CN111157864B - 一种局部放电超声波信号及图谱识别系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种局部放电超声波信号及图谱识别系统。一种局部放电超声波信号及图谱识别系统，其中，包括超声波传感器、信号采集箱和诊断分析仪，所述超声波传感器与所述信号采集箱通过同轴电缆连接，所述信号采集箱与所述诊断分析仪通过USB传输线连接。本发明还提供一种局部放电超声波信号及图谱识别方法。本发明体积小，重量轻，易于现场安装，应用操作简单方便，还能够探测电缆接头和终端局部放电的放电量，并判断出放电故障状态。

Description

一种局部放电超声波信号及图谱识别系统及其方法

技术领域

本发明涉及超声波信号分析技术领域，更具体地，涉及一种局部放电超声波信号及图谱识别系统及其方法。

背景技术

随着电缆接头和终端运行年限的增长，电缆接头和终端长久承受着电应力、机械应力、热应力和环境因素的单一或多重作用，绝缘的介电强度逐渐降低，电缆接头和终端存在缺陷时会产生局部放电现象。对于电缆系统，大部分故障发生于电缆接头和终端，而局部放电是电缆接头和终端绝缘存在局部缺陷的有效手段，如何准确检测此信号并判断绝缘状态是电缆线路可靠运行的关键。

介电材料的局部放电现象可以视为能量以脉冲的形式爆发出来，局部放电源可以视为一个超声波信号源，该信号的幅值与局部放电的放电量成正比。目前，局部放电信号检测方法主要包括电信号检测法和超声波检测法。传统的电信号检测法选用高频传感器对局部放电信号进行采集，但该方法，尤其是在现场测试的情况下，对电磁干扰信号的抗干扰能力较差，局部放电信号在电检测法中可能会被干扰信号湮没，现有的超声波检测方法能够检测出局部放电信号，但是并不能探测并判断出局部放电的放电量和放电故障状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有对电缆接头和终端局部放电检测中易受到干扰信号的影响，不能够探测并判断出局部放电的放电量和放电故障状态的缺点，提供一种局部放电超声波信号及图谱识别系统。本发明体积小，重量轻，易于现场安装，应用操作简单方便，还能够探测电缆接头和终端局部放电的放电量，并判断出放电故障状态。

本发明还提供了一种局部放电超声波信号及图谱识别方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种局部放电超声波信号及图谱识别系统，其中，包括超声波传感器、信号采集箱和诊断分析仪，所述超声波传感器与所述信号采集箱通过同轴电缆连接，所述信号采集箱与所述诊断分析仪通过USB传输线连接。超声波传感器靠近电缆接头或终端，采集超声波原始信号，超声波传感器将原始信号传输到信号采集箱中，信号采集箱对超声波传感器输入的原始信号进行采样形成连续的信号点，信号采集箱再将采样好的信号点的数据出入诊断分析仪，诊断分析仪对信号点的数据进行计算分析得出被测物体的绝缘状态和放电故障类型。

进一步的，所述信号采集箱每秒采集的采样频率f_s不低于10MSa/s，所述信号采集箱在每个50Hz为一周期的工频中的采样点数N₀的计算公式为

由于电缆接头和终端局部放电超声波信号的频率在20k～300k Hz的范围内，故信号采集箱中的每秒采样点数不得低于10MSa/s，才能对超声波信号进行有效的信号采集。

进一步的，所述诊断分析仪上设有显示屏。显示屏能够将诊断分析仪计算的结果和图谱进行现实，便于工作人员查看。

一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，包括以下步骤：

S1.超声波传感器靠近被测电缆接头或终端进行信号探测；

S2.信号采集箱对超声波传感器探测的信号按照每50Hz的工频为一周期进行采样，采样点数为N₀，被采样的点为信号点，所有信号点的数据形成原始信号u；

S3.信号采集箱将原始信号u输入诊断分析仪进行相关性检验识别计算，计算得出该原始信号u中局部放电信号的个数n；

S4.诊断分析仪对局部放电信号的个数n采用K-means聚类方法绘制出局部放电信号图谱，计算出局部放电量；

S5.诊断分析仪根据局部放电信号图谱和局部放电量判断被测电缆接头或终端的绝缘状态和放电故障类型。

当n为0时，表示被测电缆接头或终端并没有局部放电的情况。

进一步的，所述步骤S3具体分为以下步骤：

S31.根据被测的电缆接头或终端已知的中心频率f，分析诊断仪计算出的被测的电缆接头或终端在进行局部放电产生的超声波信号v(t)，其中v(t)根据以下公式计算得出，

v(t)＝e^t/DF cos(2πft)

