CN102147444B - 用于检测电气设备内部放电的平板感应式传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测电气设备内部放电的平板感应式传感器及检测方法，其特征是：它设置有具有高频响应特征的平板式高导磁磁芯(2)、副边线圈(3)，在平板式高导磁磁芯(2)及副边线圈(3)外侧分别设置有绝缘材料层。本发明的使用范围大、安装方便灵活，可广泛用于带电测量各种电力设备；通常带电测量时都无法从变压器高压套管末屏取得信号，利用该传感器有可能能够取到合适的信号；对GIS及电缆等管线性电力设备，可沿管线走向在不同的点位进行测量，根据各点信号强弱，可以辅助进行故障定位；可广泛用于离线测量、带电测量、在线监测等不同场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力设备绝缘测量技术，特别是一种用于用于检测电气设备内部放电的平板感应式传感器及检测方法。
背景技术
局部放电(以下简称局放)是电力设备绝缘产生贯穿性放电故障前所产生的在绝缘内部局部放的放电现象，其特点是只发生局部的缺陷放电，短时间能量局放不会造成整体绝缘的破坏，但长时间作用下，其热、电、光、机械作用会扩大局部缺陷、造成整体绝缘恶化，因此它是电气设备绝缘破坏的预兆。检测局放信号，分析其波形特性及与电压、工频相位的关系，可以诊断故障(缺陷)种类和严重程度，预防事故的发生。
局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光、声等现象为依据，通过描述该现象的物理量来表征局部放电的状态，包括定位和放电的程度。根据局部放电过程中会产生电脉冲、超声波、光、气体生成物、局部过热、电磁辐射以及能量损耗等不同现象，相应地出现了多种检测方法。
1.气相色谱法，该方法是通过检测变压器油分解产生的各种气体的组成和浓度来确定故障(局放、过热等)状态。在大量实践的基础上，IEC制定了三比值法的推荐标准。该方法目前已广泛应用于变压器的在线故障诊断中，并且建立起模式识别系统的自动识别，是当前变压器局放检测领域非常有效的方法。该方法的优点是不受外界电磁干扰的影响，但是DGA法具有两个缺点：①.油气分析是一个长期的监测过程，因而无法发现突发性故障；②.该方法无法进行故障定位。
2.超声波法，超声波是通过检测变压器局部放电产生的超声波信号来测量局部放电的大小和位置。为避免现场中的环境噪声干扰(例如运行中变压器的励磁噪声、散热器风扇、冷却器、潜油泵的噪声、循环油噪声等)，根据其频率大多为音频(20～20000Hz)的特性，一般选择超声波传感器的频率范围为70kHz～150kHz，以避开铁芯的磁噪声和变压器的机械振动噪声等环境噪声对测试结果的影响。
3.常规脉冲电流法，常规脉冲电流检测法通过检测阻抗或电流传感器，检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁芯接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。检测变压器局部放电脉冲用的电流传感器通常由罗戈夫斯基线圈制成，与被测变压器仅有磁耦合，而无电气连接。常规脉冲电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器带宽一般在10KHz左右，中心频率在20～30kHz之间或更高；宽带传感器带宽为100kHz左右，中心频率在200～400kHz之间。
常规脉冲电流法通常被用于设备制造厂出厂试验以及和现场检测过程中。
4.超宽频带(UWB)检测法，该方法是在超宽频带(UWB)检测技术是在足够宽的频率范围内检测局部放电产生的脉冲电流信号，一般为1MHz～100MHz，也有的上限频率高达500MHz甚至1GHz。从本质上讲，UWB检测方法是常规脉冲电流法(多为40kHz～200kHz，至多不超过1MHz)在频率范围上的展宽，这就使其具有测量频带宽、信息量大等优点，既保留了常规脉冲电流法可以测量放电量的优点，同时可以更加真实地反映局部放电的脉冲电流特征，为采用脉冲电流波形分析的方法进行信号与噪声分离提供了可能。
5.特高频(UHF)方法，特高频法(以下简称UHF法)是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，实现局部放电的检测。该技术的特点在于：检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高。由于测量机理与脉冲电流法不同，因此难以进行视在放电量的标定，
6.无线电干扰值法(RIV法)，局部放电会产生无线电干扰的现象很早就被人们所认识，例如人们常采用无线电压干扰仪(RIV表)来检测由于局放对无线电通讯和无线电控制的干扰，并已制定了测量的标。用RIV表来检测局放的测量线路与脉冲电流直测法的测量电路相似。此外，还可利用一个接收线圈来接收由于局放而发出的电磁波，对于不同测试对象和不同的环条件，选频放大器可以选择不同的中心频率(从几万赫兹到几十万赫兹)，以获得最的信噪比。这种方法已被用于检查电机线棒和没有屏蔽的长电缆的局部放电部位。
7.光测法，光测法利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中，各种放电发出的光波长是不同的，研究表明通常在500mm-700mm之间。在实验室利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化等方面已经取得了一定进展，但是由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需被检测物质对光是透明的，因而在实际应用中难度较大。
8.射频检测法，常规IEC脉冲电流法中，测量信号的频率一般在1MHz以内。由于在该频率范围内，存在大量的现场干扰，为避开干扰，可以将测量信号的频率上移到射频频段(3MHz～30MHz)检测局部放电信号。其传感器一般也采用罗戈夫斯基线圈，信号经传感器耦合射频放大器、滤波器及检波器，然后由数字采样系统量化，并完成数字处理。射频测法可以避开现场中大量的低频及中频干扰，但用硬件完全消除射频范内的干扰，存在困难。
9.基于脉冲电流法的局放测量方法是IEC和国际中规定的测量方法，目前在国内外得到了广泛的应用。
现场局放测量中存在的问题：局放信号是在强电磁场环境下的微弱的暂态信号。现场干扰远大于局放信号，同时一个设备内部也可能同时存在多种不同的放电，各种放电对设备的危害性也不一样，如果不能分离出干扰信号，如果不能将每一种放电信号分离分类并分别识别其危害程度，单纯的局放测量意义不大。这也是为什么局放的测量与诊断一直是电力测量中最难的课题的原因。
局放测量中研究最早、应用最广泛的传统方法是脉冲电流法。其测量频率较低、频带较窄(30kHz-400kHz)，包含的信息量少，由于一些典型的放电脉冲能量集中在10MH8以下，而不能完全满足对局部放电的精确测量、宽频类型的识别要求。
在现场中，特别是在带电测量状况下，例如：变压器、高压套管末屏、绕组中性点和铁芯通常是不可能打开设备的接地线，接入测量阻抗的。或者存在多点接地使信号分散(GIS通常多点接地)，还由于接地线过宽(有100mm宽的接线排)、紧贴墙壁、地面、支柱等的而使间隔过近(CT、PT、避雷器、等)，无法使用罗戈夫斯基线圈式的检测传感器检测提取局放信号。这种时候都必须考虑新型传感器。在此情况下，我们提出了本发明所述的平板感应式传感器。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种安装方便灵活、可带电测量、应用广泛的用于检测电气设备内部放电的平板感应式传感器及检测方法。
所述用于检测电气设备内部放电的平板感应式传感器的特征是：所述传感器设置有具有高频响应特征的平板式高导磁磁芯、副边线圈，在平板式高导磁磁芯及副边线圈外侧分别设置有绝缘材料层。
平板感应式传感器带宽为30KHz～50KHz，其尺寸为500mm×120mm×10mm
本发明所述的平板感应式传感器的测量原理：
平板感应式传感器本质上为一敞开式变压器，原边为设备局放电流，通道的金属载体可以是任何流过局放电流的导体。由于中间磁芯的导磁率频响特性及较高，变化的局放电流信号产生的磁场信号会被汇集到磁芯中来，从而在副边感应出一个成正比的相同形状的电流信号，两者之间的幅值关系满足如下公式：
n1I1＝n2I2
其中n1为原边线圈圈数，此处为1，I1为原边电流，即“原始”局放脉冲电流，n2为副边线圈圈数，I2为副边电流，显然n2越大，I2越小。当n2也取一圈时，I2就与I1完全一样了。
从副边输出的信号电流通过50欧的同轴电缆及50欧的终端匹配电阻到达测量仪器。即输出电压与输入电流之间的关系可以表示为：
即输出电压正比与输入电流、积分电阻、原边圈数，反比于副边圈数。固体和气体内放电的波长一般为几十纳秒到几百纳秒，其主要能量的频率范围为几十兆到几兆，故我们把采样频率取在100MHz，此时可以比较准确地记录信号脉冲电流波形。
平板感应式传感器的特点：从信号频带上看，传感器为一带通型信号传感器，主频带为30KHZ-100MHZ，能将局放信号频宽含盖，满足对局放信号的放电相位、重复率、分布谱图信号分离分类、判断局放类型、进行绝缘诊断等。特别是由于此传感器可以在设备带电运行的条件下直接从电力设备外部获取局放信号，使用非常方便。传感器特征参数
| Bandwidth带宽 | 30kHz-100MHz |
| Working principle工作原理 | Inductive coupling磁场耦合 |
| Overall Dimensions尺寸 | 500mmx120mmx10mm |
| Weight(without the RF cable)重量 | 240g |
| Connector接头 | BNC |
| Power Supply电源 | 无源 |
| Installation安装 | 贴于被测设备外部局放电流通过处 |
相比常用局放信号传感器，该传感器有如下优点：
1.依靠空间的电流磁场耦合，可用于传统的变压器末屏接地引下线、绕组中性点接地线、和铁心接地引下线不易解开接入局放检测阻扰等场合，也可广泛用于其它的设备外壳有局放电流通过的场合，包括变压器外壁等。使用范围大大扩展；
2.安装方便灵活，可广泛用于带电测量各种电力设备；
3.通常带电测量时都无法从变压器高压套管末屏取得信号，利用该传感器有可能能够取到合适的信号；
4.当电力设备的接地引下线过宽时，如有的场合用的是50mm-100mm宽的接地线排或紧贴地面及墙壁，可以使用该传感器代替常规的罗戈夫斯基钳型电流互感器；
5.可广泛用于离线测量、带电测量、在线监测等不同场合；
7.对GIS及电缆等管线性电力设备，可沿管线走向在不同的点位进行测量，根据各点信号强弱，可以辅助进行故障定位；
8.对变电站内多数设备，如CT、PT、避雷器、电容等，都可以从其接地引入线排上取得信号。
附图说明
图1是平板感应式传感器原理图，
图2是平板感应式传感器与测量仪器局放检测示意图，
图3是实施例平板感应式传感器现场安装图。
图中：1-被测设备局部放电电流通道，2-高导磁磁芯，3-副边线圈，4-被测试品，5-平板感应式传感器，6-高通滤波器，7-数字化仪，8-计算机，9-光纤，10-变压器高压出口套管外壁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。图1中，所述用于检测电气设备内部放电的平板感应式传感器的特征是：所述传感器设置有平板式高导磁磁芯2、副边线圈3，高导磁磁芯2及副边线圈3外侧设置有绝缘材料层。
平板感应式传感器带宽为30KHz～100MHz，其尺寸为500mm×120mm×10mm。
图2中，平板感应式传感器5从设备处被测试品4取得信号(即从图1中的被测设备的局部放电电流通道1上取得信号)，输入主机的高通滤波器6，经数字化仪7后再通过光纤9传入计算机8。图3中平板感应式传感器5贴于被测设备外端局放电流通过处1。
平板感应式传感器带宽为30KHz～100MHz，其尺寸为500mm×120mm×10mm。
本发明的检测步骤如下：
(1)、平板感应传感器贴于被测设备外端局放电流通过处，使副边线圈3的信号电流输出与被测设备的局部放电电流同相位；
(2)、副边线圈3的信号电流通过50欧的同轴电缆及50欧的径端匹配电阻与测量仪器的输入端连接，其输出电压正比与输入电流、积分电阻、原边圈数，反比于副边圈数；
(3)、测量仪器采用宽带以100MS/S的采样系统采集各类局放信号及现场噪声信号，用以对局放信号干扰识别相位特征、信号分类等进行分析。
此传感器本质上是一个柔软灵活的变压器。其原边是被测设备的局放电流通道，可以是电力变压器、CT、PT、避雷器、柱式开关等的接地引下线排，也可以是电力变压器、GIS、电缆等设备的外壳。使用时使平板感应式传感器箭头方向与被测物体中局放电流的方向同向。副边输出与原边电流同相位的电流波形。此电流被后续检测仪器入单元检测到，变成电压信号读入。
具体运用时，可以事先分析被测设备外部可能的局放电流走向，使传感器箭头方向与被测物体中局放电流的方向同向，此时传感器的信号最强。当传感器箭头方向与被测物体中局放电流的方向不同向时，传感器的信号较弱。当传感器箭头方向与被测物体中局放电流的方向完全垂直时，传感器的信号几乎没有。但实际上局放电流都有一定的发散性，信号多少都会有一部分耦合到传感器中，只是数量大小不同而矣。对电力变压器、CT、PT、避雷器、柱式开关等的接地引下线排而言，局放电流一般都是顺着接地引下线排的方向，比较容易判断，可以使传感器箭头方向与其线排向同向。对GIS及电缆设备而言，局放电流一般都是从外壁沿着轴向方向流动，可以使传感器箭头方向与其轴向同向。对变压器而言，在外壳上通常都可以取得一定信号，但信号的强弱及方向随放电点的位置与类型变化很大，一方面使测量变得比较困难，另一方面也可以提供一个从表面局放电流的分布来确定局放位置的手段。对一些特殊几何结构的设备部件而言，有时也能取得很好的效果。如下图中所示的某500kV变压器，从高压出口套管升高座外壳进行感应测量，这时是可以通过本传感器来测量到很好的信号的。
