CN103969559A - 一种变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统。方法包括：布置天线；构建局部放电空间定位系统；现场采集局部放电信号、局部放电信号的峰值处理、推算局部放电源的位置等步骤。本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统只需要提取电磁波接收信号峰值，而不需要计算信号的时延。信号峰值可以通过峰值保持和检测方法提取，实现方法简单，且可以在很低采样率的条件下准确采集到，故可以降低信号采集系统的成本。且在信噪比较低的情况下，提取信号的峰值比时延更加简单可行。

Description

一种变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统

技术领域

本发明属于高压电力设备绝缘监测技术领域，特别是涉及一种变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统。

背景技术

绝缘故障是电力设备在运行中最常见的故障之一。通常情况下，电力设备在发生绝缘故障前，会有一个逐渐发展的局部放电过程，随着放电的加剧，最终导致绝缘击穿。如果在局部放电过程中能够对运行设备进行监测和诊断，及时发现局部放电信号，并对局部放电源进行定位，及早对缺陷进行处理，就能有效避免绝缘击穿故障的发生，并制定有针对性的检修处理方案，以减少停电时间，提高检修效率。

局部放电可通过超声波、电气参数常量和特高频(UHF)电磁波等多种方法检测，这些方法都可用来做局部放电源定位。电磁波法是近年来局部放电检测的一种新方法，电力设备发生局部放电的过程中会辐射出宽频带电磁波信号，该方法利用特高频传感器接收特高频频段内(300M～1500MHz)的信号来检测局部放电，由于电磁波在空气中的传播速度近似光速，可以用来计算局部放电源的位置。

特高频电磁波具有抗干扰性强、灵敏度高和传播速度稳等优点，将其应用于局部放电定位及故障诊断是当前的热点问题。在变电站全站的空间内安装一组超宽带全向天线阵列接收局部放电辐射出的电磁波信号，通过对接收到的电磁波信号进行分析处理，得到局部放电源的位置。基于传感器阵列的定位方法通常分为基于距离的定位方法和距离无关的定位方法两类。距离无关的定位方法主要有质心算法、向量-跳段(DV-Hop)算法、Amorphous算法、近似三角形内点测试法(ATIT)算法等，而质心算法和ATIT算法的定位精度跟天线传感器的安装密度与分布密切相关；DV-Hop算法利用跳段距离代替直线距离，误差较大；Amorphous算法需要经验模型，故距离无关的定位算法不适于变电站局部放电源空间定位。基于距离的定位算法中，测量局部放电源与各传感器之间的距离或方位是算法的关键，测量方法有基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOS)、基于接收信号强度(RSSI)和基于到达角度(AOA)等。

电磁波在空气中的传播速度稳定，近似光速，所以可利用时差法进行变电站空间局部放电源定位，即通过对传感器阵列接收到的信号进行分析处理，得到信号时延序列，求解基于时延的定位方程组即可得到局部放电源的准确位置。该方法在变电站局放定位系统和电力设备的局放检测中已得到不少应用。这种方法具有较高的精度，得到准确的时延序列是该方法的基础，故该方法要求传感器及信号采集系统之间保持精确的时间同步，且信号采集系统需要较高的采样率。实际应用中在信噪比较低的情况下，信号时延计算困难，将带来较大的定位误差甚至无法定位。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统。

为了达到上述目的，本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统包括包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、建立用于变电站电力设备局部放电空间定位的局部放电空间定位系统，包括：1)布置天线；2)构建局部放电空间定位系统；

步骤二、现场采集局部放电信号：利用局部放电空间定位系统采集变电站电力设备现场局部放电所产生的特高频信号；

步骤三、局部放电信号的峰值处理：对采集到的四路信号进行提取峰值的处理；

步骤四、推算局部放电源的位置：通过求解基于电磁波衰减特性的局部放电定位方程计算放电位置。

在步骤一中，所述的布置天线的方法为：将带宽为300M-2GHZ的四个天线布置在变电站内。

在步骤一中，所述的局部放电空间定位系统包括：四个天线、信号采集装置和数据处理装置；其中：信号采集装置包括四个调理电路和数据采集器；四个天线分别通过四个调理电路与数据采集器相连接，数据采集器与数据处理装置相连接。

