CN106443353B - 一种基于行波的gil放电故障定位方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明对气体绝缘金属封闭输电线路GIL内部短时强烈的电弧放电故障产生的放电行波信号，利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围，利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围，利用双端时差算法计算出第三故障范围，对得到的三个故障范围进行对比分析，求取共同包括的故障点范围，最终实现GIL故障点的准确定位。
Description
技术领域
本发明涉及超、特高压输变电设备状态监测技术领域，并且更具体地，涉及一种基于行波的GIL放电故障定位方法及装置。
背景技术
GIL具有传输容量大、损耗小、不受环境影响、运行可靠性高、节省占地等显著优点，是一种具有广泛应用前景的新型输电设备。GIL内部主要是金属导体和绝缘气体，不存在断路器、隔离开关等可动设备，其内部故障通常为绝缘失效导致的绝缘击穿或对地闪络故障，影响系统安全稳定运行。针对GIL内部放电的监测和定位，能够及时发现故障并予以排查，为设备抢修提供精确指导，是GIL工程应用中的关键技术。
当前，GIL工程应用尚不普遍，与之类似的超、特高压GIS设备在现场普遍会配备故障定位装置。放电监测和定位的方法主要有人工监测、光学法、声学法、特高频法等，其中，声学法中的超声法和特高频法在工程现场应用较多。
常规的人工监测依靠人的听觉判断配合现场设备耐压试验进行，对现场人员的经验要求比较高，并只能判断出故障范围，不能实现精确定位。
光学法利用光电倍增器检测放电发生时伴随的发光，实现放电故障的检测和定位。但不具备对故障的定位能力。此外，该方法所需要的装置数量很大，成本过高。
声学法通过加速度传感器或声发射传感器检测放电时伴随的声响或外壳振动，利用各测点之间的信号时间差来实现定位。为避免干扰，一般选择超声频段进行检测，即常见的超声定位法。一般认为，声学检测法不受电磁干扰，适于现场应用。但是，限于超声波传播
速度低、衰减大，其定位精度不高。此外，超声定位装置有效监测范围较小，在变电站应用时难以使用经济数量的传感器获得全范围覆盖。
特高频(Ultra-high Frequency，UHF)法利用内置或外置特高频传感器检测局部放电产生的特高频电磁波信号，抗干扰能力强、监测灵敏度高。利用不同测点之间的时间差可以实现放电故障的定位。特高频法一般针对电气设备内部的局部放电，由于放电产生的高频电磁波在传播过程中衰减很大，传播路径复杂导致信号畸变，其对放电的定位比较困难。此外，特高频法需使用高采样率的数字示波器和高精度特高频天线，成本较高。
基于行波的GIL放电故障定位法，此方法由西门子公司提出，利用安装在每相GIL两端的陡波传感器，将信号传递给该侧GPS同步单元，通过两端GPS输出的秒脉冲信号计算时间差，进而得到故障定位结果。此方法原理简单，装置可靠，但是受限于目前技术水平，定位结果不够准确，定位算法需要进一步改善，提高GIL故障定位结果的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明着眼于GIL内部短时强烈的电弧放电故障，通过对放电行波信号的有效测量，利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围，利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围，根据同步秒脉冲信号，利用双端时差算法计算出第三故障范围，对三个故障范围进行对比分析，求取共同包括的故障点范围，实现故障点的准确定位。
本发明实现故障定位只需在GIL两端安装陡波传感器就可以实现准确定位，在现有技术的基础上对GIL定位方法进行了大幅改善，同时利用最少的备和最简单的方法，准确地定位故障点所在位置，从而使得作业人员可以针对故障所在的位置进行快速修理，减小故障排查范围，缩短系统故障恢复时间。
本发明中，所述放电故障定位方法包括4个部分：
1)利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围。
计算获得放电行波信号在GIL中传播情况下电磁波衰减与距离的关系曲线，当现场发生放电故障时，对GIL任意一端安装的陡波传感器接收到的波形信号进行傅立叶变换，并得到该放电行波在传播过程中的衰减程度，并将现场得到的放电行波衰减情况与电磁波衰减和距离的关系曲线对比，获得故障点位置。考虑电磁波衰减与距离的关系曲线存在一定的不确定度，所以通过上述计算获得的故障点不是一个点而是一个范围，即第一故障范围。
2)利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围。
3)根据所述同步秒脉冲信号，利用双端时差算法计算出第三故障范围。
4)综合评估
对得到的三个故障范围进行对比分析，若无交集，则重新获取故障点放电产生的放电行波信号并执行后续步骤。
配合本发明所需要的GIL定位装置包括：
至少一对陡波传感器，每对陡波传感器分别安装在每相GIL两端的外壳预留安装手孔处，用于接收故障点放电产生的且传播至GIL两端的放电行波信号；
