CN102597790B - 用于检测和处理与局部放电相关的信号的设备和方法 - Google Patents

用于检测和处理与局部放电相关的信号的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于检测和处理在由调制波(4)以形成预先确定的频率的交流电压的方式调制的方波(3)电压供电的电气设备(2)中与局部放电相关的信号的设备(1)，包括：可连接到装置(2)的传感器(5)，该传感器(5)用于检测表征由局部放电产生的电脉冲的放电信号(6)；连接到传感器(5)以接收放电信号(6)并推导出所检测出的脉冲中的每一个相对于预先确定的时间基准的检测时刻的处理单元(7)，被设计为接收表征电源电压的电信号(9)且配备有被配置为用于从电源信号(9)提取表示调制波(4)的信号(11)的滤波器(10)的同步模块(8)，处理单元(7)被配置为用于将所检测出的脉冲与表征在脉冲检测时刻的调制波的相位(4)的相位参数(f)的值关联起来。

Description

用于检测和处理与局部放电相关的信号的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于检测和处理与局部放电相关的信号的设备和方法。
更具体地，本发明涉及用于检测和处理在由脉冲电压(尤其是由调制波以形成预先确定的频率的交流电的方式调制的方波电压)供电的电气装置中与局部放电相关的信号的设备和方法。
背景技术
应注意，局部电气放电(partial electric discharge)(通常称为局部放电(partialdischarge))是限于电气系统的绝缘部分的电气放电，且不因此致使系统立即故障但致使其逐渐劣化。因此，由于其本身性质，局部放电基本上受在绝缘系统中的缺陷的程度的限制。考虑到这一点，基于部分放电的检测和解释的诊断方法使得调查其中出现放电的绝缘系统中的缺陷的性质成为可能。
因而，局部放电的检测和分析作为用于评价电气装置的电绝缘状况的诊断工具具有巨大潜力。
当电气装置由促使局部放电产生和反复的交流电压供电时尤其如此。
为了能出于诊断目的分析局部放电的测量，该过程如下：
-采集一组连续的局部放电脉冲(脉冲的数量必须在统计学意义上是显著的)；
-对于检测到的每一脉冲(即，电信号)推导出合适的量(即，合适的参数)，以获得与该采集相关的数据集；
-然后，在统计学上处理该数据集，以推导出其值表征(即，关联于)其中发生所采集的局部放电的电绝缘的状况的诊断指标。
通常，从检测到的脉冲导出两个参数。这两个参数如下：振幅参数(包括由局部放电产生的电脉冲的振幅，且因此与放电本身的强度相关联)和相位参数(包括在检测瞬间给电气装置供电的交流电压的相位，且因此与产生局部放电的电场的强度相关联)。
实际上，正弦波交流电压具有360度的周期并在180度处反转符号。因此，相位参数的值取决于在放电的瞬间被施加到装置的电压的值。例如，相位参数的值是90度的事实意味着当装置的电源电压符号为正且其值最高时发生局部放电。
通常使用可检测由局部放电产生的沿装置传播的电流脉冲的传感器来检测振幅参数。
从施加到装置的电压的读数来推导出相位参数。
至于数据集的统计学处理，它已经变成在被称为PRPD图(相位解析局部放电图的缩写)图中表征振幅和相位参数的标准实践，在该PRPD图中，相位参数在x轴且振幅参数在y轴。该图也具有第三维度，该第三维度关联于具有相似的振幅参数和相位参数的值的脉冲的数量(在采集的脉冲组正被处理背景下)。
因而，为了检测信号和提取参数，已经研发出一种仪器，该仪器配备有可连接到装置以检测表征由局部放电产生的放电脉冲的放电信号的传感器并配备有连接到传感器以接收放电信号并推导出所检测的脉冲中的每一个相对于预先确定时间基准的检测时刻的处理单元。
然而，当施加至电气装置的交流电压(正弦波)是从经受调制的方波(例如，通过PWM技术)获得时，现有技术的仪器和方法遇到了重大问题。
实际上，在这种情况中，被施加到电气装置的电压的读取不使该电压本身的相位可得。