所述的调理电路由输入保护电路、带通滤波器、低噪放大器、包络检波电路组成；其中：输入保护电路的输入端与天线相连接，其输出端依次通过带通滤波器、低噪放大器与包络检波电路的输入端相连接，包络检波电路的输出端与数据采集器相连接。

所述的低噪放大器的最大放大倍数设计为50dB。

所述的四路天线均为带宽300M-2GHZ的特高频传感天线。

在步骤三中，所述的峰值处理的具体操作为：以天线为基准，求出第i个天线的输出电压U_i与第1个天线的输出电压U₁的比值 U_i由信号峰值代替。

在步骤四中，所述的求解方法为：在变电站空间安放4个接收天线，即可得到如下式所示的非线性方程组，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.$

其中U_i为第i个天线的输出电压，且：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}$

上式中含有局部放电源位置坐标P(x,y,z)三个未知数，通过求解该方程组就可定位变电站内的局部放电源。

本发明考虑局部放电辐射电磁场的传播特性及接收天线的天线因子，并以此为理论基础，在变电站空间建立三维坐标系，推导出天线接收到电磁波信号的峰值与局部放电源及天线位置之间的关系，提出一种基于电磁波衰减的变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统，该方法只需要提取电磁波接收信号峰值，而不需要计算信号的时延。信号峰值可以通过峰值保持和检测方法提取，实现方法简单，且可以在很低采样率的条件下准确采集到，故可以降低信号采集系统的成本。且在信噪比较低的情况下，提取信号的峰值比时延更加简单可行。

附图说明

图1为本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位系统示意图。

图2为电流元的电磁场坐标图。

图3为电流元辐射电磁场的子午面示意图。

图4为本发明提供的基于局部放电空间定位的多路信号峰值采集装置的原理框图。

图5为调理电路的组成框图。

图6为低噪放大器级联示意图。

图7为带通滤波器原理示意图。

图8为带通滤波器幅频特性仿真结果波形图。

图9为仿真用脉冲电流的波形及频谱图。

图10为仿真局部放电源及天线阵列示意图。

图11为天线阵列接收电磁波信号的仿真波形图。

图12为天线阵列及模拟局部放电源位置示意图。

图13为局部放电源信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位方法及系统进行详细说明。

图1为变电站放电定位系统示意图；如图1所示，对于变电站中包括GIS出线套管、变压器高压套管、SF6断路器、互感器、电容器、避雷器和绝缘子等在内的各类输变电一次设备，该系统通过四个特高频传感器接收其出现绝缘故障前发生局部放电所激发的电磁波信号，对其进行带电状态下的检测和研究分析，从而实现局部放电源的定位和局部放电的诊断。

本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位方法的实现原理：

1局部放电辐射电磁场的分布特性

局部放电最直接的现象即高电压引起电极间电荷的移动，故局部放电源可以用电流元天线辐射模型来模拟。电流为I、长度为l的电流元辐射电磁场图如图2所示。

图2为电流元的电磁场；

由电磁场理论知，假设空间任意点A距电流元O的距离为R，夹角为θ，A点的磁场强度沿方向为：

A点的电场强度有R方向和θ两个分量，分别为：

${\stackrel{\mathrm{UV}}{E}}_R={\stackrel{V}{a}}_R\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{Il}}{2\mathrm{\π}{R}^2}\cos \mathrm{\θ}(1+\frac{1}{\mathrm{jkR}})e^{-\mathrm{jkR}}---\left(2\right)$

${\stackrel{\mathrm{UV}}{E}}_{\mathrm{\θ}}={\stackrel{V}{a}}_{\mathrm{\θ}}j\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{kIl}}{4\mathrm{\πR}}\sin \mathrm{\θ}(1+\frac{1}{\mathrm{jkR}}-\frac{1}{k^2{R}^2})e^{-\mathrm{jkR}}---\left(3\right)$

其中和分别为球坐标系中三个方向的单位向量；k为波数，ω、ε和μ分别为电流角频率，介质介电常数及磁导率，在空气中ε和μ都为1，故在数值上有k＝ω＝2π/λ；η₀是真空的本征阻抗；e^-jkR为空间点与电流元处的相位差。

