CN101865969B - 一种气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法 - Google Patents

Abstract

一种气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法，属于电气设备绝缘监测技术领域。本发明主要由传感器天线、智能选择开关、高速数字采集器、处理器和控制模块等组成，通过波头拟合算法，对传感器天线接收到的局部放电信号进行数据拟合，再通过求解一个简单的近似函数来反映原函数整体变化的趋势，能准确地确定局部放电源点。本发明能够有效的检测GIS局部放电，能在线自动监测GIS内部的局部放电，而且能提高检测系统的抗干扰能力。

Description

一种气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法

技术领域

本发明属于电气设备绝缘监测定位方法，特别涉及SF6气体绝缘组合电器的局部放电在线监测及放电源定位方法。

背景技术

SF₆气体是一种优良的绝缘介质和灭弧介质，它具有无毒、不可燃、绝缘强度高和灭弧能力远远超过一般电介质的特点。因此，SF₆气体绝缘组合电器尺寸小、占地面积小、重量轻、无火灾危险，从而极大地提高了电力系统的可靠性。SF₆气体绝缘变电站(GIS)的出现和应用已经打破了传统变电站的概念，为紧凑型高电压、大容量新式变电站的发展提供了广阔的空间。然而，正是由于气体绝缘组合电器的封闭性，导致对于GIS的监测带来了困难。特别是GIS因绝缘缺陷在强电场的作用下会引起局部放电(PD)，GIS内部的局部放电持续发展会造成绝缘击穿，危机电力系统的稳定性和安全性。

在GIS各类故障中，绝缘故障占有较大比例。实际运行情况表明：绝缘击穿多发生在固体绝缘表面，并经常发生在GIS投运以后不久的一段时间里。导致这类绝缘故障主要是一些小的绝缘缺陷，如内部杂质、毛刺、接触不良和固体绝缘表面脏污等。这些缺陷通常比较微小和隐蔽，不足以导致在工频耐压试验时立即击穿，但投入运行后在正常运行电压作用下会发生局部放电，使缺陷逐渐发展扩大，还可以使放电所产生的电荷在固体绝缘表面逐渐积累，导致电场分布严重畸变。因此，GIS作为电力系统中的重大设备，其状态检测显然是十分必要的。而局部放电是反映GIS绝缘性能的重要参数之一，它是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因，所以检测GIS局部放电信号以及对局部放电的定位具有重要的意义。

GIS中局部放电的监测方法大体有：耦合电容法、超高频法、超声波监测法、化学监测法、光学监测法。超高频法、超声波监测法是两种目前比较成熟的局部放电监测方法。近年来，许多新颖的局部放电检测方法越来越引起人们的重视。例如日本名古屋大学提出的相位门极控制方法、俄罗斯科学家提出的物理-化学诊断方法、日本大阪大学提出的用于宽带电磁波监测的小波方法、英国科学家提出的有限时域差分(FDTD)方法。

现有气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法主要研究工作集中在放电脉冲的波形触发判断。如申请号为200910104428.X的“一种电气设备局部放电超高频定位检测装置及方法”专利，公开的局部放电定位方法为直接从高采样率示波器中求取时间差，进而实现局部放电定位的。又如申请号为200610054229.9的“气体绝缘组合电器局部放电在线检测定位装置及定位方法”专利，公开的局部放电也是利用两个检测信号上升沿的时间差来实现局部放电定位的。上述两种方法在时间差的求取上，精度不高，易受干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有GIS局部放电在线监测装置的定位方法的不足之处，提供一种具有定位精度高、操作方法简单及计算量小等特点的一种气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法。

