CN109444691A - 基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统 - Google Patents

基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统 Download PDF

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杜伯学
王福裕
韩涛
朱闻博
马婷婷
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Abstract

本发明公开一种基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统，主要由多物理场耦合硅橡胶局部放电装置、超声信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元四个部分构成。所述多物理场耦合硅橡胶局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置。所述超声信号采集装置用以获取硅橡胶所产生的超声局部放电信号。所述数据传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输。本发明采用基于超声法的检测系统更具优势，能够实现准确的信号捕捉，通过将采集结果通过无线传输至数据分析单元，保证操作安全可靠。

Description

基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统
技术领域
本发明属于硅橡胶放电测量技术领域，涉及一种基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统。
背景技术
电力系统的安全、稳定、高效运行一直以来都是电力系统工作人员所追求的，也是电力研发人员所广泛深入研究的一个关键性问题。尤其供电设备可靠性工作更是保证了生产部门乃至整个国家电力系统的安全。
随着电网建设的迅猛发展，电力负荷的快速增长，受电磁环境和线路通道等因素的制约，为了达到城市美化及供电质量的标准，高压电力电缆线路迅速增长，由于电气设备可能存在比如结构不合理、材料质量缺陷造成老化等自身的制造缺陷，并且在工业现场受到周围比如高强度电磁辐射、高温度、高湿度等环境的干扰，这些都容易引起电力设备的绝缘故障。从而影响整个电网的安全运行，所以确保整个电力系统安全工作的关键是对存在绝缘故障隐患的高压电气设备进行排除和检修。在造成绝缘故障的诸多因素中，局部放电是导致电力设备故障的主要因素。
在高压设备在发生故障前，作为故障发生的前兆，局部放电现象也会伴随产生，为了最大限度的减少爆炸等事故带来的人员伤亡和经济损失，因此对这些局部放电信号进行采样分析是必不可少的。这些放电特征可以是声波、电磁波、光、震动等物理现象，这样避免了与电气系统的直接接触，安全性和可靠性都得到了提高。所以采用非电在线局部放电监测技术已经成为主流的高压电气设备绝缘状态诊断的主要方法。
现在更多的现场工作人员与设计人员更加需要的是如何在不停机的状态下判断局部放电是否产生，强度多大，如何排除隐患，尤其当现场放电强度很强时，通过局部放电检测技术来评价系统的绝缘强度，使用寿命等。面对这种需求，超声波局部放电检测法是最佳的检测方法。
随着高压直流输电工程(High Voltage Direct Current,HVDC)发展，直流电压，脉冲电压和谐波电压作用下硅橡胶局部放电现象分析成为研究热点。但是现阶段，国内外对复合电压下局部放电的试验与诊断技术的研究仍然处于起步阶段。
超声波法是一种非侵入式检测方法，与电气系统没有直接的接触，受外部电磁噪声影响较小，因此，比较适合于现场使用。超声法检测频段通常为20-300kHz，具有受现场电磁干扰的影响小，便捷适宜等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、准确定位和故障类型识别。
Zigbee串口模块是基于Zigbee2007/PRO协议栈的2.4G Zigbee无线串口透明传输通信模块。模块基于TI高性能低功耗的2.4G射频收发芯片CC2530及大功率低噪声射频前端芯片 CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zigbee无线传感网络的组网。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统，利用超声的局部放电检测技术，对多物理场下硅橡胶局部放电缺陷进行诊断和识别。
本发明针对硅橡胶在复合电场下的局部放电检测，通过将超声法与直流叠加谐波电压装置相结合，能够保持高灵敏度对运行的硅橡胶局部放电进行检测，并通过信号采集和信号处理传输至主机，进而从局部放电方面描述硅橡胶劣化的局部放电检测系统。
本发明为解决背景技术中的技术问题，采用的技术方案如下：基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，主要由多物理场耦合硅橡胶局部放电装置、超声信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元四个部分构成；
所述多物理场耦合硅橡胶局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端；
所述模拟局部放电装置主要由两个指压型电极构成：其中的一个指压型电极与所述复合单元的输出端相连，另一个指型电极与大地相连；
所述超声信号采集装置用以获取硅橡胶所产生的超声局部放电信号，包括复合传感器、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大电路和稳压电路；
所述复合传感器由超声传感器和特高频传感器构成；
所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接至数据传输单元的输入端；
所述数据传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输，所述数据采集传输单元的输出端连接射频(Radio Frequency,RF)天线，通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至主机显示单元；
所述主机显示单元用于获取从数据传输单元传过来的数据，并进行局部放电相位谱图和脉冲序列相位谱图的描点，将结果显示在人机界面上，并可进行数据存储和读取。
所述直流电源为两个静电纺丝高压源(一个正压，一个负压)。
所述谐波电源由一台单进单出变频电源和一台试验变压器构成。
所述复合单元由两个高压薄膜电容和两个高压电阻构成。
所述数据传输单元集成在超声信号采集装置中。
