CN103969561B - 一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法，其特征在于：首先采用超声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集，并进行超声强度空间的分布估计；与此同时对所在场景进行视频信号采集，继而基于获取的超声信号和视频信号，进行超声强度空间分布的可视化，从而直观显示出作为超声源的局部放电点的空间位置。本发明对电力设备的局部放电故障检测进行研究，针对其所产生的超声信号在时域和频域上的分布特点，对该可视化超声检测进行设计，可高精度的对电力设备中存在的局部放电现象进行检测。

Description

一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法

技术领域

本发明涉及电力设备的故障检测领域，特别涉及一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法。

背景技术

局部放电是电力设备中需及时进行检测的一种故障现象，其会造出设备的绝缘劣化，加速绝缘损坏的过程。及时避免和去除局部放电，从而使设备正常安全运行成为电力设备维护人员最多考虑的事情，为了除去这种潜伏性故障现象，如今出现了很多在线检测局部放电现象的方法。

局部放电的检测均以其产生的各种物理现象为依据，估计放电的状态、特性以及位置。局部放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及一些新的生成物，并会引起局部发热。相应地，可利用光测法、化学检测法、红外检测法、超高频检测法、脉冲电流检测法和超声波检测法等多种方法用于检测局放。光测法最有利于定位，但也会受障碍物遮挡影响；化学检测法的在线监测结果可靠性高，但对突发性故障反应较慢；红外检测法适用于检测设备外部接线端的过热现象，但不易监测运行中设备的内部状况；超高频检测法可避开电晕干扰，能反映放电的强度，对突发性故障也能及时反应，但由于电波波长很长，难以对放电源定位；脉冲电流检测法的应用最为广泛，也最为有效，但其测量频率低，不能避开空气电晕干扰，不适合在线监测。

变压器出现局部放电时，会伴随着爆裂状的声发射，产生超声波信号，且很快向四周传播。因此，可利用超声波信号检测方法对故障点进行定位。目前已有很多国内外科研院校开展基于超声的局部放电检测研究，然而已有的研究大多面向于局部放电的自动定位，但其定位结果往往会由于各种干扰和障碍而产生误差，其检测结果也没有以可视化方式呈现给用户，且很多是基于单个传感器的超声检测设备，需要人工搜索声源位置。

发明内容

针对背景技术中所述的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法，检修人员可依据该方法直接精确的观察到超声源的位置，并判断电力设备的局部放电点。

本发明采用以下方案实现：一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法，其特征在于：首先采用超声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集，并进行超声强度空间的分布估计；与此同时对所在场景进行视频信号采集，继而基于获取的超声信号和视频信号，进行超声强度空间分布的可视化，从而直观显示出作为超声源的局部放电点的空间位置。

在本发明一实施例中，所述的超声信号和视频信号的采集是采用一超声、视频集中采集板采集；所述超声、视频集中采集板包括集成于一PCB板上的超声传感器阵列、摄像模块以及为该采集板供电的电池组；所述的超声波传感器阵列的输出端经一阵列信号放大电路与一多通道数据采集卡连接。

在本发明一实施例中，所述的超声传感器阵列由16只摆放在不同位置的超声传感器组成，每四个传感器构成一组线型阵，以四组线型阵为四边，形成二维方形阵。

在本发明一实施例中，所述的二维方形阵的长边为30cm，短边为20cm。

在本发明一实施例中，所述超声强度空间的分布估计是通过超声强度在空间中的分布情况判断超声源位置，通过对各个通道信号的延时叠加，得到具有空间指向性的波束信号，如式(1)所示：

$S_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i(n+{\mathrm{\Δ}}_i^{\mathrm{\θ}})---\left(1\right)$

其中，θ表示波束指向的角度，S_θ(n)表示指向角度为θ的波束信号，i表示通道编号，n表示延时相关的时刻，N表示超声信号采集的通道数，表示第i通道指向角度为θ的延时；

对各个角度的波束信号统计短时能量，如式(2)所示：

$E_{\mathrm{\θ}}\left(T\right)=\underset{n=T}{\overset{T+\mathrm{\Δ}T}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{\θ}}^2\left(n\right)---\left(2\right)$

其中E_θ(T)为T时刻指向角度为θ的波束能量，ΔT表示基于T时刻的时间变化量；

对三维指向性波束而言，所指向的立体角可分解为垂直角和水平角，波束能量可以看作是垂直角指向能量与水平角指向能量之和，通过这种方式可以得到各个空间角度的能量分布，构成以水平角为横坐标以垂直角为纵坐标的二维矩阵，这里称为空间能量矩阵；对生成的二维空间能量矩阵取最大值，作为声源位置，并以该坐标为中心，该点强度为幅度，生成二维高斯函数，作为显示矩阵，与视觉场景共同显示。

