CN105334441B - 一种脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法，该装置包括多根支撑杆、多个探测线圈、第一法兰盘和第二法兰盘；其中一根支撑杆位于脉冲磁体中心，其余支撑杆位于脉冲磁体外侧；各支撑杆上设有多个探测线圈；多个探测线圈对称分布于支撑杆上，处于对称位置的探测线圈串联，其余的两个端口由导线引出连接到外部的采集信号通道接口；各支撑杆的一端固定在第一法兰盘上，另一端固定在第二法兰盘上；第一法兰盘固定在脉冲磁体一端，第二法兰盘固定在脉冲磁体的另一端；所有设在支撑杆上的探测线圈构成探测线圈阵列，将脉冲磁体网格化，根据探测线圈阵列中各探测线圈采集的信号强弱的规律定位绝缘故障点的位置；本发明提供的这种装置及方法，实现了对绝缘故障点的定位。

Description

一种脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法

技术领域

本发明属于绝缘破坏定位探测技术和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法。

背景技术

强磁场作为一种极端条件，是现代科学研究中的重要科学实验平台。我国已经建成脉冲强磁场科学中心与稳态强磁场实验室；目前50T以上非破坏性磁场只能通过脉冲强磁场技术实现，但当磁场强度不断提高时脉冲磁体技术也遇到了严峻的挑战。

脉冲磁体是产生脉冲强磁场的装置，其工作状态直接关系到整个实验室系统的安全稳定运行。脉冲磁体在实际运行过程中受到电、热、力等多方面的作用，有很高的绝缘破坏故障的风险；而且绝缘破坏故障会在高压和电磁力等因素共同作用下发生局部放电或燃弧，反复侵蚀磁体结构，最终导致磁体破坏甚至爆炸。美国国家强磁场实验室NHMFL、德国Dresden 强磁场实验室等世界著名脉冲强磁场实验室都发生过多起脉冲磁体破坏事件。磁体爆炸会带来多种严重后果，譬如：损坏造价高昂的脉冲磁体及其电源系统，损坏贵重科研仪器设备和实验样品，威胁人身安全等。而且随着强磁场不断向更高方向发展时，爆炸危害和损失也越来越大。目前该领域主要有以下两类脉冲磁体绝缘故障诊断探测方法：

一是与磁场垂直或平行的探测线圈探测法(简称垂直或平行线圈探测法)；这两种探测方法是利用线圈探测脉冲磁体绝缘故障时局部放电的高频噪声，使用垂直线圈时需要从背景信号中分离出噪声信号，而使用平行线圈则直接捕捉磁场畸变时的噪声信号；这两种方法简单可行，但均不能定位故障位置；

另一类是不锈钢套筒电压高通探测法(HPVP-OSC)，是通过测量不锈钢套筒上的感应电压来探测局部放电产生的高频电磁波，该方法系统复杂，抗干扰能力差，不能定位故障位置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法，其目的在于解决现有诊断探测技术不能定位脉冲磁体绝缘故障的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种脉冲磁体绝缘故障探测装置，包括多根支撑杆、多个探测线圈、第一法兰盘和第二法兰盘；

其中，一根支撑杆位于脉冲磁体中心，其余支撑杆位于脉冲磁体外侧，距离脉冲磁体5mm～50mm，各支撑杆均沿脉冲磁体轴向设置；各支撑杆上设有多个探测线圈，且探测线圈对称分布；各支撑杆的一端固定在第一法兰盘上，另一端固定在第二法兰盘上；第一法兰盘固定在脉冲磁体一端，第二法兰盘固定在脉冲磁体的另一端；

所有设在支撑杆上的探测线圈构成探测线圈阵列，将脉冲磁体网格化，根据探测线圈阵列中各探测线圈采集的信号强弱的规律定位绝缘故障点的位置；

对于脉冲磁体而言，当处于探测线圈阵列中的脉冲磁体的一点发生局部放电，靠近这一点的探测线圈采集到的信号强，远离这一点的探测线圈采集到的信号弱；根据这一原理，若探测线圈阵列中各个探测线圈捕捉到的信号强弱按空间呈规律分布，则该信号为局部放电信号，并且依据其信号强弱分布规律便可以定位出局部放电信号的位置；

若探测线圈阵列中各个探测线圈捕捉到的信号完全相同或者强弱分布杂乱无章，则此信号为干扰信号。

优选的，处于上下对称位置的两个探测线圈串联，使得脉冲磁体的背景信号在所述处于上下对称位置的两个探测线圈里产生的感应电压相互抵消，以消除脉冲磁体背景信号对局部放电信号的影响。

优选的，探测线圈数量为奇数，处于对称中心的探测线圈采用绕制方向一半正向一半反向的探测线圈，使其本身具有对线圈内感应电压自减的效果；其两端由导线直接引出连接到外部的采集信号通道接口。

