CN103543391A

CN103543391A - 一种直流局部放电源检测与识别装置

Info

Publication number: CN103543391A
Application number: CN201310457049.5A
Authority: CN
Inventors: 梁俊斌; 邓雨荣; 郭丽娟; 陶松梅; 张炜; 吴秋丽; 邬蓉蓉; 吕泽承; 唐明; 雷文
Original assignee: SHANGHAI LINGBU TECHNOLOGY Co Ltd; Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI LINGBU TECHNOLOGY Co Ltd; Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103543391B

Abstract

本发明公开了一种直流局部放电源检测与识别装置。此装置采用带通滤波器、高速采集卡和工控机，实现了直流局部放电源检测、分类与模式识别，并应用于变压器油纸绝缘局部放电实验。装置的模拟前端具有40M模拟带宽，可保证局部放电脉冲信号的高频分量被准确采集；高速采集卡的分辨率为10位，提高了装置对局部放电脉冲采集时的分辨率与灵敏度。装置可记录局部放电脉冲波形及其发生时刻，形成脉冲时间序列；然后基于脉冲波形特征，采用局部放电脉冲群快速分类技术，将原始脉冲群分为若干子脉冲群提取放电指纹；最后使用故障特征数据库对各子类做放电类型判别。该检测装置具有排除外部干扰、分离多种局部放电源以及识别局部放电模式等典型特征功能。

Description

一种直流局部放电源检测与识别装置

技术领域

本发明属于高压设备局部放电监测技术领域。具体是一种直流局部放电源检测装置与识别装置。

背景技术

电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一，它一旦发生事故，则所需的修复时间较长，造成的影响也比较严重。随着我国电力工业的迅速发展，电网规模不断扩大，电力变压器的单机容量和安装容量随之不断增加，电压等级也在不断提高。一般而言，容量越大，电压等级越高，变压器故障造成的损失就越大。近年来，电力变压器虽然由于材料的改进、设计方法和制造技术的提高，运行可靠率有所提高，但仍会发生料想不到的事故。

直流局部放电的检测是电力变压器油纸绝缘状态监测的重要手段，目前研发的直流下局部放电检测装置系统较少，国内仅西南交通大学吴广宁教授课题组基于脉冲电流法研制了传统的窄带直流局部放电检测仪（带宽小于2MHz），中国工程物理研究院同样对脉冲电容器开发了类似的直流局部放电放电检测分析仪。其工作原理均为假设只有一个局部放电源存在以及硬件滤波器对随机干扰脉冲源能够进行理想抑制。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带宽的直流局部放电源检测、噪声分离、局部放电模式分类与识别的直流局部放电源检测装置与识别装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

1.一种直流局部放电源检测与识别装置，主要由第一通道、第二通道、带通滤波器、高速采集卡、工控机与外壳构成；第一通道和第二通道分别设置在外壳外的左侧上方和左侧下方；带通滤波器、高速采集卡和工控机设置在外壳内。

1)装置各部件的结构：

1.1)所述带通滤波器是带宽为10kHz～40MHz，输入阻抗为50Ω的带通滤波器，它由输入接口J31、第一运算放大器U31、第一电阻R31、第二电阻R32、第三电阻R33、第四电阻R34、第五电阻R35、第六电阻R36、第一电容C31、第二电容C32、第二运算放大器U32以及信号输出接口J32构成；其中：输入接口J31与第一运算放大器U31的正向输入端连接；第一电阻R31的下端接地、上端与第二电阻R32的左端并连后连接到第一运算放大器U31的负向输入端；第二电阻R32的右端与第三电阻R33左端并连后连接到第一运算放大器U31的输出端；第三电阻R33的右端连接到第四电阻R34的左端；第四电阻R34的右端连接到第二运算放大器U32的正向输入端；第一电容C31的下端与地连接、上端与运算放大器U32的反相输入端连接；第五电阻R35的下端接地、上端与第六电阻R36的左端并连后与第二运算放大器U32的反相输入端连接；第二运算放大器U32的输出端分别与第六电阻R36的右端和第二电容C32的右端相连后、与输出接口J32连接。