由于局部放电的脉冲电流的波前时间一般在ns级，不会大于0.1μs[20]，即局部放电产生电磁波的工作波长最长为几十厘米，故天线的位置基本都在电流元的远区场。由式(1)-(3)知，当空间点A与电流元O的距离R远远大于λ/2π时(λ为工作波长)，1/R²和1/R³项可以忽略不计，故由局部放电源辐射的电磁场磁场强度为：

电场强度只有分量：

${\stackrel{\mathrm{UV}}{E}}_{\mathrm{\θ}}={\stackrel{V}{a}}_{\mathrm{\θ}}j\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{Il}}{2\mathrm{\λR}}\sin \mathrm{\θ}{e}^{-\mathrm{jkR}}---\left(5\right)$

电场强度大小为：

$\left|{\stackrel{\mathrm{UV}}{E}}_{\mathrm{\θ}}\right|=\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{Il}}{2\mathrm{\λ}}\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}{K}_1\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}---\left(6\right)$

其中K₁为只与电流元相关的常量。由式(4)和式(5)知，在电流元的远区场的点A处，电磁场的电场只有一个分量磁场也只有一个分量它们相互垂直，且垂直于径向(方向)，且由式(6)知，其电场强度的大小与sinθ/R成正比。

2接收天线的灵敏度系数

接收天线的灵敏度用来反映天线的输出电压与所处电场的关系。设用来接收电磁波信号的特高频天线输出电压为U，入射的电场强度为磁场强度为u天线增益为G，由天线因子AF[21]的定义知：

$\mathrm{AF}=\frac{E}{U}---\left(7\right)$

局部放电辐射电磁场空间的功率密度，可用波印亭矢量的模表示为：

$S=|\stackrel{\mathrm{UV}}{E}\×\stackrel{\mathrm{UV}*}{H}/2|---\left(8\right)$

将式(4)和(5)代入式(8)得功率密度的大小为，它的单位是W/m²：

$S=\frac{{\left|{\stackrel{\mathrm{UV}}{E}}_{\mathrm{\θ}}\right|}^2}{{2\mathrm{\η}}_0}---\left(9\right)$

天线有效面积：

$A=\frac{G{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(10\right)$

天线接收到的功率为：

P＝SA＝U²/2Z₀ (11)

其中G为天线增益，Z₀为天线的特性阻抗，λ为电磁波的波长。由以上分析可得，天线因子的大小为：

$\mathrm{AF}=\frac{\sqrt{4\mathrm{\π}{\mathrm{\η}}_0{Z}_0}}{\mathrm{\λ}\sqrt{G}}---\left(12\right)$

由式(12)知，接收天线的灵敏度系数只与电磁波的波长(频率)有关。而同一个局部放电源在同一时刻辐射的电磁波信号，天线阵列接收的电磁波信号频谱特征相近，可以认为变电站内的一组天线阵列接收到的同一局部放电源电磁波信号转换的电压信号，与该天线所在位置处的电场强度成正比，记为：

$U=K_2\left|\stackrel{\mathrm{UV}}{E}\right|---\left(13\right)$

其中K₂为天线接收电磁波信号的灵敏度系数，也是天线因子AF的倒数。

3通过天线接收到的电磁波衰减特性求取实际放电源的位置

建立三维空间坐标系，假设局部放电源在坐标系中的坐标为P(x,y,z)，且电流元的方向沿z轴，如图1所示。现估计在空间点A(x_A,y_A,z_A)处，由局部放电源辐射的电场强度大小，点A所在的电磁场子午面示意图如图3所示。

图3为电流元辐射电磁场的子午面示意图，由图3可得如下几何关系：

${\sin \mathrm{\θ}}_A=\frac{\left|{\mathrm{AA}}^{\′}\right|}{R_A}=\frac{\left|{\mathrm{AA}}^{\′}\right|}{\left|\mathrm{PA}\right|}---\left(14\right)$

其中，A'为A在z轴上的投影，故有

$\left|{\mathrm{AA}}^{\′}\right|=\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}---\left(15\right)$

$\left|\mathrm{PA}\right|=\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}---\left(16\right)$

即：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_A}{R_A}=\frac{\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}}{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}---\left(17\right)$

