CN101819246B - 超高频局部放电放电量监测采集方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高频局部放电放电量监测采集方法，该方法经过分析超高频局部放电的信号特征，通过扫描比较电平与局部放电信号进行电平比较，获取工频周期各相位区间超过比较电平的脉冲数，通过逐步提高比较电平，得到不同比较电平的脉冲数量，如无比较脉冲输出，则局部放电幅值小于该设置的比较电平，通过不同比较电平下的脉冲数值，可得到超高频局部放电信号的三维谱图，将常规的高速大容量数据采集变为高频的脉冲比较计数，简化了超高频局部放电监测电路，本发明的装置使用范围广，准确度较高，装置结构简单、体积不大，成本低廉，操作简单且便于携带。

Description

超高频局部放电放电量监测采集方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及高压电器绝缘监测领域，特别涉及一种超高频局部放电放电量监测采集方法，同时还涉及一种超高频局部放电放电量监测采集装置和系统。 

背景技术

电气设备绝缘内部常存在一些缺陷，例如在一些浇注，挤制或层绕绝缘内部容易出现气隙或气泡。空气的击穿场强和介电常数都比固体介质的小，因此在外施电压作用下这些气隙或气泡首先发生放电，另外，这就是电气设备的气泡局部放电，另外，如油浸式变压器绝缘结构主要由油、纸、纸板和其它一些固体绝缘材料组成，由于绝缘材料性质不同，以及绝缘内部存在气泡及杂质，加上设计或制造上的原因，使油隙、油角、空气隙、有悬浮电位的金属体、金属尖角和固体绝缘表面等处都极易产生局部放电。 

局部放电能量很微弱，故不影响设备短时绝缘强度，但日积月累将引起绝缘老化，最后导致整个绝缘在正常电压下发生击穿或沿面闪络，从而对设备的安全运行造成威胁，导致设备在运行时出现故障，以至引起系统停电，造成巨大损失。 

当绝缘介质内部发生局部放电时，伴随着将发生许多电的(如电脉冲，介质损耗的增大和电磁波发射)和非电的(如光，热，噪音，化学变化和气压变化)现象。因此检测局部放电的方法可分为电的和非电的两类。非电的方法一般灵敏度较低，能定性而不能定量分析。因此长期以来采用的监测方法是测量其放电脉冲。由于局部放电信号是时间宽度为1～2ns的单脉冲，等效频率可高达1GHz以上，并且影响局部放电检测传感器的外部噪声主要是电台或无线通讯所发射的电磁波，其频率范围从几kHz到几十MHz，因此在 强噪声环境中检测局部放电信号时，超高频局部放电检测有信噪比高的优势。超高频(UHF)法正在迅速发展，与其它局部放电检测方法相比，UHF法具有灵敏度较高、抗干扰能力较强、可识别故障类型及进行定位等优点。通过对设备局部放电的超高频在线监测能够及时准确地判断变压器内部绝缘状态，对防止电力设备事故发生，保障电力系统安全稳定运行具有重大意义。 

超高频法的监测对象主要是针对电力设备中的GIS、变压器。在电力系统中，保证GIS、变压器的稳定运行及时发现绝缘缺陷和维修更新具有重大的意义。 

现有的UHF的信号采集方法都是将局部放电信号整体波形采集下来后，再进行分析计算，其中设备的花费相当昂贵。由于UHF法测量的频率范围为300MHz～3GHz，要求设备配置高频率的A/D转换器，信号传输集中式，且需海量高速存储，导致整台设备价格昂贵；且设备运行时处理数据量大，处理时间长，影响检测下一步的进行；由于要避开而且固定安装不便于携带。由于装置长期工作在户外，受到温度、湿度等大气环境的影响，也会使测量数据产生偏差。 

因此，需要一种新型的超高频局部放电放电量监测采集方法，能够弥补常规超高频监测采集的缺点，具有使用部件较少、测量精确度较高的优点，同时便于实施，具有良好的灵活性。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种超高频局部放电放电量监测采集方法，能够弥补现有测量方法的不足，其不但准确检测高压设备局部放电，并且可以计算出局部放电脉冲的幅值，实施简单方便；本发明的目的之二是提供一种结构紧凑、造价低、便携性好的超高频局部放电放电量监测采集装置，该装置时基于发明目的一的原理制成；本发明的目的之三是提供一种超高频局部放电放电量监测采集系统，该系统在发明目的二的基础上制成，通过采用分布式控制原理，能够实现对多套设备或同套设备的多处进行在线实时监测。 

