CN101718821B - 变压器内绝缘放电紫外检测定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器内绝缘放电的紫外检测定位装置及方法，包括3个紫外检测及通讯单元A和PC机及GPRS终端：将3个紫外检测及通讯单元安装在变压器内部相互垂直的三面内壁上，测量变压器内绝缘放电信息，并将信息通过GPRS通讯模块传递给PC机，PC机调用放电源定位算法确定出变压器内绝缘放电的存在及对绝缘放电源进行定位。本发明方法能有效检测并采集绝缘放电信号，提高抗干扰能力，能在线实时、快速、准确的对变压器内部绝缘放电进行定位，有效保障变压器安全稳定运行。

Description

变压器内绝缘放电紫外检测定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及电气设备绝缘检测领域，特别涉及变压器内绝缘放电紫外检测定位装置及定位诊断方法。

背景技术

电力变压器内绝缘放电会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、紫外光，并引起局部过热。变压器油中绝缘放电时还将分解出气体，产生能量损耗等。目前对变压器内部绝缘放电在线监测方法和装置主要以脉冲电流法、电磁法和超声波法为主。

(1)脉冲电流法。脉冲电流法在对放电进行在线监测时，由于现场环境中电磁干扰信号比变压器内部放电脉冲电流信号强，放电信号易被电磁干扰信号淹没。对于电磁干扰的抑制，通常从空域(如接地、隔离、屏蔽等)和时域(如采用模拟和数字滤波等)同时采取措施，但往往无法抑制随机脉冲干扰信号。

(2)电磁法。如《电力系统及其自动化》期刊2008年第32卷第21期中的一篇题为《基于GIS中电磁波传播路径特性的局放源定位方法》的文章介绍了电磁法应用于变压器的放电检测，该方法在超高频范围内(300-3000MHz)提取放电产生的电磁波信号，检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高变压器放电检测的可靠性和灵敏度，但用于检测超高频的仪器昂贵，而且不便于现场安装。

(3)超声波法。如《高电压技术》期刊2007年第33卷第8期中的一篇题为《大型变压器局部放电多目标定位实验》的文章介绍了超声波法应用于变压器的放电定位检测，主要由超声传感器采集变压器内绝缘放电信号，对放电源空间位置进行了定位模拟实验。但由于超声传输过程中经历变压器内部的不同介质，而不能克服检测现场强烈的电晕干扰。

针对目前变压器内绝缘放电的检测现状，世界各国家电力研究机构均在研究新的检测方法、开发新型检测装置，目的在于提高变压器工作的稳定性，提前预测变压器故障。现行方法应用结果表明，脉冲电流法和电磁法测量变压器内部绝缘放电时不能准确的确定放电源、分析结果，与实际结果误差较大，已不适应变压器在线监测的发展和科学预防管理的需要。因此，一种可行的变压器内窥绝缘放电检测及定位方法与检测定位装置就显得尤为重要。

本发明提出的变压器内绝缘放电紫外检测定位装置及定位方法，采用紫外脉冲检测方式，因变压器内属于黑匣子环境，检测到的紫外信号只可能是绝缘放电引起的，这样能有效检测并采集绝缘放电信号、提高了信号抗干扰能力，并可在线实时准确的对变压器内部绝缘放电缺陷进行定位。

发明内容

本发明的目的是提出一种变压器内绝缘放电的紫外检测定位装置及定位方法。

将三个紫外脉冲传感器安装在变压器内部相互垂直的三面内壁上，利用安装在变压器内三个内壁上的三个紫外检测装置测量变压器内绝缘放电信息，并将信息通过GPRS通讯模块传递给PC机，PC机接收到检测到放电源体在三个不同方向的放电监测信息后，由安装在PC机上的监控软件结合放电源定位算法确定出变压器内绝缘放电的存在及对变压器内绝缘放电源进行定位。

本发明提出一种变压器内绝缘放电的紫外检测定位装置，其特征在于：包括三个紫外检测及通讯单元、PC机及GPRS终端，其中：

1)、每个紫外检测及通讯单元包括光电倍增器、紫外传感器、逆变电源、中央处理器、现场端GPRS通讯模块及测量及通讯单元的电源；所述光电倍增器对接收的紫外光进行放大，其输出端和紫外传感器的输入端相连，紫外传感器的输出端与中央处理器的输入端相连，中央处理器的输出端和现场端GPRS通讯模块相连，测量及通讯单元的电源与逆变电源、光电倍增器、中央处理器、现场端GPRS通讯模块的电源端相连；