平板感应式传感器可广泛运用于多种电力设备的局放离线或带电测量，包括：
1.对变压器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于变压器高压出口套管或外壁上，或紧贴于变压器高压末屏接地引下线上，或紧贴于变压器铁芯接地线上，或紧贴于变压器中性点接地线上等；
2.对发电机进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于发电机出口封闭母线外壁上，或紧贴于发电机出口保护电容的接地线上，或其它有局放电流通过的地方；
3.对GIS进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于GIS外壁进行测量。由于局放信号是沿着GIS管道方向传播并衰减的，故可辅助进行故障定位；
4.对柱式断路器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于柱式断路器接地线、或柱式断路器接地支撑柱进行测量；
5.对电缆进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于电缆或电缆头、电缆终端的外壁进行测量。由于局放信号是沿着电缆方向传播并衰减的，故可辅助进行故障定位；
6.对电压和电流互感器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于CT接地线进行测量；
9.对避雷器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，可根据现场情况，选择紧贴于避雷器接地线进行测量；
平板感应式传感器的运用实例：
本传感器已经在变压器的局放检测得到试验使用，其现场安装使用如图3所示。将传感器贴于变压器高压出口套管外壁10，当局放信号通过外壁时，由于电磁场感应作用，从副边线圈中感应于相应信号，经同轴电缆输入后台测量系统。
从测试结果来看，能够取得较好的信号，能够有效地获取信号相位、频带等信息，从而为进行有效的局放信号分离分类、识别诊断等提供支持。
Claims (2)
1.一种采用平板感应式传感器检测电气设备内部放电的方法，所述传感器设置有具有高频响应特征的平板式高导磁磁芯(2)、副边线圈(3)，在平板式高导磁磁芯(2)及副边线圈(3)外侧分别设置有绝缘材料层，其特征是按照如下步骤进行：
(1)、平板感应式传感器贴于被测设备外端局放电流通过处，使副边线圈(3)的信号电流输出与被测设备的局部放电电流同相位；
(2)、副边线圈(3)的信号电流通过50欧的同轴电缆及50欧的径端匹配电阻与测量仪器的输入端连接，其输出电压正比于输入电流、积分电阻、原边圈数，反比于副边圈数；
(3)、测量仪器采用宽带以100MS/S的采样系统采集各类局放信号及现场噪声信号，用以对局放信号干扰识别相位特征、信号分类进行分析。
2.根据权利要求1所述一种采用平板感应式传感器检测电气设备内部放电的方法，其特征是步骤(1)将平板感应式传感器贴于被测设备外端局放电流通过处是指：
a.对被测设备变压器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于变压器高压出口套管或外壁上，或紧贴于变压器高压末屏接地引下线上，或紧贴于变压器铁芯接地线上，或紧贴于变压器中性点接地线上；
b.对被测设备发电机进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于发电机出口封闭母线外壁上，或紧贴于发电机出口保护电容的接地线上；
c.对被测设备GIS进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于GIS外壁进行测量；
d.对被测设备柱式断路器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于柱式断路器接地线、或柱式断路器接地支撑柱进行测量；
e.对被测设备电缆进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于电缆或电缆头、电缆终端的外壁进行测量；
f.对被测设备电压和电流互感器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于CT接地线进行测量；
g.对被测设备避雷器进行离线测量、带电测量、或在线监测时，根据现场情况，选择紧贴于避雷器接地线进行测量。
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