CN103513209B - 一种uhf传感器检测频带选择的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种UHF传感器检测频带选择的方法，包括：步骤S1，获得各种局部放电的频谱图；步骤S2，从被测变电站现场测取空间脉冲每个干扰的频谱图；步骤S3，选用检测UHF传感器目前的背景噪声对应的幅值谱数值作为谱值基线，计算FH1、FH2……FHi的平均值FH作为检测UHF传感器检测频带的上限截止频率；步骤S4，计算不同的下限截止频率FL对应的FL～FH范围内的误判率E，绘制误判率曲线；步骤S5，根据现场实际测试需要设定的最大允许误判率EMAX，求取误判率曲线上EMAX对应的FLMIN数值，选择FLMIN作为检测UHF传感器检测频带的下限截止频率。本发明根据实际的局部放电信号和干扰，确定最佳的UHF传感器检测频带，使UHF传感器在满足抗干扰能力要求的条件下拥有最高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备局部放电检测领域，具体涉及一种UHF传感器检测频带选择的方法。
背景技术
研究认为，每一次局部放电过程都伴随着正负电荷的中和，并出现陡度很大的电流脉冲，同时向周围辐射电磁波。局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小、放电间隙的绝缘强度比较高时，放电过程的时间比较短、电流脉冲的陡度比较大，辐射的电磁波信号的特高频分量比较丰富。特高频法（以下简称UHF法）是目前电力设备内部绝缘材料局部放电检测的一种新方法，与传统的窄带脉冲检测法相比，UHF检测技术的特点在于抗干扰能力较强、灵敏度较高。
利用UHF法检测现场变压器、GIS设备内部的局部放电信号时，遇到的主要干扰包括变电站裸露在空气中的高压导体上电晕、高压导体在空气中悬浮放电、手机信号、日光灯干扰、汽车发动机火花塞干扰、来自其他设备内部的局部放电干扰等。在上述干扰中，除了手机信号具有固定的频率之外，其它干扰的频带范围是不确定的，具有较强的随机性。变压器、GIS设备内部的局部放电信号的频带也有较强的随机性，与局部放电类型、放电源与传感器之间的距离、放电的强度等因素相关。
总体上，除了手机干扰之外，局部放电信号和其他干扰的共同特点是在时域上具有脉冲形式，持续时间很短；在频域上分布在很宽的频带范围内，而且频率越低信号的功率谱越大，频率越高信号的功率谱越小。局部放电信号和干扰的频谱在很宽的低频范围内重叠。两者的区别在于，大多数干扰的频谱的上限低于局部放电信号的频谱上限。
根据上述频谱差异，现场实验表明变电站的电晕、开关操作等多种电气干扰现场噪声水平通常低于400MHz，目前UHF传感器的测量频带多数选择在500MHz～1500MHz，也有选择300MHz～2000MHz的，目的是避开电晕的主要频段（0～400MHz），较大限度避开干扰信号。
虽然特高频检测技术具有较好的抗低频干扰能力，但现场应用环境中仍有大量的干扰的频带能够达到特高频检测频段；变压器、GIS设备内部局部放电信号的能量主要集中在低频段，频带越高，信号的能量越小。因此，进一步提高UHF检测技术的测量频带，虽然能够提高抗干扰能量，但是也进一步降低了检测灵敏度。现有的局部放电特高频信号调理技术如宽带检波技术、窄带选频技术并不能解决抗干扰与检测灵敏度之间的矛盾问题，对于如何从现场复杂多变的电磁干扰环境中获取有效的数据信息，解决干扰问题，仍是特高频局部放电检测技术现场应用中亟待解决的问题。例如，将UHF传感器测量频带的下限选择越高，传感器的抗干扰能量越强，但是所检测到的信号越微弱，使得传感器能够监测到的局部放电源分布范围越小。
发明内容