本发明的目的之一包括以下步骤： 

1)脉冲采集：通过天线传感器探测电气设备的局部放电脉冲，将采集到的局部放电脉冲信号通过滤波单元进行预处理，再通过放大单元将局部放电脉冲信号放大后输入比较器； 

2)比较电平输入：确定一个比较电平，FPGA通过D/A转换电路将该比较电平转换成模拟信号输入至比较器中； 

3)脉冲比较并存储：将一个工频周期等分为多个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，FPGA通过外接工频参考相位波形进行触发，在每一个触发周期内，比较器将每一个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平进行比较，FPGA根据比较的情况，将幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数进行统计并存储在每个相位区间对应的存储地址上，进行比较的工频周期的数目通过FPGA自带的计数器进行计数，当达到设定数目时，停止比较，提取此时存储的所有脉冲个数的统计数值，清零； 

4)变值比较并存储：自动增加比较电平的数值，其级差保持不变，重复上述步骤3)，直至增加到某一比较电平时，没有大于该比较电平的放电脉冲存在，此时，该比较电平近似等于局部放电脉冲的最大电压幅值，并可以通过存储的放电脉冲个数得到平均放电脉冲电压幅值。 

进一步，在步骤4)中，为保证放电脉冲的最大电压幅值确定的精确性，通 过逐渐减小级差的方式，重复上述步骤3)，使最终得到的比较电平取值最大程度地接近放电脉冲的最大电压幅值； 

进一步，在步骤4)中，计算平均放电脉冲电压幅值的方法如下： 

将工频周期k等分，即每个相位区间的宽度为360°/k，对各个相位区间依次编号j＝1，2，3...k；设定的进行比较的工频周期的数目为m个，当阈值电压为V_(i+1)时没有大于它的放电脉冲，其中i＝0，1，2，3...λ；比较电平的级差为d，即V_(i+1)＝V_(i)+d；各个相位区间上大于V_(i)的脉冲个数n_ij； 

在第j相位区间的介于V_i，V_(i+1)之间的脉冲个数为n_ij-n_(i+1)j，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，在该级差d下，通过下式得到近似平均放电脉冲电压幅值 

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_i+V_{(i+1)}}{2}(n_{\mathrm{ij}}-n_{(i+1)j}).$

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：该超高频局部放电放电量监测采集装置包括天线传感器、滤波电路、放大电路、比较器、FPGA、D/A转换电路，所述天线传感器的信号输出端依次联接滤波电路和放大电路后，接入比较器的反向输入端，所述比较器的正向输入端与D/A转换电路的输出端联接，所述D/A转换电路的输入端与FPGA的信号输出引脚相联接，用于接收比较电平数字信号；所述比较器的输出端与FPGA的数据输入端相联接，所述FPGA的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置相联接； 

进一步，所述装置还包括显示器，所述FPGA通过显示电路与显示器的输入端电连接。 

本发明的目的之三是通过以下技术方案实现的：该超高频局部放电放电量监测采集系统包括上述的超高频局部放电放电量监测采集装置，还包括上位主机，所述上位主机通过串联总线与多套超高频局部放电放电量监测采集装置通讯联接，实现数据传输。 

本发明的有益效果是： 

(1)本发明的方法通过硬件与软件的结合，处理信息迅速，不仅能够完成对待测设备的监测，实时了解是否有超过某一额定数值的局部放电脉冲存在以及该超限脉冲的个数，及时做好防范工作，同时还可以通过装置的自身运算得到局部放电脉冲的近似幅值，具有极高的应用价值；本发明的装置使用范围广，准确度较高，既可以对变压器进行局部检测，也可以对GIS进行检测； 

(2)本发明采用了超高频方法进行局部放电检测，抗干扰能力强，通过软硬结合的方式进行信号处理，同时采用灵敏度较高的天线传感器，以电的形式进行局部放电监测，灵敏度要高于非电形式(如光，热，噪音，化学变化和气压变化等)； 

(3)本发明的装置结构简单、体积不大，成本低廉；设备操作简单且便于携带，能适合非常规的检测的需要，且大大节约了人力和制造成本，能显著提高工作效率，降低测量成本，便于推广应用； 

