CN105929310A - 一种检测gis局部放电故障的装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测GIS局部放电故障的装置，包括平面倒F天线和压电式超声波传感器，平面倒F天线通过第一信号放大模块连接至阻抗匹配模块，超声波传感器通过第二信号放大模块连接至阻抗匹配模块，阻抗匹配模块连接至检测模块。本发明还公开了一种上述检测GIS局部放电故障的装置的检测方法。本发明能够改进现有技术的不足，提高了检测精度。

Description

一种检测GIS局部放电故障的装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及电气检测技术领域，尤其是一种检测GIS局部放电故障的装置及其检测方法。

背景技术

气体绝缘的金属封闭式组合电器(Gas Insulated Substation，简称GIS)是将若干相互联接在一起的隔离开关、断路器、避雷器、电压互感器、电流互感器、快速接地开关、连接管、母线和过渡元件等除变压器以外的各种电气元件，全部封闭在一个接地的，以SF6气体(0.34～0.6Mpa左右)作为绝缘和灭弧介质的金属封闭开关设备。GIS具有很多优点，例如：结构紧凑，占地面积少；安装配置灵活方便，工程建设周期短；维护简单，运行安全可靠，检修周期长和不受外界影响等。GIS以其在技术和经济上较传统敞开式高压配电装置的先进性和优越性，使它自问世以来便得到了快速发展，目前，已有115kV以下各种电压等级的GIS已在高压输变电系统中得到了广泛应用，特别是在利用边远地区水力资源和核能发电方面，超高压GIS更显出常规设备无与伦比的优越性。

GIS内部故障中绝缘故障所占比重最大，而绝缘故障的重要征兆和表现形式是局部放电(Partial Discharge，简称PD)。长期的局部放电会使绝缘介质电气绝缘性能进一步劣化并逐渐扩大，最严重时会导致击穿而引发设备损坏甚至系统瘫痪。并且，考虑到因GIS结构带来的维护和检修方面的问题，运行部门和制造厂商普遍认为应对GIS采用状态维修策略，以确保电力系统的安全可靠运行。近年来，GIS在线检测技术有了很大的发展，特别是传感技术、光电技术、信号处理技术和计算机技术的应用，使传统的设备运行定期检修制度逐渐向状态检修制度发展，并且因其存在巨大的经济效益而受到工业界广泛的重视。为保证电力系统的可靠运行，对GIS进行局部放电故障检测的研究是非常必要的。

目前用于GIS检测局部放电最有效的特高频法和超声波法。超声波法没有特高频法那样具有较强的抗干扰能力，但是特高频法没有超声波具有能够准确定位以及灵敏度高等特点。特高频法检测GIS局部放电目前主要有微带天线、阿基米德天线、分形天线、平面等角螺旋天线等。目前设计的微带天线用于电气设备局部放电检测时，要使得在检测低频信号时，对于微带天线的贴片面积具有很高的要求，使其实现起来具有很大困难。随着天线技术的发展，研究人员将分形天线引入了局部放电检测中，也取得了很好的效果，但是尽管分形天线有诸多良好性能，分形天线同样也有很多缺点：基次/低次谐频带宽较窄；邻频比较固定；基谐频增益稍低；极化纯度稍低，分形曲线弯折扭曲使得电流方向处处不尽一致，因此电场方向性变差；可用分形体较少。因此一种用于GIS局部放电故障检测方法显的极为有必要。

目前已设计的特高传感器以及超声波检测传感器并不能拥有良好的效果，而且两者的功能不能合并起来。目前的单调的检测方法给目前的检测带来许多不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种检测GIS局部放电故障的装置及其检测方法，能够解决现有技术的不足，提高了检测精度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种检测GIS局部放电故障的装置，包括平面倒F天线和压电式超声波传感器，平面倒F天线通过第一信号放大模块连接至阻抗匹配模块，超声波传感器通过第二信号放大模块连接至阻抗匹配模块，阻抗匹配模块连接至检测模块。

作为优选，所述平面倒F天线包括铺设于介质基板上的接地板和天线导线层；压电式超声波传感器安装在介质基板的右上侧。

一种上述的检测GIS局部放电故障的装置的检测方法，包括以下步骤：

A、检测模块采集由平面倒F天线和压电式超声波传感器传递来的信号，对两个信号进行傅里叶变换；

B、在展开后的两个信号中选取出数量相同的目标频率的函数分量，并对选取的函数分量进行归一化处理；

C、对归一化处理后的函数分量进行加权平均，得到判定函数；对判定函数进行傅里叶反变换，使用傅里叶反变换得到的函数的特征参数进行故障类型和故障等级的判断。

作为优选，步骤B中，从平面倒F天线和压电式超声波传感器信号中选取的目标频率的函数分量为一一对应的关系，每个平面倒F天线信号的函数分量所占平面倒F天线信号强度的比例与压电式超声波传感器信号中的一个的函数分量所占压电式超声波传感器信号强度的比例之差小于设定的阈值。

