+(-37.7)+(-38.9))/401＝-52.3
通过将52.3加到用于图表220的每个点的数值上而获得拥有图表230的点。例如，图220的第一点的数值是-48.0。因此，图表230的第一点的数值是4.3，其中
4.3＝(-48.0)+52.3
图表240是用于将频谱232(即图表230)的点转换为另一组点(在图表250的上下文中讨论)的模板242。模板242的数值可以是+1或者-1，并且在零附近对称构造。在模板242中，零以上的面积等于0以下的面积。因此，模板242的净面积是零。数值+1出现在对应于180度的整数倍的相位附近。数值-1出现在数值不是+1的地方。例如，模板242在180度附近具有数值+1，在270度附近具有数值-1。
图表250是通过将频谱232的每个点与模板242对应的点相乘的乘积波形252。例如，如图2C中示出的，在索引k＝1处，频谱232(即图表230)的值为4.3，并且模板242(即图表240)的值为+1。因此，乘积波形252(即图表250)的值为：
4.3＝4.3×1
注意到，乘积波形252的一些点为负值。这是由于频谱232与模板242的不完全对准。频谱232的峰值的宽度并不是精确的90度，并且其位置并不是精确地对称在图表230的180度的倍数处。
此后为了方便，我们将对应于输电线路或者两倍的输电线路频率的倒对数成分的幅值称为“PD得分”。在乘积波形252环境中，通过对乘积波形252的点求和而获得PD得分，并且该得分等于对乘积波形252之下的净面积求总和。
其中是频谱232的第k个数值，是模板242的第k个数值，
Figure G2007800258435D00084
是乘积波形252的第k个数值。对于乘积波形252：
PD＝4.3+10.5+...+14.6+13.4＝2559.8
用于频谱分析器的触发源通常并不与PD波谱峰值的中心重合。因此，在实践中，为一组具有不同初始相位的模板计算多次PD得分，并且此后，最高的PD得分被选作PD级别的指示器。
图3A是一组表示使用作为模板242之外的其他选择的另一种模板的图表，即图表310和320。
图表310是模板314，该模板与模板242类似，并且相对零对称，净面积是零，但是与模板242不同，其包括间隔的零值，例如在点312处，并且因此具有值为+1最窄区域和值为-1最窄区域。
图表320是由将模板310应用于频谱232而得到的乘积波形322。图表320与乘积波形252相比，在不临近180度整数倍的相位区域上具有零值。
因此，模板314最小化不完全对准的效果，模板242容易受到该效果的影响。模板314降低PD得分对波谱峰值226的宽度变化的敏感性，并且附带地，也引起PD得分完全忽略对应于模板314值为零的频率的任何侵入。
图3B是模板332的图表。模板332的净面积是零，周期为360度。也就是说，模板332的值+1出现360度的整数倍附近。
再次参考图3A，注意模板314是周期性的，周期对应于输电电压的180度。这就是说，模板314的周期对应于输电电压的周期一半。反过来，模板332的周期对应于输电电压的周期。对比模板314和模板332，模板314为每半个输电电压循环爆发一次的PD产生大PD得分，而模板332为每完整循环爆发一次的PD产生大PD得分。
与由处理具有干净PD的波谱计算得到的高PD得分相反，类似峰值幅值的噪声波谱产生小得多的PD得分。这是因为，由于噪声，波谱线相对于输电线路相位是随机的。
图4是噪声频谱402(由细线表示)和乘积波形404(由粗线表示)的图表。噪声频谱402不包括PD。例如，可以通过向电缆105提供噪声信号而产生噪声频谱402，其中噪声信号幅值比PD起始电压低。在被居中在竖直轴的零点之后，频谱分析器显示噪声频谱402。通过将噪声频谱402与模板314相乘获得乘积波形404，并且产生-57的PD得分。此处未示出该PD得分的计算，但这是以类似于所显示的为乘积波形252计算PD得分的方式获得。
再看乘积波形252产生2559.8的PD得分，并且乘积波形404产生-57的PD得分。因此，PD出现的环境(即乘积波形252)比未出现PD的环境(即乘积波形404)产生更高的PD得分。