本发明涉及一种UHF传感器检测频带选择的方法，使得UHF传感器具有统计意义上的最佳信噪比，从而平衡抗干扰和灵敏度的矛盾，包括：
步骤S1，用变压器局部放电检测UHF传感器在实验室构建变压器油纸绝缘局部放电模型，利用标准的喇叭天线和频谱仪，检测实验室环境下各局部放电模型的放电信号频谱，获得各种局部放电的频谱图；
步骤S2，利用与所述步骤S1同样的喇叭天线和频谱线，从被测变电站现场测取空间脉冲每个干扰的频谱图；
步骤S3，选用所述检测UHF传感器目前的背景噪声对应的幅值谱数值作为谱值基线，将所述步骤S1中得到的所述各种局部放电的频谱与所述谱值基线的交点对应的频率FHj，j＝1,2,3......，j表示所述步骤S1中获得的局部放电频谱个数，计算FH1、FH2……FHj的平均值FH作为所述检测UHF传感器检测频带的上限截止频率；
步骤S4，计算不同的下限截止频率FL对应的FL～FH范围内的误判率E，绘制误判率曲线；
计算FL～FH范围内的误判率E的方法为：
步骤S401，计算FL～FH范围内所述每个局部放电频谱曲线与谱值基线之间的面积的频谱积分数值Qj；对所述Qj进行概率统计获得Qj的概率密度分布曲线PPD(Q)；
步骤S402，计算FL～FH范围内所述每个干扰频谱曲线与谱值基线之间的面积的频谱积分数值Ri，i＝1,2,3......，i表示所述步骤S2中获得的干扰频谱个数；对所述Ri进行概率统计获得Ri的概率密度分布曲线PGR(R)；
步骤S403，计算所述误判率E为所述Qj和所述Ri的概率密度分布曲线PPD(Q)和PGR(R)相互叠加的面积；
步骤S5，根据现场实际测试需要设定的最大允许误判率EMAX，求取所述误判率曲线上所述EMAX对应的FLMIN数值，选择所述FLMIN作为所述检测UHF传感器检测频带的下限截止频率，选择所述检测UHF传感器检测频带为FLMIN～FH。
本发明提供的第一优选实施例中：所述步骤S1中实验室涉及的局部放电的类型包括悬浮
放电、气泡放电、针板放电、匝间放电、油楔放电；
每种所述局部放电类型重复5个试品，进行试验时采用交流电压，电压幅值采用U0、1.2U0、1.5U0三档，U0为按照IEC60270标准测量的所述局放模型的起始放电电压，每档电压下测量5分钟，共进行75次试验获得75个频谱，j＝75。
本发明提供的第二优选实施例中：在所述实验室构建所述GIS局部放电模型，包括自由金属颗粒模型、悬浮电位放电模型、盆式绝缘子沿面放电模型、高压导杆尖刺放电模型，并采用类似变压器局部放电模型试验的方法获得GIS设备局部放电的频谱。
本发明提供的第三优选实施例中：所述步骤S2中从被测变电站现场测取空间脉冲干扰的谱图时，测量50分钟，每分钟记录10个谱图曲线，共获得50个干扰谱图，i＝50。
本发明提供的第四优选实施例中：所述步骤S3中选用的谱值基线为-20dBm，检测系统的有整体需要时根据所述检测系统的整体需要来确定上限频率FH。
本发明提供的第五优选实施例中：所述步骤S5中设定所述误判率EMAX不大于5%。
本发明提供的一种UHF传感器检测频带选择的方法的有益效果包括：
本发明提供的一种UHF传感器检测频带选择的方法，根据实际的局部放电信号和干扰以及人为设定的误判率要求，确定最佳的UHF传感器检测频带，使UHF传感器在满足抗干扰能力要求的条件下拥有最高的灵敏度。
附图说明
如图1所示为本发明提供的各种局部放电和干扰的频谱的实施例的示意图；
如图2所示为本发明提供的各种局部放电和干扰的频谱积分数值的实施例的统计分布曲线图；
如图3所示为本发明提供的误判率曲线的实施例的示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供一种UHF传感器检测频带选择的方法，包括：