作为优选，步骤B中，应用于平面倒F天线信号的函数分量的归一化函数为，

$y=e^{\frac{{(x-k_2)}^2}{{\tanh }^{-1}2k_1\mathrm{\π}x}};$

应用于压电式超声波传感器信号的函数分量的归一化函数为，

y＝k₃x³l_nx；

其中，k₁～k₃为比例常数。

作为优选，步骤C中，对归一化处理后的函数分量进行加权平均所用的加权权重与函数分量占对应的信号强度比例的平方成正比。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明相比于现有技术具有以下有优势：

1.设计的新型天线采用了倒F天线与压电式超声波传感器相结合，具有良好的低频特性，而且降低了故障检测失误率。

2.在300MHz到3GHz范围内具有多个检测频带，检测频带较宽，检测频带内驻波比小于2，能够记录局部放电的大部分信息，而且可以检测1k～20KHZ的超声信号。

3.相对于其他局部放电传感器具有体积小、制造成本低等优势。

4.采用融合传感器对GIS局部放电故障检测可以很好的提升GIS内部缺陷检测质量。

本发明具有较强的抗干扰性能、同时能够检测GIS局部放电的特高频信号与超声波信号，加大了GIS局部放电的检测准确度。该方法在应用GIS局部放电检测时，具有很好的检测效果和经济特性。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的原理图。

图2是本发明一个具体实施方式中平面倒F天线的结构图。

图3是本发明一个具体实施方式中平面倒F天线尺寸的示意图。

图4是本发明一个具体实施方式中检测局部放电的融合传感器的结构图。

具体实施方式

参照图1-4，本具体实施方式包括平面倒F天线5和压电式超声波传感器4，平面倒F天线5通过第一信号放大模块7连接至阻抗匹配模块8，超声波传感器6通过第二信号放大模块9连接至阻抗匹配模块8，阻抗匹配模块8连接至检测模块6。所述平面倒F天线5包括铺设于介质基板3上的接地板1和天线导线层2；压电式超声波传感器4安装在介质基板3的右上侧。平面倒F天线5的长边长度a为5mm，短边长度c为3mm，外侧宽度b为1.5mm，内部宽度d为1mm。

一种上述检测GIS局部放电故障的装置的检测方法，包括以下步骤：

A、检测模块6采集由平面倒F天线5和压电式超声波传感器4传递来的信号，对两个信号进行傅里叶变换；

B、在展开后的两个信号中选取出数量相同的目标频率的函数分量，并对选取的函数分量进行归一化处理；

从平面倒F天线5和压电式超声波传感器4信号中选取的目标频率的函数分量为一一对应的关系，每个平面倒F天线5信号的函数分量所占平面倒F天线5信号强度的比例与压电式超声波传感器4信号中的一个的函数分量所占压电式超声波传感器4信号强度的比例之差小于设定的阈值；