本发明具有如下的优点：

(1)采用超声传感器阵列采集超声信号，利用超声源定位技术估计空间中各个方位的超声强度，实现高精度超声定位；

(2)将检测到的各方位超声强度结合空间视觉场景信息共同显示，实现了超声源的可视化检测定位，极大地方便了检修人员的观测判断；

(3)对电力设备的局部放电故障检测进行研究，针对其所产生的超声信号在时域和频域上的分布特点，对该可视化超声检测进行设计，可高精度的对电力设备中存在的局部放电现象进行检测。

附图说明

图1为可视化超声检测流程图。

图2为可视化超声检测设备的构成示意图。

图3为可视化超声检测设备中超声传感器阵列的构成示意图。

图4为可视化超声检测设备中阵列信号放大电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如附图1所示，本实施例涉及信号采集、信号处理以及结果可视化三个主要部分，即：首先采用超声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集，并进行超声强度空间的分布估计；与此同时对所在场景进行视频信号采集，继而基于获取的超声信号和视频信号，进行超声强度空间分布的可视化，从而直观显示出作为超声源的局部放电点的空间位置。

如附图2所示，本实施例中上述的超声信号和视频信号的采集是采用一超声、视频集中采集板采集；所述超声、视频集中采集板包括集成于一PCB板上的超声传感器阵列、摄像模块以及为该采集板供电的电池组；所述的超声波传感器阵列的输出端经一阵列信号放大电路与一多通道数据采集卡连接。数字形式的超声信号和视频信息通过USB接口输入计算机，完成信号处理及显示功能。其中通过超声传感器阵列实现超声信号的采集，通过阵列信号放大电路实现采集后超声信号的放大，通过多通道数据采集卡来实现放大后超声信号的模数转换。该信号采集板上还配置有电池组进行供电。

局部放电所产生的声信号频率覆盖范围很宽，从可听声范围(约10kHz至100kHz)。在设计中，需在这一范围内确定合适的频段，以选择传感器类型。高频段超声的传播衰减非常严重，不适于对其进行远距离采集。低频段的传播特性良好，但会受到环境中可听声的干扰，影响定位效果，因而综合考虑40kHz左右的超声信号适合于采集和声源定位。

阵元距离和信号频率有关，阵列尺寸决定空间分辨率。考虑到所选择的超声频率在40kHz，因此阵元距离应尽量小于超声波长的1/2，结合对设备大小的要求，确定阵列尺寸在20cm至30cm之间。

如附图3所示，本实施例所述的超声传感器阵列利用16只摆放在不同位置的超声传感器组成阵列，每四个传感器构成一组线型阵，以四组线型阵为四边，形成二维方形阵，方形阵的长边为30cm，短边为20cm，其中选用的超声传感器为上海尼塞拉公司的ATR40-10P型号，通过该方形阵可对二维空间中的声源进行定位。

如附图4所示，考虑到超声信号经长距离传输衰减很严重，本实施中设计了双级放大电路，每级采用负反馈放大电路，放大100倍，两级之间利用电容隔离直流成分，级联后的放大增益可达10000倍。这里采用了双运放芯片AD822，具有高精度、低功耗、轨到轨等特性，保证在高增益条件下的高信噪比输出。利用单电源供电，电压范围3-36v，电路元器件基本选用贴片元件，保证小型化和低功耗。16只超声传感器组成阵列，每四只及相应的放大电路构成一个模块。四个模块分别安置于采集板四边。对供电电源也需要采取稳压措施，减小干扰。

放大后的信号输入多通道数据采集卡进行模数转换，根据超声频率带宽及采样定律，每个通道的信号采样频率需达到100kHz，通道数达到16个，选用了中泰研创公司出品的USB7646型数据采集卡，支持16通道并行采集，每通道采样率达100kHz，采样精度16比特，符合上述要求。

本实施例中摄像头选用罗技C270高清集成摄像头，分辨率达100万像素，内部集成视频压缩编码器，摄像头由USB供电，并通过USB向计算机传输视频编码数据。

本实施例中，可将该可视化超声检测设备设计为手持式设备，采用电池供电方式。考虑到超声电路供电电压在3-36v，数据采集卡供电电压为5v，工作总电流为800mA左右。因此系统采用4节1.2v可充电电池供电，每节容量2500mAh。后接15w升压DC-DC模块，保持稳定的5v输出电压，为数据采集卡和超声采集与放大电路模块供电。

