CN111624445A - 一种基于红外测温传感器的局放检测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外测温传感器的局放检测方法和设备，该方法包括利用红外测温传感器获取高压电缆接头测温数据，计算机部分通过识别一个采样周期内测温数据生成的时域波形图以及频域频谱图中的频率分布状态来判断是否存在局放现象以及局放出现的频次和幅度，对多个采样周期测温数据的等效时宽特征值和中心频次特征值进行趋势分析，来判断局放故障的等级和发展趋势。本发明的局放检测设备通过使用本方法能进行分布式局放在线检测，传感器体积小，安装简便，成本低，寿命长，局放诊断快速。
Description
技术领域
本发明涉及局放检测技术，尤其涉及一种基于红外测温传感器的局放检测方法和设备。
背景技术
在高压电力设备上，电气接点部位发生局放故障的情况，相对较少，而一旦发生局放故障，则危害性很大。在局放发展的晚期，如没有及时发现并排除故障点，很大可能会发生烧毁或爆炸等事故。市场上已有多种局放检测的设备，比较成熟的是通过探测超声波、地电波、高频脉冲电流、超高频或特高频电磁波等的高频信号。多数做成便携式设备，在线设备较少，设备成本较高。
电缆接头部位发生局放的危害是：
(1)局放发热。局放现象具有周期性热效应，进而促使电缆头产生松动故障。
(2)局放致使紧固螺栓老化。局放现象中的放电点体积微小但是温度很高，在微观上对紧固螺栓形成热腐蚀。
电缆接头部位局放检测的难度是：
(1)局放信号难以被及时检测到。因局放发生的断续性和不确定的周期性，通常的局放检测仪器，难以实时捕捉到局放信号。所以电力设备的局放类事故多表现为突发性。
(2)局放故障难以被准确定位。局放多发生在一次电气接点，或绝缘材料损伤的部位。通常的局放监测仪器在设备壳体外面进行检测，难以确定局放发生的具体部位。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于红外测温传感器的局放检测方法，其能及时检测局放故障信号，定位局放发生位置，同时对局放故障进行预测。
本发明的目的之二在于提供一种基于红外测温传感器的局放检测设备，其能实现本发明的目的之一，具有体积小，便于分布式安装，寿命长的优点。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种基于红外测温传感器的局放检测方法，主要应用于高压电缆接头部位的特定条件下，包括以下步骤：
一种基于红外测温传感器的局放检测方法，主要应用于高压电缆接头部位的特定条件下，包括以下步骤：
步骤1、利用红外测温传感器获取高压电缆接头测温数据；
步骤2、计算机部分接收红外测温传感器发送的测温数据；
步骤3、计算机部分通过测温数据生成时域波形图以及频域频谱图，计算机部分通过识别时域波形图中脉冲波形的分布状态来判断是否存在局放现象；若有局放发生，则还可通过识别频谱图中频率分布状态来判定局放出现的频次和幅度；
步骤4、利用等效时宽算法和中心频次算法，计算机部分通过对多个采样周期局放测温数据的等效时宽特征值和中心频次特征值进行趋势分析，判断局放故障的等级和发展趋势。
进一步的，每三个小时的数据量作为一个采样周期，采样率为1点/10秒钟，相应采样点数为1080个点；
进一步地，还包括以下步骤：
步骤5、局放故障预警，计算机部分对电缆接头部位连续多次温度波形数据做线性回归分析，预测达到事故爆发临界点的时间。
进一步的，所述计算机部分，可以是现场的电脑，或者是远程服务器，或者是云平台，或者是带有软件系统的智能终端设备。专用的局放诊断软件运行在计算机部分上。
进一步的，在所述步骤3中，通过温度原始数据生成时域波形图以及频域频谱图，具体步骤如下：
对所述波形信号进行归一化和带通滤波处理，形成一堆数组，所述数组如下：
式中：Sj表示第j个采样时段；Pj为该时段中Sj的快速傅里叶变换(FFT)；n表示脉冲波形由n个点组成，脉冲波形的FFT频谱则由n/2个点组成；si为第i+1个点对应的时域波形幅值；pi为第i+1个点的频谱幅值；ti为第i+1个点对应的时间；fi为第i+1个点的频率值。
进一步地，在所述步骤4中，对多个采样周期的等效时宽特征值和中心频次特征值进行趋势分析，具体步骤如下：
用信号的均值和标准差来表示时域特征和频域特征，对采样波形数据做如下处理：
式中：Tj0表示波形信号的时间均值；Tj表示波形信号的时域标准差，称为等效时宽；Fj表示频谱图的频次均值，称为中心频次；
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
一种基于红外测温传感器的局放检测设备，主要应用于高压电缆接头部位的特定条件下，包括：
红外测温传感器部分，用于检测温度，所述红外测温传感器部分对于每套高压电力设备，包括至少三个红外测温传感器，所述红外测温传感器采用喉箍式安装于高压电缆接头部位；
信号无线接收装置，用于接收红外测温传感器的温度监测数据，所述信号无线接收装置通过有线或无线通讯方式将温度监测数据上传给计算机部分；
计算机部分，用于接收信号无线接收装置所发送的电缆接头测温数据，所述计算机部分设有温度报警阀值，当计算机部分接收到的电缆接头测温数据超过报警阀值时，启动局放检测步骤，并通过软件界面呈现预测结果和报警信息；否则，确定为无局放现象，无需进行局放检测。