1.2)所述高速采集卡的采样率为100MS/s，分辨率为10位，通道数为三通道，模拟带宽为100MHz、存储深度为32MS，输入量程为±25mV～±25V；它由第一输入BNC接头、第二输入BNC接头、第三输入BNC接头、采集板卡控制中心和USB接口构成；所述高速采集卡的第一输入BNC接头与带通滤波器的输出接口J32连接，第二输入BNC接头与第二通道连接，第三输入BNC接头悬空；USB接口与工控机的USB接口连接，实现采集数据的实时传递。

1.3)所述工控机为双核1.6GHz，内存为4GB的工控机，其设有USB接口。工控机通过USB接口与高速采集卡的USB接口连接。

2)装置各部件的连接关系：

所述第一通道与带通滤波器的输入接口J31连接；所述带通滤波器的输出接口J32与高速采集卡的第一BNC接头连接；所述高速采集卡的第二BNC接头与第二通道连接；所述高速采集卡的USB接口与工控机通过USB连接线连接。

上述带通滤波器电路所用电阻均为精度0.1％，温度系数小于10×10^-6/℃的高精度低温漂电阻；电容采用COG电容器，在温度从-55℃到+125℃时容量变化为±30ppm/℃；第一电阻R31=2kΩ、第二电阻R32=10kΩ、第三电阻R33=39kΩ、第四电阻R34=39kΩ、第五电阻R35=20kΩ、第六电阻R36=20kΩ、第一电容C31=0.01uF、第二电容C32=0.01uF。所述带通滤波器13的放大倍数由第五电阻R35、第六电阻R36、第一电阻R31与第二电阻R32决定。

上述外壳采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于现场检测的施加高压。

本发明具有以下优点：

1.带通滤波器的带宽很宽，达40MHz。可保证局部放电脉冲信号的高频分量被准确采集；

2.高速采集卡的分辨率为10位，提高了系统的分辨率与灵敏度；

3.本发明可通过提取放电脉冲与设计放电指纹，可对脉冲群进行分类，从而实现噪声干扰的排除以及局部放电类型的识别。

附图说明

图1是本发明一种直流局部放电源检测与识别装置的结构示意图。

图中，第一通道11、第二通道12、带通滤波器13、高速采集卡14、工控机15、外壳16。

图2是本发明一种直流局部放电源检测与识别装置的带通滤波器结构电路图。

图中，输入接口J31、第一运算放大器U31、第一电阻R31、第二电阻R32、第三电阻R33、第四电阻R34、第五电阻R35、第六电阻R36、第一电容C31、第二电容C32、第二运算放大器U32、信号输出接口J32。

图3是本发明一种直流局部放电源检测与识别装置的高速采集卡结构示意图。

图中，第一输入BNC接头41-1、第二输入BNC接头41-2、第三输入BNC接头41-3、采集板卡控制中心42、USB接口43。

图4是本发明一种直流局部放电源检测与识别装置放电指纹库结构图。

图中，装置61、第一特征指纹库62、第二特征指纹库63、第一指纹64、第二指纹65、第三指纹66、第四指纹67。

具体实施方式

以上所述仅是本发明方案概述，为了更清楚说明本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明采用带宽为10kHz～40MHz的模拟有源带通滤波器、采样率为100MS/s的高速采集卡和工控机，实现直流局部放电源检测、放电源分类与模式识别。本发明装置可记录单个局部放电脉冲电流波形及其发生时刻，提取脉冲电流脉冲形成脉冲时间序列，基于脉冲特征采用局部放电脉冲群快速分类技术，将原始脉冲群分为若干子脉冲群。随后，提取各子类脉冲群的指纹信息，使用故障特征数据库，判断各子类放电类型。若被判别子脉冲群特征与系统数据库中放电模式无关，则可认为是噪声或无效数据；若为有效放电类型，则可实现局部放电源的分离以及局部放电类型的识别。

一种直流局部放电源检测与识别装置结构如图1所示，主要由第一通道11、第二通道12、带通滤波器13、高速采集卡14、工控机15与外壳16构成，应用于油纸绝缘局部放电实验。第一通道11和第二通道12分别设置在外壳16外的左侧上方和左侧下方，第一通道11接局部放电脉冲检测传感器。第二通道12接电阻分压器低压臂，记录试验所施加电压信号。带通滤波器13、高速采集卡14和工控机15设置在外壳16内。