在超声检测的数据处理中，利用超声强度空间分布估计算法，通过超声强度在空间中的分布情况判断超声源位置。通过对各个通道信号的延时叠加，可以得到具有空间指向性的波束信号，如式(1)所示：

$S_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i(n+{\mathrm{\Δ}}_i^{\mathrm{\θ}}),N=16---\left(1\right)$

其中，θ表示波束指向的角度，S_θ(n)表示指向角度为θ的波束信号，i表示通道编号，n表示延时相关的时刻，N表示超声信号采集的通道数，表示第i通道指向角度为θ的延时。对各个角度的波束信号统计短时能量，如式(2)所示：

$E_{\mathrm{\θ}}\left(T\right)=\underset{n=T}{\overset{T+\mathrm{\Δ}T}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{\θ}}^2\left(n\right)---\left(2\right)$

其中E_θ(T)为T时刻指向角度为θ的波束能量，ΔT表示基于T时刻的时间变化量。

对三维指向性波束而言，所指向的立体角可分解为垂直角和水平角，波束能量可以看作是垂直角指向能量与水平角指向能量之和。通过这种方式可以得到各个空间角度的能量分布，构成以水平角为横坐标以垂直角为纵坐标的二维矩阵，这里称为空间能量矩阵。

对生成的二维空间能量矩阵取最大值，作为声源位置，并以该坐标为中心，该点强度为幅度，生成二维高斯函数，作为显示矩阵，与视觉场景共同显示。

摄像头采集的每帧视频信号与空间能量矩阵共同显示，其原理是将视频信号作为背景，而能量矩阵作为前景显示，矩阵中的数值越大，显示的亮度就越大。

实验中利用电子打火枪作为超声源，分别置于距离超声局放检测仪15米、18米和20米处，测试设备的工作情况，从可视化效果来看，系统在20m范围内可有效检测到超声源，并实现准确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法，其特征在于：首先采用超声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集，并进行超声强度空间的分布估计；与此同时对所在场景进行视频信号采集，继而基于获取的超声信号和视频信号，进行超声强度空间分布的可视化，从而直观显示出作为超声源的局部放电点的空间位置；

其中，所述的超声信号和视频信号的采集是采用一超声、视频集中采集板采集；所述超声、视频集中采集板包括集成于一PCB板上的超声传感器阵列、摄像模块以及为该采集板供电的电池组；所述的超声波传感器阵列的输出端经一阵列信号放大电路与一多通道数据采集卡连接；

其中，所述的超声传感器阵列由16只摆放在不同位置的超声传感器组成，每四个传感器构成一组线型阵，以四组线型阵为四边，形成二维方形阵；

其中，所述超声强度空间的分布估计是通过超声强度在空间中的分布情况判断超声源位置，通过对各个通道信号的延时叠加，得到具有空间指向性的波束信号，如式(1)所示：

$S_{\mathrm{\θ}}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_i(n+{\mathrm{\Δ}}_i^{\mathrm{\θ}})---\left(1\right)$

其中，θ表示波束指向的角度，S_θ(n)表示指向角度为θ的波束信号，i表示通道编号，n表示延时相关的时刻，N表示超声信号采集的通道数，表示第i通道指向角度为θ的延时；

对各个角度的波束信号统计短时能量，如式(2)所示：

$E_{\mathrm{\θ}}\left(T\right)=\underset{n=T}{\overset{T+\mathrm{\Δ}T}{\Σ}}{S}_{\mathrm{\θ}}^2\left(n\right)---\left(2\right)$

其中E_θ(T)为T时刻指向角度为θ的波束能量，ΔT表示基于T时刻的时间变化量；

对三维指向性波束而言，所指向的立体角可分解为垂直角和水平角，波束能量可以看作是垂直角指向能量与水平角指向能量之和，通过这种方式可以得到各个空间角度的能量分布，构成以水平角为横坐标以垂直角为纵坐标的二维矩阵，这里称为空间能量矩阵；对生成的二维空间能量矩阵取最大值，作为声源位置，并以该坐标为中心，该点强度为幅度，生成二维高斯函数，作为显示矩阵，与视觉场景共同显示。

2.根据权利要求1所述的用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法，其特征在于：所述的二维方形阵的长边为30cm，短边为20cm。