其中DF为局放波的衰减系数，取值10^-6，t为时间长度；

S32.分析诊断仪将原始信号u的第一个信号点开始，截取同样时间长度t的原始信号u(t)，将u(t)和v(t)进行归一化计算得出

和

S33.分析诊断仪将

与

进行相关性分析，进行以下计算：

若|w(t)|≥0.75，则记录

为局部放电信号，同时记录局部放电信号的信号幅值和局部放电峰值出现的时间的集合P_i(t_i,y_i),i＝1,2,3,...n,这里n为检测到的局部放电信号的个数，t_i为第i个局部放电信号的局部放电峰值出现的时间，y_i为第i个局部放电信号的信号幅值；若|w(t)|≥0.75，则判断为干扰信号，以上过程为第一次相关性分析；

S34.按照原始信号u的时间轴，移动N个信号点数，继续检验

与

的相关性，其中N由以下公式确认：

f_s为所述信号采集箱每秒采集的采样频率；

S35.原始信号u完成全部相关性分析后，累计的局部放电信号个数为n。

进一步，所述步骤S4具体分为以下步骤：

S401.分析诊断仪将n个局部放电信号划分到K个聚类中，K取1；

S402.K取1的聚类中心点为C₁₁＝(tμ₁₁,yμ₁₁)；

S403.分析诊断仪将n个局部放电信号划分到K个聚类中，K取2，其中第1个聚类分配m局部放电信号，第2个聚类分配n-m个局部放电信号；

S404.计算每个聚类初始化的聚类中心点为C_2j＝(tμ_2j,yμ_2j)，j＝1，2

S405.根据每个局部放电信号点到K个聚类中心点的欧式几何距离，将局部放电信号依次重新划分到算出欧式几何距离最小的聚类中；

S406.对于步骤S405中重新划分的局部放电信号形成的聚类，重新计算聚类中心点C_2j′＝(tμ_2j′,yμ_2j′)，j＝1，2；

S407.计算初始化的聚类中心点与步骤S406中重新划分的聚类中心点的偏移量；

S408.若偏移量小于0.1，则得到步骤S405中划分聚类结果为正确，若偏移量大于等于0.1，则重复进行步骤S403至步骤S408，不同的是，需要改变步骤S403中m的取值，直至步骤S407中计算的偏移量小于0.1，若改变m的所有可取值都没有得到偏移量小于0.1，则放弃K取2，K只能取1；

S409.若在步骤S408中确认K可以取1和2，则计算K为1时的所有局部放电信号点到步骤S404中初始聚集中心点的欧式几何距离之和S_K，K＝1，再计算K为2时所有局部放电信号点对应步骤S406中重新计算聚类中心点的欧式几何距离之和S_K′，K＝2，根据S_K和S_K′哪个更小来确定K值，再根据确定的K值确定局部放电图谱和局部放电量，若在步骤S408中确认K只能取1，则直接根据K为1确定局部放电图谱和局部放电量。

由于本技术方案测量的是单芯电缆的电缆接头或是终端的局部放电情况，故K只能取1或2，再根据上文的步骤检测K值是否正确。

进一步的，所述步骤S405中欧式几何距离具体计算公式为：

E_ij＝||P_i-C_2j′||0≤i≤n,0≤j≤K，

E_ij为第i个局部放电信号在第j个聚类的欧式几何距离。

进一步的，步骤S406中重新计算聚类中心点的具体计算公式为：

进一步的，步骤S407中偏移量具体计算公式为：

进一步的，所述步骤S5中，诊断判断仪根据局部放电图谱和局部放电量判断放电故障类型，所述放电故障类型分为电晕放电和沿面放电。根据步骤S409确定的K值就能确定局部放电图谱和放电量，根据局部放电图谱和放电量可以判断出放电故障类型，其中当K值为1时即判断放电类型为电晕放电，其中当K值为2时且两组聚类信号的相位差在160°～200°之间即判断放电类型为沿面放电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过对被测物体进行超声波测试，能够有效避免电磁干扰信号对测试的影响，提高了检测效率和正确率；

2.本发明通过对测得的与原始信号进行计算分析，识别出局部放电信号并绘制局部放电信号和放电图谱，获得局部放电的放电量和放电故障类型，提高了检测精度，为高压电缆接头和终端的绝缘状态进行诊断以及日后的运维提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明一种局部放电超声波信号及图谱识别系统的结构示意图。

图示标记说明如下：

1-超声波传感器，2-同轴电缆，3-USB传输线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

第一实施例

如图1所示为本发明一种局部放电超声波信号及图谱识别系统的第一实施例。一种局部放电超声波信号及图谱识别系统，其中，包括超声波传感器1、信号采集箱和诊断分析仪，超声波传感器与信号采集箱通过同轴电缆2连接，信号采集箱与诊断分析仪通过USB传输线3连接。

其中，信号采集箱的采样频率f_s为10MSa/s，故信号采集箱每秒采集的采样点数f_s为10M，信号采集箱在50Hz为一周期的工频中采样点数N₀根据计算公式

算出为200000，即在超声波探测的原始信号中每隔50Hz，信号采集箱采集200000个信号点的数据输入诊断分析仪，诊断分析仪对信号点的数据进行计算分析，识别出局部放电信号并绘制局部放电图谱，获得局部放电的放电量和放电故障类型。

本实施例的工作原理如下文所述：超声波传感器1靠近电缆接头，探测被测电缆接头超声波信号，超声波传感器1将探测的信号传输到信号采集箱中，信号采集箱对超声波传感器1输入的信号进行采样形成连续的信号点，信号采集箱再将采样好的信号点的数据出入诊断分析仪，诊断分析仪对信号点的数据进行计算分析得出被测物体的绝缘状态和放电故障类型。

第二实施例

一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，信号采集箱的频率f_s与第一实施例相同为10MSa/s，本实施例采用AA Ultrasonic超声波传感器，将AA Ultrasonic超声波传感器于被测电缆接头的距离控制在0.4m，进行以下步骤：

步骤一，信号采集箱对超声波传感器采集的信号按照每50Hz的工频为一周期进行采样，采样点数为N₀，被采样的点为信号点，所有信号点的数据形成原始信号u，N₀的计算公式为

步骤二，首先，根据被测的电缆接头已知的中心频率f，在本实施例中被测电缆接头的中心频率为f＝40kHz，分析诊断仪计算出的被测的电缆接头在进行局部放电产生的超声波信号v(t)，其中v(t)根据以下公式计算得出：

v(t)＝e^t/DFcos(2πft)

DF为局放波的衰减系数，取值10^-6，t为时间长度。

其次，分析诊断仪将原始信号u的第一个信号点开始，截取时间长度t的原始信号u(t)，将u(t)和v(t)进行归一化计算得出

和

再者，分析诊断仪将

与

进行相关性分析，进行以下计算：

若|w(t)|≥0.75，则记录

为局部放电信号，同时记录局部放电信号的信号幅值和局部放电峰值出现的时间的集合P_i(t_i,y_i),i＝1,2,3,...n,这里n为检测到的局部放电信号的个数，t_i为第i个局部放电信号的局部放电峰值出现的时间，y_i为第i个局部放电信号的信号幅值；若|w(t)|≥0.75，则判断为干扰信号，完成一次相关性分析；

进而，按照原始信号u的时间轴，移动N个信号点数，继续检验

与

的相关性，其中N由以下公式确认，

直至所有信号都经过相关性检验，一共进行3194次相关性检验；

最后，原始信号u完成相关性分析后，得到累计的局部放电信号个数为n＝8步骤三，a)分析诊断仪将7个局部放电信号划分到K个聚类中，K取1；

b)聚类初始化的中心点为C₁₁＝(tμ₁₁,yμ₁₁)；

c)分析诊断仪将7个局部放电信号划分到K个聚类中，K取2，其中第1个聚类分配m个局部放电信号，第2个聚类分配7-m个局部放电信号；

d)计算每个聚类初始化的中心点为C_2j＝(tμ_2j,yμ_2j)，j＝1，2

e)根据每个局部放电信号点到K个聚类中心的欧式几何距离，其中，欧式几何距离具体计算公式为中具体计算公式为：

E_ij＝||P_i-C_2j′||0≤i≤n,0≤j≤K

E_ij为第i个局部放电信号在第j个聚类的欧式几何距离将局部放电信号依次划分到几何距离最小的聚类中；

f)对于步骤S405中重新划分的局部放电信号，重新计算聚类中心点，重新计算聚类中心点的具体计算公式为：

g)计算将聚类初始化的中心点与重新计算的聚类中心点的偏移量；偏移量具体计算公式为：

h)若偏移量小于0.1，得到K为2的聚类结果，若偏移量大于等于0.1则重复进行步骤c)至步骤g)，不同的是，改变在步骤S403中m的取值，直至步骤g)中计算的偏移量小于0.1；

i)计算K为1时的所有局部放电信号点到步骤b)中初始聚集中心点的欧式几何距离之和S_K，K＝1，再计算K为2时所有局部放电信号点对应步骤f)中重新计算聚类中心点的欧式几何距离之和S_K′，K＝2，根据S_K和S_K′哪个更小来确定K值，再根据确定的K值确定局部放电图谱和放电量，其中S_K的计算公式为：

比较出当K＝2时，欧式几何距离之和最小，故判断得出K＝2。

步骤四，根据步骤三中i)确定的K值为2，按照最终确定的聚类中心的横坐标和以下公式计算两组聚类信号的相位差α：

计算得到两组信号的相位差α为174.07°，两组局部放电信号出现的时间相差半个周期，确定为局部放电图谱，由于当K值为2时且两组聚类信号的相位差在160°～200°之间即判断放电类型为沿面放电，故确定本实施例被测电缆接头的局部放类型为沿面放电，局部放电活动受到该电缆线路所加电压幅值的影响。超声波信号的大小约为10dB，建议缩短正常巡检周期，对该接头的绝缘状态进行密切关注。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.超声波传感器靠近被测电缆接头或终端进行信号探测；

S2.信号采集箱对超声波传感器探测的信号按照每50Hz的工频为一周期进行采样，采样点数为N₀，被采样的点为信号点，所有信号点的数据形成原始信号u；

S3.信号采集箱将原始信号u输入诊断分析仪进行相关性检验识别计算，计算得出该原始信号u中局部放电信号的个数n；

S4.诊断分析仪对局部放电信号的个数n采用K-means聚类方法绘制出局部放电信号图谱，计算出局部放电量；

S5.诊断分析仪根据局部放电信号图谱和局部放电量判断被测电缆接头或终端的绝缘状态和放电故障类型；

其中，所述步骤S3具体分为以下步骤：

S31.根据被测的电缆接头或终端已知的中心频率f，诊断分析仪计算出被测的电缆接头或终端在进行局部放电产生的超声波信号v(t)，其中v(t)根据以下公式计算得出，

v(t)＝e^t/DFcos(2πft)

其中DF为局放波的衰减系数，取值10^-6，t为时间长度；

S32.诊断分析仪从原始信号u的第一个信号点开始，截取同样时间长度t的原始信号u(t)，将u(t)和v(t)进行归一化计算得出

和

S33.诊断分析仪将

与

进行相关性分析，进行以下计算：

若|w(t)|≥0.75，则记录

为局部放电信号，同时记录局部放电信号的信号幅值和局部放电峰值出现的时间的集合P_i(t_i,y_i),i＝1,2,3,...n,这里n为检测到的局部放电信号的个数，t_i为第i个局部放电信号的局部放电峰值出现的时间，y_i为第i个局部放电信号的信号幅值；若|w(t)|≤0.75，则判断