优选的，探测线圈数量为偶数；处于上下对称位置的一对探测线圈的绕制方向相反；脉冲磁体在这一对探测线圈中产生的dB/dt背景信号大小相等，方向相反；将这两个探测线圈串联，则脉冲磁体背景信号在这一对对称的探测线圈中形成的感应电压信号正好相抵消，消除了脉冲磁体背景信号的影响，从而可将局部放电信号提取出来；其中，dB/dt背景信号，是指脉冲磁体的磁场变化在线圈内产生的电压信号；

同样的，外界的差模信号干扰在这一对对称的探测线圈中形成的感应电压信号也相抵消；因此，该脉冲磁体绝缘故障探测装置，对局部放电信号具有较高的探测灵敏度，且可很好的抑制差模干扰，具有很强的抗干扰能力。

优选的，位于脉冲磁体外侧的相邻两根支撑杆与位于脉冲磁体中心的支撑杆构成的夹角为30°～90°；当夹角小于30°，测量精度有所提高，但成本增加较高，并且信号处理数据量大幅增加；当夹角大于90°，则定位故障的精度急剧下降；综合考虑精度以及成本和处理效率因素选择夹角在30°～90°的合理范围内。

为实现本发明目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种脉冲磁体绝缘故障探测方法，具体如下：

(1)利用多根支撑杆及分布在支撑杆上的探测线圈构成探测阵列，采用该探测阵列将被测脉冲磁体网格化划分成多个区域；

(2)通过探测线圈实时采集各探测点的dB/dt信号；

(3)通过采用对称位置探测信号相减的办法消去背景信号和差模干扰信号，从上述dB/dt信号中获取局部放电信号；

(4)根据局部放电信号强度是否为零以及不为零时是否规律分布，判定脉冲磁体是否发生故障；

(5)对于发生故障的脉冲磁体，处于故障点所在区域顶点位置的探测线圈探测到的信号强于其他位置探测到的局放信号；根据局放信号的分布特点以及在各个探测线圈中感应信号的强弱规律便可以反推出故障点的位置。

优选地，在步骤(3)中，根据脉冲磁体磁场的dB/dt信号的对称分布的特性，将同一支撑杆上对称分布的两个探测线圈所采集到的总的dB/dt 信号相减，消去脉冲磁体本身所产生的dB/dt信号，获取局部放电信号；以消去脉冲磁体背景信号以及外界的差模干扰。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的脉冲磁体绝缘故障探测装置，采用探测线圈阵列，将脉冲磁体进行网格化划分，利用各个探测线圈探测到的局部放电信号的强弱分布反推出绝缘故障的位置，实现了定位绝缘故障点的功能；

(2)本发明提供的脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法，提高了探测的抗干扰能力；具体的，对于外界差模干扰信号，由于采用对称位置的探测线圈串联的接线方法，达到将干扰信号在线圈内形成的感应电压相减的目的，有效的抑制了差模干扰信号对局部放电信号的影响，因此具有很强的抗干扰能力；

(3)本发明提供的脉冲磁体绝缘故障探测装置及方法，提高了探测的灵敏度；具体的，将探测线圈在支撑杆上对称设置；由于处于对称位置的探测线圈中dB/dt背景信号大小相等，方向相反；采用对称位置的探测线圈串联接线方法，使得背景信号在一对串联的探测线圈里形成的感应电压抵消，达到消去背景信号对局部放电信号的影响的目的，因此具有很高的探测灵敏度。

附图说明

图1是实施例提供的脉冲磁体绝缘探测装置与脉冲磁体示意图；

图2是实施例提供的脉冲磁体绝缘探测装置的支撑杆在法兰盘上的位置示意图；

图3是实施例提供的脉冲磁体绝缘探测装置的探测线圈接线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：0、 1、2、3、4、5、6为支撑杆，P10、P20、P30、P11、P21、P31、P12、P22、 P32、P13、P23、P33、P14、P24、P34、P15、P25、P35、P16、P26、P36为探测线圈，1.1-绝缘故障点，1.2-磁体内孔，1.3-第一法兰盘，1.4-脉冲磁体，1.5-第二法兰盘，3.1-探测线圈，3.2-支撑杆，3.3-探测信号输出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例所提供的脉冲磁体绝缘故障探测装置，包括7根支撑杆、 21个探测线圈、第一法兰盘和第二法兰盘；在脉冲磁体上的分布如图1所示；一根支撑杆位于脉冲磁体中心，其余6根支撑杆位于脉冲磁体外侧；如图2所示，位于脉冲磁体外侧的相邻两根支撑杆与位于脉冲磁体中心的支撑杆构成的夹角为60°；3个探测线圈在支撑杆上对称分布，中间一个单独的探测线圈绕制方向为一半正向一半反向绕制而成。

上下两个线圈的接线方法如图三所示，其两端由导线引出接到采集信号通道接口，中间一个线圈其两端直接由导线引出接到另一个采集信号通道接口；将所有支撑杆上的探测线圈按这一接法接到其他采集信号通道接口上；各支撑杆的一端固定在第一法兰盘上，另一端固定在第二法兰盘上；第一法兰盘固定在脉冲磁体一端，第二法兰盘固定在脉冲磁体的另一端；