进一步的细化可以产生由于PD而不是侵入的高PD得分的确定性。对于该细化，为频谱分析器的一组略微不同的开始和停止频率，再次测量PD得分。如果该测量产生另一个高PD得分，则加强了在电缆105上出现了PD或者其他线路-同步噪声的结论。
波谱线的宽度表示可以从获得的波谱中提取的附加信息。一些PD发生器，特别是代表新PD源的那些，可能在相位角的狭窄范围中出现放电，例如在输电电压的峰值的极为接近的附近处。其他发生器可以在较宽的相位上具有放电。因此，波谱峰值的宽度指明了输电线路的情况。
图4A和4B是具有不同宽度的频谱峰值的线路触发噪声功率谱的图。图4A示出了宽度420约为34度的波谱峰，并且图4B示出了宽度430约为133度的波谱峰。
模板，并且更具体地，多个模板可以被用来量化波谱峰的宽度。例如，在模板314(图3A)中，非零部分具有宽度370。创建类似模板314的多个模板，其中多个模板的每一个具有不同的宽度370。因此，多个模板的每一个具有不同的占空比(duty cycle)。多个模板的每一个则被用于产生乘积波形(类似乘积波形252的产生)，该乘积波形接下来被用来产生PD得分。占空比产生最高PD得分的模板被视为具有体现了PD波谱线宽度的近似值的宽度370。
在输电电压的一个极性周期中产生其PD波谱成分的不同的物理机制或者不同的PD源，其幅值可能与在另一个极性周期中产生的PD不同。180度的偶数倍处与180度的奇数倍处相比，不同的PD幅值更能证明该情况。
例如，在图4A中，相对于触发器相位后的大约45度的第一峰，波谱的周期大约是360度，接近180度的偶数倍(例如在360度和720度)。这样的周期指明PD放电主要出现在输电电压的一个极性上。在放电出现在输电电压的正和负极性的情况下，会出现临近波谱峰之间的中等相异角度。
图4C是另一个线路触发噪声功率谱的图表，它包括峰440、445和450。峰445的幅值是大约-80dBm，同时临近峰440和450的幅值分别是-66dBm和-70dBm，即与峰445的差异在10到14dBm。同时，在图4C中周期性明显，但比图4A中更不明显。
量化临近峰之间的关系的技术是首先同步模板的360度周期，该周期的初始相位彼此略微不同，以及使用每个模板计算PD得分，直到找到产生最高PD得分的相位。该相位被标注为最佳初始相位。随后，新模板与360度周期同步，但是其初始相位从之前探测到的最佳相位移动180度。使用新模板，计算新的PD得分，两个得分与单位值的偏离比率被称为“PD不对称”，量化PD的另一个有用参数。改变成分的幅值的比率指示了输电线路的情况。
可以从PD信号收集涉及PD与探测器位置的距离的进一步信息。例如，地下电缆对高频信号的衰减会大于对低频信号的衰减，因此频率频谱的下降趋势指明了PD源可能远离感测位置。
假设在输电线路上的特定点处测量线路触发的噪声频谱，并且线路触发的噪声频谱具有低频(例如5MHz)波谱成分和高频(例如16MHz)波谱成分。如果高频成分的幅值是大约等于低频成分的幅值，则PD源很可能临近输电线路上的测量频谱的点。如果高频分量的幅值小于低频成分的幅值，则PD的源可能远离测量频谱的点。进一步，给定信号的电缆衰减是频率和电缆长度的函数，在频率上的幅值的差异可以被用于估计PD源与测量频谱的输电线路上的点之间的距离。
PD探测器130被认为可以执行此处描述的探测PD的任何技术。然而，下面给出了一些PD探测器130的示例性实施例。
图5是PD探测器500的功能性框图。PD探测器500是PD探测器130的示例性实施例，并且包括模拟放大器505、衰减器512、频谱分析器515、最大保持计算器520、频谱分析器525、处理器530、比较器560和通信控制器535。PD探测器500例如经由电缆125从耦合器120的次级(参见图1)接收输电线路信号502，并且例如经由电缆145从次级140(参见图1)接收输电频率的低电压即输电频率电压511。
PD探测器确定特性，例如输电线路上的信号的功率谱的频谱的基础波谱成分的幅值，并且根据所述特性确定输电线路的情况，例如PD出现。
模拟放大器505接收和放大输电线路信号502，并且输出放大后的模拟信号507。
衰减器512接收输电频率电压511、衰减输电频率电压511和输出相位参考电压513。