所述复合传感器中超声传感器负责接收放电源产生的放电超声信号，用于后续放电特性及缺陷模式识别研究；超高频传感器用来获得放电时间基准，用于缺陷定位。
所述放大电路采用型号为OPA211芯片实现的放大。
所述滤波电路为六阶巴特沃斯高通滤波器，低频端截止频率约为100kHz,高频端截止频率约为300MHz。
所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成。
所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的1.5倍放大和电压跟随。
有益效果
1、本发明实现同时施加直流电压和谐波电压，能够准确模拟硅橡胶在实际工作中的复杂工况，并且正负直流电压源切换快捷，保证实验安全。谐波电压发生器的输出电压和频率均可调节，保证功能完善。
2、复合传感器中超声传感器负责接收放电源产生的放电超声信号，用于后续放电特性及缺陷模式识别研究；超高频传感器用来获得放电时间基准，用于缺陷定位，能够更加准确捕捉到局部放电信号。
3、主机分析功能强大，具有数据对比库和分析模式，能够查阅存储历史数据，并能够自行定义图片编号和日期，从PRPD和PRPS两种谱图协同分析局部放电特征，并进行模式识别。
4、具备多种图形参数设置功能，可进行可视化降噪功能，可设定阈值和采样间隔以及电源频率等。
5、完全数字化显示，界面更加直观，简洁明了，人机交互友好。
6、与现有检测技术和检测装置相比，本发明能够准确模拟硅橡胶材料中在实际工况下所产生的局部放电信号，检测准确，便于工作人员操作设置和诊断，采用基于超声法的检测系统更具优势，能够实现准确的信号捕捉，通过将采集结果通过无线传输至数据分析单元，保证操作安全可靠。
附图说明
图1是本发明的电压复合单元电路接线图；
图2是本发明的系统结构装置图；
图3是本发明的超声信号采集装置结构框图；
图4是本发明的主机显示单元结构框图。
图5是本发明的主机页面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统是如何实现的。
本发明通过复合传感器对硅橡胶局部放电进行检测，从PRPD和PRPS谱图两个方面描述硅橡胶在多物理场耦合作用下的局部放电特征，研究硅橡胶的介电性能。本发明通过以下措施来达到：提供一种基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统，即一种基于超声传感器和多物理场耦合局部放电装置实现硅橡胶的局部放电动态和高灵敏度检测。
如图2所示，本发明基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统，用于研究换流变复杂工况下硅橡胶的局部放电特征研究。包括：多物理场耦合硅橡胶局部放电装置、超声信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元。
所述多物理场耦合硅橡胶局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端。
本实施例中所述直流电源由一台正极性东文静电纺丝高压电源和一台负极性东文静电纺丝高压电源构成，型号为DW-P503，内部采用模块化电路设计，输出稳压精度高，输出电压连续可调，并带有高精度输出电压及电流数字显示。
本实施例中所述谐波电源由一台10kVA单相输入单相输出交流单相变频电源和一台试验变压器组成，所述变频电源的型号为OYHS-9803，频率在40-499.9Hz连续可调，输出电压在 0-300V连续可调，波形为正弦波，失真率≤1％。所述试验变压器型号为武汉三鑫华泰电气10kVA 变压器，额定输出电压为AC 16kV，额定输入电压为200V；所述变频电源输出端通过三相电源线与所述试验变压器的输入端相连。
本实施例中所述复合单元为一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和一个大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻串联而成的隔直电路与一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和一个大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻搭建而成的低通滤波电路组成。所述聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器的型号为EACO-SDD，容值为0.1μF，耐压等级20kV，所述大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻的型号为RI80，阻值为1MΩ；电路连接如附图1所示。
本实施例中所述模拟局部放电装置为一个型号为HB-HP-6040汉邦恒温加热平台和两个指压型电极构成，加热平台采用电阻丝发热进行升温，可以实现快速升温。平台内置MCU程控温度并配置独立感温探头，面板每点差小于±2℃，可保证试样均匀恒温受热，并配有实际温度和设定温度的数字显示。其中一个指型电极与所述复合单元的输出端相连，另一个指型电极与大地相连。
超声采集装置的结构框图如图3所示，用以获取超声局部放电信号，包括依次串接的复合传感器、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大和稳压电路，所述电压反馈放大和稳压电路的输出端连接至数据传输单元的输入端。
本实施例中所述复合传感器中超声传感器负责接收放电源产生的放电超声信号，用于后续放电特性及缺陷模式识别研究；超高频传感器用来获得放电时间基准，用于缺陷定位。
本实施例中所述放大电路采用两个型号为OP211芯片串联实现的二级放大电路，所述滤波电路为所述滤波电路为六阶巴特沃斯高通滤波器，低频端截止频率约为100kHz,高频端截止频率约为300MHz，所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成，电容值 1nF和电阻值5MΩ，所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的 1.5倍放大和电压跟随。
当局部发生放电时，会产生持续时间仅为ns级的脉冲电流，实验产生的超声波信号、超高频信号和施加电压信号由采集卡获取，经过软件滤波、去噪等数据处理技术后，有效避开电晕等干扰信号，用以捕获准确的局部放电信号。计算出局部放电超声波信号的各种谱图并显示，然后计算出这些谱图的统计参数，对多次实验的这种放电的统计参数进行特征提取，从而构成典型缺陷放电特征指纹。
所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至主机显示单元。
所述数据传输单元采用高性能STM32系列ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用高性能ARM芯片自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，同时通过UART串口通信，与传输单元发送模块相连接，将采集到的信号进行编码，通过无线传输将数据送至主机显示单元；所述的数据传输单元采用ZAuZx_T系列Zigbee串口透传模块经过 RF天线实现无线传输通信。
主机显示单元的结构框图如图4所示，用于对局部放电数据进行分析以及进行PRPD和 PRPS的描点，并且对超声法的局部放电状态做出判断，将分析的结果进行存储和查询。采用高性能ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用STM32系列高性能ARM芯片，通过自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，对接收信号的幅值进行测量并且计算局部放电信号脉冲个数，以所测量的局部放电脉冲信号值的大小以及脉冲个数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱，以此进行PRPD和PRPS谱图的描点，单位为dB，如图5所示。
电源采用外置锂电池供电，方便拆卸进行充电。
本发明的基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统，具体的使用环境及其方法如下：
1、使用环境
海拔高度：≤1000m
工作温度：-20℃-40℃
工作湿度：0-90％，无凝露
无火灾、爆炸危险，严重污秽化学腐蚀、剧烈振动、强电磁干扰及雷击场所被测设备要良好接地
2、使用方法
⑴硅橡胶试样制作步骤
①在长为24cm，宽为4cm的亚克力盒子里用磁铁固定好长为24cm，宽为2cm的试样合，在距离底面2mm的地方在亚克力板上打孔，用于固定针的位置，防止针移动。
②在试样盒里放入1.5cm*1.5cm的载玻片，使针尖距离载玻片的边缘2mm。随后挤入硅橡胶试样。本实例中采用溧阳市宏大有限公司生产的ROHS-704硅橡胶。
③将试样放入型号为DZF型热真空干燥箱中进行抽取真空，抽取真空时间设置为1小时，直至无气泡产生。
④取出抽取真空后的硅橡胶试样进行硫化后，需要硫化48h。
⑵局部放电检测步骤
①将两个指型电极相对放在在恒温加热平台上并固定，电极之间距离设定为10CM，将硅橡胶试样放在电极之间，并确保试样加上电压。
②设定所述高压直流电源的电压幅值为10kV,设定所述谐波电压频率为250Hz，超声传感器距离试样约为5cm，通过主机设定显示脉冲电数为1000个，触发电平为1dB。
③升高谐波电压发生器产生的电压幅值，当硅橡胶发生局部放电时，超声传感器从试样传导出来的横向电磁波信号，经过放大滤波处理后通过检波电路进而得到可以送至ARM的有效采集脉冲信号，经过A/D数模转换后，经UART串口传至Zigbee模块，通过RF天线无线传输送至主机显示单元；同时主机还提供人机界面和数据存储和查询功能，并实时输出PRPD和 PRPS谱图。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.基于超声法的多物理场耦合硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，主要由多物理场耦合硅橡胶局部放电装置、超声信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元四个部分构成；
所述多物理场耦合硅橡胶局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端；所述模拟局部放电装置主要将两个指型电极构成：其中的一个指压型电极与所述复合单元的输出端相连，另一个指型电极与大地相连；
所述超声信号采集装置用以获取硅橡胶所产生的超声局部放电信号，包括复合传感器、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大电路和稳压电路；
所述复合传感器由超声传感器和特高频传感器构成；
所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接至数据传输单元的输入端；
所述数据传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输，所述数据采集传输单元的输出端连接射频天线，通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至主机显示单元；
所述主机显示单元用于获取从数据传输单元传过来的数据，并进行局部放电相位谱图和脉冲序列相位谱图的描点，将结果显示在人机界面上，并可进行数据存储和读取。
2.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述直流电源为两个静电纺丝高压源(一个正压，一个负压)。
3.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述谐波电源由一台单进单出变频电源和一台试验变压器构成。
4.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述复合单元由两个高压薄膜电容，两个高压电阻构成。
5.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述数据传输单元集成在超声信号采集装置中。
6.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述复合传感器中超声传感器负责接收放电源产生的放电超声信号，用于后续放电特性及缺陷模式识别研究；超高频传感器用来获得放电时间基准，用于缺陷定位。
7.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述放大电路采用型号为OPA211芯片实现放大。
8.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述滤波电路为六阶巴特沃斯高通滤波器，低频端截止频率约为100kHz,高频端截止频率约为300MHz。
9.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成。
10.根据权利要求1所述的基于超声法的多物理场硅橡胶局部放电检测系统，其特征在于，所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的1.5倍放大和电压跟随。
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