CN108957266A - 内置式gis用局部放电特高频与超声波联合检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统及方法，该系统包括被监测对象GIS、特高频和超声波一体化传感器、3db耦合器、光纤传输、光源、同轴电缆、光电转换和放大器装置、滤波和放大器装置、双通道数据采集和存储装置、以及控制与显示装置，所述的特高频和超声波一体化传感器在被监测对象GIS外壳上进行内置式安装布置，所述的电转换和放大器装置、滤波和放大器装置分别与双通道数据采集和存储装置连接，所述的双通道数据采集和存储装置与控制与显示装置连接。与现有技术相比，本发明具有简单、实用、可靠、降低电磁干扰、能够相互佐证信号源等优点。

Description

内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统及方法

技术领域

本发明涉及GIS局部放电检测领域，尤其是涉及一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统及方法。

背景技术

目前，电力设备的运行信息主要包括设备巡视、维护、故障跳闸、缺陷记录，在线监测和带电检测数据，以及不良工况信息等。由于在线监测和带电检测数据的重要性，关于深化电网设备状态检修工作的重点工作内容指出：需加强成熟有效检测装置配置，推动带电检测技术；以及加快输变电状态监测系统建设，扩大成熟有效在线监测技术的应用范围。电网设备状态检修技术标准汇编——第四分册：电网设备状态监(检)测中，《变电设备在线监测系统技术导则》和《电力设备带电检测技术规范》基于在线监测和带电检测技术的发展水平、系统应用效果以及变电设备重要程度，对变压器(电抗器)、断路器及GIS(含HGIS)等在线监测系统及带电检测仪器配置原则均作了规定。其中，局部放电监(检)测作为一项重要技术应用于包括变压器(电抗器)、GIS、断路器及高压电缆等多个重要设备。

经过检索，中国专利公开号为CN206920549U公开了一种特高频传感器，包括金属屏蔽罩、基板、天线、同轴馈线和信号输出接头，所述基板位于金属屏蔽罩内部的底部，所述天线位于基板上，所述信号输出接头位于金属屏蔽罩的顶部，所述信号输出接头通过同轴馈线与所述天线连接。该特高频传感器具有体积小、安装使用方便、抗干扰能力强的优点，解决了现有技术存在的性能指标差、灵敏度低的不足，使用效果好，制作简便，利于推广使用。所述特高频传感器对于有效获取特高频信号、排除干扰信号、扩大特高频法在GIS局部放电检测中应用具有重要意义。但该实用新型的传感器只能检测局部放电产生电磁波信号，与超声波信号检测传感器独立使用，不能够相互佐证信号源。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统，该系统包括被监测对象GIS、特高频和超声波一体化传感器、3db耦合器、光纤传输、光源、同轴电缆、光电转换和放大器装置、滤波和放大器装置、双通道数据采集和存储装置、以及控制与显示装置，所述的特高频和超声波一体化传感器在被监测对象GIS外壳上进行内置式安装布置，所述的电转换和放大器装置、滤波和放大器装置分别与双通道数据采集和存储装置连接，所述的双通道数据采集和存储装置与控制与显示装置连接；

所述的特高频和超声波一体化传感器通过光纤传输依次连接3db耦合器和光电转换和放大器装置，所述的光源与3db耦合器连接，组成基于非本征光纤法布里-珀罗干涉仪传感器测量被监测对象GIS中局部放电超声波信号的检测回路；

所述的特高频和超声波一体化传感器通过同轴电缆连接滤波和放大器装置组成测量被监测对象GIS中局部放电电磁波信号的特高频传感检测回路；

所述的局部放电超声波和电磁波信号转成电压模拟信号均输入双通道数据采集和存储装置进行采集、存储和传输，所述的控制与显示装置对GIS局部放电特高频和超声波信号进行显示和分析。

优选地，所述的特高频和超声波一体化传感器包括环氧圆盘、超声波传感器探头、特高频传感器、金属管，所述的超声波传感器探头设于环氧圆盘表面中心，所述的特高频传感器设于环氧圆盘内部中心且平行于圆盘平面，所述的超声波传感器探头通过单模光纤连接3db耦合器，所述的特高频传感器通过同轴电缆连接滤波和放大器装置，所述的单模光纤和同轴电缆封装于金属管内，所述的金属管的一端封装于环氧圆盘内。

优选地，所述的特高频传感器为双臂阿基米德平面螺旋天线。

优选地，所述的双臂阿基米德平面螺旋天线为两个反向馈电的阿基米德螺旋线对称放置.