2)、PC机及GPRS终端由GPRS终端和PC机组成，GPRS终端的输入端与PC机的串口相连；

3)、放电源的定位，包括以下步骤：

a、初始化：设定定时采集分析数据时间T，设定无绝缘放电时脉冲数基准量N_B，确定三个紫外脉冲传感器的安装位置的空间坐标，其中第1个紫外传感器安装在x平面，其坐标为(y₁，z₁)，第2个紫外传感器安装在y平面，其坐标为(x₂，z₂)，第3个紫外传感器安装在z平面，其坐标为(x₃，y₃)，确定变压器体积大小，由PC机根据变压器体积大小和紫外脉冲传感器的安装位置建立绝缘放电物理模型；

b、绝缘放电信号的采集：采集开始时，PC机通过GPRS终端将定时采集分析数据时间T发送至现场端GPRS通讯模块，再传递到中央处理器，中央处理器启动紫外脉冲传感器，同时进行倒计时，依次将采集的各个紫外脉冲传感器信号进行累计，定时时间到时，通过现场端GPRS通讯模块将定时时间内采集的紫外脉冲数传送至PC机及GPRS终端；

c)、绝缘放电判断：将采集的三个紫外脉冲传感器脉冲数量N₁、N₂、N₃与无绝缘放电时脉冲数基准量N_B进行比较，当实际测量的脉冲数量N₁、N₂、N₃中有一个大于无绝缘放电时脉冲数基准量N_B量时，表明变压器内有绝缘放电，然后进行放电源的定位，否则回到第b)步等待下一次定时采集放电信号；

d)、放电源的定位：由检测点获得的紫外脉冲数N和紫外脉冲转换系数X_N根据(I)式计算出检测点获得的紫外辐射能量P_L，再由紫外辐射能量P_L根据Boltzman公式(II)式计算出放电源距检测点之间的空间距离，三个检测点与放电源的距离分别用H₁、H₂和H₃表示，再根据(III)式计算出放电源的空间位置坐标(x_d，y_d，z_d)：

$N=\frac{P_L}{X_N}---\left(I\right)$

$H_1=\sqrt{{x_d}^2+{(y_d-y_1)}^2+{(z_d-z_1)}^2}$

$H_2=\sqrt{{(x_d-x_2)}^2+{y_d}^2+{(z_d-z_2)}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

$H_3=\sqrt{{(x_d-x_3)}^2+{(y_d-y_3)}^2+{z_d}^2}$

e)、显示报警：在PC机上建立的上述绝缘放电物理模型上，根据计算出的放电源位置坐标进行放电源的位置显示。

采用上述装置进行变压器内绝缘放电的紫外检测定位方法，包括以下步骤：

1)、建立绝缘放电物理模型：设定定时采集分析数据时间T，设定无绝缘放电时脉冲数基准量N_B，在变压器内部相互垂直的三面内壁建立检测点，在检测点分别安装紫外脉冲传感器，并确定三个紫外脉冲传感器的安装位置空间坐标，其中第1个紫外传感器安装在x平面，其坐标为(y₁，z₁)，第2个紫外传感器安装在y平面，其坐标为(x₂，z₂)，第3个紫外传感器安装在z平面，其坐标为(x₃，y₃)，确定变压器体积大小，根据变压器体积大小和紫外脉冲传感器的安装位置建立绝缘放电物理模型；

2)、绝缘放电信号的采集：采集开始时，PC机通过GPRS终端将定时采集分析数据时间T发送至现场端GPRS通讯模块，再传递到中央处理器，中央处理器启动紫外脉冲传感器，同时进行倒计时，依次将采集的各个紫外脉冲传感器信号进行累计，定时时间到时，通过现场端GPRS通讯模块将定时时间内采集的紫外脉冲数传送至PC机及GPRS终端；

3)、绝缘放电判断：将采集的三个紫外脉冲传感器脉冲数量N₁、N₂、N₃与无绝缘放电时脉冲数基准量N_B进行比较，当实际测量的脉冲数量N₁、N₂、N₃有一个大于无绝缘放电时脉冲数基准量N_B量时，表明变压器内有绝缘放电，然后进行放电源的定位，否则回到第2)步等待下一次定时采集放电信号；

4)、放电源的定位：由检测点获得的紫外脉冲数N和紫外脉冲转换系数X_N根据(I)式计算出检测点获得的紫外辐射能量P_L，再由紫外辐射能量P_L根据Boltzman公式(II)式计算出放电源距检测点之间的空间距离H，3个检测点与放电源的距离分别用H₁、H_2和H₃表示，再根据(III)式计算出放电源的空间位置坐标(x_d，y_d，z_d)：

$N=\frac{P_L}{X_N}---\left(I\right)$

$H_1=\sqrt{{x_d}^2+{(y_d-y_1)}^2+{(z_d-z_1)}^2}$

$H_2=\sqrt{{(x_d-x_2)}^2+{y_d}^2+{(z_d-z_2)}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

$H_3=\sqrt{{(x_d-x_3)}^2+{(y_d-y_3)}^2+{z_d}^2}$

5)、显示报警：在步骤1)建立的绝缘放电物理模型上，根据计算出的放电源位置坐标进行放电源的位置显示。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述定时采集分析数据时间T的取值范围为5-20分钟；无绝缘放电时脉冲数基准量N_B的取值范围为5-20个。

通过大量实验经验确定，上述定时采集分析数据时间T的取值范围为5-20分钟；无绝缘放电时脉冲数基准量N_B的取值范围为5-20个。

本发明能够应用于：

1、变压器内绝缘放电的检测与放电源的定位；

2、可推广到其他电力设备内部绝缘放电的检测与放电源的定位；

本发明可达到如下性能指标：

1、放电源定位精度达到1厘米；

2、放电源定位误差不超过6％。

本发明带来的积极效果是显而易见的，本发明具有有效检测变压器内部绝缘放电、提高检测系统抗干扰能力等特点。应用本发明，能够在短时间之内快速准确地对变压器内部绝缘放电缺陷进行定位，指导尽快排除或处理变压器内部绝缘故障，对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明实施例的系统结构框图；

图3是本发明的绝缘放电判定与放电源定位流程图；

图4是本发明的实施例的安装示意图；

图5、6、7为实施例中的变压器内部紫外脉冲统计图；

图8为实施例中的紫外脉冲传感器现场检测变压器内部电晕放电的定位效果图；

图1中：A₁-A₃-紫外检测及通讯单元，B-PC机及GPRS终端；

图2中：A₁-A₃-紫外检测及通讯单元、B-PC机及GPRS终端，1-光电倍增器、2-紫外传感器、3-逆变电源、4-中央处理器、5-GPRS通讯模块、6-测量及通讯单元的电源、71-GPRS终端、72-PC机。

图4中：a、b、c-三个检测点；h_A-放电源P到检测点a的空间距离，h_B-放电源P到检测点b的空间距离，h_C-放电源P到检测点c的空间距离；(x1，y1，z1)-放电源P的空间三维坐标。

具体实施方式

下面结合附图给出的一个非限定性的实施例，对本发明作进一步的说明。

参见图1：图中的变压器内绝缘放电紫外检测定位装置包括包括紫外检测及通讯单元A和PC机及GPRS终端B。其中：

1、每个紫外检测及通讯单元A包括光电倍增器1、紫外传感器2、逆变电源3、中央处理器4、现场端GPRS通讯模块5及测量及通讯单元的电源6；所述光电倍增器对接收的紫外光进行放大，其输出端和紫外传感器的输入端相连，紫外传感器的输出端与中央处理器的输入端相连，中央处理器的输出端和现场端GPRS通讯模块相连，测量及通讯单元的电源与逆变电源、光电倍增器、中央处理器、现场端GPRS通讯模块的电源端相连；

2、PC机及GPRS终端由GPRS71终端和PC机72组成，GSM终端电路的输入端与PC机的串口连接；

3、将三个紫外检测及通讯单元分别安装在变压器内部相互垂直的三面内壁上；每个紫外检测及通讯单元的GPRS通讯模块与PC机及GPRS模块之间通过无线通讯方式传递信息。

在本紫外检测及通讯单元中，所述电源6由开关电源61、充电控制电路62、锂电池63、直流电压升压转换电路64组成；充电控制电路62通过开关电源61与市电相连，充电控制电路62的输出端串接锂电池63后与直流电压升压转换电路64连接。所述电源6由开关电源61、充电控制电路62、锂电池63、直流电压升压转换电路64均为公知电路。

本实施例所述紫外检测及通讯单元结构框图如图2所示，安装在变压器内相互垂直的三面内壁上，测量变压器内绝缘放电信息，并将信息通过GPRS通讯模块传递给PC机。所述的PC机及GPRS终端结构框图如图2所示。安装在变电站监控中心，除了PC机和GPRS终端，PC机中包含绝缘放电的判定及放电源定位算法软件。