将式(13)代入(2)，可得由局部放电源P(x,y,z)辐射到空间点A的电场强度大小为：

$\left|{\stackrel{\mathrm{UV}}{E}}_A\right|=K_1\·\frac{\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}}{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}---\left(18\right)$

将式(14)代入式(9)，若将接收电磁波的天线安放在点A处，则该天线的输出电压为：

$U_A=K_1{K}_2\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}K\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}---\left(19\right)$

其中K＝K₁K₂为常量，式(19)为利用电磁波衰减特性计算局部放电源位置的基础。

通过4个以上不同地点天线接收输出的不同电压(对应不同的场强大小)组成3个独立方程，即可得到局部放电源位置(x_A,y_A,z_A)。

依据上述原理，本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位方法是首先在变电站内安装变电站局部放电定位系统，如图1所示；通过分布在变电站内的四个特高频全向传感器接收局部放电激发的电磁波信号，并在系统内部对所接受到的信号进行放大、滤波、包络检波和峰值保持等处理，并根据四路信号的最大峰值进行计算分析，从而得到局部放电源的大致位置，帮助测试人员快速排查故障发生位置。

本发明提供的变电站电力设备局部放电空间定位方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、建立用于变电站电力设备局部放电空间定位的局部放电空间定位系统，包括：1)布置天线；2)构建局部放电空间定位系统；

步骤二、现场采集局部放电信号：利用局部放电空间定位系统采集变电站电力设备现场局部放电所产生的特高频(UHF)信号；

步骤三、局部放电信号的峰值处理：对采集到的四路信号进行提取峰值的处理；

步骤四、推算局部放电源的位置：通过求解基于电磁波衰减特性的局部放电定位方程计算放电位置。

如图1所示，在步骤一中，所述的布置天线的方法为：将带宽为300M-2GHZ的天线1布置在变电站内。

如图4所示，在步骤一中，所述的局部放电空间定位系统包括：四个天线1、信号采集装置2和数据处理装置3；其中：信号采集装置2包括四个调理电路21和数据采集器22；四个天线1分别通过四个调理电路21与数据采集器22相连接，数据采集器22与数据处理装置3相连接。

所述的天线1为系统的URF传感器，四路天线1分别接收同一放电源辐射出的特高频信号并转换为电压信号；调理电路21为系统的输入信号调理电路，其接收来自天线1的特高频电压信号，经调理输出天线1所接收信号的最大峰值；数据采集器22为四通道数据同步采集装置，采集四路调理电路21所输出的特高频信号峰值，并将其转换成数字信号并传送给数据处理装置3；数据处理装置3为一数据处理单元，其能够通过天线1接收到电磁波信号的峰值与局部放电源及天线位置之间的关系列出方程组，求解放出电信号的位置，从而实现定位。

在步骤三中，所述的峰值处理的具体方法为：以天线1为基准，求出第i个天线的输出电压U_i与第1个天线的输出电压U₁的比值 U_i由信号峰值代替。

在步骤四中，所述的求解方法为：在变电站空间安放四个接收天线，即可得到如式(20)所示的非线性方程组，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.---\left(20\right)$

其中U_i为第i个天线的输出电压，且：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}---\left(21\right)$

式(20)中含有局部放电源位置坐标P(x,y,z)三个未知数，通过求解该方程组就可定位变电站内的局部放电源。

如图5所示，所述的调理电路21由输入保护电路211、带通滤波器212、低噪放大器213、包络检波电路214组成；其中：输入保护电路211的输入端与天线1相连接，其输出端依次通过带通滤波器212、低噪放大器213与包络检波电路214的输入端相连接，包络检波电路214的输出端与数据采集器22相连接。

所述的四路天线1均为带宽300M-2GHZ的特高频传感天线。

所述的带通滤波器212能够滤除300MHz～1500MHz以外的带外噪声和GSM900MHz通讯频率。

所述的低噪放大器213的最大放大倍数设计为50dB，单级放大器显然不能满足要求；因此放大电路采用多级级联，并被设计成可控放大。

调理电路21是特高频局部放电信号检测和定位系统的关键部件之一，其输入保护性能直接影响到系统的可靠性；带通滤波器的性能也会影响检测信号的真实性；放大器特性影响信噪比和检测灵敏度；包络检波电路214的性能也会影响包络信号的稳定性。