因而，如果装置由经调制的方波电压供电，则系统无法检测(即推导出)相位参数，且因此不能获得相位-振幅图(即，PRPD图)。
当通过调制方波电压获得供电电压时，这给所采集的数据的统计学处理构成了严重限制并显著地降低现有技术系统的诊断效率。
发明目的
本发明旨在提供一种设备和方法，其可以用来检测和处理在由脉冲电压(即，由调制波以形成预先确定频率的交流电压的方式调制的方波电压)供电的电气装置中与局部放电关联的信号且克服上面所提到的现有技术的缺点。
更具体地，本发明的目的是提供一种设备和方法，其可以用来检测和处理在由脉冲电压(即，由调制波以形成预先确定频率的交流电压的方式调制的方波电压)供电的电气装置中与局部放电关联的信号且对诊断目尤其高效。
本发明的另一目的是提供一种设备和方法，其可以用来检测和处理在由调制波以形成预先确定频率的交流电压的方式调制的方波电压供电的电气装置中与局部放电关联的信号且允许使用强健的且对诊断目尤其高效的处理技术。
通过根据所附权利要求中所表征的本发明的设备、方法和装置来完全达到这些目的。
更具体地，根据本发明的设备的特征在于，它包括被设计成接收表征电源电压的电信号且配备有配置成用于从所述电源信号(即，从所述电源电压)提取表征调制波的信号的滤波器的同步模块；配置成用于将在脉冲检测时刻检测到(即测量到)的脉冲与表征调制波的相位的相位参数的值关联的处理单元。
因此本发明使得即使是在被施加到装置的电压是通过调制方波获得的交流电压时也能获得局部放电脉冲的相位参数的值。
进一步，处理单元被编程为依次采集所检测到的多个脉冲并生成数据集，对于所述多个脉冲中的每一个，该数据集包括与检测到的脉冲的振幅关联的振幅参数的值以及相位参数的值。因此，本发明也使得为在由通过调制方波获得的交流电压供电的装置上测量的数据构建PRPD图成为可能。
根据本发明的方法包括下列步骤：
-将传感器连接到用于检测表征由局部放电产生的电脉冲的放电信号的装置；
-推导出检测出的脉冲中的每一个相对于预先确定的时间基准的检测时刻；
-从表征供电电压的电信号中提取调制波；
-将所检测到的脉冲与表征在脉冲检测时刻的调制波的相位的相位参数的值关联起来。
该方法由此构成基于局部放电的处理且即使在被施加到所测试的电气装置的电压是通过调制方波获得的交流(正弦波)电压时也是有效的尤其强健的诊断技术。
附图说明
参考附图，将从本发明的优选、非限制性实施例的下面描述更明显地看出本发明的这些和其他特征，在附图中：
图1是根据本发明的设备的功能图；
图2示出供电电压的表征图和由图1的设备提取的调制波信号的表征图；
图3示出在噪声存在时由图1的设备推导出的相位-振幅图；
图4阐释所测量的装置在局部放电活动存在时图3的图。
具体实施方式
附图中的数字1指示一设备，该设备用于检测(即测量)和处理在由诸如例如方波电压的脉冲电压供电的电气装置2中与局部放电关联的信号。
尽管在此引述的是方波供电电压，但应理解，本发明适用于其中被施加到所测量的装置的电压是具有任何形状且因而并不一定是方形的脉冲的脉冲电压的所有情形。
更具体地，方波是通过以形成预先确定频率(在驱动的场合，频率可以是常量或变量)的交流电压的方式调制波(例如使用PWM调制技术(例如，正弦PWM)或阶梯调制)调制成的波。
换句话说，本文件中引述的装置2的供电电压是来自静态功率转换器的任何输出波。
图1中，电气装置2的电源方波由数字3表示，而调制波由数字4表示。
设备1包括可连接到装置2以检测表征由局部放电生成的电脉冲的放电信号6的传感器5(本身已知的类型，例如天线、电阻分压器或电容分压器或电磁耦合器)。
设备1也包括被连接到传感器5以接收放电信号6并推导出每一脉冲相对于预先确定的时间基准的检测时刻的处理单元7。
处理单元7包括，例如，软件驱动的示波器，或者更优选地在与本发明相同的申请人名义下的专利文件WO2007/144789中所描述地那样制作。
应注意，如果传感器5包括天线，则设备1也优选地包括频移元件(各图中未示出)，该频移元件具有连接到传感器5以接收传感器5检测的信号的输入以及连接到处理单元7的输出。
