CN105676082B - 气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统和方法。检测系统包括设置于所述气体绝缘组合电器盆式绝缘子中设有的微型天线、信号保护电路、参数检测设备和安装有检测分析模块的计算机；所述参数检测设备一端经所述信号保护电路接所述微型天线，其另一端接安装有检测分析模块的计算机。检测方法包括阻抗相关系数计算步骤和检测步骤。本发明通过检测天线特性参数来检测GIS盆式绝缘子内部缺陷的方法，该方法具有较高的检测精度与较强的灵敏度，可以检测盆式绝缘子的微小变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体绝缘组合电器检测系统和方法，尤其是一种气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷检测系统和方法，属于电力系统故障检测技术领域。
背景技术
气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear,GIS)因其绝缘性能好、占地面积小等诸多优点，在电力系统中得到了广泛的应用。然而，由于制造、安装、运行等原因，由GIS引起的系统故障时有发生，且危害巨大。统计资料表明，由盆式绝缘子缺陷导致的故障占GIS总故障的37％。GIS盆式绝缘子常常存在着内部缺陷，此类缺陷一方面是在生产加工过程中可能产生的气隙缺陷，另一方面是在于GIS设备运输，安装过程中的元件损伤和变形、以及运行过程中机械振动受力集中产生裂纹。GIS盆式绝缘子投入运行后，也经常出现缺陷问题，由于绝缘子工作环境温差的存在，由热膨胀等原理可知绝缘子可能承受巨大的内应力，存在着变形的风险，并最终导致盆式绝缘子变形。气泡、裂缝及内部杂质等缺陷是GIS内部常见的几种绝缘缺陷，而由绝缘子的制造与安装工艺可知，气泡缺陷一般是在绝缘子在浇筑固化的过程中，由于收缩应力的存在而产生的；在绝缘子安装固定时由于紧固螺栓用力不均，会在绝缘子上产生应力，在后来的运行过程中产生振动的影响下容易开裂；另外GIS在运行过程中由于工作环境影响，较大的温度变化引起的绝缘子变形严重时也有开裂的风险。因此，上述一系列绝缘缺陷的存在会引起绝缘子电场畸变，从而引发气体电离，绝缘损坏。气体电离产生的一些物质使得腔体表面电导率增大，若局部放电在线监测不到位，最终会导致绝缘击穿，造成严重的电力系统事故。
针对以上问题，目前现有的解决办法主要有局部放电在线检测技术，X射线数字成像技术。常用检测方法主要包括超声波局部放电检测法、超高频局部放电检测法及SF6分解物检测法。但这些检测方法都存在着一些弊端，当绝缘缺陷较小时不足以引发局部放电，或放电很微弱时，由于外界干扰的存在，以及放电信号传播过程中的衰减，局部放电检测装置就很难准确的获取到有效的放电信号，不能及时检测出绝缘子内部缺陷的存在。运用此类方法对GIS设备进行诊断时，检测人员一般只能给出大致的判断。另外由于GIS本身开关操作过程中产生的电弧影响，有可能导致误判。就X射线数字成像技术来说，对于环氧树脂等非金属材料，射线穿透能力较金属材料容易，图像对比度较小，在缺陷尺寸较小的情况下较难检出，且该方法目前只适用于实验环境，及绝缘子出厂时的检测，对于已投运的绝缘子来说实现X射线数字成像技术的实时在线检测还是很困难的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷检测系统和方法。
本发明采用下述技术方案：
一种气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统，包括设置于所述气体绝缘组合电器盆式绝缘子中设有的微型天线、信号保护电路、参数检测设备和安装有检测分析模块的计算机；所述参数检测设备一端经所述信号保护电路接所述微型天线，其另一端接安装有检测分析模块的计算机。
所述参数检测设备为矢量网络分析仪。
所述微型天线设置于单相单箱型盆式绝缘子内部，所述微型天线为对数曲面螺旋天线。
所述微型天线设置于三相共箱型盆式绝缘子内部，所述微型天线由三个曲面环形天线组成。
所述信号保护电路包括光电隔离器4N25、瞬态电压抑制器TVS和电阻R1，所述光电隔离器4N25的正极接电源VCC，其负极经电阻R1接所述微型天线的输出信号，其发射极接地，其集电极作为所述信号保护电路的输出端；所述瞬态电压抑制器TVS接在所述光电隔离器4N25的集电极和发射极之间。