步骤S1，用变压器局部放电检测UHF传感器在实验室构建变压器油纸绝缘局部放电模型，利用标准的喇叭天线和频谱仪（测量频带达到0～12GHz即可），检测实验室环境下各局部放电模型的放电信号频谱，获得各种局部放电的频谱图。
步骤S2，利用与步骤S1同样的喇叭天线和频谱线，从被测变电站现场测取空间脉冲每个干扰的频谱图。
步骤S3，选用检测UHF传感器目前的背景噪声对应的幅值谱数值作为谱值基线，将步骤S1中得到的各种局部放电的频谱与该谱值基线的交点对应的频率FHj，j＝1,2,3......，j表示步骤S1中获得的局部放电频谱个数，计算FH1、FH2……FHj的平均值FH作为该检测UHF传感器检测频带的上限截止频率。
步骤S4，计算不同的下限截止频率FL对应的FL～FH范围内的误判率E，绘制误判率曲线。
计算FL～FH范围内的误判率E的方法为：
步骤S401，计算FL～FH范围内每个局部放电频谱曲线与谱值基线之间的面积的频谱积分数值Qj；对Qj进行概率统计获得Qj的概率密度分布曲线PPD(Q)。
步骤S402，计算FL～FH范围内每个干扰频谱曲线与谱值基线之间的面积的频谱积分数值Ri，i＝1,2,3......，i表示步骤S2中获得的干扰频谱个数；对Ri进行概率统计获得Ri的概率密度分布曲线PGR(R)。
步骤S403，计算误判率E为Qj和Ri的概率密度分布曲线PPD(Q)和PGR(R)相互叠加的面积。
步骤S5，根据现场实际测试需要设定的最大允许误判率EMAX，求取误判率曲线上EMAX对应的FLMIN数值，选择FLMIN作为该检测UHF传感器检测频带的下限截止频率，选择检测UHF传感器检测频带为FLMIN～FH。
进一步的，如图1所示为本发明提供的各种局部放电和干扰的频谱的实施例的示意图，图1中【1】为步骤S1中获得的各种局部放电的频谱图的范围，本实施例中，试验中所涉及的局部放电的类型包括悬浮放电、气泡放电、针板放电、匝间放电、油楔放电五种类型，电极形状与尺寸可参考现有的文献。每种局部放电类型重复5个试品，进行试验时采用交流电压，电压幅值采用U0、1.2U0、1.5U0三档（U0为该局放模型的起始放电电压，按照IEC60270标准测量），每档电压下测量5分钟，则共进行试验5*3*5=75次，获得75个频谱，即j＝75。
在实验室构建GIS局部放电模型，包括自由金属颗粒模型、悬浮电位放电模型、盆式绝缘子沿面放电模型、高压导杆尖刺放电模型，并采用类似变压器局部放电模型试验的方法获得GIS设备局部放电的频谱。
图1中【2】为步骤S2中获得的各种干扰的频谱图的范围，本实施例中，从被测变电站现场测取空间脉冲干扰的谱图，测量50分钟，每分钟记录10个谱图曲线，共获得50个干扰谱图，即i＝50。
步骤S3中选用目前UHF传感器背景噪声对应的幅值谱数值作为谱值基线，例如该谱值基线可以为-20dBm。可以选择将实施例中75个局部放电信号谱图与谱值基线的交点对应的频率FHi的平均值FH作为UHF传感器检测频带的上限，或者也可以根据检测系统的整体需要来确定上限频率FH。
如图2所示为本发明提供的各种局部放电和干扰的频谱积分数值的实施例的统计分布曲线图，如图2中【3】为步骤S401中获得的Qj的概率密度分布曲线PPD(Q)，【4】为步骤S402中获得的Ri的概率密度分布曲线PGR(R)。
步骤S403中利用图2所示的两条概率密度分布曲线进行误判率E计算，误判率E为图2中Qj和Ri的概率密度分布曲线PPD(Q)和PGR(R)相互重叠的面积，在图2中用斜线阴影区域表示。
如图3所示为本发明提供的误判率曲线的实施例的示意图，步骤S4中改变下限频率FL的数值，可以得到不同的误判率，由此绘制误判率曲线E＝f(FL)，如图3中的曲线所示。