频谱分析器515接收相位参考电压513和放大后的模拟信号507。频谱分析器515使用相位参考电压513作为触发器，并且因此在相位参考电压513的固定相位被触发。相对于电缆105上的输电电压，相位参考电压513的相位基本是固定的。电缆125上的PD脉冲的相位与电缆105上的输电电压的相位紧密相关。因此，相位参考电压513是用于分析PD的参考相位。因此，在扫描频率范围的过程中，频谱分析器515获取电缆105上的噪声的功率谱，该扫描由电缆105上的输电电压的相位触发。频谱分析器515输出每个波谱线的幅值的对数值，从而提供线同步功率谱，即电缆105上的噪声的波谱517。
频谱分析器515可以被实现为常规的频谱分析器，或者带通滤波器，该滤波器的中心频率在开始频率和结束频率之间扫描，或者实现为超外差接收器，其本地振荡器频率在开始频率和结束频率之间扫描。
最大保持计算器520接收频谱517。如同前面提到的，PD波谱线可能偶尔地出现，因此，最大保持计算器520积累在一个或多个频率扫描例如频率分析器515的扫描1-7上测量的频谱517的一组最大数值。因此，最大保持计算器520为频谱517中的每个频谱线计算“最大保持”数值，并且产生最大保持频谱，即频谱522。因此，频谱522是电缆105上的噪声功率谱的最大保持版本，例如参考图2A中的频谱227。
频谱分析器525接收频谱522。当出现PD或其他线同步百兆赫兹噪声时，频谱522将具有客观的周期性，对应于线路频率(360度)或者两倍的线路频率(180度)。为了分析该周期性，频谱分析器525产生代表输电线路信号502的对数倒频谱的数据，即倒对数数据527。因此，倒对数数据527体现了电缆105上的噪声的功率谱的频谱。
处理器530接收倒对数数据527，并且对倒对数成分的幅值排序。处理器530确定倒对数数据527的最强基础波谱成分570，并且还确定基础波谱成分(例如360度、180度或者其它)。如果在电缆105上出现PD，基础频谱成分会具有等于360度或180度的相位，(a)360度对应于输电线路上的输电电压的频率，(b)180度对应于两倍的输电电压的频率。两个成分的较强者的幅值被指定为PD得分。处理器530输出报告532，该报告包括PD得分和相位534的特性，即两个倒对数成分，180度或360度中的哪一个出现。
比较器560接收包括PD得分的报告532，并且将PD得分与阈值555比较。阈值555是被设置在代表背景噪声和侵入的级别之上的一个数值。如果PD得分大于阈值555，则出现PD。如果PD得分不大于阈值555，则未出现PD。比较器560输出包括PD得分和相位534的特性的报告562，或者未出现PD的指示。
通信控制器535接收到报告562，并且向中央监视站540传输报告537。报告537包括PD得分，或者可选择地，未出现PD的指示。
中央监视站540表示为边界线是虚线的盒状物，因为中央监视站540不是PD探测器500的一部分，而是与PD探测器500分离开的。中央监视站540接收报告537，并且保持来自系统500的PD得分的历史记录。中央监视站540还评估一段时间的PD得分，并且如果存在PD得分中的变化，或者如果PD得分超越特定数值，中央监视站650将建议修正措施。
图6是PD探测器600的功能性框图，该探测器是PD探测器130的另一个示例性实施例。PD探测器600，类似PD探测器500，包括模拟放大器505、衰减器512、频谱分析器515和最大保持计算器520，上述组件的功能与为PD探测器500所描述的功能类似。此外，PD探测器600包括自动居中模块605、矢量乘法器610和615、积分器620和625、选择器630、比较器635和通信控制器640。如同在PD探测器500中，最大保持计算器520输出频谱522。
类似于PD探测器500，PD探测器600确定特性，例如输电线路上的噪声的功率谱的频谱的基础波谱成分的幅值，并且基于特性确定输电线路的情况，例如出现PD。但是PD探测器600不包含与PD探测器500同样形式的基础频谱成分。
自动居中模块605接收频谱522，该频谱是电缆105上噪声功率谱的最大保持版本，并且对频谱522进行零居中，从而产生零居中的波谱607，例如参看波谱232。
矢量乘法器610接收波谱607和具有180度周期的模板606(例如参见模板314)。矢量乘法器610将频谱607中的每个点与模板606中的对应点相乘。如果模板606仅仅由数值0，+1和-1组成，由矢量乘法器610执行的乘法既可以产生乘积0，也可以仅仅是频谱607中的数值的复制品或者该数值的符号取反。矢量乘法器610输出乘积波形612。