频移元件被配置为将由天线检测到的信号(具有至少300MHz的频率)转换成具有相同信息内容但频率局限在90KHz-40MHz范围内的信号6。这有利地允许信号6适应处理单元7的输入级。
根据本发明，设备1包括被设计成接收表征电源电压的电信号9且配备有被配置成用于从所述电源信号9提取表征调制波4的信号11的滤波器的同步模块8。
处理单元7被配置成用于将所检测的脉冲(包含在放电信号6中)与表征在脉冲检测时刻调制波4的相位的相位参数f的值关联起来。
应注意，对调制波4的相位的讨论是基于调制波4形成周期性信号的假设而进行的，由此波的相位与被施加到所测量的电气装置2的供电电压的有效值直接关联。
应注意，数字12指示被配置为将该供电电压(即，被调制为形成交流电压的方波电压)施加到所测量的电气装置2的电源；电源12包括，例如，被配置成以PWM模式操作的逆变器。
数字13指示跨电源12和滤波器连接的电压分压器。根据本行业中公知的技术，电压分压器13作为输入接收供电电压，且将其返回作为输出的具有相同的波形但具有较低的值的电压。
应注意，同步模块8包括被设计成接收同步信号11的处理单元7的输入级14。
处理单元7被编程为依次采集所检测到的多个脉冲并生成数据集，对于所述多个脉冲中的每一个，该数据集包括与检测到的脉冲的振幅关联的振幅参数q的值以及相位参数f的值。
应注意，单次采集需要采集预设数量的脉冲(从放电信号6检测，即提取)，或者，替代地，在预先确定的时间间隔内检测放电信号6并采集相应的脉冲。
优选地，处理单元7被连接至接口(未示出，例如包括常用屏幕)以提供以相位-振幅图15(也称PRPD图)形式的数据集表征，其中(在采集中)所检测到的脉冲由坐标系中的点表示，该坐标系具有指派给相位参数f的第一轴以及指派给振幅参数q的第二轴。
图3和图4示出两个不同的采集的相位-振幅图的示例。在这些图中，相位参数f以度表示，而振幅参数q以V表示。
优选地，处理单元7被编程为将数据集(与相位f的值关联，并也可能也与振幅q的值关联，并界定相位参数fi的分布，并也可能界定振幅参数q的分布)分离成集中在相同的相位区间中的不同的放电组，这些组界定相位分布中(即，PRPD图中)的不同的放电的峰(即簇(cluster))。
优选地，处理单元7被编程为从构成数据集(且界定相位参数fi的分布)的相位f值推导出表征放电组的数量(集中在相同的相位区间中)的指标。这一指标构成可用于诊断目的(例如，用于按标识符、自身或与其他参数一起处理，如下面所描述的)的统计学指标。
应注意，本发明也可以应用于多相尤其是三相电机(尤其是电动机)。
鉴于此，优选地，处理单元7被编程为使得第一数据集与第二数据集关联，其中第一数据集与在机器的第一相位上执行的局部放电测量关联，第二数据集与在机器的一不同相位上执行的局部放电测量关联，第一数据集和第二数据集基于各自的相位区间的匹配因变于相应的组的关联与在相同的源中发生的局部放电(缺陷)关联(也就是说，使第一数据集的组与第二数据集的组关联)。
这有利地造就良好的诊断有效性。实际上，在由方波电压供电的电机中发现的各种类型的缺陷中，只有某些类型的缺陷(例如，在一个机器相位和与之相邻的另一相位之间的绝缘缺陷)会产生脉冲(即，信号)，这些脉冲耦合到多于一个的机器相位(且因而可在一个以上的机器相位上观察到这些脉冲)。
进一步，根据本发明，处理单元7包括被配置为根据对包含脉冲本身的数据集执行的分析评价所述脉冲中(即，在一次采集中所检测到的脉冲)的每一个是否可归因于一次局部放电的识别模块。这一分析优选地是统计学类型的分析。
进一步，识别模块被配置为根据对包含脉冲本身的数据集执行的分析来评价所述脉冲中(即，在一次采集中所检测到的脉冲)的每一个是否可归因于一种预先确定的类型的局部放电来源。
识别模块由在处理单元7中实现的软件来限定。
更具体地，处理单元7被编程为基于由振幅参数q和相位参数f构成的数据集来计算预先确定的统计指标。
下面是统计指标的非穷举的示例列表：相位参数f值的分布的平均值、相位参数f值的分布的最小值、振幅参数q值的分布的失真(三阶矩)、逼近振幅参数q的值的Weibull分布的形状因数。