1)装置各部件的结构：

1.1)所述带通滤波器13是带宽为10kHz～40MHz，输入阻抗为50Ω的带通滤波器。其结构如图2所示，它由输入接口J31、第一运算放大器U31、第一电阻R31、第二电阻R32、第三电阻R33、第四电阻R34、第五电阻R35、第六电阻R36、第一电容C31、第二电容C32、第二运算放大器U32以及信号输出接口J32构成；其中：输入接口J31与第一运算放大器U31的正向输入端连接；第一电阻R31的下端接地、上端与第二电阻R32的左端并连后连接到第一运算放大器U31的负向输入端；第二电阻R32的右端与第三电阻R33左端并连后连接到第一运算放大器U31的输出端；第三电阻R33的右端连接到第四电阻R34的左端；第四电阻R34的右端连接到第二运算放大器U32的正向输入端；第一电容C31的下端与地连接、上端与运算放大器U32的反相输入端连接；第五电阻R35的下端接地、上端与第六电阻R36的左端并连后与第二运算放大器U32的反相输入端连接；第二运算放大器U32的输出端分别与第六电阻R36的右端和第二电容C32的右端相连后、与输出接口J32连接。

1.2)所述高速采集卡14的采样率为100MS/s，分辨率为10位，通道数为三通道，模拟带宽为100MHz、存储深度为32MS，输入量程为±25mV～±25V；其结构如图3所示，它由第一输入BNC接头41-1、第二输入BNC接头41-2、第三输入BNC接头41-3、采集板卡控制中心42和USB接口43构成；所述高速采集卡（14）的第一输入BNC接头41-1与带通滤波器13的输出接口J32连接，第二输入BNC接头41-2与第二通道12连接，第三输入BNC接头41-3悬空；USB接口45与工控机15的USB接口连接，实现采集数据的实时传递。

1.3)所述工控机15为双核1.6GHz，内存为4GB的工控机，其设有USB接口，工控机15通过USB接口与高速采集卡14的USB接口43连接。

2)装置各部件的连接关系：

所述第一通道11与带通滤波器13的输入接口J31连接；所述带通滤波器13的输出接口J32与高速采集卡14的第一BNC接头41-1连接；所述高速采集卡14的第二BNC接头41-2与第二通道12连接；所述高速采集卡14的USB接口43与工控机15通过USB连接线连接。

上述带通滤波器13电路所用电阻均为精度0.1％，温度系数小于10×10^-6/℃的高精度低温漂电阻；电容采用COG电容器，在温度从-55℃到+125℃时容量变化为±30ppm/℃；第一电阻R31=2kΩ、第二电阻R32=10kΩ、第三电阻R33=39kΩ、第四电阻R34=39kΩ、第五电阻R35=20kΩ、第六电阻R36=20kΩ、第一电容C31=0.01uF、第二电容C32=0.01uF。所述带通滤波器13的放大倍数由第五电阻R35、第六电阻R36、第一电阻R31与第二电阻R32决定。

上述外壳16采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于现场检测的施加高压。

本发明直流局部放电源检测与识别装置在现场检测时，有如下几个步骤：1.设置高速采集卡；2.提取放电特征参数；3.对脉冲群快速分类；4.放电指纹库管理；5.局部放电模式识别。

1.设置高速采集卡：

第一通道11设置为触发通道，触发类型（上升沿或下降沿）根据直流电压极性设置（当传感器与试品串接时，触发类型与直流电压极性相同；而当传感器与耦合电容串接时，触发类型与直流电压极性相反）；触发阈值为局部放电脉冲波形的最小峰值；采集数据长度可根据现场情况设置为100到1000个点，分别对应脉冲时长1μs到10μs，以适应不同脉冲宽度的脉冲电流。

第二通道12只采集直流电压信号，可设置一个略大于背景噪音的触发阈值后进行采样。

2.提取放电特征参数：

为便于脉冲群快速分类，装置软件对单个脉冲电流波形的幅值时间序列做预处理。在数据存储时，无需存储单个脉冲电流波形对应的时间信息，只需存储幅值信息和触发时刻。然后，对脉冲波形做快速傅里叶变换，提取傅立叶变换后的频率特征参数。