输入保护电路211用于防止外部瞬时高电压击穿带通滤波器212，带通滤波器212用于滤除300MHz～1500MHz以外的带外噪声和GSM900MHz通讯频率，低噪放大器213用于将输入的UHF信号加以放大，以利于包络检波器的动态范围，包络检波电路214用于提取UHF信号的包络，将频率高达1.5GHz的信号转换为较低的信号频率，便于用常规的嵌入式数据采集单元进行数字量采集。

所述的低噪放大器213为UHF放大器，由于天线1所接收到的局部放电信号功率约为-85dBm～-15dBm(分贝毫瓦)，采用二极管的包络检波电路214的灵敏度不高于-40dBm，因此在包络检波之前必须先使用低噪声放大器(LNA)将UHF信号放大。带通滤波器212等电路有一定的功率损耗，低噪放大器213的最大放大倍数设计为50dB，单级放大器显然不能满足要求；因此放大电路采用多级级联，并被设计成可控放大。

级联放大器中各级的噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，处于前级的放大器对总的输出噪声影响权重更大；因此设计多级放大器时需要慎重考虑第一级即前置放大器的噪声特性，应选择噪声系数足够小的低噪声放大器作为前置放大器。

所述的低噪放大器213由多个UHF放大器级联组成，如图6所示，第一级LNA的噪声因数NF为0.8，增益为20dB，第二级和第三级放大器的噪声因数都为3.5，增益为15dB；当输入信号功率为-85dBm～-50dBm时，放大器检波器的实际增益为50dB，此时的放大器总的噪声系数根据公式(22)计算为：

$F=F_1+\frac{F_2-1}{K_1}+\frac{F_3-1}{K_1{K}_2}=1.202+\frac{2.239-1}{100}+\frac{2.239-1}{100\×31.623}\≅1.214---\left(22\right)$

即输出信号的信噪比只有输入信号信噪比的80％，信噪比因为放大器噪声而有所降低。

表2-1UHF放大器各级放大器器件的特征参数

所述的带通滤波器212的功能就是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。图2-6所示的UHF放大器中采用模拟带通滤波器来滤除300MHz～1500MHz以外的带外信号。

高频滤波器设计步骤为：

1)确定信号带宽

根据GIS局部放电测量的UHF方法的信号特点，确定上截止频率f_h＝1500MHz，上阻带频率f_hs＝1800MHz；下截止频率f_l＝300MHz，下阻带频率f_ls＝240MHz；中心频率带宽BW＝f_h-f_l＝1200MHz；取通带纹波δ＝0.5dB；则取最小阻带衰减A_S＝30dB。

2)滤波器阶数的确定

${\mathrm{\β}}_1=(\frac{f_l\·f_h}{f_{\mathrm{ls}}}-f_{\mathrm{ls}})\·\frac{1}{\mathrm{BW}}=1.363;$

${\mathrm{\β}}_2=(f_{\mathrm{hs}}-\frac{f_l\·f_h}{f_{\mathrm{hs}}})\·\frac{1}{\mathrm{BW}}=1.292;$

β＝max{β₁,β₂}＝1.363。

滤波器阶数：

$N\≥n=\frac{{\mathrm{ch}}^{-1}\sqrt{\frac{{10}^{0.1A_S}-1}{{10}^{0.1\mathrm{\δ}}-1}}}{{\mathrm{ch}}^{-1}\left(\mathrm{\β}\right)}=6.766$ 取N＝7。

本发明设计了7阶带通滤波器，滤波器原理图及其幅频仿真特性如图7和图8所示。

所述的包络检波电路214：

对于包络检波环节,本环节在常规二极管检波电路的基础上，设计了新的检波电路拓扑结构，增加了适当大小的负偏置电压、采用平衡设计和优化电阻电容等电路参数，实现了对UHF信号的包络提取。

所述的数据采集器22采用四通道同步数据采集卡实现包络信号最大峰值的采集。

所述的数据处理装置3采用工控机单元对四路接收信号峰值进行计算分析，获得局部放电源的三维位置。

实验室测试和验证

为验证以上提出的基于电磁波衰减的变电站局部放电定位方法的准确性和可行性，分别对电磁波仿真软件得到局部放电信号，利用求解方程组(20)的方法得到局部放电源位置坐标，同时模拟局部放电信号，利用研制装置采集得到的电磁波信号进行分析处理，得到局部放电源位置坐标。

