CN102707208B - 变压器局部放电定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变压器放电监测技术领域中的一种变压器局部放电定位系统及其定位方法。定位系统包括超高频传感器、检波放大器、超声波传感器阵列单元、滤波放大器、多通道同步数据采集器和数据处理器；定位方法包括：获取超高频电磁信号和超声波信号，比较超高频电磁信号和超声波信号，确定二者时域关系并根据时域关系计算局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心的距离；再利用超声波信号确定局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角；最后根据计算的距离、方位角和俯仰角确定局部放电源的具体位置。本发明定位速度快，定位精度准。

Description

变压器局部放电定位系统及其定位方法

技术领域

本发明属于变压器放电监测技术领域，尤其涉及一种变压器局部放电定位系统及其定位方法。

背景技术

电力变压器是电力系统的关键设备之一，其运行可靠性直接影响着整个系统的安全与稳定。据不完全统计，在已有记录的事故中，由变压器故障所引起的事故占了很大的比例，而局部放电是导致电力变压器故障的主要原因之一，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式，因此对局部放电的深入研究已经逐渐成为广大科研工作者的重要课题。

现有的变压器局部放电检测方法大多以发生局部放电时产生的电脉冲、电磁辐射、光、超声波等现象为依据，相应的定位方法包括电气定位法、超高频电磁波定位法、光定位法和超声波定位法等。

电气定位法通过检测阻抗检测套管末屏接地线等位置由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量，该方法比较成熟，国际电工委员会（IEC）专门制定了相应的规程，但由于该方法确定的是局部放电发生的电气位置而非空间位置，且易受干扰，实际中很少采用。

超高频电磁波定位法通过检测变压器局部放电的超高频电磁波信号来获得局部放电信息，并利用时延关系实现定位。通常，为了得到更加精确的结果，现场测试时选择将超高频传感器内置，造成设备安装不方便。

光定位法通过检测并提取局部放电超声信号传播到光纤上时，光纤的形变情况对局部放电进行定位。由于光信号不受电磁干扰，具有很高的灵敏度，因此可以方便地确定局放源的位置。但由于变压器结构复杂，如何埋设光纤是目前的一大难点，而且光纤传感器的分辨率也不能满足工程需要。

超声波定位法根据局部放电时产生的超声波传播的方向和时间来确定局放源的方位，包括“电-声”法和“声-声”法两大类。“电-声”法利用放电脉冲信号作为基准，获取超声波的传播时间，进而得出放电源与传感器的距离，但其仅获得空间距离，对于定位还需其他方法辅助。“声-声”法根据多个超声传感器和放电源的距离，经各种方法确定局放源的具体位置，但由于超声波在变压器内部的传播很复杂，且衰减严重，导致检测系统灵敏度不高，定位误差较大，甚至出现错误。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种变压器局部放电定位系统及其定位方法，用于解决现有的变压器局部放电定位方法存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种变压器局部放电定位系统，其特征是所述定位系统包括：超高频传感器、检波放大器、超声波传感器阵列单元、滤波放大器、多通道同步数据采集器和数据处理器；

所述超高频传感器和检波放大器相连；

所述超声波传感器阵列单元由多个布设在同一平面的超声波传感器组成，每个超声波传感器分别与滤波放大器相连；

所述检波放大器和滤波放大器分别与多通道同步数据采集器相连；

所述多通道同步数据采集器和数据处理器相连；

所述超高频传感器用于检测变压器发生局部放电时产生的超高频电磁信号，并将检测到的超高频电磁信号发送至检波放大器；

所述检波放大器用于接收超高频传感器发送的超高频电磁信号，并对超高频电磁信号进行检波后发送至多通道同步数据采集器；

所述超声波传感器用于检测变压器发生局部放电时产生的超声波信号，并将检测到的超声波信号发送至滤波放大器；

所述滤波放大器用于接收超声波传感器发送的超声波信号，并对超声波信号进行滤波后发送至多通道同步数据采集器；

所述多通道同步数据采集器用于接收检波放大器发送的检波后的超高频电磁信号以及滤波放大器发送的滤波后的超声波信号，并将接收的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号发送至数据处理器；

所述数据处理器用于接收并存储多通道同步数据采集器发送的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号，并根据检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号，对变压器局部放电源进行定位。