应用于平面倒F天线5信号的函数分量的归一化函数为，

$y=e^{\frac{{(x-k_2)}^2}{{\tanh }^{-1}2k_1\mathrm{\π}x}};$

应用于压电式超声波传感器4信号的函数分量的归一化函数为，

y＝k₃x³lnx；

其中，k₁～k₃为比例常数。

C、对归一化处理后的函数分量进行加权平均，得到判定函数；对判定函数进行傅里叶反变换，使用傅里叶反变换得到的函数的特征参数进行故障类型和故障等级的判断；

对归一化处理后的函数分量进行加权平均所用的加权权重与函数分量占对应的信号强度比例的平方成正比。

另外，在对函数分量进行归一化处理之后，对函数分量进行滤波处理。应用于平面倒F天线5信号的函数分量的滤波函数为，

$f\left(x\right)=k_4{e}^{-\frac{x^2}{{(k_3-{\Σ}_{i=1}^n{x}_i)}^2}};$

应用于压电式超声波传感器4信号的函数分量的滤波函数为，

$f\left(x\right)=x\⊗\frac{x+k_6}{x-k_7};$

其中，x_i为平面倒F天线5信号的函数分量的采样值，k₄～k₇为比例常数。

对于放电位置的确定，使用以下步骤完成：

1、在GIS设备四周安装至少三个上述的由平面倒F天线5和压电式超声波传感器4组成的融合传感器，同时对放电信号进行检测；

2、不同的融合传感器得到目标频率的函数分量后，对比同一函数分量在不同融合传感器上的强度和相位的区别；

3、使用不同融合传感器安装位置上的信号传递路径参数对第二步中的函数分量进行传递过程的模拟计算，取计算结果与实际函数分量最相近的信号传递路径作为信号传递路径；

4、使用上述多个信号传递路径的汇聚区域作为放电位置。

现将本发明所涉及到的设计过程进行介绍。

GIS中发生放电时局部放电脉冲宽度可达1-2ns，可激发频率达1GHz以上的电磁波，因此可以运用超高频法对电气设备进行局部放电检测。又加上GIS内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音，GIS局部放电会产生声波，其类型包括纵波、横波和表面波。纵波通过气体传到外壳、横波则需要通过固体介质(比如绝缘子等)传到外壳。通过贴在GIS外壳表面的压电式传感器接收这些声波信号，以达到监测GIS局放的目的。因此可以用在腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。

平面倒F天线(PlanarInverted一FAntenna)简称PIFA天线,由地板、辐射贴片、短路贴片、馈电四部分组成,是一种具有水平和垂直两种极化特性的平面天线,一般贴片和地板之间的填充介质为空气。PIFA天线具有小型化、重量轻、低剖面、成本低、比吸收率(SAR)低等一系列优点,其结构紧凑、设计简单,在近年来得到了长期的发展。

PIFA天线采用将短路金属板置于矩形微带天线辐射金属贴片与地板之间的做法,使得辐射贴片的长度减半,从而达到缩小天线的目的,此时天线的长度约等于谐振波长的1/4,即四分之一波长天线。如果仍用L表示PIFA天线的长度,则其谐振频率f可有下式估算

$f=\frac{c}{4L\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$

L是PIFA贴片的长度,为原天线长度的一半,f是工作频率,c是真空中的光速,ε_e是等效介电常数。

根据上述原理根据GIS局部放电的特高频信号的频带(0.3～3GHZ)对倒F天线进行设计。

GIS设备局部放电的超声波检测法是利用安装在GIS外壳上的超声波传感器接收局部放电产生的振动信号以达到检测内部局部放电的目的。在GIS中，除局部放电产生的声波外，还有微粒碰撞绝缘子或外壳、电磁振动、操作引起的机械振动等也会发出的声波。根据超声波法检测GIS局部放电原理本发明的融合传感器设计使用压电式超声波探头。介质基板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜。阻抗匹配电路的输出阻抗为50欧姆。

本发明可以有效降低干扰信号对于放电故障的干扰，提高了放电故障的检测精度和速度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种检测GIS局部放电故障的装置，其特征在于：包括平面倒F天线(5)和压电式超声波传感器(4)，平面倒F天线(5)通过第一信号放大模块(7)连接至阻抗匹配模块(8)，超声波传感器(6)通过第二信号放大模块(9)连接至阻抗匹配模块(8)，阻抗匹配模块(8)连接至检测模块(6)。

2.根据权利要求1所述的检测GIS局部放电故障的装置，其特征在于：所述平面倒F天线(5)包括铺设于介质基板(3)上的接地板(1)和天线导线层(2)；压电式超声波传感器(4)安装在介质基板(3)的右上侧。

3.一种权利要求1-2任意一项所述的检测GIS局部放电故障的装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、检测模块(6)采集由平面倒F天线(5)和压电式超声波传感器(4)传递来的信号，对两个信号进行傅里叶变换；

B、在展开后的两个信号中选取出数量相同的目标频率的函数分量，并对选取的函数分量进行归一化处理；

C、对归一化处理后的函数分量进行加权平均，得到判定函数；对判定函数进行傅里叶反变换，使用傅里叶反变换得到的函数的特征参数进行故障类型和故障等级的判断。

4.根据权利要求3所述的检测GIS局部放电故障的装置的检测方法，其特征在于：步骤B中，从平面倒F天线(5)和压电式超声波传感器(4)信号中选取的目标频率的函数分量为一一对应的关系，每个平面倒F天线(5)信号的函数分量所占平面倒F天线(5)信号强度的比例与压电式超声波传感器(4)信号中的一个的函数分量所占压电式超声波传感器(4)信号强度的比例之差小于设定的阈值。

5.根据权利要求3所述的检测GIS局部放电故障的装置的检测方法，其特征在于：步骤B中，应用于平面倒F天线(5)信号的函数分量的归一化函数为，

$y=e^{\frac{{(x-k_2)}^2}{e^{{\tanh }^{-1}2k_1\mathrm{\π}x}}};$

应用于压电式超声波传感器(4)信号的函数分量的归一化函数为，

y＝k₂x³lnx；

其中，k₁～k₃为比例常数。

6.根据权利要求5所述的检测GIS局部放电故障的装置的检测方法，其特征在于：步骤C中，对归一化处理后的函数分量进行加权平均所用的加权权重与函数分量占对应的信号强度比例的平方成正比。