优选地，，所述的阿基米德螺旋天线为印刷技术制造的金属螺线。

优选地，所述的金属螺线的宽度等于两条金属螺线间的距离。

优选地，所述的控制与显示装置的显示内容包括：放电幅值、频率、相位、波形和PRPD谱图，所述的控制与显示装置的分析内容包括：信号趋势分析、模式识别。

优选地，所述的控制与显示装置通过数据线对光电转换和放大器装置、滤波和放大器装置和双通道数据采集和存储装置进行参数设置，

一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，基于MEMS技术加工非本征光纤法布里-珀罗干涉仪超声传感器，并将局部放电特高频、超声波传感器设计成GIS用内置式一体化传感器；

步骤2，将内置式一体化传感器在GIS上安装；

步骤3，按非本征光纤法布里-珀罗干涉仪超声传感器原理和特高频传感器原理连接工作回路；

步骤4，利用双通道数据采集和存储装置对局部放电特高频、超声波信号进行采集、存储和传输；

步骤5，GIS局部放电特高频、超声波信号显示和对比分析。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供了一种能够同时测量GIS中局部放电特高频、超声波脉冲信号的联合检测方法。

2、本发明提供了一种GIS局部放电检测用特高频、超声波一体化内置式传感器。

3、本发明提供了一种新型的GIS局部放电信号特高频、超声波内置式检测相互佐证(声-电联合)分析方法。

附图说明

图1为本发明的系统方框结构示意图。

图2为本发明的方法工作流程图。

图3为本发明的一体化传感器的结构剖视图。

图4为本发明的一体化传感器的特高频传感器的结构示意图。

图5为图3的A部局部放大图。

图6为双臂阿基米德平面螺旋天线的原理图。

图7为本发明的非本征光纤法布里-珀罗干涉仪传感器工作原理示意图。

图8为图7的B部局部放大图。

其中1为被监测对象GIS，2为特高频和超声波一体化传感器，3为3db耦合器，4为光纤传输，5为光源，6为同轴电缆，7为光电转换和放大器装置，8为滤波和放大器装置，9为双通道数据采集和存储装置，10为控制与显示装置，21为环氧圆盘，22为超声波传感器探头，23为特高频传感器，24为金属管，25为单模光纤。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统，该系统包括被监测对象GIS1、特高频和超声波一体化传感器2、3db耦合器3、光纤传输4、光源5、同轴电缆6、光电转换和放大器装置7、滤波和放大器装置8、双通道数据采集和存储装置9和控制与显示装置10。

所述的特高频和超声波一体化传感器2为具备同时测量特高频、超声波信号的局部放电传感器，所述的特高频和超声波一体化传感器2在被监测对象GIS1外壳上进行内置式安装布置，所述的特高频和超声波一体化传感器2通过光纤传输4连接3db耦合器3、光源5和光电转换和放大器装置7组成基于非本征光纤法布里-珀罗干涉仪传感器测量被监测对象GIS中局部放电超声波信号的检测回路；所述的特高频和超声波一体化传感器2通过同轴电缆6连接滤波和放大器装置8组成测量被监测对象GIS中局部放电电磁波信号的特高频传感检测回路，所述的局部放电超声波和电磁波信号转成电压模拟信号均输入双通道数据采集和存储装置9进行采集、存储和传输，所述的控制与显示装置10通过数据线对光电转换和放大器装置7、滤波和放大器装置8和双通道数据采集和存储装置9进行参数设置，所述的控制与显示装置10对GIS局部放电特高频和超声波信号进行显示和分析。