矢量乘法器615接收频谱607，和具有360度周期的模板608(例如参见模板332)。矢量乘法器615将频谱607中的每个点与模板608中的对应点相乘。如果模板608仅仅由数值0，+1和-1组成，由矢量乘法器615执行的乘法既可以产生乘积0，也可以仅仅是频谱607中的数值的复制品或者该数值的符号取反。矢量乘法器615输出乘积波形617。
积分器620接收乘积波形612，并且对乘积波形612之下的面积进行积分。可以通过累加乘积波形612的点获得积分。积分器620输出候选PD得分622。
积分器625接收乘积波形617，并且对乘积波形617之下的面积进行积分。可以通过累加乘积波形617的点获得积分。积分器625输出候选PD得分627。
选择器630将候选PD得分622与候选PD得分627比较。如同前面提到的，在讨论图3C的过程中，周期是180度的模板为在输电电压的每半个周期爆发一次的PD产生最大PD得分，同时周期是360度的模板为在输电电压的完整周期爆发一次的PD产生最大PD得分。因此，候选PD得分622将比用于在输电电压的每半个周期爆发一次的PD的候选PD得分627大，同时候选PD得分627将比用于在每个完整周期爆发一次的PD的候选PD得分622大。选择器630选择候选PD得分622和候选PD得分627中较大的一个，并且输出选定的候选PD得分作为报告632中的PD得分。
总体而言，在由虚线表示的配置660中，矢量乘法器610和615、积分器620和625、以及选择器630确定电缆105上的噪声的功率谱的频谱的基础波谱成分的幅值(由PD得分体现)，例如180度或者360度。也就是说，矢量乘法器610和615有效地执行提取频谱507的频谱的基础波谱成分，并且积分器620和627提供该幅值数值(由PD得分体现)。更普遍地，配置660确定输电线路例如电缆105上的噪声的功率谱的频谱的基础波谱成分的特性，例如幅值。
选择器630的状态体现了一种指示，两个可能的基础波谱成分，180度或360度，中哪一个更强。该信息也被包括在报告632中。
比较器635接收包括PD得分的报告632，并且将PD得分与阈值637比较。阈值637是一个设置在代表背景噪声和入侵的级别之上的一个数值。如果PD得分大于阈值637，则PD出现。如果PD得分不大于阈值637，则PD未出现。比较器635输出包括PD数值和最强基础相位成分的特性的报告或者未出现PD的指示。
通信控制器640接收报告639，并且向中央监视站传输报告642。报告642包括PD得分和最强基础相位成分的特性(180度或者360度)的报告或者可选择地，未出现PD的指示。
中央监视站650被表示为虚线构成的盒状物，因为中央监视站650不是PD探测器600的一部分，而是与PD探测器600分离。中央监视站650接收报告642，并且保持来自系统600的PD得分632的历史记录。中央监视站650也评估一段时间中的PD得分632，并且如果在PD得分632中出现改变，或者如果PD得分超过特定数值，中央监视站650将建议修正行为。
在PD探测器的另一个实施例中，频谱517被从位于不同位置的设备传送给中央位置，并且全部计算和分析都在中央处理器执行。这样，例如参考图5，由最大保持计算器520、频谱分析器525、处理器530、积分器550和比较器560所执行的功能将由中央处理器执行。类似地，参考图6，由自动居中模块605、矢量乘法器610和615、积分器620和625、选择器630和比较器635执行的功能将由中央处理器执行。
图7是功率分配系统700的一部分的示意图，该系统包括被配置用于在多个位置探测PD的耦合器的网络。系统700包括分配变压器703、729和749，功率电缆720、740和755、耦合器702、726、732、746和752，以及PD探测器704、727、733、747和753。分配变压器703、耦合器702和PD探测器704被设置在位置705。分配变压器729、耦合器726和732，以及PD探测器727和733被设置在位置730。分配变压器749、耦合器746和752以及PD探测器747和753被设置在位置750。分配变压器703、729和749主要由设置成一线的电缆720、740和755馈电，能量从电缆755提供。
