CN104459497A - 一种冲击电压下局部放电测量与分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲击电压下局部放电测量与分析装置，在GIS做现场冲击耐压的同时对其进行局部放电测量，用于检测设备内可能存在的绝缘缺陷，提高GIS安全运行的可靠性。它包括，开环式射频电流传感器，双层屏蔽电缆，衰减器套件，滤波器套件，暂态电压钳制器，I/O数据采集卡和冲击电压下局部放电测量与分析软件。开环式射频电流传感器用于将采集到的信号通过双层屏蔽电缆按顺序经衰减器套件、高通滤波器套件和暂态电压钳制器输入到数据采集卡中；所述冲击电压下局部放电测量与分析软件将I/O数据采集卡采集到的数字信号作显示并进行实时分析处理。本发明装置操作简单、所测波形准确、适合现场GIS的局部放电测量。
Description
技术领域
本发明专利涉及GIS现场绝缘缺陷检测技术，特别涉及一种冲击电压下局部放电测量与分析装置。
背景技术
近年来，随着我国工业水平的提升，以及大规模电网建设对电力设备生产技术发展的要求，气体绝缘金属全封闭式开关电器(Gas-Insulated metal-enclosed Switchgear，GIS)逐步实现了国产化。但因GIS在生产过程中出现的质量问题(如材料缺陷和主附件装配失误)以及在运输和安装过程中产生的潜在缺陷(如部件松动脱落、电极刮伤、错位及绝缘裂纹等)所导致的故障和事故呈逐年增多的趋势。因此，GIS在投入运行之前，不但需要对其绝缘的整体状况进行评估，还希望对其是否存在局部的绝缘缺陷有所掌握。
局部放电不但是绝缘击穿、闪络的初期表现，还是发现局部缺陷和隐患、判断绝缘可靠性及寿命评估的重要依据。目前对电力设备进行工频耐压的同时进行局部放电测量的方法和技术已达到比较成熟的阶段。随着IEC60060-3标准(相应的国内标准为GB/T 16927.3)的颁布，使采用振荡型冲击电压进行GIS的现场冲击耐压试验成为可能。如同工频耐压的同时进行局部放电测量的方法那样，在出厂或现场冲击耐压试验的同时进行诊断性的局部放电检测，不仅可以考察设备整体的绝缘强度，还可以对绝缘局部缺陷特别是高场强下才能激发的缺陷进行暴露，尽早对绝缘缺陷的类型和规模予以评估，最终给出绝缘状态全面合理的评价。
相关研究机构和国际大电网组织(CIGRE)的统计表明：交流耐压试验和交流局部放电试验一般能够暴露GIS中大多数缺陷，但对于电极刮伤、尖刺等存在电场异常的潜在绝缘缺陷，其检测有效性有限。为了预防GIS事故的发生，保证电力系统的安全，亟需更加可靠的手段来提高GIS设备绝缘诊断水平。研究表明，不同类型施加电压的作用机制有较大差异，相比工频电压，冲击电压能够有效限制局部放电电晕稳定性，促进放电的产生和发展。从诊断角度而言，在冲击耐压试验的同时进行局部放电检测，能够更有效地发现GIS中电场异常等绝缘缺陷，从而更好地了解GIS绝缘状态。因此研究冲击电压下GIS的局部放电的测量与分析装置具有重要的工程意义。
发明内容
基于上述技术问题，本发明专利公开了一种冲击电压下局部放电测量与分析装置，所述装置包括开环式射频电流传感器(1)、双层屏蔽电缆(2)、衰减器套件(3)、高通滤波器套件(4)、暂态电压钳制器(5)、I/O数据采集卡(6)和冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)；
所述开环式射频电流传感器(1)用于将采集到的信号通过双层屏蔽电缆(2)按顺序经衰减器套件(3)、高通滤波器套件(4)和暂态电压钳制器(5)输入到数据采集卡(6)中；所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)将I/O数据采集卡(6)采集到的数字信号作显示并进行实时分析处理。
本发明专利的主要特点在于：
整个装置是由开环射频电流传感器(1)通过电磁感应耦合得到局部放电脉冲电流，这种非电气连接的方式不会造成测量装置对电气回路的影响。
本装置在测量前通过对设备作放电量标定，得到校正因素(即放电量与所测脉冲电流幅值之比)输入到冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)，则之后测量时系统将自动将幅值转换为放电量显示；将各通道衰减器的衰减倍数(包括分压器的变比)分别输入到系统软件，显示波形以及存储数据时将直接以信号的真实数据大小进行操作，避免了人为的后期处理。
冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)对测得的局部放电信号作实时分析，包括各通道最大值显示、局部放电脉冲功率谱、局部放电脉冲分布图、总放电量、脉冲数和时频分析，以判断设备是否存在绝缘缺陷及其严重程度；另外，本系统还具有生成报表功能，方便用户后期查看设备测量结果。
本装置所设计冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)不仅能够调入本装置测量时所生成的EXCEL数据文件，而且能够读取其他测量设备的数据文件，通过调入软件对测量结果作分析处理。
附图说明
图1、冲击电压下局部放电脉冲检测系统；其中：1为开环式射频电流传感器、2为双层屏蔽电缆、3为衰减器套件、4为高通滤波器套件、5为暂态电压钳制器、6为I/O数据采集卡、7为局部放电测量与分析软件；
图2、冲击电压下局部放电测量与分析系统软件程序流程图；
图3、冲击电压下局部放电测量与分析系统软件界面；
图4、冲击电压下局部放电测量与分析系统软件实测图；
图5、系统软件得到的局部放电脉冲时频分析图。
具体实施方式
下面结合附图进一步加以详细说明：
实施例1
本发明公开的一种冲击电压下局部放电测量与分析装置，所述装置包括开环式射频电流传感器(1)、双层屏蔽电缆(2)、衰减器套件(3)、高通滤波器套件(4)、暂态电压钳制器(5)、I/O数据采集卡(6)、冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)；
所述开环式射频电流传感器(1)用于将采集到的信号通过双层屏蔽电缆(2)按顺序经衰减器套件(3)、高通滤波器套件(4)和暂态电压钳制器(5)输入到数据采集卡(6)中；所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)将I/O数据采集卡(6)采集到的数字信号作显示并进行实时分析处理。
所述开环式射频电流传感器(1)通过电磁感应耦合得到局部放电脉冲电流，并将局部放电脉冲电流信号转换为电压信号；
所述局部放电脉冲电流信号转换为电压信号采用罗氏线圈原理。
所述衰减器套件(3)包括3dB、6dB、10dB、20dB和30dB的衰减器；衰减器套件(3)根据冲击电压幅值大小的不同，选择不同的衰减器将双层屏蔽电缆(2)上传输的电压信号幅值按相应倍数衰减，以保证输入信号幅值在数据采集卡(6)的量程范围内。
所述高通滤波器(4)滤除所施加冲击电压在试品接地线上造成的幅值较高的位移电流成分，保留幅值较小的高频局部放电脉冲电流成分；
所述高通滤波器频率下限的选择由施加冲击电压的频率成分决定。
所述暂态电压钳制器(5)用作I/O数据采集卡(6)的过电压保护器件；
所选暂态电压钳制器(5)的击穿电压和脉冲峰值功率由数据采集卡(6)的电压测量量程和最大输入功率决定，即暂态电压钳制器(5)的击穿电压和脉冲峰值功率需分别小于数据采集卡(6)的最大测量电压和最大输入功率。
所述I/O数据采集卡(6)用来将双层屏蔽电缆(2)传输的冲击电压和由局部放电产生的脉冲电流模拟信号转化为数字信号进行采集；
所述I/O数据采集卡(6)的检测带宽应大于所述开环式射频电流传感器(1)的带宽，所述I/O数据采集卡(6)的采样率应大于其所采集局部放电脉冲电流信号带宽的两倍以上。
所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)将I/O数据采集卡(6)采集到的数字信号作显示并进行实时分析处理；所述显示为各通道最大值显示；实时分析处理包括局部放电脉冲功率谱、局部放电脉冲分布图、局部放电放电量、局部放电脉冲数和局部放电脉冲电流的时频分析；所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)根据所测得的局部放电脉冲数和放电量判断设备内是否存在绝缘缺陷以及缺陷严重程度。
实施例2
基于实施例1，所述装置在测量前对设备作放电量标定，即利用局部放电标定源给设备注入一定的电荷量Q，测得局部放电脉冲电流的幅值Im，可得校正因素k＝Q/Im，然后将校正因素k和衰减器的衰减倍数n输入到所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)中，得到放电量。
实施例3
所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)还具有生成报表功能，即将测量日期、大气条件、所设置参数、统计结果数据、波形图像和时频分析图输出到数据文件中，生成冲击电压下局部放电检测报告。