进一步，识别模块也定义两个或更多个预先确定的产生局部放电的来源类别。例如，识别模块被编程为将发生在装置2的绝缘位置内的放电与发生在装置2的绝缘位置外(在空气中)的放电区分开来。
装置1可连接到包含统计指标的基准值的数据库，这些基准值是产生局部放电的预先确定类别的来源的特性。
优选地，装置1包括含数据库的存储器，该数据库具有统计指标的基准值，即表征预先确定的类别的生成局部放电的来源的基准值。
鉴于此，识别模块被编程为基于在所检测到的数据集(与单次采集的脉冲相关)上计算出的统计指标的值将数据集归因于一种或多种来源类别。
根据本发明的另一方面，识别模块被配置为评价是否将脉冲中的每一个归因于一次局部放电，即是说，归因于一次局部放电还是归因于由传感器5捕捉到且构成噪声的脉冲干扰或其他信号。
识别模块的这一功能被称为噪声抑制。
更具体地，识别模块被编程为使用充分已知类型的数学算法来检测是否发生了下列的两种情形中的一种。
在第一种情况下，与数据集(与给定的采集相关)关联的相位值以充分均匀的方式沿着预先确定相位区间(即，对应于调制波4的周期的0-360度区间)分布。
在第二种情况下，与数据集(与给定的采集相关)关联的相位值集中，即被分组在一个或多个相位子区间(其构成对应于调制波4的周期的0-360度区间的子集)中。
当识别模块检测到第一种情况时，识别模块被编程为将所检测到的信号归因于噪声，也就是与测量装置2中的局部放电无关的活动。在图3中示出第一种情况的示例。
当识别模块检测到第二种情况时，识别模块被编程为将所检测到的信号归因于局部放电。在图4中示出第二种情况的示例。
因而，本发明也提供用于检测和处理在由脉冲电压——尤其是由调制波4以形成预先确定的频率的交流电压的形式调制的方波3电压——供电的电气设备2中与局部放电相关的信号的方法。
该方法包括下列步骤：
-将传感器5连接到装置2，传感器5用于测量表征由局部放电产生的电脉冲的放电信号6；
-导出所检测到的脉冲中的每一个相对于预先确定的时间基准的检测时刻。
根据本发明，该方法进一步包括下列步骤：
-从表征供电电压的电信号9提取调制波4(也就是表征调制波4的信号11)；
-将所检测到的脉冲与表征在各脉冲检测时刻调制波的相位4的相位参数f的值关联起来。
该方法也包括以下步骤：
-依次采集的所测量到的多个脉冲(按以上结合设备1所描述的方式)；
-生成数据集，对于所述多个脉冲中的每一个，该数据集包括与所检测到的脉冲的振幅关联的振幅参数q的值以及相位参数f的值。
鉴于此，该方法优选地进一步包括下列步骤：
-分析(例如通过统计学分析)与(在采集期间循序检测到的)多个脉冲关联的数据集；
-根据对数据集执行的分析，评价脉冲中的每一个是否可归因于局部放电。
按以上结合装置1所描述的方式执行按这些步骤。
这步骤允许噪声抑制；它也允许随后识别所检测的信号的来源。
鉴于此，应注意，该方法优选地包括下列步骤：
-预备一数据库，该数据库包含与数据集关联的预先确定的统计指标的基准值，该数据值包括振幅参数q和相位参数f，所述基准值是产生局部放电的所述预先确定类别的来源的特征(如前所述)；
-将在采集期间测得的数据集中的数据与数据库中的数据进行比较，以便将所述数据集指派给所述来源类别中的一个或多个，由此识别产生局部放电的来源的类型。
本发明提供下列优点。
首先，本发明允许基于局部放电信号的检测和处理在由脉冲化供电电压(例如，使用正弦PWM技术调制的方波电压)供电的电气装置上进行尤其显著的和可靠的诊断评价。
实际上，本发明使得将相位参数值指派给在向其施加脉冲电压的电气装置2上检测到的信号成为可能，这种相位参数对分析所收集的数据来说非常重要。
此外，本发明允许以尤其可靠的和强健的方式进行基于局部放电测量(在由脉冲电压供电的装置执行)的这些诊断评价。
事实上，本发明能将与局部放电关联的信号与和噪声关联的信号区别开并将与局部放电关联的信号归因于预设的放电来源(由此允许识别局部放电来源的类型)。

Claims (5)