分配变压器729接收来自功率电缆740的能量，并且通过功率电缆720向下游传递功率。耦合器726和732中的每个被连接到被配置为转发器的通信节点(未示出)。这样的节点可以与PD探测器727和733结合。PD探测器727和733的每个提供PD得分，更高的PD得分或者其他PD参数表明PD噪声是从哪个方向到达的。
来源于功率电缆720的位置715处的PD噪声可以在功率电缆720、740和755上传播，并且可以引起位置705、730和750上的PD得分增加。在输出710、725、735、745和760之间PD得分相对增加的比较提供了PD源最可能位置的信息。
监视站(图7中未示出)为多个位置记录PD得分历史，并且根据损伤离耦合器越近，PD级别越高的假设来确定哪个电缆或者设备是最可能受到损伤的。PD级别还为优先维护，指明了现场访问的急迫性。
在系统700中，由于PD探测器704、727、733、747和753每个都处于不同的位置，系统700获得在多个位置的每一个处探测到的输电线路情况的指示。PD得分被传递给监视站即中央位置，该监视站将在多个位置的每一个处探测的输电线路情况的指示进行比较，以确定部分放电源的最可能位置。
如同前面解释的，探测PD包括跨越频率范围的输电线路信号波谱分析，该频率范围对应于0到N个360度的相位范围。但是，频谱分析器进行的频率范围扫描相对较慢，并且因此，如果频谱分析器要求在频率的宽广范围上获取波谱成分，波谱成分很可能由多个放电所引发。结果是，由单一频谱分析器获得的波谱成分进行的对比隐含地假设全部放电彼此相等。但是在实践中，相等最多只是近似，并且可能不能对整体扫描保持准确，远少于多个扫描。
图8是在频率1MHz-30MHz之间的线路触发噪声频谱的图表，其是在输电电压波形的1800度时间段上获得的。在大约5MHz处存在波谱成分805，在大约16MHz存在波谱成分810。波谱成分805是在大约205度的相位获得的，而波谱成分810是在大约970度的相位获得的。也就是说，波谱成分805是在触发后输电电压波形的第一周期获得的，并且波谱成分810是在触发后输电电压波形的第周时期获得的。因此，产生波谱成分805的部分放电与产生波谱成分810的部分放电不相同。无法保证产生波谱成分805的部分放电得特性与产生波谱成分810的部分放电的特性相同。因此，不能很确定执行频谱成分805与810的幅值比较将产生有效的结果。
如果每个都是基于同一组放电，在不同位置探测到的PD的比较将更为精确。因此，最好在给定的馈线上同步全部PD探测器的扫描的触发器，并且在全部探测器累计相同数量的扫描。当探测器是通信网络的一部分时，这样的同步可以由网络实现。
如同上面提到的，部分放电产生宽带噪声，并且因此单独的部分放电包括贯穿大范围频率的波谱成分。例如，单一部分放电经通常产生包括在5MHz附近的波谱成分的噪声，并且同时包括在16MHz附近的波谱成分的噪声。因此，如果使用两个频谱分析器，一个频谱分析器扫描1MHz的范围，并且同时另一个扫描25MHz的范围，两个频谱分析器的每一个将捕获由同样的单一部分放电产生的噪声部分。
图9A是在较宽频率范围上测量PD的系统900的框图。系统900包括耦合器905、低频噪声前置放大器例如放大器920、五个频谱分析器925A-925E，五个峰探测器和对数转换器930A-930E，模拟多路复用器935，以及模数转换器(A/D)945。系统900还包括线路频率触发器电路960和计数器965。
耦合器905位于输电线路910上。来自耦合器905的绕组915连接到放大器920。
放大器920通过绕组915从输电线路910上的信号中导出的信号。放大器920放大来自绕组915的信号，并且提供包括对应于输电线路910上的输电电压频率的频率成分以及包括沿着输电线路910传播的噪声的信号921。信号921被提供给每个频谱分析器925A-925E以及触发电路960。
触发器电路960接收信号921，并且尽管信号921包括对应于输电线路910上的输电电压频率的频率成分，触发器电路960提供于输电线路910上的输电电压同步的触发962。触发962被提供给频谱分析器925A-925E中的每一个，以及计数器965。