为干扰信号，以上步骤S31-S33的过程为第一次相关性分析；

S34.按照原始信号u的时间轴，移动N个信号点数，继续检验

与

的相关性，其中N由以下公式确认：

f_s为所述信号采集箱每秒采集的采样频率；

S35.原始信号u完成全部相关性分析后，累计的局部放电信号个数为n。

2.根据权利要求1所述的一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，其特征在于：所述步骤S4具体分为以下步骤：

S401.诊断分析仪将n个局部放电信号划分到K个聚类中，K取1；

S402.K取1的聚类中心点为C₁₁＝(tμ₁₁,yμ₁₁)；

S403.诊断分析仪将n个局部放电信号划分到K个聚类中，K取2，其中第1个聚类分配m个局部放电信号，第2个聚类分配n-m个局部放电信号；

S404.计算每个聚类初始化的聚类中心点为C_2j＝(tμ_2j,yμ_2j)，j＝1，2；

S405.根据每个局部放电信号点到K个聚类中心点的欧式几何距离，将局部放电信号依次重新划分到算出欧式几何距离最小的聚类中；

S406.对于步骤S405中重新划分的局部放电信号形成的聚类，重新计算聚类中心点C_2j′＝(tμ_2j′,yμ_2j′)，j＝1，2；

S407.计算初始化的聚类中心点与步骤S406中重新计算的聚类中心点的偏移量；

S408.若偏移量小于0.1，则得到步骤S405中划分聚类结果为正确，若偏移量大于等于0.1，则重复进行步骤S403至步骤S408，不同的是，需要改变步骤S403中m的取值，直至步骤S407中计算的偏移量小于0.1，若改变m的所有可取值都没有得到偏移量小于0.1，则放弃K取2，K只能取1；

S409.若在步骤S408中确认K可以取1和2，则计算K为1时的所有局部放电信号点到步骤S404中初始聚类中心点的欧式几何距离之和S_K，K＝1，再计算K为2时所有局部放电信号点对应步骤S406中重新计算聚类中心点的欧式几何距离之和S_K′，K＝2，根据S_K和S_K′哪个更小来确定K值，再根据确定的K值确定局部放电图谱和局部放电量，若在步骤S408中确认K只能取1，则直接根据K为1确定局部放电图谱和局部放电量。

3.根据权利要求2所述的一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，其特征在于：所述步骤S405中欧式几何距离具体计算公式为：

E_ij＝||P_i-C_2j′||0≤i≤n,0≤j≤K，

E_ij为第i个局部放电信号在第j个聚类的欧式几何距离。

4.根据权利要求3所述的一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，其特征在于：所述步骤S406中重新计算聚类中心点的具体计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，其特征在于：所述步骤S407中偏移量具体计算公式为：

6.根据权利要求5所述的一种局部放电超声波信号及图谱识别方法，其特征在于：所述步骤S5中，诊断分析仪根据局部放电信号图谱和局部放电量判断放电故障类型，所述放电故障类型分为电晕放电和沿面放电。

7.一种应用权利要求1至6任一所述的局部放电超声波信号及图谱识别方法的局部放电超声波信号及图谱识别系统，其特征在于：包括超声波传感器、信号采集箱和诊断分析仪，所述超声波传感器与所述信号采集箱通过同轴电缆连接，所述信号采集箱与所述诊断分析仪通过USB传输线连接。

8.根据权利要求7所述的局部放电超声波信号及图谱识别系统，其特征在于：所述信号采集箱每秒采集的采样频率f_s不低于10MSa/s，所述信号采集箱在每个50Hz为一周期的工频中的采样点数N₀的计算公式为

9.根据权利要求7所述的局部放电超声波信号及图谱识别系统，其特征在于：所述诊断分析仪上设有显示屏。

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