所述超声波传感器阵列单元的相邻两个超声波传感器的距离是超声波在变压器油中波长的一半。

所述检波放大器对超高频电磁信号进行检波包括检波放大器先将接收的超高频电磁信号转换为低频电磁信号，再将转换后的低频电磁信号进行放大。

所述滤波放大器对超声波信号进行滤波包括滤波放大器先对接收的超声波信号进行滤波处理，滤除干扰信号，再将滤波处理后的超声波信号进行放大。

所述数据处理器采用计算机、笔记本或者平板电脑。

一种变压器局部放电定位方法，其特征是所述定位方法包括：

步骤1：在变压器发生局部放电时，超高频传感器检测变压器产生的超高频电磁信号并发送至检波放大器；同时，超声波传感器阵列单元中的每个超声波传感器检测变压器产生的超声波信号并发送至滤波放大器；

步骤2：检波放大器对超高频电磁信号进行检波后发送至多通道同步数据采集器；同时，滤波放大器对超声波信号进行滤波后发送至多通道同步数据采集器；

步骤3：多通道同步数据采集器将接收的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号发送至数据处理器，并由数据处理器存储所述检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号；

步骤4：数据处理器选取位于超声波传感器阵列单元几何中心的超声波传感器的滤波后的超声波信号，作为选定的滤波后的超声波信号；

步骤5：通过比较检波后的超高频电磁信号和选定的滤波后的超声波信号的时域波形，确定超高频电磁信号和超声波信号的时间差；

步骤6：根据超高频电磁信号和超声波信号的时间差，计算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离；

步骤7：利用空间谱估计算法估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角；

步骤8：根据变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离、变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角确定变压器局部放电源的位置。

所述计算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离具体采用公式L=C_oil×Δt；其中，L变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离，C_oil为超声波在变压器油中传输的速度，Δt为超高频电磁信号和超声波信号的时间差。

所述利用空间谱估计算法计算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角具体是：

步骤101：以超声波传感器阵列单元中的任意一个超声波传感器为原点，以超声波传感器阵列单元所在平面为空间直角坐标系的横轴和纵轴所在平面，建立空间直角坐标系；

步骤102：选取与位于原点的超声波传感器相邻的超声波传感器，记为相邻原点的超声波传感器；

步骤103：根据方程估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角；其中，β为位于原点的超声波传感器和相邻原点的超声波传感器检测到的超声波信号的相位差，λ为超声波在变压器油中的波长，x为相邻原点的超声波传感器的横坐标，y为相邻原点的超声波传感器的纵坐标，θ为变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角，为变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的俯仰角。

所述检波放大器对超高频电磁信号进行检波包括检波放大器先将接收的超高频电磁信号转换为低频电磁信号，再将转换后的低频电磁信号进行放大。

所述滤波放大器对超声波信号进行滤波包括滤波放大器先对接收的超声波信号进行滤波处理，滤除干扰信号，再将滤波处理后的超声波信号进行放大。

本发明通过比较超高频信号和超声波信号的时域波形，确定超高频信号和超声波信号的时序关系，从而可以准确获得变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离，再通过估算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角，获得变压器局部放电源在空间中的位置，这种联合超高频和超声波技术测量变压器局部放电源的方法，定位速度更高，定位精度更准。

附图说明

图1是变压器局部放电定位系统结构图；

图2是变压器局部放电定位方法流程图；

图3是检波后的超高频电磁信号和选定的滤波后的超声波信号的时域波形对比图；

图4是利用空间谱估计算法估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是变压器局部放电定位系统结构图。在图1中，本发明提供的变压器局部放电定位系统包括：超高频传感器、检波放大器、超声波传感器阵列单元、滤波放大器、多通道同步数据采集器和数据处理器。

超高频传感器和检波放大器相连。超声波传感器阵列单元由多个布设在同一平面的超声波传感器组成，每个超声波传感器分别与滤波放大器相连。在布设超声波阵列传感器时，为达到更好的测量效果，最好使超声波传感器阵列单元中的相邻两个超声波传感器的距离为超声波在变压器油中波长的一半。检波放大器和滤波放大器分别与多通道同步数据采集器相连。多通道同步数据采集器和数据处理器相连。