本发明的目的是这样实现的：一种气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法，包括以下步骤：

a)、初始化

系统初始化后，将安装在SF₆气体绝缘组合电器的盆式绝缘子处的每一传感器天线在三维空间直角指标系中的位置(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)……(X_n，Y_n，Z_n)存储于处理器中，并设定实时采样时间间隔；

b)、采样局部放电信号

采样时间到时，处理器(5)首先通过总线控制智能选择开关2轮流选通传感器天线，传感器天线的信号经信号调理电路进行放大、滤波处理以及高速数字采集器(4)进行模数变换后，通过总线将数据传送到处理器5内；

c)、局部放电判断

处理器内的控制模块根据信号的幅值，以预先测定的检测现场的无局部放电的噪声信号幅值为判据，判断是否发生局部放电：若信号的幅值大于无局部放电的噪声信号幅值，则判断发生局部放电；

d)、时间差定位

根据波头拟合算法确定局部放电源点分别到任意三个传感器天线的空间坐标(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)以及(X₃，Y₃，Z₃)所用的时间t₁、t₂和t₃，再根据下式：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝(vt₁)²    (1)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝(vt₂)²    (2)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₃)²＝(vt₃)²    (3)

其中：(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)以及(X₃，Y₃，Z₃)分别是任意三个传感器天线的空间坐标；(X，Y，Z)为局部放电源点的空间坐标；v为局部放电信号在SF₆气体中的传播速度；

计算得出局部放电源点的空间坐标(X、Y、Z)，从而确定局部放电源点的具体位置；上述局部放电源点到其中一个传感器天线所用的时间t，由下式计算：

$t=\frac{\ln (b/c)}{s_2-s_1}---\left(4\right)$

式(4)中，参数b、c、s₁、s₂通过以下方式求出：

找出一归一化后的

之后，采用幅值在0.3～0.9之间的采样点来截取

对应的一段，然后将截取的

拟合曲线，求出参数b、c、s₁、s₂；其中，

$\stackrel{\‾}{u_1\left(n\right)}=\frac{u_1\left(n\right)}{{\left(u_1\left(n\right)\right)}_{\max }}n=\mathrm{1,2},...,N---\left(5\right)$

式(5)中，u₁(n)为局部放电信号u₁(t)经采样后的信号序列，N为信号序列u₁(n)的采样点数，(u₁(n))_max为u₁(n)信号序列的最大值；

e)、显示

当发生局部放电时，进行定位并将判断结果显示在处理器屏幕；当没有发生局部放电时，回到b步等待下一次定时采样局部放电信号。

本发明局部放电在线检测定位装置(硬件部分)主要由：传感器天线、智能选择开关、信号调理电路、高速数字采集器、处理器和控制模块组成。本发明的传感器天线安装在GIS各盆式绝缘子处，各传感器天线与智能选择开关连接；智能选择开关通过高频屏蔽同轴电缆与信号调理电路连接后，再与高速数字采集器的数据采集通道连接，高速数字采集器通过总线和处理器相连接，处理器通过总线和控制模块连接，控制模块通过总线与智能选择开关相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、定位精度高、抗干扰性好

由于采用特定的波头拟合法，通过数据拟合，通过求解一个简单的近似函数来反映原函数整体变化的趋势，经过实践证明，该方法行之有效，能准确地确定局部放电源点。

2、操作方法简单、计算量小。

3、装置结构较简单、制作成本不高。

本发明采用上述技术方案后，具有有效的检测GIS局部放电、能提高检测系统的抗干扰能力等特点。

本发明的特点和优点将结合具体实施方式加以进一步阐述。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明方法的程序流程图；

图3-1是本发明的一个实施例的传感器天线在现场的局部放电信号波形图；

图3-2是图3-1所示局部放电信号波形采用波头拟合法得出的局部放电的波头部分波形图。

具体实施方式

图1中，1、传感器天线(可采用现有微带天线)；2、智能选择开关(射频开关、才华牌单刀多掷开关CH2)；3、信号调理电路；4、高速数字采集器(泰克TDS5104B示波器，最高采用速率为5GS/s，记录长度可达16m，1GHz的带宽)；5、处理器(AT89C2051单片机)；6、控制模块。