如图3所示，所述的特高频和超声波一体化传感器2包括环氧圆盘21、超声波传感器探头22、特高频传感器23、金属管24、单模光纤25和同轴电缆6，所述的超声波传感器探头22设于环氧圆盘21表面中心，所述的特高频传感器23设于环氧圆盘21内部中心且平行于圆盘21平面，所述的超声波传感器探头22通过单模光纤25连接3db耦合器3，所述的特高频传感器23通过同轴电缆6连接滤波和放大器装置8，所述的单模光纤25和同轴电缆6封装于金属管24内，所述的金属管24的一端封装于环氧圆盘21内。

如图4所示，所述的特高频传感器为双臂阿基米德平面螺旋天线，所述的双臂阿基米德平面螺旋天线为两个反向馈电的阿基米德螺旋线对称放置，所述的阿基米德螺旋线为印刷技术制造的金属螺线，所述的金属螺线的宽度等于两条金属螺线间的距离。

所述的控制与显示装置的显示内容包括：放电幅值、频率、相位、波形和PRPD谱图，所述的控制与显示装置的分析内容包括：信号趋势分析、模式识别等。

如图2所示，一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测的方法，包括以下步骤：

步骤1，基于MEMS技术加工非本征光纤法布里-珀罗干涉仪超声传感器，并将局部放电特高频、超声波传感器设计成GIS用内置式一体化传感器；

步骤2，将内置式一体化传感器在GIS上安装；

步骤3，按非本征光纤法布里-珀罗干涉仪超声传感器原理和特高频传感器原理连接工作回路；

步骤4，利用双通道数据采集和存储装置对局部放电特高频、超声波信号进行采集、存储和传输；

步骤5，GIS局部放电特高频、超声波信号显示和对比分析。

本发明的检测系统的工作原理：特高频和超声波传感器由环氧封装成一个圆盘结构，特高频传感器布置在环氧圆盘中心，接收GIS内部局部放电产生的电磁波信号；超声波传感器探头布置在圆盘表面，接收GIS内部局部放电产生的超声波信号。

如图6所示，其中GIS局部放电特高频信号传感器采用的是双臂阿基米德平面螺旋天线。阿基米德平面螺旋线的方程为：

式中：r为曲线上任意一点到极坐标原点的距离；为方位角；为起始角；r₀为螺旋线起始点到原点的距离；a为常数，称为螺旋增长率。本发明采用的螺旋天线是由两个反向馈电的阿基米德螺旋对称放置，得到两条起始点分别为A、B的对称螺线，如图4所示。以这样的两条阿基米德螺线为两臂，在A、B两点对称馈电，就构成了阿基米德平面螺旋天线。采用印刷技术制造这种天线，并使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以形成自补结构，有利于实现宽频带阻抗匹配。

如图7和图8所示，局部放电超声波传感器采用的是非本征光纤法布里-珀罗干涉仪传感器，其工作原理：从光源发射出的单色光经过3dB耦合器(或者环形器)沿着光纤传入测量探头即法珀腔，入射光在光纤与法珀腔第一个交界面处形成第一次反射(反射1)，在法珀腔内侧硅薄膜片处形成第二次反射(反射2)，它们的干涉结果再经过3dB耦合器(或者环形器)输出至光电转换装置。局部放电形成的超声波作用于探头法珀腔的硅模薄片，改变了两个反射面之间的光程即法珀腔腔长，导致干涉相位和光强度发生变化，两者的关系式如下：

式中：R₁为光纤与法珀腔第一个交界面处的反射率；R₂为法珀腔内侧硅薄膜片处的反射率；δ为干涉相位，δ＝4πnl/λ，n为法珀腔密封介质气体折射率，l为法珀腔腔长，λ为光源波长；I_o为反射输出光强；I_i为光源入射光强。