计数器965接收触发962，该触发重置和启动计数器965计数。计数器965输出计数963、计数970和计数975。计数963被提供给频谱分析器925A-925E中的每一个。如后面所解释的，计数970被提供给模拟多路复用器935，并且计数975被提供给处理器(未示出)。
频谱分析器925A-925E中的每一个接收信号921、触发962和计数963。频谱分析器925A-925E中的每一个由触发962触发，并且扫过信号921频谱的一部分。计数963控制每一个分析器925A-E的频率扫描，并且控制扫描处理的速率。因此频谱分析器925A-925E中的每一个覆盖不同的频率范围，但是彼此同步，并且彼此平行地扫描过它们各自的范围。
例如，假设我们希望分析1MHz-30MHz的频谱。因此，频谱分析器925A-925E扫描后续表1中示出的频率。
表1：
频谱分析器925A-925E的扫描的频率范围
    频谱分析器     频率范围
    925A     1MHz-6.8MHz
    925B     6.8MHz-12.6MHz
    925C     12.6MHz-18.6MHz
    925D     18.6MHz-24.2MHz
    925E     24.2MHz-30MHz
频谱分析器925A-925E整体覆盖了1MHz-30MHz的全部频谱。频谱分析器925A-925E所扫描的频率波段可以被设置为按顺序覆盖如表1中示出的完整的频率范围，或者可以跳过一些不感兴趣或者具有极高的侵入噪声的频率范围。
每个扫描的时间对应于输电线路910上的输电电压的一个循环，即360度。因此，对于60Hz的输电电压，每个扫描的持续时间是16.6毫秒。频谱分析器925A-925E中每一个提供一个频谱输出。
经受局部放电的电缆中的每次放电是非常简短的，在一纳秒的级别，并且其频谱能量的存在也是相应地非常简短。频谱分析器925A-925E逐步增加它们的各个频率，并且在那里保持相对充分的时段，例如200微妙。在其保持时间(dwell time)中的任何时刻都可以出现放电，需要峰探测器来捕获由该放电引起的测量的峰值。
峰探测器和对数转换器930A-930E分别接收频谱分析器925A-925E的波谱输出，并且计算频谱输出的对数。峰探测器和对数转换器930A-930E中的每一个提供其对应的频谱分析器925A-925E扫描的频率对数表示。
模拟多路复用器935接收来自峰探测器和对数转换器930A-930E的输出，并且还接收计数965。基于计数965，模拟多路复用器935连续扫描来自峰探测器和对数转换器930A-930E的输出，并且提供多路复用后的输出940。
A/D 945接收多路复用后的输出940，并且将多路复用后的输出940转换为数据输出950。数据输出950代表五个波谱，每个都对应于输电线路910上的输电电压的360度。
数据输出950被提供给计算PD参数的处理器(未示出)。计数975与数据输出950一起被传送给处理器，以便识别数据输出950来源于哪个分析器和频率范围。计数975还是输电电压的相位的指示，数据输出950与该相位相关。
图9B是系统901的框图，所述系统是用于测量宽广频率范围上的PD的系统的另一个实施例。系统901与系统900类似，但是其中系统900使用频率分析器925A-925E，系统901使用多个带通滤波器985A-985E来获取功率谱的离散点。因此，在系统901中，触发962只提供给计数器965，并且计数器965不提供计数963。
与系统900类似，计数975和数据输出950一同被传递给处理器(未示出)。计数975提供相位信息，这样针对输电线路910上的输电电压的相位记录数据输出950的点。计数975充当识别哪个滤波器和频率范围是每个特定数据输出950的源的标签，并且也是输电电压的相位的指示，每个特定数据输出950与该相位相关。
带通滤波器985A-985E中的每一个被调谐到不同的中心频率，并且具有较宽的带宽(例如1MHz)。一个或多个带通滤波器(例如985A)具有低中心频率，其中输电线路910并未显著地衰减PD，而其他带通滤波器(例如985E)具有高中心频率，其中每单位距离的衰减很显著。带通滤波器985A-985E的频率带宽被优选以避免已知的侵入源的频率，例如广播站。