所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)不仅能够读取本装置测量时所生成的EXCEL数据文件及其他类型的数据文件，而且能够读取其他测量设备的数据文件。所述数据文件包括EXCEL数据文件，word数据文件及其他计算机可读的数据文件。
实施例4
基于冲击电压下局部放电的测量要求，构建实际中检测系统的外部回路接线如附图1所示。其中，所施加冲击电压为标准IEC60060-3中所推荐的四种波形，分别为双指数雷电冲击电压(1.2/50us，LI)、振荡雷电冲击电压(1/50us，370kHz，OLI)、双指数操作冲击电压(250/2500us，SI)和振荡操作冲击电压(20/1000us，15kHz，OSI)，电压信号经分压器和衰减器输入到采集卡CH1通道；局部放电脉冲电流最大幅值一般不会超过200mA，所以采用开环式射频电流传感器(1)将电流信号转换为电压信号。与交流电压下局放不同，冲击电压下局放脉冲叠加在高幅值的位移电流上，但位移电流的频带范围较局放脉冲小得多，因此通过高通滤波器可以将其滤除，同时信号经双层屏蔽电缆通过前置衰减与保护等模块，输入到采集卡CH2通道中进行采样，最后把各通道测量数据经USB数据线传入电脑，用系统软件作分析处理。
附图2为冲击电压下局部放电测量与分析系统软件的内部程序流程图。系统软件运行时先初始化，设置USB通讯总线，切换到USB通讯模式，然后读入用户设置的各参数值，包括各通道开关、时基(采样率)、幅值间隔、偏置调节、触发通道、触发类型和触发电平等，接着等待触发。若触发成功，则由采集卡采集波形数据并输入电脑，最后系统软件作实时分析处理，显示或输出结果。
附图3为本系统所设计的软件界面，其简洁易用，功能齐全，满足试验需求，可以方便地在实验室或现场开展冲击下局放的测量与分析。图中，各编号模块的功能分别为：
●数据采集波形图，可实时触发显示各通道所采集波形。
●通道属性选框，当通道标号前打勾时表示在波形图上显示该通道波形，通道标号后面的线型表示该通道显示时的颜色。
●试验信息填写框，包括大气条件、试品型号和试验人员。
●功能选择栏，包括测量与分析和导入数据分析两个选择项。●波形选择栏，包含四种标准冲击电压波形选择项，使用时选择对应的施加电压即可。
●运行状态栏，实时显示软件运行过程和状态。
●各通道属性设置选项卡，可分别对各通道的开关、衰减倍数、校正因素、滤波器、幅值间隔以及偏置进行设置。
●路径设置栏，测量与分析时为保存数据及波形路径；导入数据分析时为数据文件路径。
●触发设置，包括触发类型、触发通道和触发电平设置，其中触发类型分为上升沿触发和下降沿触发两种；触发通道可设置为四个通道任意一个，但一般设置冲击电压信号为触发信号，即CH1通道；触发电平，可正可负，根据触发信号强弱进行合理设置，一般在其值很小(大于噪声信号)时就可正常触发。
●各通道最大值显示栏，其中，CH1通道为冲击电压测量通道，单位为kV；CH2、CH3和CH4通道均为局放脉冲电流测量通道，单位为pC。
●脉冲电流功率谱图，对CH2通道的局放电流信号作功率谱，从中可以看到局部放电脉冲在频域内的分布范围，为区分局放与高频干扰提供指导意义。
●局部放电脉冲分布图，对CH2通道的局放脉冲电流取峰值后作打点图，可以更直观地看到局放脉冲的疏密以及单次脉冲幅值的大小，类似于交流电压下的PRPD谱图。
●脉冲数和放电量显示栏，测量前需先设置脉冲阈值，阈值之下的脉冲不再计入脉冲数中，以摒除低幅值高频干扰的影响。通过脉冲数和放电量可以判断设备内部缺陷的严重程度。
除以上功能模块外，软件界面还有保存数据、重新测量、时频分析和生成报表按钮，使得本系统更具功能性与易操作性。其中，采用联合时频分析方法提取冲击下局部放电信号的时频特征，则可以获得放电脉冲频率随时间的变化规律，精细和准确地捕捉冲击局部放大信号的特征，对于放电缺陷的识别和机理分析都具有重要意义。
附图4为系统软件实测图。试验中，以振荡操作冲击电压下绝缘子气泡缺陷模型为例，对系统检测结果进行说明。从图中可以看出，所采集的冲击电压和局放脉冲电流波形良好；在冲击电压幅值为7.4kV时，局部放大电流总脉冲数为34，其中正脉冲数为23，负脉冲数为11；局部放大脉冲电流功率谱显示其主要存在两个频带分布，20-25MHz和35-40MHz。
附图5为局部放电脉冲电流的时频分析图。从图中可以看到，单次局放脉冲的频谱分量也主要分布在上述两个频带内；2×2图阵式的时频分析图(上左为脉冲时频分布图，上右为脉冲频谱图，下左为脉冲时域波形图，下右为三维脉冲时频分布图)也是本系统的特点之一，其直观地表明了局放脉冲电流信号的时频特性，对于放电缺陷的识别具有重要的指导意义。