图1是实施本发明硬件的系统构成示意图。系统包括设置在GIS外部的多个用于检测局部放电信号的天线构成的传感器、智能选择开关2、信号调理电路3、高速数字采集器4、处理器5及控制模块6。图2是本发明的流程图。当GIS内部发生局部放电产生放电陡脉冲信号时，会激发产生几百兆赫兹以上的超高频电磁波。GIS外部天线1接收局部放电产生的电磁波，处理器5发出指令使控制模块6选通智能选择开关2，采用屏蔽同轴电缆使智能选择开关2连接到天线，信号调理电路3对检测信号进行滤波、消除干扰和噪声信号，高速数字采集器4将信号变成数字信号后，再由处理器5进行运算处理。

图3-1、图3-2分别是本发明一个实施例的传感器天线在现场检测的典型局部放电波形及其用波头拟合法得出的波头部分，从图中可以看出清晰的局部放电信号，其信号幅值大约为4.9mV，能满足局部放电检测的需要，具有较高灵敏度。从波头拟合法得出的波形来看，该拟合波形能够总体上表征实际局部放电波形，同时也从算法上得到局部放电源点到达该天线的距离。

本发明的智能选择开关为单刀多掷开关，通过控制模块控制后选通相应的天线。信号调理电路包括放大电路和滤波器部分。本发明的高速数字采集器、处理器和控制模块均为市场购件。处理器通过总线发送指令到控制模块，由控制模块控制智能选择开关选中传感器进行采集，采集到的信号经信号调理电路后，由高速数字采集器(即模数转换器)将信号转换为数字信号，处理器对高速数字采集器采集的数字信号进行分析和处理，从而对GIS内部局部放电源点进行定位。

数据拟合是一种求解一简单适用的近似函数来反映原函数整体变化趋势的方法。大量事实证明，拟合曲线方法是一种行之有效的方法。

对大量局部放电的波形进行深入研究，可以得出局部放电波形的波头部分可以由双指数函数来描述。假设气体绝缘组合电器局部放电信号为u(t)，定义放电开始时刻为零时刻，则u(t)的波头部分函数形式为：

$u\left(t\right)=a\×(e^{-s_{1}t}-e^{-s_{2}t})$

式中a、s₁、s₂为待定参数。

若一个传感器检测到的局部放电信号为u₁(t)，则该信号的波头部分函数形式为：

$u_1\left(t\right)=(t-t_1)=a\×(e^{-s_1(t-t_1)}-e^{-s_2(t-t_1)})=b\×e^{-s_{1}t}-c\×e^{-s_{2}t}$

式中

t₁为局部放电信号从局部放电源点到该传感器所用的时间。

局部放电信号u₁(t)经采样为信号序列u₁(n)，找出u₁(n)的最大值，然后进行归一化。

$\stackrel{\‾}{u_1\left(n\right)}=\frac{u_1\left(n\right)}{{\left(u_1\left(n\right)\right)}_{\max }}n=\mathrm{1,2},...,N$

N为采样信号u₁(n)的采样点数，(u₁(n))_max为信号序列u₁(n)的最大值。

然后找出归一化之后的

采样点幅值在0.3～0.9之间的采样点，即截取

的一段。

然后将截取的

拟合曲线，求出参数b、c、s₁、s₂；因为

$\frac{b}{c}=\frac{a\×e^{-s_{1}t}}{a\×e^{-s_{2}t}}=e^{(s_2-s_1)t_1}$

从而求出：

$t_1=\frac{\ln (b/c)}{s_2-s_1}$

确定坐标原点，建立空间的三维直角坐标系。假设一传感器的空间坐标为(x₁，y₁，z₁)，局部放电源点坐标为(x，y，z)，局部放电信号在SF₆气体中的传播速度为v，于是有：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝(vt₁)²    (1)

同理，假设另外两个传感器的空间坐标分别为(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)，于是得出下列两个方程：

(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝(vt₂)²    (2)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₃)²＝(vt₃)²    (3)