3.对脉冲群快速分类：

由于现场检测获得的放电特征参数较复杂，往往不处于[0,1]区间，因此首先需将放电特征参数进行标准化。

4.放电类型识别：

对局部放电的特征参数进行了标准化后，可根据特征参数产生各子脉冲群。对各子脉冲群（有干扰源或多局部放电源的分类结果）进行软件峰值保持，形成峰值-时间序列，生成TARPD谱图，并求取由20个统计算子组成的放电指纹。

为了得到更加可靠地识别结果，检测装置融合了3种多分类判别函数，以投票结果决定识别的放电类型。表1给出直流局部放电数据的识别结果。当投票的票数小于2时，装置认为该脉冲群为噪声。

表1检测系统识别结果举例

5.放电指纹库管理：

放电指纹库是识别放电类型的依据，如图4所示，在图4中，装置61，第一指纹64、第二指纹65以及第三指纹66、第四指纹67为不同放电类型的指纹，当获取了相关指纹后，便可形成第一特征指纹库62以及第二特征指纹库63。考虑到原始数据和不同的放电类型在实际应用中将不断积累，装置61采用开放数据库，当用户获得新数据后，可向数据库添加数据，这样提高了系统的可扩充性。这时，基于新的实测放电指纹数据，构造放电指纹数据库，然后重新训练生产3个分类判别函数，存储并代替原有的判别函数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种直流局部放电源检测与识别装置，其特征在于：主要由第一通道、第二通道、带通滤波器、高速采集卡、工控机与外壳构成；第一通道和第二通道分别设置在外壳外的左侧上方和左侧下方；带通滤波器、高速采集卡和工控机设置在外壳内；

1)装置各部件的结构：

1.1)所述带通滤波器是带宽为10kHz～40MHz，输入阻抗为50Ω的带通滤波器，它由输入接口J31、第一运算放大器U31、第一电阻R31、第二电阻R32、第三电阻R33、第四电阻R34、第五电阻R35、第六电阻R36、第一电容C31、第二电容C32、第二运算放大器U32以及信号输出接口J32构成；其中：输入接口J31与第一运算放大器U31的正向输入端连接；第一电阻R31的下端接地、上端与第二电阻R32的左端并连后连接到第一运算放大器U31的负向输入端；第二电阻R32的右端与第三电阻R33左端并连后连接到第一运算放大器U31的输出端；第三电阻R33的右端连接到第四电阻R34的左端；第四电阻R34的右端连接到第二运算放大器U32的正向输入端；第一电容C31的下端与地连接、上端与运算放大器U32的反相输入端连接；第五电阻R35的下端接地、上端与第六电阻R36的左端并连后与第二运算放大器U32的反相输入端连接；第二运算放大器U32的输出端分别与第六电阻R36的右端和第二电容C32的右端相连后、与输出接口J32连接；

1.2)所述高速采集卡的采样率为100MS/s，分辨率为10位，通道数为三通道，模拟带宽为100MHz、存储深度为32MS，输入量程为±25mV～±25V；它由第一输入BNC接头、第二输入BNC接头、第三输入BNC接头、采集板卡控制中心和USB接口构成；所述高速采集卡的第一输入BNC接头与带通滤波器的输出接口J32连接，第二输入BNC接头与第二通道连接，第三输入BNC接头悬空；USB接口与工控机的USB接口连接；

1.3)所述工控机为双核1.6GHz，内存为4GB的工控机；其设有USB接口，工控机通过USB接口与高速采集卡的USB接口连接；

2)装置各部件的连接关系：

2.如权利要求1所述的一种直流局部放电源检测与识别装置，其特征在于：所述带通滤波器电路所用电阻均为精度0.1％，温度系数小于10×10^-6/℃的高精度低温漂电阻；电容采用COG电容器，在温度从-55℃到+125℃时容量变化为±30ppm/℃；第一电阻R31=2kΩ、第二电阻R32=10kΩ、第三电阻R33=39kΩ、第四电阻R34=39kΩ、第五电阻R35=20kΩ、第六电阻R36=20kΩ、第一电容C31=0.01uF、第二电容C32=0.01uF。所述带通滤波器的放大倍数由第五电阻R35、第六电阻R36、第一电阻R31与第二电阻R32决定。

3.根据权利要求1所述的一种直流局部放电源检测与识别装置，其特征在于：所述外壳采用环氧树脂绝缘材料，可耐受不低于现场检测的施加高压。