(4)本发明的系统基于分布式原理，能够实现对多套设备或同套设备的多处进行实时同步监测，相比现有设备，其具有制造成本低和实施效果好的优点。 

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中： 

图1为本发明的超高频局部放电放电量监测采集装置结构示意图； 

图2为本发明的应用实例波形示意图 

图3为本发明的超高频局部放电放电量监测采集系统连接示意图。 

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。 

本发明的超高频局部放电放电量监测采集方法，主要包括以下步骤： 

1)脉冲采集：通过天线传感器探测电气设备的局部放电脉冲，将采集到的局部放电脉冲信号通过滤波单元进行预处理，再通过放大单元将局部放电脉冲信号放大后输入比较器； 

2)比较电平输入：确定一个比较电平，FPGA通过D/A转换电路将该比较电平转换成模拟信号输入至比较器中； 

3)脉冲比较并存储：将一个工频周期等分为多个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，FPGA通过外接工频参考相位波形进行触发，在每一个触发周期内，比较器将每一个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平进行比较，FPGA根据比较的情况，将幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数进行统计并存储在每个相位区间对应的存储地址上，进行比较的工频周期的数目通过FPGA自带的计数器进行计数，当达到设定数目时，停止比较，提取此时存储的所有脉冲个数的统计数值，清零； 

4)变值比较并存储：自动增加比较电平的数值，其级差保持不变，重复上述步骤3)，直至增加到某一比较电平时，没有大于该比较电平的放电脉冲存在，此时，该比较电平近似等于局部放电脉冲的最大电压幅值，并可以通过存储的放电脉冲个数得到平均放电脉冲电压幅值。 

在步骤4)中，为保证放电脉冲的最大电压幅值确定的精确性，通过逐渐减小级差的方式，重复上述步骤3)，使最终得到的比较电平取值最大程度地接近放电脉冲的最大电压幅值，在具体实施过程中，可以采用预先设置几个级差的方式，先从最大的级差开始，经过预定数目的工频周期测量后，提取该级差下存储的所有脉冲个数的统计数值，然后采用下一个次大的级差，重复步骤3)，经过预定数目的工频周期测量后，提取该级差下存储的所有脉冲个数的统计数 值，依次类推，最后在采用最小级差的情况下，当没有采集到幅值超过此时比较电平的局部放电脉冲时，此时的比较电平近似等于最大的局部放电脉冲幅值。 

在步骤4)中，计算平均放电脉冲电压幅值的方法如下： 

将工频周期k等分，即每个相位区间的宽度为360°/k，对各个相位区间依次编号j＝1，2，3...k；设定的进行比较的工频周期的数目为m个，当阈值电压为V_(i+1)时没有大于它的放电脉冲，其中i＝0，1，2，3...λ；比较电平的级差为d，即V_(i+1)＝V_(i)+d；各个相位区间上大于V_(i)的脉冲个数为n_ij； 

在第j相位区间的介于V_i，V_(i+1)之间的脉冲个数为n_ij-n_(i+1)j，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，在该级差d下，通过下式得到近似平均放电脉冲电压幅值 

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_i+V_{(i+1)}}{2}(n_{\mathrm{ij}}-n_{(i+1)j}).$

同理可得负脉冲时的近似平均放电脉冲电压幅值。统计负脉冲电压幅值分布时，只要取阈值电压为负，各个相位区间上的小于V(i)的脉冲个数为nij，公式一样。 

如图1所示，本发明的超高频局部放电放电量监测采集装置，包括天线传感器1、滤波电路2、放大电路3、比较器4、FPGA 5、D/A转换电路6，天线传感器1的信号输出端依此联接滤波电路2和放大电路3后，接入比较器4的反向输入端，比较器4的正向输入端与D/A转换电路6的输出端联接，D/A转换电路6的输入端与FPGA5的信号输出引脚相联接，用于接收比较电平数字信号；所述比较器4的输出端与FPGA 5的数据输入端相联接，FPGA的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置9相联接。 

为达到直观形象的目的，本装置还包括显示器8，FPGA通过显示电路7与显示器的输入端电连接，通过设定显示程序，该显示器能够直接显示局部放电量的大小和具体相位区间上的放电次数。 

如图3所示，本发明的超高频局部放电放电量监测采集系统采用了分布式 原理，主要包括超高频局部放电放电量监测采集装置10和上位主机11，上位主机11通过串联总线与多套超高频局部放电放电量监测采集装置10通讯联接，实现数据传输，从而可以实现对多套设备或者同套设备的多点实时同步监测，能够适用的设备包括GIS、变压器、开关、PT、CT等。 

应用实例 

如图2所示的具体测量中，k值选择为9，即将一个工频周期均分为9个相位区间，每个相位区间的宽度为40度，因此，针对每一相位区间需要分配一个存储地址，如图中所示的n_i1～n_i9，即j的取值范围为1至9其中i代表的是在同一级差下比较电平的编号，最后一个比较电平代表在该阀值下没有监测到幅值大于该比较电平的局部放电脉冲，设定测量的工频周期为100次，因此，此时的V_(i+1)为80mv，V_(i1)为70mv，d为10mv，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，放电脉冲电压幅值 