将(1)、(2)、(3)三个方程联立，就能得到局部放电源点的位置(X、Y、Z)。

其中，t₁、t₂、t₃分别为用波头拟合法得出的局部放电源点到上述三个传感器天线所用的时间。

一种气体绝缘组合电器局部放电在线监测定位方法，该方法利用传感器天线(可以说是，由天线组成的传感器)、智能选择开关、信号调理电路、高速数字采集器、处理器及控制模块，通过处理器进行定位，其方法步骤如下：

(1)初始化：将各个天线传感器在三维空间，即在空间直角坐标系中的位置存储于处理器中，并设定定时采集时间间隔；

(2)采样局部放电信号：采样时间到时，处理器首先通过总线控制智能选择开关轮流选通传感器中的天线，然后将数据传送到处理器内；

(3)局部放电判断：根据信号的幅值，以预先测定的检测现场的无局部放电的噪声信号幅值为判据，判断是否发生局部放电；

(4)时间差定位：根据本发明的波头拟合算法精确确定任意三个传感器测量的局部放电信号的时间差，根据GIS的六氟化硫(SF₆)介质中电磁波的传播速度，即可计算局部放电源点的具体位置；

(5)显示：当发生局部放电时，进行定位并将判断结果显示在处理器屏幕；当没有发生局部放电时，回到第(2)步等待下一次定时采样局部放电信号。

Claims (1)

1.一种气体绝缘组合电器局部放电的在线监测定位方法，其特征在于，方法步骤如下：

a)、初始化

系统初始化后，将安装在SF₆气体绝缘变电站的每一盆式绝缘子处的每一传感器天线在三维空间直角坐标系中的位置(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)……(X_n，Y_n，Z_n)存储于处理器中，并设定实时采样时间间隔；

b)、采样局部放电信号

采样时间到时，处理器(5)首先通过总线控制智能选择开关(2)轮流选通传感器天线，传感器天线的信号经信号调理电路进行放大、滤波处理以及高速数字采集器(4)进行模数变换后，通过总线将数据传送到处理器(5)内；

c)、局部放电判断

处理器内的控制模块根据信号的幅值，以预先测定的检测现场的无局部放电的噪声信号幅值为判据，判断是否发生局部放电：若信号的幅值大于无局部放电的噪声信号幅值，则判断发生局部放电；

d)、时间差定位

根据波头拟合算法确定，从局部放电源点分别到任意三个传感器天线的空间坐标(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)以及(X₃，Y₃，Z₃)所用的时间t₁、t₂和t₃，再根据下式：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝(vt₁)²    (1)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝(vt₂)²    (2)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₃)²＝(vt₃)²    (3)

其中：(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)以及(X₃，Y₃，Z₃)分别是任意三个传感器天线的空间坐标；V为局部放电信号在SF₆气体中的传播速度；

计算得出局部放电源点的空间坐标(X、Y、Z)，从而确定局部放电源点的具体位置；上述局部放电源点到其中一个传感器天线所用的时间t，由下式计算：

$t=\frac{\ln (b/c)}{s_2-s_1}---\left(4\right)$

式(4)中，参数b、c、s₁、s₂通过以下方式求出：

找出一归一化后的

采用点幅值在0.3～0.9之间的采样点来截取

对应的一段，然后将截取的

拟合曲线，求出参数b、c、s₁、s₂；其中，

$\stackrel{\‾}{u_1\left(n\right)}=\frac{u_1\left(n\right)}{{\left(u_1\left(n\right)\right)}_{\max }}n=\mathrm{1,2},...,N---\left(5\right)$

式(5)中，u₁(n)为局部放电信号u₁(t)经采样后的信号序列，N为信号序列u₁(n)的采样点数，(u₁(n))_max为u₁(n)信号序列的最大值；

e)、显示

当发生局部放电时，进行定位并将判断结果显示在处理器(5)屏幕；当没有发生局部放电时，回到b步等待下一次定时采样局部放电信号。

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