一种用于所述的气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统的检测方法，包括以下具体步骤：
步骤1：阻抗相关系数计算：所述阻抗相关系数rxy的计算方法为：
其中，n为参数采集样本数目，xi为第i次检测的微型天线的阻抗，为检测的微型天线的阻抗均值；yi为所述微型天线在正常状态下的阻抗，为微型天线在正常状态下的阻抗均值，1≤i≤n；
步骤2：检测：所述检测步骤中将综合相关系数与预设的阈值进行比较，当综合相关系数小于预设的的阈值时，判定所述盆式绝缘子内部存在缺陷。
所述预设的阈值为0.98。
所述步骤2中将阻抗相关系数分别与预设的第一至第三阈值进行比较，所述第一至第三阈值依次减小，当阻抗相关系数大于第一阈值，判定所述盆式绝缘子内部不存在缺陷；当阻抗相关系数大于第二阈值，小于等于第一阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在轻度缺陷；当阻抗相关系数大于第三阈值，小于等于第二阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在中等程度缺陷；当阻抗相关系数小大于第三阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在严重缺陷。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明通过检测天线特性参数来检测GIS盆式绝缘子内部缺陷的方法，该方法具有较高的检测精度与较强的灵敏度，可以检测盆式绝缘子的微小变形，具有较大的工程实际应用价值。
2、本发明采用宽频带检测，检测不同频率时天线特性参数的变化，拥有较强的灵敏度。
3、本发明采用多参数的判定方式，使得误断率降低，提升了检测的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1的俯视图；
图3是本发明实施例1中的对数曲面螺旋天线；
图4是本发明实施例1中的信号保护电路；
图5是本发明实施例2的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，一种气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统，包括设置于所述气体绝缘组合电器盆式绝缘子中设有的微型天线、信号保护电路、参数检测设备和安装有检测分析模块的计算机；所述参数检测设备一端经所述信号保护电路接所述微型天线，其另一端接安装有检测分析模块的计算机。
所述参数检测设备为矢量网络分析仪。
如图2所示，所述微型天线设置于单相单箱型盆式绝缘子内部，所述微型天线为对数曲面螺旋天线，如图3所示。
如图4所示，所述信号保护电路包括信号隔离电路4N25、瞬态电压抑制器TVS和电阻R1，所述信号隔离电路4N25的正极接电源VCC，其负极经电阻R1接所述微型天线的输出信号，其发射极接地，其集电极作为所述信号保护电路的输出端；所述瞬态电压抑制器TVS接在所述信号隔离电路4N25的集电极和发射极之间。
在生产GIS盆式绝缘子时，将设计好的具有较强灵敏度的微型天线内置于GIS盆式绝缘子中，在GIS盆式绝缘子产生裂缝、气泡以及各种变形时，将对内置于盆式绝缘子中的微型天线产生外力作用，导致微型天线结构变化，进而导致微型天线参数的变化。因此，通过测量输入阻抗Zin、回波损耗S11和驻波比VSWR来判断天线结构是否发生变化，进而判断GIS盆式绝缘子是否存在缺陷。微型天线与传输线连接处称为微型天线的输入端，微型天线输入端呈现的阻抗值称为输入阻抗。回波损耗是指传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式来表示，单位是dB，一般是负值。驻波比指波腹电压与波谷电压幅度之比。
利用微型天线参数变化判断绝缘子内部缺陷的原理推导如下：
输入阻抗等于输入电压Uin与输入电流Iin之比，或者用输入功率来表示：
式中，Rin和Xin分别为Zin的电阻和电纳。