步骤S5中根据现场测试实际需要，确定最大允许误判率EMAX，例如，可以设定误判率EMAX不大于5%，求取误判率曲线上EMAX对应的FLMIN数值，选择FLMIN作为该检测UHF传感器检测频带的下限截止频率，根据该UHF传感器检测频带的下限截止频率FLMIN和步骤S3中获得的上限截止频率FH即可确定检测频带为FLMIN～FH。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种UHF传感器检测频带选择的方法，其特征在于，包括：
步骤S1，用变压器局部放电检测UHF传感器在实验室构建变压器油纸绝缘局部放电模型，利用标准的喇叭天线和频谱仪，检测实验室环境下各局部放电模型的放电信号频谱，获得各种局部放电的频谱图；
步骤S2，利用与所述步骤S1同样的喇叭天线和频谱线，从被测变电站现场测取空间脉冲每个干扰的频谱图；
步骤S3，选用所述检测UHF传感器目前的背景噪声对应的幅值谱数值作为谱值基线，将所述步骤S1中得到的所述各种局部放电的频谱与所述谱值基线的交点对应的频率FHj，其中j＝1,2,3……n，n表示所述步骤S1中获得的局部放电频谱个数，计算FH1、FH2……FHj的平均值FH作为所述检测UHF传感器检测频带的上限截止频率；
步骤S4，计算不同的下限截止频率FL对应的FL～FH范围内的误判率E，绘制误判率曲线；
计算FL～FH范围内的误判率E的方法为：
步骤S401，计算FL～FH范围内所述每个局部放电频谱曲线与谱值基线之间的面积的频谱积分数值Qj；对所述Qj进行概率统计获得Qj的概率密度分布曲线PPD(Q)；
步骤S402，计算FL～FH范围内所述每个干扰频谱曲线与谱值基线之间的面积的频谱积分数值Ri，其中i＝1,2,3……m，m表示所述步骤S2中获得的干扰频谱个数；对所述Ri进行概率统计获得Ri的概率密度分布曲线PGR(R)；
步骤S403，计算所述误判率E为所述Qj和所述Ri的概率密度分布曲线PPD(Q)和PGR(R)相互叠加的面积；
步骤S5，根据现场实际测试需要设定的最大允许误判率EMAX，求取所述误判率曲线上所述EMAX对应的FLMIN数值，选择所述FLMIN作为所述检测UHF传感器检测频带的下限截止频率，选择所述检测UHF传感器检测频带为FLMIN～FH。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中实验室涉及的局部放电的类型包括悬浮放电、气泡放电、针板放电、匝间放电、油楔放电；
每种所述局部放电类型重复5个试品，进行试验时采用交流电压，电压幅值采用U0、1.2U0、1.5U0三档，U0为按照IEC60270标准测量的所述局放模型的起始放电电压，每档电压下测量5分钟，共进行75次试验获得75个频谱，n＝75。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述实验室构建GIS局部放电模型，包括自由金属颗粒模型、悬浮电位放电模型、盆式绝缘子沿面放电模型、高压导杆尖刺放电模型，并采用类似变压器局部放电模型试验的方法获得GIS设备局部放电的频谱。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中从被测变电站现场测取空间脉冲干扰的谱图时，测量50分钟，每分钟记录10个谱图曲线，共获得50个干扰谱图，m＝50。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中选用的谱值基线为-20dBm，检测系统的有整体需要时根据所述检测系统的整体需要来确定上限频率FH。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中设定所述误判率EMAX不大于5％。
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