1仿真验证

仿真局部放电源采用脉冲电流的幅值为1A，脉冲宽度为4ns的高斯脉冲，电流方向为z轴的正方向，脉冲电流的波形图及其频谱分析如图9所示。

在仿真变电站空间建立三维坐标系，仿真局部放电源的位置坐标为P(2,6.5,3)，射频天线阵列的坐标分别为P1(0.5,0.5,1)、P2(0.5,4.5,2)、P3(3.5,0.5,1)和P4(3.5,4,5,1)，单位：m，如图10所示，假定局部放电辐射的电磁波信号可以无遮挡直线到达接收天线。

电磁波仿真软件得到4个天线接收到的电磁波信号波形结果如图5所示，其信号峰值分别为0.2841V、0.5481V、0.2937V和0.3420V，代入非线性方程组(20)，求解得局部放电源的位置为(2.0,6.0,4.0)，单位：m，与真实位置相比，三维定位误差为1.12m，平面定位误差仅0.5m，准确度满足局部放电源初步定位的要求。

2实测验证

特高频天线阵列安装的空间位置及模拟局放信号源的位置如图12所示。在三维坐标系中，模拟局部放电源的坐标为P(0.35,3.86,2.28)，放电方向沿x轴正方向；4个天线的坐标分别为P1(0,0,0.26)、P2(0,1,0)、P3(3,0,0)和P4(3,1,0)，单位：m。

4个特高频天线接收得到的特高频电磁波信号波形图如图13所示，利用本系统采集到的四路特高频信号的峰值分别为0.0312V、0.12V、0.1312V和0.1296V，经过数据采集和处理分析单元得到模拟局部放电源的位置为(1.0,4.0,2.0)，单位：m，与真实位置相比，误差为0.72m，定位误差在可接受范围内。

Claims (8)

1.一种变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：其包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、建立用于变电站电力设备局部放电空间定位的局部放电空间定位系统，包括：1)布置天线；2)构建局部放电空间定位系统；

步骤二、现场采集局部放电信号：利用局部放电空间定位系统采集变电站电力设备现场局部放电所产生的特高频信号；

步骤三、局部放电信号的峰值处理：对采集到的四路信号进行提取峰值的处理；

步骤四、推算局部放电源的位置：通过求解基于电磁波衰减特性的局部放电定位方程计算放电位置。

2.根据权利要求1所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：在步骤一中，所述的布置天线的方法为：将带宽为300M-2GHZ的四个天线布置在变电站内。

3.根据权利要求1所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：在步骤一中，所述的局部放电空间定位系统包括：四个天线(1)、信号采集装置(2)和数据处理装置(3)；其中：信号采集装置(2)包括四个调理电路(21)和数据采集器(22)；四个天线(1)分别通过四个调理电路(21)与数据采集器(22)相连接，数据采集器(22)与数据处理装置(3)相连接。

4.根据权利要求3所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：所述的调理电路(21)由输入保护电路(211)、带通滤波器(212)、低噪放大器(213)、包络检波电路(214)组成；其中：输入保护电路(211)的输入端与天线(1)相连接，其输出端依次通过带通滤波器(212)、低噪放大器(213)与包络检波电路(214)的输入端相连接，包络检波电路(214)的输出端与数据采集器(22)相连接。

5.根据权利要求4所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：所述的低噪放大器(213)的最大放大倍数设计为50dB。

6.根据权利要求3所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：所述的四路天线(1)均为带宽300M-2GHZ的特高频传感天线。

7.根据权利要求1所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：在步骤三中，所述的峰值处理的具体操作为：以天线(1)为基准，求出第i个天线的输出电压U_i与第1个天线的输出电压U₁的比值U_i由信号峰值代替。

8.根据权利要求1所述的变电站电力设备局部放电空间定位方法，其特征在于：在步骤四中，所述的求解方法为：在变电站空间安放4个接收天线，即可得到如下式所示的非线性方程组，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.$

其中U_i为第i个天线的输出电压，且：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}$

上式中含有局部放电源位置坐标P(x,y,z)三个未知数，通过求解该方程组就可定位变电站内的局部放电源。