所有设在支撑杆上的探测线圈构成探测线圈阵列，将脉冲磁体网格化，根据探测线圈阵列中各探测线圈采集的信号强弱的规律定位绝缘故障点的位置；本实施例中，上下对称位置的探测线圈除绕向相反外其他规格参数一致，中间位置的探测线圈上半段与下半段严格对称；所有探测线圈均采用激光切割加工制成，使其差异最小化。

本实施例中，一根支撑杆上具有两个上下对称的探测线圈，两个探测线圈的绕制方向相反，对称位置的两个探测线圈的接线方式如图3所示，位于上部的探测线圈的下端和位于下部的探测线圈的相邻端相连，两个不相邻端分别作为信号输出端口；

由于脉冲磁体dB/dt信号分布的对称性，这两个绕制相反的探测线圈感应的电压大小相等，方向相反，采用如图3所示的串联接线方法使得脉冲磁体本身的dB/dt感应生成的电压信号的总输出为零；

而脉冲磁体的局部放电信号呈放射性，且在上下两个线圈中产生的电压信号并没有互补的性质；因此可有效的消除脉冲磁体背景信号的影响，从而提高局部放电信号探测的灵敏度；

通过解析各探测线圈采集的局部放电信号的强弱确定局部放电发生在哪一个区域；实施例中，图1中所示的1.1位置处发生绝缘故障，有局部放电信号；该局部放电信号在P16，P26，P10，P20探测线圈中感应的电压信号较强，而在其他探测线圈中感应的电压信号较弱，通过反向分析，获取到故障点的位置，从而实现了故障位置的定位。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉冲磁体绝缘故障探测装置，其特征在于，包括多根支撑杆、多个探测线圈、第一法兰盘和第二法兰盘；

其中，一根支撑杆位于脉冲磁体中心，其余支撑杆位于脉冲磁体外侧，距离脉冲磁体5mm～50mm，各支撑杆均沿脉冲磁体轴向设置；探测线圈在各支撑杆上呈对称分布；

支撑杆的一端固定在所述第一法兰盘上，另一端固定在所述第二法兰盘上；所述第一法兰盘固定在脉冲磁体一端，第二法兰盘固定在脉冲磁体的另一端；

所有设在支撑杆上的探测线圈构成探测线圈阵列，将脉冲磁体网格化，所述脉冲磁体绝缘故障探测装置根据探测线圈阵列中各探测线圈采集的信号强弱的规律定位绝缘故障点的位置。

2.如权利要求1所述的脉冲磁体绝缘故障探测装置，其特征在于，处于上下对称位置的两个探测线圈串联，使得脉冲磁体的背景信号在所述处于上下对称位置的两个探测线圈里产生的感应电压相互抵消。

3.如权利要求1所述的脉冲磁体绝缘故障探测装置，其特征在于，所述探测线圈的数量为奇数，处于对称中心的探测线圈采用绕制方向一半正向一半反向的探测线圈，具有对线圈内感应电压自减的作用。

4.如权利要求1所述的脉冲磁体绝缘故障探测装置，其特征在于，所述探测线圈数量为偶数；处于上下对称位置的一对探测线圈的绕制方向相反。

5.如权利要求1至4任一项所述的脉冲磁体绝缘故障探测装置，其特征在于，位于脉冲磁体外侧的相邻两根支撑杆与位于脉冲磁体中心的支撑杆构成的夹角为30°～90°。

6.基于权利要求1至5任一项所述的脉冲磁体绝缘故障探测装置的脉冲磁体绝缘故障探测方法，其特征在于，所述方法具体如下：

(1)利用多根支撑杆及分布在支撑杆上的探测线圈构成探测阵列，采用该探测阵列将被测脉冲磁体网格化划分成多个探测区域；

(2)通过探测线圈实时采集各探测区域的dB/dt信号；

(3)通过采用对称位置探测信号相减的办法消去背景信号和差模干扰信号，从上述dB/dt信号中获取局部放电信号；

(4)根据局部放电信号强度是否为零以及不为零时是否规律分布，判定脉冲磁体是否发生故障；

(5)对于发生故障的脉冲磁体，处于故障点所在区域顶点位置的探测线圈探测到的信号强于其他位置探测到的局放信号；根据局放信号的分布特点以及在各个探测线圈中感应信号的强弱规律确定故障点的位置。

7.如权利要求6所述的脉冲磁体绝缘故障探测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据脉冲磁体磁场的dB/dt信号的对称分布特性，将同一支撑杆上对称分布的两个探测线圈所采集到的dB/dt信号相减，消去脉冲磁体本身产生的dB/dt信号，获取局部放电信号，以消去脉冲磁体背景信号以及外界的差模干扰。