试验结果表明，该系统能可靠地实现冲击下局放的测量与分析，且各项性能均良好，完全满足试验要求。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种冲击电压下局部放电测量与分析装置，其特征在于：所述装置包括开环式射频电流传感器(1)、双层屏蔽电缆(2)、衰减器套件(3)、高通滤波器套件(4)、暂态电压钳制器(5)、I/O数据采集卡(6)和冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)；
所述开环式射频电流传感器(1)用于将采集到的信号通过双层屏蔽电缆(2)按顺序经衰减器套件(3)、高通滤波器套件(4)和暂态电压钳制器(5)输入到数据采集卡(6)中；所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)将I/O数据采集卡(6)采集到的数字信号作显示并进行实时分析处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开环式射频电流传感器(1)通过电磁感应耦合得到局部放电脉冲电流，并采用罗氏线圈原理将局部放电脉冲电流信号转换为电压信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述衰减器套件(3)包括3dB、6dB、10dB、20dB和30dB的衰减器；衰减器套件(3)根据所施加冲击电压幅值大小的不同，选择不同的衰减器将双层屏蔽电缆(2)上传输的电压信号的幅值按相应倍数进行衰减。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：优选的，所述高通滤波器套件(4)的作用是保留双层屏蔽电缆(2)上幅值较小的高频局部放电脉冲电流信号，滤除幅值较高的位移电流成分；所述位移电流指冲击电压下流过电容性设备的容性电流。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述暂态电压钳制器(5)为I/O数据采集卡(6)的过电压保护器件；
所选暂态电压钳制器(5)的击穿电压和脉冲峰值功率由数据采集卡(6)的电压测量量程和最大输入功率决定。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述I/O数据采集卡(6)用来将双层屏蔽电缆(2)传输的冲击电压和由局部放电产生的脉冲电流模拟信号转化为数字信号进行采集；
所述I/O数据采集卡(6)的检测带宽应大于所述开环式射频电流传感器(1)的带宽，所述I/O数据采集卡(6)的采样率应大于其所采集局部放电脉冲电流信号带宽的两倍以上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)将I/O数据采集卡(6)采集到的数字信号作显示并进行实时分析处理；所述实时分析处理包括局部放电脉冲功率谱、局部放电脉冲分布图、局部放电放电量、局部放电脉冲数和局部放电脉冲电流的时频分析；所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)根据所测得的局部放电脉冲数和放电量来判断设备内是否存在绝缘缺陷以及缺陷严重程度。
8.根据权利要求7所述的装置，所述装置在测量前对设备作放电量标定，即利用局部放电标定源给设备注入电荷量Q，测得局部放电脉冲电流的幅值Im，可得校正因素k＝Q/Im，然后将校正因素k和衰减器的衰减倍数n输入到所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)中，得到放电量。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)还具有生成报表功能，即将测量日期、大气条件、所设置参数、统计结果数据、波形图像和时频分析图输出到数据文件中，生成冲击电压下局部放电检测报告。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述冲击电压下局部放电测量与分析软件(7)不仅能够读取本装置测量时所生成的数据文件，而且能够读取其他测量设备的数据文件。
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