本实施例采用某变压器厂一台型号为SG50/10、额定容量为50KVA的试验变压器，变压器箱体内壁的体积大小为长1380mm、寛1000mm、高1250mm，设定左下角为位置坐标原点，在变压器内的高压线圈上设置了放电源，其中设定的放电源位置坐标为P(627，250，495)mm，分别在箱体三面内壁安装了紫外检测及通讯单元。

本发明的变压器内绝缘放电的判定及放电源定位包括以下步骤：

1)、初始化：设定定时采集分析数据时间T为10分钟，设定无绝缘放电时脉冲数基准量N_B为10，建立三个紫外检测及通讯单元的安装位置空间坐标，如表1所示，PC机根据变压器体积大小和紫外检测及通讯单元的安装位置建立绝缘放电物理模型；

2)、绝缘放电信号的采集：采集开始时，PC机通过GPRS终端将定时采集分析数据时间T发送至现场端GPRS通讯模块，再传递到中央处理器，中央处理器启动紫外脉冲传感器，同时进行倒计时，依次将采集的各个紫外脉冲传感器信号进行累计，定时时间到时，通过现场端GPRS通讯模块将定时时间内采集的紫外脉冲数传送至PC机及GPRS终端，检测的紫外脉冲数如表1所示；

3)、绝缘放电判断：采集的三个紫外脉冲传感器脉冲数量N均大于无绝缘放电时脉冲数基准量N_B，表明变压器内有绝缘放电，下面进行放电源的定位；

4)、放电源的定位：根据所选择的日本进口紫外传感器，其紫外脉冲转换系数X_N为35J/个，由检测点获得的紫外脉冲数N和紫外脉冲转换系数X_N根据(1)式计算出检测点获得的紫外辐射能量P_L，再由紫外辐射能量P_L根据(2)式计算出放电源距检测点之间的空间距离H，再根据(3)式计算出放电源的空间位置坐标(x_d，y_d，z_d)如表1所示；

$N=\frac{P_L}{X_N}---\left(I\right)$

$H_1=\sqrt{{x_d}^2+{(y_d-y_1)}^2+{(z_d-z_1)}^2}$

$H_2=\sqrt{{(x_d-x_2)}^2+{y_d}^2+{(z_d-z_2)}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

$H_3=\sqrt{{(x_d-x_3)}^2+{(y_d-y_3)}^2+{z_d}^2}$

表1测量数据分析

5)、显示报警：在PC机上建立的上述绝缘放电物理模型上，根据计算出的放电源位置坐标进行放电源的位置显示如图8所示。

实施例分析

图5、6、7为本实施例的变压器内部紫外脉冲统计图，通过多次变换紫外检测及通讯单元的位置，即三个紫外脉冲传感器的安装位置，其中九次的放电源空间位置如表2所示，本实施例的绝缘放电源的定位效果如图8所示。

按照本发明确定出的放电源位置和设定的放电源实际位置相比较，其定位误差最大为5.82％。综合上述变压器内放电源定位方法，可对变压器内的放电源进行有效定位。

表2放电源定位分析表(设定的放电源位置P(627，250，495)mm)

Claims (4)

1.一种变压器内绝缘放电的紫外检测定位装置，其特征在于：包括三个紫外检测及通讯单元、PC机及GPRS终端(B)，其中：

1)、每个紫外检测及通讯单元包括光电倍增器(1)、紫外传感器(2)、逆变电源(3)、中央处理器(4)、现场端GPRS通讯模块(5)及测量及通讯单元的电源(6)；所述光电倍增器对接收的紫外光进行放大，其输出端和紫外传感器的输入端相连，紫外传感器的输出端与中央处理器的输入端相连，中央处理器的输出端和现场端GPRS通讯模块相连，测量及通讯单元的电源与逆变电源、光电倍增器、中央处理器、现场端GPRS通讯模块的电源端相连；

2)、PC机及GPRS终端由GPRS终端和PC机组成，GPRS终端的输入端与PC机的串口相连；

3)、放电源的定位，包括以下步骤：

a)、初始化：设定定时采集分析数据时间T，设定无绝缘放电时脉冲数基准量N_B，确定三个紫外传感器的安装位置的空间坐标，其中第1个紫外传感器安装在x平面，其坐标为(y₁，z₁)，第2个紫外传感器安装在y平面，其坐标为(x₂，z₂)，第3个紫外传感器安装在z平面，其坐标为(x₃，y₃)，确定变压器体积大小，由PC机根据变压器体积大小和紫外传感器的安装位置建立绝缘放电物理模型；

b)、绝缘放电信号的采集：采集开始时，PC机通过GPRS终端将定时采集分析数据时间T发送至现场端GPRS通讯模块，再传递到中央处理器，中央处理器启动紫外传感器，同时进行倒计时，依次将采集的各个紫外传感器信号进行累计，定时时间到时，通过现场端GPRS通讯模块将定时时间内采集的紫外脉冲数传送至PC机及GPRS终端；

c)、绝缘放电判断：将采集的三个紫外传感器脉冲数量N₁、N₂、N₃与无绝缘放电时脉冲数基准量N_B进行比较，当实际测量的脉冲数量N₁、N₂、N₃中有一个大于无绝缘放电时脉冲数基准量N_B量时，表明变压器内有绝缘放电，然后进行放电源的定位，否则回到第b)步等待下一次定时采集放电信号；

d)、放电源的定位：由检测点获得的紫外脉冲数N和紫外脉冲转换系数X_N根据(I)式计算出检测点获得的紫外辐射能量P_L，再由紫外辐射能量P_L根据Boltzman公式(II)式计算出放电源距检测点之间的空间距离，三个检测点与放电源的距离分别用H₁、H₂和H₃表示，再根据(III)式计算出放电源的空间位置坐标(x_d，y_d，z_d)：

$N=\frac{P_L}{X_N}---\left(I\right)$

$H_1=\sqrt{{x_d}^2+{(y_d-y_1)}^2+{(z_d-z_1)}^2}$

$H_2=\sqrt{{(x_d-x_2)}^2+{y_d}^2+{(z_d-z_2)}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

$H_3=\sqrt{{(x_d-x_3)}^2+{(y_d-y_3)}^2+{z_d}^2}$

e)、显示报警：在PC机上建立的上述绝缘放电物理模型上，根据计算出的放电源的空间位置坐标进行放电源的位置显示。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述定时采集分析数据时间T的取值范围为5-20分钟；无绝缘放电时脉冲数基准量N_B的取值范围为5-20个。

3.采用权利要求1所述装置进行变压器内绝缘放电的紫外检测定位方法，包括以下步骤：

1)、建立绝缘放电物理模型：设定定时采集分析数据时间T，设定无绝缘放电时脉冲数基准量N_B，在变压器内部相互垂直的三面内壁建立检测点，在检测点分别安装紫外传感器，并确定三个紫外传感器的安装位置空间坐标，其中第1个紫外传感器安装在x平面，其坐标为(y₁，z₁)，第2个紫外传感器安装在y平面，其坐标为(x₂，z₂)，第3个紫外传感器安装在z平面，其坐标为(x₃，y₃)，确定变压器体积大小，根据变压器体积大小和紫外传感器的安装位置建立绝缘放电物理模型；

2)、绝缘放电信号的采集：采集开始时，PC机通过GPRS终端将定时采集分析数据时间T发送至现场端GPRS通讯模块，再传递到中央处理器，中央处理器启动紫外传感器，同时进行倒计时，依次将采集的各个紫外传感器信号进行累计，定时时间到时，通过现场端GPRS通讯模块将定时时间内采集的紫外脉冲数传送至PC机及GPRS终端；

3)、绝缘放电判断：将采集的三个紫外传感器脉冲数量N₁、N₂、N₃与无绝缘放电时脉冲数基准量N_B进行比较，当实际测量的脉冲数量N₁、N₂、N₃有一个大于无绝缘放电时脉冲数基准量N_B量时，表明变压器内有绝缘放电，然后进行放电源的定位，否则回到第2)步等待下一次定时采集放电信号；

4)、放电源的定位：由检测点获得的紫外脉冲数N和紫外脉冲转换系数X_N根据(I)式计算出检测点获得的紫外辐射能量P_L，再由紫外辐射能量P_L根据Boltzman公式(II)式计算出放电源距检测点之间的空间距离H，3个检测点与放电源的距离分别用H₁、H_2和H₃表示，再根据(III)式计算出放电源的空间位置坐标(x_d，y_d，z_d)：

$N=\frac{P_L}{X_N}---\left(I\right)$

$H_1=\sqrt{{x_d}^2+{(y_d-y_1)}^2+{(z_d-z_1)}^2}$

$H_2=\sqrt{{(x_d-x_2)}^2+{y_d}^2+{(z_d-z_2)}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

$H_3=\sqrt{{(x_d-x_3)}^2+{(y_d-y_3)}^2+{z_d}^2}$

5)、显示报警：在步骤1)建立的绝缘放电物理模型上，根据计算出的放电源的空间位置坐标进行放电源的位置显示。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述定时采集分析数据时间T的取值范围为5-20分钟；无绝缘放电时脉冲数基准量N_B的取值范围为5-20个。

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