本发明的传感器、数据采集的参数等分别定义如下：

(1)、双臂阿基米德平面螺旋天线

圆盘半径：15cm；

输入阻抗：200Ω；

有效带宽：300MHz～3000MHz。

(2)、非本征光纤法布里-珀罗法珀腔体探头

密封气体介质：空气；

腔体长度：15μm

腔体半径：100μm。

加工工艺：MEMS技术。

(3)、光源及光纤等

光源：LED激光器，波长1550nm，功率2mW；

光纤：单模，波长1550nm，纤芯9μm；

耦合器：波长1550nm，各种损耗均大于50dB；

光电转换：光电二极管，波长1550nm，受光面积1mm，灵敏度1mA/mW。

(4)、特高频电压信号采集

检测频带：300MHz～3000MHz；

检测通道：1CH；

滤波带宽：500MHz～1500MHz；

动态范围：-80～15dBm；

采样率：3GS/s；

(5)超声波电压信号采集

检测频带：10kHz～200kHz；

检测通道：1CH；

滤波带宽：50kHz～150kHz；

灵敏度：≤3dB；

采样率：2MS/s；

(6)显示和分析

显示：放电幅值、频率、相位、波形，以及PRPD谱图；

分析：信号趋势分析、模式识别等。

本发明采用的双臂阿基米德平面螺旋天线其尺寸和电气性能参数可以变化。

本发明采用的非本征光纤法布里-珀罗法珀腔体探头，其法珀腔的密封气体介质、长度、半径等参数以及加工工艺可以变化，构成干涉原理的光源及光纤参数也可以变化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统，其特征在于，该系统包括被监测对象GIS、特高频和超声波一体化传感器、3db耦合器、光纤传输、光源、同轴电缆、光电转换和放大器装置、滤波和放大器装置、双通道数据采集和存储装置、以及控制与显示装置，所述的特高频和超声波一体化传感器在被监测对象GIS外壳上进行内置式安装布置，所述的电转换和放大器装置、滤波和放大器装置分别与双通道数据采集和存储装置连接，所述的双通道数据采集和存储装置与控制与显示装置连接；

所述的特高频和超声波一体化传感器通过光纤传输依次连接3db耦合器和光电转换和放大器装置，所述的光源与3db耦合器连接，组成基于非本征光纤法布里-珀罗干涉仪传感器测量被监测对象GIS中局部放电超声波信号的检测回路；

所述的特高频和超声波一体化传感器通过同轴电缆连接滤波和放大器装置组成测量被监测对象GIS中局部放电电磁波信号的特高频传感检测回路；

所述的局部放电超声波和电磁波信号转成电压模拟信号均输入双通道数据采集和存储装置进行采集、存储和传输，所述的控制与显示装置对GIS局部放电特高频和超声波信号进行显示和分析。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的特高频和超声波一体化传感器包括环氧圆盘、超声波传感器探头、特高频传感器、金属管，所述的超声波传感器探头设于环氧圆盘表面中心，所述的特高频传感器设于环氧圆盘内部中心且平行于圆盘平面，所述的超声波传感器探头通过单模光纤连接3db耦合器，所述的特高频传感器通过同轴电缆连接滤波和放大器装置，所述的单模光纤和同轴电缆封装于金属管内，所述的金属管的一端封装于环氧圆盘内。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的特高频传感器为双臂阿基米德平面螺旋天线。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的双臂阿基米德平面螺旋天线为两个反向馈电的阿基米德螺旋线对称放置。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的阿基米德螺旋天线为印刷技术制造的金属螺线。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的金属螺线的宽度等于两条金属螺线间的距离。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制与显示装置的显示内容包括：放电幅值、频率、相位、波形和PRPD谱图，所述的控制与显示装置的分析内容包括：信号趋势分析、模式识别。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制与显示装置通过数据线对光电转换和放大器装置、滤波和放大器装置和双通道数据采集和存储装置进行参数设置。

9.一种采用权利要求2所述的内置式GIS用局部放电特高频与超声波联合检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于MEMS技术加工非本征光纤法布里-珀罗干涉仪超声传感器，并将局部放电特高频、超声波传感器设计成GIS用内置式一体化传感器；

步骤2，将内置式一体化传感器在GIS上安装；

步骤3，按非本征光纤法布里-珀罗干涉仪超声传感器原理和特高频传感器原理连接工作回路；

步骤4，利用双通道数据采集和存储装置对局部放电特高频、超声波信号进行采集、存储和传输；

步骤5，GIS局部放电特高频、超声波信号显示和对比分析。