当GIS盆式绝缘子发生内部缺陷时，外力作用使得微型天线的介质基板以及导线层等结构发生了变化，根据天线辐射的原理，天线将接收信号转化为电信号，结构发生变化时电信号参数也将发生变化，导致信号接收的效果也将不同，因而天线的参数也将变化。利用仪器测量天线参数时，输入功率和输入电压Uin一定，输入电流Iin发生变化。假定电流变化为ΔI，则输入阻抗Zin也将发生变化，变化后的阻抗设为
其中ΔR电阻变化量，ΔX为电抗变化量。
在生产GIS盆式绝缘子时，将设计好的具有较强灵敏度的微型天线内置于GIS盆式绝缘子中，在GIS盆式绝缘子产生裂缝、气泡以及各种变形时，将对内置于盆式绝缘子中的微型天线产生外力作用，导致微型天线结构变化，进而导致微型天线参数的变化。因此，通过测量输入阻抗Zin来判断天线结构是否发生变化，进而判断GIS盆式绝缘子是否存在缺陷。
目前对天线参数的测量方法有许多，最常用的用矢量网络分析仪对阻抗参数测量方法进行测量，利用矢量网络分析仪器连接绝缘子上的接线端子，进行天线特性参数的测量。
利用矢量网络分析仪对天线的阻抗参数Zin进行测量，在进行盆式绝缘子缺陷检测之前，计算机内保存着无缺陷的盆式绝缘子时内置的天线的特性参数数据，以便比较时进行实时的提取。通过计算输入阻抗Zin参数与对应绝缘子在计算无缺陷状态下的参数之间的相关系数，可得到阻抗相关系数rxy。当阻抗相关系数rxy＝1时，盆式绝缘子不存在缺陷，rxy的值越小，表示盆式绝缘子存在的缺陷越严重。
GIS盆式绝缘子大体分为两种类型，一种为单相单箱型，另一种为三相共箱型；220KV及以上的GIS基本都是单相单箱型，三相共箱型一般只存在于110KV的GIS中。
(1)单相单箱型盆式绝缘子的天线设计
根据单相单箱型盆式绝缘子的内部结构，呈曲面状，而且220KV及以上的GIS基本都是单相单箱型，根据220KV及以上的GIS盆式绝缘子的结构特点，本发明设计了专门适合220KV及以上的GIS盆式绝缘子缺陷检测的对数曲面螺旋天线，由于对数曲面螺旋天线的导线层呈螺旋状，因内部缺陷而产生内部作用力时，每一层的螺旋线的结构状态变化将能够反映出绝缘子内部作用力的变化，当绝缘子内部缺陷越严重则内部作用力越大，则对数曲面螺旋天线将被挤压而形变越严重，甚至出现断裂。当绝缘子内存在气泡时，相当于天线介质基板出现气泡，介质基板出现气泡，天线参数也会发生相应变化。当绝缘子发生轻微变形时，对数曲面螺旋天线发生螺旋臂之间间距发生变化。图2中对数曲面螺旋臂1是采用材质为铜，对数曲面螺旋天线的螺旋增长率为0.2669。天线的具体大小应根据实际的电压等级以及盆式绝缘子的具体大小进行定制。
(2)三相共箱型的盆式绝缘子的天线
由于110KV GIS的盆式绝缘子存在三相共箱的情况，本发明设计了三相共箱型的盆式绝缘子的天线，该天线呈环形结构，围绕着每根导杆，可以反映导杆周围的缺陷情况。本发明设计的三相共箱型的盆式绝缘子的天线由三个曲面环形天线组成，每个圆环间距可根据实际的盆式绝缘子的导杆之间距离而定。
将设计好的天线，在制造绝缘子时，将天线进行无缝隙的嵌入，通过接线端子3使得外面测量系统与天线进行连接测量。在进行嵌入曲面螺旋天线与环形天线4时，一定要让环形天线4与盆式绝缘子中心的导杆保持足够的距离，防止产生放电，距离应与电压等级和实际的盆式绝缘子的结构而定。尤其是安装三相共箱型的盆式绝缘子的天线时，要使得每个环与导杆保持一定距离。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：所述微型天线设置于三相共箱型盆式绝缘子内部，所述微型天线由三个曲面环形天线组成，如图5所示。
实施例3：
一种用于所述的气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统的检测方法，包括以下具体步骤：
步骤1：阻抗相关系数计算：所述阻抗相关系数rxy的计算方法为：
其中，n为参数采集样本数目，xi为第i次检测的微型天线的阻抗，为检测的微型天线的阻抗均值；yi为所述微型天线在正常状态下的阻抗，为微型天线在正常状态下的阻抗均值，1≤i≤n；
步骤2：检测：所述检测步骤中将阻抗相关系数与预设的阈值进行比较，当综合相关系数小于预设的的阈值时，判定所述盆式绝缘子内部存在缺陷。
所述预设的阈值为0.98。
实施例4：