超高频传感器用于检测变压器发生局部放电时产生的超高频电磁信号，并将检测到的超高频电磁信号发送至检波放大器。

检波放大器用于接收超高频传感器发送的超高频电磁信号，并对超高频电磁信号进行检波后发送至多通道同步数据采集器。检波放大器对超高频电磁信号进行检波包括检波放大器先将接收的超高频电磁信号转换为低频电磁信号，再将转换后的低频电磁信号进行放大。检波放大器对超高频电磁信号进行检波处理，有利于多通道同步数据采集器采集超高频电磁信号。

超声波传感器用于检测变压器发生局部放电时产生的超声波信号，并将检测到的超声波信号发送至滤波放大器。

滤波放大器用于接收超声波传感器发送的超声波信号，并对超声波信号进行滤波后发送至多通道同步数据采集器。滤波放大器对超声波信号进行滤波包括滤波放大器先对接收的超声波信号进行滤波处理，滤除干扰信号，再将滤波处理后的超声波信号进行放大。滤波放大器对超声波信号进行滤波处理，有利于多通道同步数据采集器采集超声波信号。

多通道同步数据采集器用于接收检波放大器发送的检波后的超高频电磁信号以及滤波放大器发送的滤波后的超声波信号，并将接收的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号发送至数据处理器。多通道同步数据采集器可以指定其中一个通道作为超高频电磁信号采集通道，而剩余的通道用于采集超声波信号。剩余的通道中，每个通道采集一个超声波传感器检测并经过滤波放大器滤波的超声波信号。具体实施时，超高频传感器和超声波传感器在分别发送超高频电磁信号和超声波信号时，可以连同超高频传感器ID和超声波传感器ID一起发送，多通道同步数据采集器接收信号后，根据传感器ID将信号送入相应通道。

数据处理器用于接收并存储多通道同步数据采集器发送的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号，并根据检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号，对变压器局部放电源进行定位。数据处理器具有接收和存储信号的功能，同时还具有变压器局部放电源定位的功能，即具备计算功能，所以数据处理器一般采用计算机、笔记本或者平板电脑等具有存储数据和数据计算能力的设备。

图2是变压器局部放电定位方法流程图。如图2所示，利用图1所示的变压器局部放电定位系统进行变压器局部放电定位的过程是：

步骤1：在变压器发生局部放电时，超高频传感器检测变压器产生的超高频电磁信号并发送至检波放大器；同时，超声波传感器阵列单元中的每个超声波传感器检测变压器产生的超声波信号并发送至滤波放大器。

步骤2：检波放大器对超高频电磁信号进行检波后发送至多通道同步数据采集器；同时，滤波放大器对超声波信号进行滤波后发送至多通道同步数据采集器。

检波放大器对超高频电磁信号进行检波包括检波放大器先将接收的超高频电磁信号转换为低频电磁信号，再将转换后的低频电磁信号进行放大。检波放大器对超高频电磁信号进行检波处理，有利于多通道同步数据采集器采集超高频电磁信号。

滤波放大器对超声波信号进行滤波包括滤波放大器先对接收的超声波信号进行滤波处理，滤除干扰信号，再将滤波处理后的超声波信号进行放大。滤波放大器对超声波信号进行滤波处理，有利于多通道同步数据采集器采集超声波信号。

步骤3：多通道同步数据采集器将接收的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号发送至数据处理器，并由数据处理器存储所述检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号。

步骤4：数据处理器选取位于超声波传感器阵列单元几何中心的超声波传感器的滤波后的超声波信号，作为选定的滤波后的超声波信号。

步骤5：通过比较检波后的超高频电磁信号和选定的滤波后的超声波信号的时域波形，确定超高频电磁信号和超声波信号的时间差。

图3是检波后的超高频电磁信号和选定的滤波后的超声波信号的时域波形对比图。由于电磁波在空气中的传播速度近似于光速，因此相对于超声波信号，可以认为接收到超高频电磁信号的时刻即为变压器局部放电发生的时刻。根据步骤4选定的滤波后的超声波信号，以超高频电磁信号为时间基准，通过时序的配合得到超声波的传输时延。图3中，t₀表示变压器局部放电发生的时刻，t₁表示超声传感器接收到超声波信号的时刻，则Δt为传输时延，该传输时延即为超高频电磁信号和超声波信号的时间差。

步骤6：根据超高频电磁信号和超声波信号的时间差，计算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心的距离。

计算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心的距离具体采用公式L=C_oil×Δt；其中，L变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心的距离，C_oil为超声波在变压器油中传输的速度，Δt为超高频电磁信号和超声波信号的时间差。

步骤7：利用空间谱估计算法估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角。本步骤如图4所示，具体包括：

步骤101：以超声波传感器阵列单元中的任意一个超声波传感器为原点，以超声波传感器阵列单元所在平面为空间直角坐标系的横轴（x轴）和纵轴（y轴）所在平面，建立空间直角坐标系。

步骤102：选取与位于原点的超声波传感器相邻的超声波传感器，记为相邻原点的超声波传感器。

步骤103：根据方程

估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角。

上述公式（1）中，β为位于原点的超声波传感器和相邻原点的超声波传感器检测到的超声波信号的相位差，λ为超声波在变压器油中的波长，x为相邻原点的超声波传感器的横坐标，y为相邻原点的超声波传感器的纵坐标。θ为变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角，表示变压器局部放电源产生的电波方向在xoy平面投影与x正半轴的夹角。为变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的俯仰角，表示变压器局部放电源产生的电波方向与法线z正半轴的夹角。

由于位于原点的超声波传感器和相邻原点的超声波传感器的路程差s可以由公式

确定，因此可以据此得到位于原点的超声波传感器和相邻原点的超声波传感器的相位差β。再根据公式（1），可以估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角。

步骤8：根据变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心的距离、变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角确定变压器局部放电源的位置。

由于步骤6已经计算出了变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元的几何中心的距离，因此变压器局部放电源一定是在以超声波传感器阵列单元的几何中心为圆心，变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元的几何中心的距离为半径的圆球上。同时，步骤7中估算出了变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角。因此，步骤6得出的圆球上的满足方位角和俯仰角的点，即为实际的变压器局部放电源。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种变压器局部放电定位方法，其特征是所述定位方法包括：

步骤1：在变压器发生局部放电时，超高频传感器检测变压器产生的超高频电磁信号并发送至检波放大器；同时，超声波传感器阵列单元中的每个超声波传感器检测变压器产生的超声波信号并发送至滤波放大器；

步骤2：检波放大器对超高频电磁信号进行检波后发送至多通道同步数据采集器；同时，滤波放大器对超声波信号进行滤波后发送至多通道同步数据采集器；

步骤3：多通道同步数据采集器将接收的检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号发送至数据处理器，并由数据处理器存储所述检波后的超高频电磁信号和滤波后的超声波信号；

步骤4：数据处理器选取位于超声波传感器阵列单元几何中心的超声波传感器的滤波后的超声波信号，作为选定的滤波后的超声波信号；

步骤5：通过比较检波后的超高频电磁信号和选定的滤波后的超声波信号的时域波形，确定超高频电磁信号和超声波信号的时间差；

步骤6：根据超高频电磁信号和超声波信号的时间差，计算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离；

采用公式L＝C_oil×Δt；其中，L变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心的距离，C_oil为超声波在变压器油中传输的速度，Δt为超高频电磁信号和超声波信号的时间差；

步骤7：利用空间谱估计算法估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角；具体是：

步骤101：以超声波传感器阵列单元中的任意一个超声波传感器为原点，以超声波传感器阵列单元所在平面为空间直角坐标系的横轴和纵轴所在平面，建立空间直角坐标系；

步骤102：选取与位于原点的超声波传感器相邻的超声波传感器，记为相邻原点的超声波传感器；

步骤103：根据方程估算变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角；

其中，β为位于原点的超声波传感器和相邻原点的超声波传感器检测到的超声波信号的相位差，该相位差由位于原点的超声波传感器和相邻原点的超声波传感器的路程差s确定，路程差s的计算公式为：

λ为超声波在变压器油中的波长，x为相邻原点的超声波传感器的横坐标，y为相邻原点的超声波传感器的纵坐标，θ为变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角，为变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的俯仰角；

步骤8：根据变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元几何中心之间的距离、变压器局部放电源相对于超声波传感器阵列单元所在平面的方位角和俯仰角确定变压器局部放电源的位置。

2.根据权利要求1所述的变压器局部放电定位方法，其特征是所述检波放大器对超高频电磁信号进行检波包括检波放大器先将接收的超高频电磁信号转换为低频电磁信号，再将转换后的低频电磁信号进行放大。

3.根据权利要求1所述的变压器局部放电定位方法，其特征是所述滤波放大器对超声波信号进行滤波包括滤波放大器先对接收的超声波信号进行滤波处理，滤除干扰信号，再将滤波处理后的超声波信号进行放大。