数据采集单元，包括放置在GIL输电系统两端的第一采集子单元和第二采集子单元，用于存储陡波传感器接收到的放电行波信号和GPS同步单元发出的秒脉冲信号，并将所述放电行波信号和秒脉冲信号发送给定位处理单元；
GPS同步单元，包括第一同步单元和第二同步单元，其中第一同步单元与第一数据采集单元相连，第二同步单元与第二数据采集单元相连，用于提供给数据采集单元双端同步秒脉冲信号；以及
定位处理单元，根据接收到的GIL输电系统两端的放电行波信号和秒脉冲信号对故障点进行定位，包括：
利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围；
利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围；
根据所述同步秒脉冲信号，利用双端时差算法计算出第三故障范围；
对三个故障范围进行对比分析，求取共同包括的故障点范围，实现故障点的准确定位。
优选地，所述GIL输电系统内部布置有多回GIL线路，且每回GIL线路均包括三相GIL，每相GIL均安装有一对陡波传感器。
优选地，所述系统之间的信号传输方式为光纤传播方式或通过串口转GPRS的通讯方式。
优选地，所述光纤传播方式通过光端机进行将陡波传感器发送的电信号转换为光信号发送给数据采集单元。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施例的基于行波的GIL放电故障定位方法流程图；
图2为根据本发明优选实施例的不同频率分量在传输不同距离后的衰减情况；
图3为根据本发明优选实施例的基于行波的GIL故障定位装置的工作原理图；以及
图4为根据本发明优选实施例的陡波传感器的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示
例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施例的基于放电陡波测量的GIL故障定位方法的方法流程图。如图1所示，基于放电陡波测量的GIL故障定位方法100从步骤101开始。在步骤101中，利用安装在GIL两端的陡波传感器分别获取故障点放电产生的放电行波信号。
优选地，在步骤102中，故障点放电产生的放电行波信号传输至GIL两端的GPS同步单元时，会触发两端的GPS同步单元分别产生一个秒脉冲信号，同时获取所述两个秒脉冲信号。
优选地，在步骤103中，当现场发生放电故障时，对GIL任意一端安装的陡波传感器接收到的波形信号进行傅立叶变换，通过与放电频谱的对比获得该放电行波在传播过程中的衰减程度，并将现场得到的放电行波衰减情况与电磁波衰减和距离的关系曲线对比，如图2所示，考虑电磁波衰减与距离的关系曲线存在一定的不确定度，所以通过上述计算获得的故障点不是一个点而是一个范围，即第一故障范围。
优选地，在步骤105中，利用同步脉冲信号结合双端时差算法计算出第三故障范围。其中，所述第三故障范围通过如下方法计算：
应当了解的是，放电行波信号到达两端测量点经过误差校准的时间差Vt是一个时间段，其计算方法为，故障点放电产生的放电行波信号传输至GIL两端的GPS同步单元时，会触发两端的GPS同步单元分别产生一个秒脉冲信号，获取所述两个秒脉冲信号后做差，将做差后的结果再加减两端GPS同步单元之间的时间误差校准结果，得到所述Vt，例如，放电行波到达两端GPS同步单元的时间做差后结果为100ns，假设两端GPS同步单元之间的时间误差校准结果为10ns，则
Vt为100±10ns，即90ns-110ns。
优选地，在步骤106中，对三个故障范围进行对比分析，分析三个故障范围交集得
到故障点准确位置；若无交集，则重新获取故障点放电产生的放电行波信号并执行后续步
骤，最终实现GIL故障点的准确定位。
图2为根据本发明优选实施例的不同频率分量在GIL中传输不同距离后的衰减情况。利用波形处理算法对得到的放电行波信号进行处理，得到所述波形信号相应的衰减曲线，图2中的曲线为经过测量得出的不同频率分量的传输1km、2km、3km、4km、5km和6km之后的幅值衰减程度曲线，将放电行波信号与图2中已知的6条线进行对比，通过幅值衰减的程度可大致对比出故障点的位置在Skm和(S+1)km以内。
图3为根据本发明优选实施例的基于行波的GIL故障定位系统的装置原理图。如图3所示，GIL输电系统内每相GIL30的长度均为L，所述L也是安装在GIL30两端的一对陡波传感器3011和3012之间的间距，故障点与GIL30左端的陡波传感器之间的距离为x，故障点放电产生的放电行波信号沿GIL30分别向两端传播，陡波传感器3011和3012分别在不同时间接收到放电行波信号。所述陡波传感器3011或3012接收到放电行波信号后，将所述放电行波信号发送到数据处理单元。
优选地，所述数据处理单元包括第一数据采集单元3021和第二数据采集单元3022，均用于存储陡波传感器接收到的放电行波信号以及获取GPS同步单元发出的秒脉冲信号，并将所述放电行波信号和秒脉冲信号发送给定位处理单元，其中陡波传感器3011与第一数据采集单元3021连接，陡波传感器3012与第二数据采集单元3022连接。
优选地，所述GPS同步单元包括第一同步单元3031以及第二同步单元3032，用于提供准确同步秒脉冲信号。其中第一同步单元3031与第一数据采集单元3021相连，当放电行波信号传送到第一同步单元3031时，第一同步单元3031会产生一个秒脉冲信号并发送给第一数据采集单元3021。与此同时，第二同步单元3032与第二数据采集单元3022相连，当放电行波信号传送到第二同步单元3032时，第二同步单元3032会产生一个秒脉冲信号并发送给第二数据采集单元3022。应当了解的是，所述第一同步单元3031和第二同步单元3032同时输出秒脉冲信号，只是在进行测量时，因故障点放电产生的放电行波信号传输至GIL两端的时间不同，第一数据采集单元3021获取的秒脉冲信号与第二数据采集单元3022获取的秒脉冲信号产生时间差，再结合第一同步单元3031和第二同步单元3032之间的时间误差，所述定位处理单元304根据所述同步秒脉冲信号，利用双端定位算法，确定第三故障范围。
优选地，定位处理单元304利用放电行波信号在频域的衰减情况对故障点的位置范围进行计算，具体计算方法为，通过对GIL30某一端安装的陡波传感器接收到的波形信号进行傅立叶变换，得到所述波形信号的在传输过程中的衰减曲线，将现场得到的放电行波衰减情况与电磁波衰减和距离的关系曲线对比，并根据所述衰减曲线结合不确定度得到第一故障范围。
优选地，定位处理单元304还利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围，通过公式计算出故障点放电产生的放电行波向GIL30两端传播到达各端陡波传感器时经过的绝缘子个数n1和n2，并通过n1和n2确定故障点的位置范围，并结合绝缘子之间的间距，进一步确定故障点的范围，即第二故障范围。其中为放电行波信号的上升时间，为经过一个绝缘子的响应时间，为陡波传感器所测得的信号波形上升时间，为示波器带宽限制导致的上升沿时间延迟。
优选地，GIL输电系统由多回GIL线路组成，每回GIL线路均由三相GIL组成，每相GIL均安装有一对陡波传感器。所以在实际应用中，陡波传感器可能存在很多对，但是数据采集单元只分为第一数据采集单元3021和第二数据采集单元3022，第一数据采集单元3021与GIL30一侧的所有陡波传感器相连，第二数据采集单元3022与GIL30另一侧的所有陡波传感器，且第一数据采集单元3021和第二数据采集单元3022均与定位处理单元304连接。
图4为根据本发明优选实施例的陡波传感器的结构图。如图4所示，陡波传感器安装在GIL30的终端管道的预留安装手孔31处，其中每相GIL均有两个安装手孔31，分别预留在GIL30的终端管道两端。
所述陡波传感器主要由内置电极401、环氧浇注体402和外壳403组成。其中，内置电极401与传感器外壳403之间为绝缘介质环氧浇注体402。优选地，GIL30与内置电极401之间的分布电容404为高压电容，低压臂集中电容405为贴片电容，所述贴片电容连接在外壳403和本端的数据采集单元之间。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (4)
1.一种基于行波的气体绝缘金属封闭输电线路GIL放电故障定位方法，用于GIL内部放电监测和定位，其中GIL两端均各有一个陡波传感器和GPS同步单元，且GIL内部安装有多个绝缘子，其特征在于：
获取故障点放电产生的放电行波信号；
获取同步秒脉冲信号；
利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围；
利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围；
根据所述同步秒脉冲信号，利用双端时差算法计算出第三故障范围；
根据得到的三个故障范围，定位故障点的准确位置。
2.根据权利要求1所述方法，利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围，其对应的波形处理算法为：
计算获得放电行波信号在GIL中传播情况下电磁波衰减与距离的关系曲线；
对GIL任意一端安装的陡波传感器接收到的波形信号进行傅立叶变换，得到所述放电行波在传播过程中的衰减程度；
将得到的放电行波在传播过程中的衰减情况与电磁波衰减和距离的关系曲线比较，得到第一故障范围。
3.根据权利要求1所述方法，对所述三个故障范围进行对比分析，若无交集，则重新获取故障点放电产生的放电行波信号并执行后续步骤。
4.一种基于行波的气体绝缘金属封闭输电线路GIL放电故障定位装置，包括：
至少一对陡波传感器，每对陡波传感器分别安装在每相GIL两端的外壳预留安装手孔处，用于接收故障点放电产生的且传播至GIL两端的放电行波信号；
数据采集单元，包括放置在GIL两端的第一采集子单元和第二采集子单元，用于存储陡波传感器接收到的放电行波信号和GPS同步单元发出的秒脉冲信号，并将所述放电行波信
号和秒脉冲信号发送给定位处理单元；
GPS同步单元，包括第一同步单元和第二同步单元，其中第一同步单元与第一数据采集子单元相连，第二同步单元与第二数据采集子单元相连，用于提供给数据采集单元双端同步秒脉冲信号；以及
定位处理单元，根据接收到的GIL两端的放电行波信号和秒脉冲信号对故障点进行定位，包括：
利用放电行波信号在频域的衰减情况计算出第一故障范围；
利用放电行波信号的上升时延变化和绝缘子理论响应时间计算出第二故障范围；
根据所述同步秒脉冲信号，利用双端时差算法计算出第三故障范围；
对三个故障范围进行对比分析，求取共同包括的故障点范围，实现故障点的准确定位。
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