由下式计算得到： 

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{100}\underset{j=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_i+V_{(i+1)}}{2}(n_{\mathrm{ij}}-n_{(i+1)j})$

本发明基于常规超高频局部放电检测系统的电缆距离较长、采集装置成本高、体积大，影响信号的完整性和推广应用，经过分析超高频局部放电的信号特征，构想出通过扫描比较电平与局部放电信号进行电平比较，获取工频周期各相位区间超过比较电平的脉冲数，通过逐步提高比较电平，得到不同比较电平的脉冲数量，如无比较脉冲输出，则局部放电脉冲的幅值小于该设置的比较电平。通过不同比较电平下的脉冲数值，可得到超高频局部放电信号的三维谱图，将常规的高速大容量数据采集变为高频的脉冲比较计数，简化了超高频局部放电监测电路。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (6)

1.超高频局部放电放电量监测采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)脉冲采集：通过天线传感器探测电气设备的局部放电脉冲，将采集到的局部放电脉冲信号通过滤波单元进行预处理，再通过放大单元将局部放电脉冲信号放大后输入比较器；

2)比较电平输入：确定一个比较电平，FPGA通过D/A转换电路将该比较电平转换成模拟信号输入至比较器中；

3)脉冲比较并存储：将一个工频周期等分为多个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，FPGA通过外接工频参考相位波形进行触发，在每一个触发周期内，比较器将每一个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平进行比较，FPGA根据比较的情况，将幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数进行统计并存储在每个相位区间对应的存储地址上，进行比较的工频周期的数目通过FPGA自带的计数器进行计数，当达到设定数目时，停止比较，提取此时存储的所有脉冲个数的统计数值，清零；

4)变值比较并存储：自动增加比较电平的数值，其级差保持不变，重复上述步骤3)，直至增加到某一比较电平时，没有大于该比较电平的放电脉冲存在，此时，该比较电平的数值近似等于局部放电脉冲的最大电压幅值，并通过存储的放电脉冲个数得到平均放电脉冲电压幅值。

2.如权利要求1所述的超高频局部放电放电量监测采集方法，其特征在于：在步骤4)中，为保证放电脉冲的最大电压幅值确定的精确性，通过逐渐减小级差的方式，重复上述步骤3)，使最终得到的比较电平取值最大程度地接近放电脉冲的最大电压幅值。

3.如权利要求1所述的超高频局部放电放电量监测采集方法，其特征在于：在步骤4)中，计算平均放电脉冲电压幅值的方法如下：

将工频周期k等分，即每个相位区间的宽度为360°/k，对各个相位区间依次编号j＝1，2，3...k；设定的进行比较的工频周期的数目为m个，比较电平的级差为d，即V_(i+1)＝V_(i)+d，其中i＝0，1，2，3...λ；当阈值电压为V_(λ+1)时没有大于它的放电脉冲；各个相位区间上大于V_(i)的脉冲个数n_ij；

在第j相位区间的介于V_(i)，V_(i+1)之间的脉冲个数为n_ij-n_(i+1)j，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，在该级差d下，通过下式得到近似平均放电脉冲电压幅值

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{\left(i\right)}+V_{(i+1)}}{2}(n_{\mathrm{ij}}-n_{(i+1)j}).$

4.超高频局部放电放电量监测采集装置，其特征在于：所述装置包括天线传感器、滤波电路、放大电路、比较器、FPGA、D/A转换电路，所述天线传感器的信号输出端依次联接滤波电路和放大电路后，接入比较器的反向输入端，所述比较器的正向输入端与D/A转换电路的输出端联接，所述D/A转换电路的输入端与FPGA的信号输出引脚相联接，用于接收比较电平数字信号；所述比较器的输出端与FPGA的数据输入端相联接，所述FPGA的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置相联接。

5.如权利要求4所述的超高频局部放电放电量监测采集装置，其特征在于：所述超高频局部放电放电量监测采集装置还包括显示器，所述FPGA通过显示电路与显示器的输入端电连接。

6.采用如权利要求4或5所述的超高频局部放电放电量监测采集装置的超高频局部放电放电量监测采集系统，其特征在于：所述系统包括上位主机，所述上位主机通过串联总线与多套超高频局部放电放电量监测采集装置通讯联接，实现数据传输。

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