本实施例与实施例3的区别在于：所述步骤2中将阻抗相关系数分别与预设的第一至第三阈值进行比较，所述第一至第三阈值依次减小，当阻抗相关系数大于第一阈值，判定所述盆式绝缘子内部不存在缺陷；当阻抗相关系数大于第二阈值，小于等于第一阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在轻度缺陷；当阻抗相关系数大于第三阈值，小于等于第二阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在中等程度缺陷；当阻抗相关系数小大于第三阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在严重缺陷。
当综合阻抗相关系数rxy＝1时，盆式绝缘子内部不存在缺陷，rxy的值越小，表示盆式绝缘子内部存在的缺陷越严重。本发明在建立大量仿真数据的前提下，建立了一个盆式绝缘子内部缺陷程度的判据，当rxy在[0.98,1]之间时，盆式绝缘子处于正常状态；当rxy在[0.90,0.98)之间时，盆式绝缘子存在轻度的缺陷；当rxy在[0.70,0.90)之间时，盆式绝缘子存在中等程度的缺陷，此时盆式绝缘子不能长时间的使用；当在小于0.7时，盆式绝缘子存在比较严重的缺陷，此时盆式绝缘子应立即更换或者维修。
Claims (5)
1.一种气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统，包括设置于所述气体绝缘组合电器盆式绝缘子中的微型天线、信号保护电路、参数检测设备和安装有检测分析模块的计算机；所述微型天线设置于单相单箱型盆式绝缘子内部，所述微型天线为对数曲面螺旋天线或所述微型天线设置于三相共箱型盆式绝缘子内部，所述微型天线由三个曲面环形天线组成；所述参数检测设备一端经所述信号保护电路接所述微型天线，其另一端接安装有检测分析模块的计算机。
2.根据权利要求1所述的气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统，其特征在于：所述信号保护电路包括光电隔离器4N25、瞬态电压抑制器TVS和电阻R1，所述光电隔离器4N25的正极接电源VCC，其负极经电阻R1接所述微型天线的输出信号，其发射极接地，其集电极作为所述信号保护电路的输出端；所述瞬态电压抑制器TVS接在所述光电隔离器4N25的集电极和发射极之间。
3.一种用于权利要求1所述的气体绝缘组合电器盆式绝缘子内部缺陷的检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤1：阻抗相关系数计算：所述阻抗相关系数rxy的计算方法为：
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其中，n为参数采集样本数目，xi为第i次检测的微型天线的阻抗，为检测的微型天线的阻抗均值；yi为所述微型天线在正常状态下的阻抗，为微型天线在正常状态下的阻抗均值，1≤i≤n；
步骤2：检测：所述检测步骤中将阻抗相关系数与预设的阈值进行比较，当阻抗相关系数小于预设的的阈值时，判定所述盆式绝缘子内部存在缺陷。
4.一种根据权利要求3述的检测方法，其特征在于：所述预设的阈值为0.98。
5.一种根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：所述步骤2中将阻抗相关系数分别与预设的第一至第三阈值进行比较，所述第一至第三阈值依次减小，当阻抗相关系数大于第一阈值，判定所述盆式绝缘子内部不存在缺陷；当阻抗相关系数大于第二阈值，小于等于第一阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在轻度缺陷；当阻抗相关系数大于第三阈值，小于等于第二阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在中等程度缺陷；当阻抗相关系数小大于第三阈值，判定所述盆式绝缘子内部存在严重缺陷。
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| CN105676082A (zh) | 2016-06-15 |
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |