CN108333484B - 一种电气设备局部放电的检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种电气设备局部放电的检测方法，所述方法将超声阵列传感器、超高频阵列传感器和TEV传感器组装在同一基座上，构成三合一传感器，对局部放电进行检测时，先用TEV传感器进行检测，确定局部放电所在的区域，然后利用超声阵列传感器和超高频阵列传感器在该区域内分别对局部放电进行检测，得到两种定位结果，再用主成分分析法对数据进行分析，确定两种定位结果所占的权重，最后求两种定位结果的加权和，得到最终的定位结果。本发明将TEV定位、超声阵列定位、超高频阵列定位有机结合在一起，实现了三种方法的优势互补，不仅可提高局部放的检测效率和定位精度，而且个别传感器失效时仍可对局放进行有效检测，从而提高了设备的运行可靠性。

Description

一种电气设备局部放电的检测方法
技术领域
本发明涉及一种利用三合一传感器对电气设备的局部放电进行检测和定位的方法，属于检测技术领域。
背景技术
电气设备在电力系统中被广泛应用，其局部放电的有效检测在整个电力系统的安全运行中有着举足轻重的地位，而目前电气设备局放定位检测较为适用的方式为超声波法、超高频法和地电压法，三种方法各有优缺点。目前常见的传感器只适用于一种方法的检测，当该传感器失效时会造成局放检测的失败，且单一的检测方法往往会造成检测和定位不准等问题，无法保证局部放电的有效检测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种电气设备局部放电的检测方法，以实现局部放电的有效检测。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种电气设备局部放电的检测方法，所述方法将超声阵列传感器、超高频阵列传感器和TEV传感器组装在同一基座上，构成三合一传感器，对局部放电进行检测时，先用三合一传感器中的TEV传感器进行检测，确定局部放电所在的区域，然后利用超声阵列传感器和超高频阵列传感器在该区域内分别对局部放电进行检测，得到两种定位结果，再用主成分分析法对数据进行分析，确定两种定位结果所占的权重，最后求两种定位结果的加权和，得到最终的定位结果。
上述电气设备局部放电的检测方法，用三合一传感器中的TEV传感器进行检测，确定局部放电所在的区域的方法为：
将待检测电气设备的安装场所划分为多个区域，在每个区域的左右边界处各放置一个三合一传感器，利用两个三合一传感器中的TEV传感器检测局放产生的电信号到达两传感器的时间，若到达两传感器的时间差小于两传感器的距离除以波速所得到的时间，说明局部放电点(局放源)位于该区域内，否则判断局部放电点位于该区域的外部，依次对各个区域进行检测，即可将局放源定位到某一区域。
上述电气设备局部放电的检测方法，利用超声阵列传感器和超高频阵列传感器对局部放电进行检测和定位的方法为：
a.分别用两种阵列传感器同时对局放信号进行n次检测，设超声阵列传感器测得的样本为(x1,y1,z1)，其中x1代表n次超声检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合、y1代表n次超声检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合、z1代表n次超声检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；超高频传感器测得的样本为(x2,y2,z2)，其中x2代表n次超高频检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合、y2代表n次超高频检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合、z2代表n次超高频检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；
b.用x1i代表第i次超声检测结果中局放源x轴坐标，x2i代表第i次超高频检测结果中局放源x轴坐标，则n次检测得到的x轴坐标结果为x1＝(x11,x12,x13,…x1n)T，x2＝(x21,x22,x23,…x2n)T，x轴坐标的原始数据矩阵为
Figure GDA0002448599000000021
c.对原始数据矩阵x进行转置，得到2×n型矩阵xT
d.对矩阵xT进行标准化处理：
Figure GDA0002448599000000022
其中：zij为xT进行标准化后的矩阵，
Figure GDA0002448599000000023
Figure GDA0002448599000000031
e.建立标准化后的相关系数矩阵R，对zij组成的矩阵求相关系数rij，rij组成相关系数矩阵R，
Figure GDA0002448599000000032
其中：
Figure GDA0002448599000000033
f.求相关系数矩阵R的特征根
R的特征根为λ1≥λ2≥…≥λn＞0
对应的特征向量为：Aj＝(a1j,a2j,…anj)T,j＝1,2,…n
则主成分确立的指标为：
Figure GDA0002448599000000034
其中：F1为主成分确立的表示超声波检测结果的指标,F2为为主成分确立的表示超高频检测结果的指标，
g.求指标权重
Figure GDA0002448599000000035
Figure GDA0002448599000000036
其中：α1为超声波检测结果所占权重,α2为超高频检测结果所占权重，
则在x轴方向，n次定位的最后结果构成的矩阵为
Figure GDA0002448599000000037
求
Figure GDA0002448599000000038
中所有定位结果的平均值，即可得到最终的局放源x轴坐标；
h.用同样的方法求出局放源的y轴坐标和z轴坐标。
上述电气设备局部放电的检测方法，所述三合一传感器中，TEV传感器位于基座的中部，超声阵列传感器的多个超声阵元位于TEV传感器的周围并沿与TEV传感器同轴的圆周均匀排列，超声阵元的间距为超声波的半波长，超高频阵列传感器的多个超高频阵元围绕在超声阵元的外部并沿与TEV传感器同轴的圆周均匀排列，超高频阵元的间距为电磁波的半波长。
上述电气设备局部放电的检测方法，所述超声阵列传感器的超声阵元设置9个，所述超高频阵列传感器的超高频阵元设置4个。
上述电气设备局部放电的检测方法，所述三合一传感器的基座两端均设有磁铁。
上述电气设备局部放电的检测方法，所述超声阵列传感器的超声阵元包括导线和固定在柱状外壳内部且依次连接的匹配层、压电材料和吸声背衬，所述导线的一端与接收系统连接，另一端经吸声背衬穿入压电材料中。
上述电气设备局部放电的检测方法，所述超高频阵列传感器的超高频阵元包括金属外壳、绝缘外壳、感应电极、电容介质和BNC接头，所述金属外壳的一侧开口并与待检测电气设备的外壳相对，所述绝缘外壳包覆于金属外壳的外部，所述感应电极为封堵在金属外壳开口处的金属板，所述电容介质夹在感应电极与待检测电气设备的外壳之间，所述BNC接头安装在金属外壳上并通过匹配阻抗和引线与感应电极连接。
本发明在设计三合一传感器的基础上将TEV定位、超声阵列定位、超高频阵列定位有机结合在一起，实现了三种方法的优势互补，不仅可以提高局部放电的检测效率和定位精度，而且个别传感器失效时仍可对局部放电进行有效检测，从而提高了设备的运行可靠性。
本发明在对局部放电进行检测时，先用三合一传感器中的TEV传感器进行检测。由于距离太远处超声波、超高频均无法检测，但是利用TEV传感器则可以检测。缺点是TEV只能在远处检测出局部放电的大概位置，不能定位到放电点的具体空间坐标。因此，本发明在TEV检测出大概放电区域后，由超声阵列和超高频阵列继续检测，加权定位，求出最终的坐标。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明的三合一传感器结构示意图；
图2为装配体(包括基座和磁铁)示意图；
图3为本单个超声阵元的结构图；
图4为TEV传感器的结构示意图；
图5为TEV传感器定位原理图；
图6为局放定位的流程图。
图中各标号分别表示为：1、基座，2、超声阵元，3、超高频阵元，4、TEV传感器，5、磁铁，6、通孔，7、导线，8、吸声背衬，9、压电材料，10、匹配层，11、待检测电气设备的外壳，12、感应电极，13、电容介质，14、金属外壳，15、BNC接头，16、绝缘外壳，R1、匹配阻抗。
文中各符号分别表示为：x1代表n次超声检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合；y1代表n次超声检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合；z1代表n次超声检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；x2代表n次超高频检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合；y2代表n次超高频检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合；z2代表n次超高频检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；x1i代表第i次超声检测结果中局放源x轴坐标；x2i代表第i次超高频检测结果中局放源x轴坐标；zij为xT进行标准化后的矩阵；R为相关系数矩阵；其中：F1为主成分确立的表示超声波检测结果的指标,F2为为主成分确立的表示超高频检测结果的指标；Aj为特征向量；α1为超声波检测结果所占权重,α2为超高频检测结果所占权重；λ1≥λ2≥…≥λn＞0为特征根。
具体实施方式
本发明针对电气设备局放检测的传感器功能单一且定位不准的现状，提供了一种集合暂态地电压(TEV)传感器、超声阵列传感器、超高频阵列传感器于一体的三合一传感器及其定位方法，可以将三种检测手段的优点融合为一体，获得了现有技术无法达到的良好效果。
原理及实现步骤：
新型三合一传感器是指利用基座对超声阵元、超高频阵元以及TEV传感器进行固定，其中超声阵元和超高频阵元分别按一定的数量排列形成阵列传感器。新型三合一传感器的装配体采用用长方体凹槽结构(如图2所示)，基座1上设置有呈圆形排列的九个通孔，孔内放置超声阵元，中心有一个大孔放置TEV传感器，四周有四个通孔放置超高频阵元，基座前后两端设有磁铁5，可以使装配体吸附在电气设备外表面。
超声阵元由压电材料、声匹配层、吸声背衬以及柱状外壳组成，压电材料使用的是高钛酸铅压电材料，当超声波传播到超声阵元中时会使压电材料产生形变，压电材料将形变量转化为电学量传输到接收系统中，声匹配层的作用是减小声波的损耗(由于超声波在电气设备外壳和压电材料上的声阻抗相差较大，因此声波从电气设备外表面传到压电材料上会发生较大的损耗，声匹配层可以减小声波的损耗，理想情况下会实现声波的全透射，超声波由电气设备外表面直接射入压电材料中时，损耗极大。加入声匹配层后超声波信号先由电气设备外表面射入声匹配层，此时超声波损耗很小，而声匹配层与压电材料的波阻抗相近，因此超声波由声匹配层射入压电材料中时，损耗也很小。两个过程中超声波损耗都比较小。吸声背衬的作用是减小声波的耦合(防止进入背衬的超声波反射回压电材料中与刚传到压电材料的声波产生耦合)，吸声背衬采用的是环氧树脂材料，这种材料可以吸收超声波，当超声波由压电材料射入吸声背衬时，若不被吸收，则会产生反射波，反射波进入压电材料中就会与后射入的超声波发生混叠。单个超声阵元的结构如图3所示。多个阵元按照圆形排列，为了抑制旁瓣效应阵元间距设置为超声波的半波长。TEV传感器的结构如图4所示，主要由感应电极12、电容介质13、金属外壳14、BNC接头15、绝缘外壳16和匹配阻抗R1组成，其中，感应电极12、电容介质13和待检测电气设备的外壳11形成耦合电容，感应电极12与金属外壳14形成分压电容，电容介质选用聚氯乙烯材料，感应电极由薄紫铜片制成。分压电容起分压作用，耦合电容与分压电容的比值为1:10。匹配阻抗R1起抑制高频信号波折反射的作用，阻值为50Ω。BNC接头用于连接数据采集器。金属外壳起屏蔽外界干扰信号的作用；绝缘外壳起外绝缘作用。超高频阵元和TEV传感器结构相同只是与电气设备接触的那个截面是螺旋状，超高频阵元为圆柱状，阵元间距为电磁波的半波长。
超高频传感器天线采用螺旋线圈，线圈的尺寸参数如半径、螺距等对监测频率非常敏感，对本发明的检测频率0.5-1.5GHz而言，合适的线圈半径为5mm，螺距为1.5mm，圈数为10-25圈。
由于超声、超高频只适用于短距离检测，因此当电气设备发生局部放电时，先用三合一传感器中的TEV传感器对局部放电进行大概定位(TEV传感器检测时间间隔不能小于1ns，电信号速度为光速，因此定位距离在30cm以上，不能准确定位)，将待检测电气设备的安装场所划分为多个区域，在每个区域的左右边界处各放置一个三合一传感器，当有局放信号时，利用三合一传感器中的TEV传感器检测局放产生的电信号到达传感器的时间，若达到两传感器的时间差小于两传感器的距离除以波速所得到的时间，则说明放电点位于该区域内，反之放电点位于该区域外部(详见图5)，依靠本方法可以将局放源定位到某一区域。然后分别运用超声阵列传感器和超高频阵列传感器进行检测和定位，多次检测得到多组坐标数据(通过对超声波、超高频阵列信号进行处理，可以得到分别用超高频法和超声法测得的局放源空间坐标)，用主成分分析法对数据进行分析，得到超声阵列和超高频阵列检测结果所占的权重，最后将定位结果乘以相对应的权重再求和，即得到最终的定位结果。
例如对图5所示的开关室进行检测时，可以将每个开关柜作为一个区域，先用TEV传感器进行检测，确定局放源在哪个开关柜，然后分别运用超声阵列传感器和超高频阵列传感器对局放源所在的开关柜进行检测，得到两组具体的局放源坐标，对这两种坐标进行加权求和，得到最终的定位坐标。
三合一传感器中的某一种传感器失效之后，传感器还能继续使用，如超高频传感器失效后，可以用超声阵列传感器进行检测，得到放电点和传感器所在的直线，再根据TEV传感器测得的放电时间和超声波接收信号的时间即可得超声波信号的传播时间，进而确定出传感器和放电点之间的距离，最终得到具体的局放源坐标。同理，超声阵列传感器失效后，利用超高频阵列传感器和TEV传感器也可以进行检测。
利用超声阵列传感器和超高频阵列传感器对局部放电进行检测和定位的方法为：
分别用两种阵列传感器同时对局放信号进行n次检测，设超声阵列传感器测得的样本为(x1,y1,z1)，其中x1代表n次超声检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合、y1代表n次超声检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合、z1代表n次超声检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；超高频传感器测得的样本为(x2,y2,z2)，其中x2代表n次超高频检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合、y2代表n次超高频检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合、z2代表n次超高频检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合。
用x1i代表第i次超声检测结果中局放源x轴坐标，x2i代表第i次超高频检测结果中局放源x轴坐标，则n次检测得到的x轴坐标结果为x1＝(x11,x12,x13,…x1n)T，x2＝(x21,x22,x23,…x2n)T，x轴坐标的原始数据矩阵为：
Figure GDA0002448599000000081
对上式数据矩阵x进行转置，得到了2×n型矩阵xT
对矩阵xT进行标准化处理，即
Figure GDA0002448599000000082
其中：
Figure GDA0002448599000000085
Figure GDA0002448599000000083
建立标准化后的相关系数矩阵R
Figure GDA0002448599000000084
其中：
Figure GDA0002448599000000091
求相关系数矩阵R的特征根
R的特征根为λ1≥λ2≥…≥λn＞0
对应的特征向量为：Aj＝(a1j,a2j,…anj)T,j＝1,2,…n
则可以得到主成分确立的指标为：
Figure GDA0002448599000000092
求指标权重
Figure GDA0002448599000000093
Figure GDA0002448599000000094
则n次定位的最后结果构成的矩阵为
Figure GDA0002448599000000095
求
Figure GDA0002448599000000096
中所有定位结果的平均值，即可得到最终的局放源x轴坐标；
用同样的方法求出局放源的y轴坐标和z轴坐标。

Claims (6)

1.一种电气设备局部放电的检测方法，其特征是，所述方法将超声阵列传感器、超高频阵列传感器和TEV传感器组装在同一基座上，构成三合一传感器，对局部放电进行检测时，先用三合一传感器中的TEV传感器进行检测，确定局部放电所在的区域，然后利用超声阵列传感器和超高频阵列传感器在该区域内分别对局部放电进行检测，得到两种定位结果，再用主成分分析法对数据进行分析，确定两种定位结果所占的权重，最后求两种定位结果的加权和，得到最终的定位结果；
用三合一传感器中的TEV传感器进行检测，确定局部放电所在的区域的方法为：
将待检测电气设备的安装场所划分为多个区域，在每个区域的左右边界处各放置一个三合一传感器，利用两个三合一传感器中的TEV传感器检测局放产生的电信号到达两传感器的时间，若到达两传感器的时间差小于两传感器的距离除以波速所得到的时间，说明局部放电点即局放源位于该区域内，否则判断局部放电点位于该区域的外部，依次对各个区域进行检测，即可将局放源定位到某一区域；
利用超声阵列传感器和超高频阵列传感器对局部放电进行检测和定位的方法为：
a.分别用两种阵列传感器同时对局放信号进行n次检测，设超声阵列传感器测得的样本为(x1,y1,z1)，其中x1代表n次超声检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合、y1代表n次超声检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合、z1代表n次超声检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；超高频传感器测得的样本为(x2,y2,z2)，其中x2代表n次超高频检测结果中局放源x轴坐标所组成的集合、y2代表n次超高频检测结果中局放源y轴坐标所组成的集合、z2代表n次超高频检测结果中局放源z轴坐标所组成的集合；
b.用x1i代表第i次超声检测结果中局放源x轴坐标，x2i代表第i次超高频检测结果中局放源x轴坐标，则n次检测得到的x轴坐标结果为x1＝(x11,x12,x13,…x1n)T，x2＝(x21,x22,x23,…x2n)T，x轴坐标的原始数据矩阵为
Figure FDA0002448598990000021
c.对原始数据矩阵x进行转置，得到2×n型矩阵xT
d.对矩阵xT进行标准化处理：
Figure FDA0002448598990000022
其中：zij为xT进行标准化后的矩阵，
Figure FDA0002448598990000023
Figure FDA0002448598990000024
e.建立标准化后的相关系数矩阵R
R＝(rij),
Figure FDA0002448598990000025
其中：
Figure FDA0002448598990000026
f.求相关系数矩阵R的特征根
R的特征根为λ1≥λ2≥…≥λn＞0
对应的特征向量为：Aj＝(a1j,a2j,…anj)T,j＝1,2,…n
则主成分确立的指标为：
Figure FDA0002448598990000027
其中：F1为主成分确立的表示超声波检测结果的指标,F2为主成分确立的表示超高频检测结果的指标，
g.求指标权重
Figure FDA0002448598990000031
Figure FDA0002448598990000032
其中：α1为超声波检测结果所占权重,α2为超高频检测结果所占权重，
则在x轴方向，n次定位的最后结果构成的矩阵为
Figure FDA0002448598990000033
求
Figure FDA0002448598990000034
中所有定位结果的平均值，即可得到最终的局放源x轴坐标；
h.用同样的方法求出局放源的y轴坐标和z轴坐标。
2.根据权利要求1所述的电气设备局部放电的检测方法，其特征是，所述三合一传感器中，TEV传感器(4)位于基座(1)的中部，超声阵列传感器的多个超声阵元(2)位于TEV传感器(4)的周围并沿与TEV传感器(4)同轴的圆周均匀排列，超声阵元(2)的间距为超声波的半波长，超高频阵列传感器的多个超高频阵元(3)围绕在超声阵元(2)的外部并沿与TEV传感器(4)同轴的圆周均匀排列，超高频阵元(3)的间距为电磁波的半波长。
3.根据权利要求2所述的电气设备局部放电的检测方法，其特征是，所述超声阵列传感器的超声阵元(2)设置9个，所述超高频阵列传感器的超高频阵元(3)设置4个。
4.根据权利要求3所述的电气设备局部放电的检测方法，其特征是，所述三合一传感器的基座(1)两端均设有磁铁(5)。
5.根据权利要求4所述的电气设备局部放电的检测方法，其特征是，所述超声阵列传感器的超声阵元(2)包括导线(7)和固定在柱状外壳内部且依次连接的匹配层(10)、压电材料(9)和吸声背衬(8)，所述导线(7)的一端与接收系统连接，另一端经吸声背衬(8)穿入压电材料(9)中。
6.根据权利要求5所述的电气设备局部放电的检测方法，其特征是，所述超高频阵列传感器的超高频阵元(3)包括金属外壳(14)、绝缘外壳(16)、感应电极(12)、电容介质(13)和BNC接头(15)，所述金属外壳(14)的一侧开口并与待检测电气设备的外壳(11)相对，所述绝缘外壳(16)包覆于金属外壳(14)的外部，所述感应电极(12)为封堵在金属外壳(14)开口处的金属板，所述电容介质(13)夹在感应电极(12)与待检测电气设备的外壳(11)之间，所述BNC接头(15)安装在金属外壳(14)上并通过匹配阻抗(R1)和引线与感应电极(12)连接。
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