峰探测器和对数转换器930A-930E的输出931A-931E代表了滤波器通频带中出现的能量的积分。如果出现了很少或者未出现PD，输出931A-931E显示相对于输电频率小而随机的时间变化性。当出现PD时，输出931A-931E将包括与输电频率或者两倍的输电频率同步的成分。
由于带通滤波器985A-985E中的每一个被调谐到不同的中心频率，其各个输出是五个分离的波谱成分的测量值。在PD出现时，数据输出950包括与输电线路910上的输电电压的相位同步的成分。这些成分的幅值指示了输电线路的情况。
图10是由系统900获得的波谱的图表。图10包括五个波形，即每一个波形用于由频谱分析器925A-925E扫过的频率范围中的一个。由“A”标记的波形代表由频谱分析器925A扫过的频率范围，并且由“C”标记的波形代表由频谱分析器925C扫过的频率范围。需要注意的是，水平轴代表相位，并且对于五个波谱中的每一个从0延伸到360度。在大约250度的相位，波形“A”在大约5MHz的频率处包括波谱成分1005，并且波形“C”在大约16MHz的频率处包括波谱成分1010。由于波谱成分1005和1010都出现在相同的相位，它们都是特定局部放电的结果。
然而，频谱分析器925A-925E被同时触发，全部五个波谱都从同样的一组局部放电脉冲中获得，并且在五个不同的频率分析每个局部放电脉冲的波谱强度。因此，单一局部放电的波谱成分可以彼此相关，并且彼此对比。例如，由于波谱成分1005和1010是由单一局部放电引起的，波谱成分1005和1010的幅值可以与彼此比较，并且随着其沿着输电线路910传播，幅值中的差异可以对衰减部分放电起作用。因此，系统900适于评估伴有频率增加的波谱幅值的降低。
尽管此处示出了作为在位于临近功率电缆上放置的信号耦合器的PD探测器中执行的各种信号处理活动(例如波谱分析、峰探测、对数换算、确定输电线路噪声信号的参数、确定是否存在PD、和确定PD强度和位置)，应当了解，可以在中央位置执行这些信号处理活动中的一部分或者全部。
此处描述的技术是示例性的，并且不应被解释为暗示了对本发明的任何特定限制。应当理解，本领域的技术人员可以构思出各种改变、组合和修改。本发明意在涵盖全部这样的、落入后附权利要求所限定范围中的改变、修改和变化。

Claims (5)

1.一种用于确定输电线路的情况的方法，包括：
获取所述输电线路上单一局部放电的第一波谱成分以及所述单一局部放电的第二波谱成分；
确定所述单一局部放电与所述输电线路上的输电电压同步；
确定所述第一波谱成分的第一幅值；
确定所述第二波谱成分的第二幅值，以及
根据所述第一和第二幅值确定所述输电线路的情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述情况进一步包括：确定所述第一和第二幅值之间的差异。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中所述单一局部放电是第一单一局部放电，
其中所述第一和第二波谱成分是第一多个波谱成分的成员，
其中所述方法进一步包括：
获取在所述输电线路上的第二单一局部放电的第二多个波谱成分；
以及
根据所述第二多个波谱成分，确定所述第二单一局部放电也与所述输电线路上的所述输电电压同步。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中所述获取包括将从所述单一局部放电得到的信号引导至具有彼此平行的各输入端的第一滤波器和第二滤波器，
其中所述第一滤波器通过所述第一波谱成分，并且
其中所述第二滤波器通过所述第二波谱成分。
5.一种用于确定输电线路的情况的系统，包括：
耦合来自所述输电线路的噪声信号的耦合器；以及
探测器，所述探测器
接收噪声信号；
接收与所述输电线路上的频率电压具有固定相位关系的信号；
获取所述噪声信号中的单一局部放电的第一波谱成分以及所述单一局部放电的第二波谱成分；
确定所述单一局部放电与所述输电频率电压同步；
确定所述第一波谱成分的第一幅值；
确定所述第二波谱成分的第二幅值，以及
根据所述第一和第二幅值确定所述输电线路的情况。
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