1.一种用于检测和处理在由调制波(4)以形成预先确定的频率的交流电压的方式调制的方波(3)电压供电的电气装置(2)中与局部放电关联的信号的设备(1)，包括：
-能连接到装置(2)的传感器(5)，用于检测表征由所述局部放电产生的电脉冲的放电信号(6)；
-处理单元(7)，所述处理单元(7)连接到所述传感器(5)以接收所述放电信号(6)并推导出所检测到的脉冲中的每一个相对于预先确定的时间基准的检测时刻，
-同步模块(8)，所述同步模块(8)被设计为接收表征电源电压的电信号(9)且配备有配置成用于从所述电源信号(9)提取表征所述调制波(4)的信号(11)的滤波器(10)，所述处理单元(7)被配置成用于将所检测到的脉冲与表征在所述脉冲检测时刻的所述调制波(4)的相位的相位参数(f)的值关联起来，其中电压分压器(13)跨接在电源(12)和所述滤波器(10)之间；
其中所述处理单元(7)被编程为依次采集所检测到的多个脉冲并生成数据集，对于所述多个脉冲中的每一脉冲，所述数据集包括与所检测到的脉冲的振幅关联的振幅参数(q)的值以及相位参数(f)的值，
其特征在于所述处理单元(7)包括识别模块，所述识别模块被编程为将包含来自单次采集的所述脉冲的所述检测到的数据集指派给一个或多个来源类别，所述设备连接到包含与包括振幅参数(q)和相位参数(f)的数据集相关的预先确定的统计指标的基准值的数据库，所述基准值是产生部分放电的预先确定类别的来源的特征，其中所述统计指标包括所述数据集的相位参数(f)的分布的最小值和平均值以及所述数据集的振幅参数(q)的分布的失真值、以及逼近振幅参数(q)的值的Weibull分布的形状因数。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述识别模块适于根据对包含所述脉冲本身所述数据集执行的分析评价所述脉冲中的每一个是否可归结于局部放电。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述识别模块被编程为评估来自采集的相位参数(f)值是否均匀地分布在参考相位区间中或被分组在所述参考区间的一个或多个子集中。
4.一种检测和处理在由调制波(4)以形成预先确定的频率的交流电压的方式调制的方波电压供电的电气装置(2)中与局部放电关联的信号的方法，所述方法包括下列步骤：
-将传感器(5)连接到所述装置(2)，所述传感器(5)用于测量表征由所述局部放电产生的电脉冲的放电信号(6)；
-推导出所测量出的脉冲中的每一个相对于预先确定的时间基准的检测时刻；
-通过滤波器(10)从表征所述供电电压的电信号(9)提取所述调制波(4)，其中电压分压器(13)跨接在电源(12)和所述滤波器(10)之间；
-将所测量到的脉冲与表征在所述脉冲检测时刻所述调制波(4)的相位的相位参数(f)的值关联起来；
-依次采集所检测到的多个脉冲；
-产生数据集，对于所述多个脉冲中的每一个，所述数据集包括与所测量出的脉冲的振幅相关的振幅参数(q)的值以及相位参数(f)的值；
-预备数据库，所述数据库包含与包括所述振幅参数(q)和相位参数(f)的数据集关联的预先确定的统计指标的基准值，所述基准值是产生局部放电的预先确定类别的来源的特征；
-将在所述采集期间检测到的数据集中的数据与所述数据库中的数据进行比较，以便将所述数据集指派给来源类别中的一个或多个，由此识别产生所述局部放电的来源的类型，
其中所述统计指标包括所述数据集的相位参数(f)的分布的最小值和平均值以及所述数据集的振幅参数(q)的分布的失真值、以及逼近振幅参数(q)的值的Weibull分布的形状因数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
-分析与所述多个脉冲相关的所述数据集；
-根据对所述数据集执行的分析评价所述脉冲中的每一个是否可归因于局部放电，以便识别所测量出的信号的来源。
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