进一步地，所述计算机部分，可以是现场的电脑，或者是远程服务器，或者是云平台，或者是带有软件系统的智能终端设备，专用的局放诊断软件运行在计算机部分上，当所述检测步骤执行时，实现所述的基于红外测温传感器的局放检测方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明采用红外传感器监测温度，同时利用温度数据做局放现象的分析和诊断，能够对高压电缆接头部位的局放故障状态做出诊断和预测，是一种新的低成本局放故障诊断方法。红外温度传感器检测局放具有以下优点：
(1)响应速度快：红外温度传感器，通过红外线来测量物体温度，测温反应速度快，适合于局放致热现象中的温度监测。
(2)分布式在线检测：红外温度传感器一般比专用局放传感器体积小，结构简单，可无源无线，成本低很多，便于大量分布式安装。而专用局放传感器难以做到分布式在线检测。
(3)传感器无源无线：通常专用局放传感器需要采集高频信号，能耗较大，很难实现无源(无外部供电，无电池)，而红外测温传感器采集温度，是缓变状态信号，功耗要求极低，行业上已经实现了无源无线化。
(4)系统容易实现：如上所述，因温度是缓变状态信号，所以温度的采样率一般为几秒至几分钟每次即可，测温采样率要求低，相对局放检测装置，数据量少，对系统的通讯能力和数据处理能力要求低，系统容易实现。
附图说明
图1为本发明实施例的局放温升时域波形图示意图。
图2为本发明实施例的局放温升频谱图示意图。
图3本发明实施例的等效时宽趋势线示意图。
图4本发明实施例的中心频次趋势线示意图。
图5本发明实施例的局放温度幅值趋势线示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例：
本发明提供一种基于红外测温传感器的局放检测方法，主要应用于高压电缆接头部位的特定条件下，包括以下步骤：
步骤1、利用红外测温传感器获取高压电缆接头测温数据；当局放发生时，电缆接头导体和周围空气温度快速上升。局放间歇时段，接头导体温度迅速下降。因红外测温传感器对被测物温度的响应速度快，能够抓取到局放发生过程中的物体温度变化。
步骤2、计算机部分接收红外测温传感器所发送的测温数据；在本步骤中，能够对电缆接头测温数据生成测温数据图，并通过显示页面呈现。步骤3、计算机部分将一个采样周期内的局部放电温度原始数据作为波形信号进行分析，并做快速傅里叶变换(FFT)处理，生成时域波形图以及频域频谱图，计算机部分通过识别时域波形图中脉冲波形的分布状态来判断是否存在局放现象；若有，则通过识别频谱图中频率分布状态来判定局放出现的频次和幅度。
步骤4、利用等效时宽算法和中心频次算法，获取在一个采样周期内的局放温度波形数据的等效时宽特征值和中心频次特征值，计算机部分通过对多个采样周期的等效时宽特征值和中心频次特征值进行趋势分析，判断局放故障的等级和发展趋势。
步骤3与步骤4的具体分析过程如下：
放电带来的温升信息，与非放电温升信息，有特征性的差异。我们选择局部放电红外温升信号的等效时宽和中心频次作为特征量进行特性分析，可以判断是否发生局放故障，并判断局放故障的发展趋势。
1)等效时宽算法
局部放电温度信号的等效时宽分析是基于不同故障等级时段放电波形具有不同的时宽特性来进行特征识别的。在局部放电故障不同的发展阶段，温度采样信息波形是不同的，这为我们进行故障识别和趋势发展提供了基础。
等效时宽法是对一个放电温升波形脉冲进行波形特征处理，提取该波形脉冲的等效时宽特征值数据，其映射到以时间变量的直角坐标系平面上的一个点，且把此点作为该脉冲波形对应的特征值。在波形特征提取的过程中，需最大限度地表征最大单次放电的脉冲波形，从而使得该波形在采样区间中具有代表性。
不同放电发展阶段的局部放电温度脉冲波形的特征等效时宽值不同，可以利用具体的数据和变化趋势，做出局部放电阶段和放电等级的模式识别。
2)中心频次算法
局部放电温度信号的中心频次分析是基于，随着局部放电故障的恶化，在单位时间内的放电次数呈现逐渐增加的趋势来进行特征识别的。
中心频次法是对一段采样时间内，对放电温升波形数据做快速傅里叶变换(FFT)，将波形数据转换为频谱数据(频谱图)。对频谱数据进行数据处理，提取中心频率，作为特征值数据，其映射到以时间变量的直角坐标系平面上的一个点，且把此点作为该采样时间段内对应的频谱特征值。
不同放电发展阶段，温度波形的频谱特征值中心频次值不同，可以利用具体的数据和变化趋势，做出局部放电发展趋势的判断。
为了便于脉冲波形等效时频特征的提取，需对采集的数据做如下预处理。
(1)数据的预处理
首先将原始温度波形信号做归一化处理，隔离直流分量；再对归一化后的信号做快速傅里叶变换(FFT)处理，得到一组频谱信号，再将这组频谱信号带通滤波处理，允许频宽(1-30次/小时)。经过带通滤波处理后，形成的一维数组如下：
式中：
Sj表示第j个采样时段；
Pj为该时段中Sj的快速傅里叶变换(FFT)；
n表示脉冲波形由n个点组成，脉冲波形的FFT频谱则由n/2个点组成；
si为第i+1个点对应的时域波形幅值；
pi为第i+1个点的频谱幅值；
ti为第i+1个点对应的时间；
fi为第i+1个点的频率值。
(2)等效时宽特征和中心频次的提取
表征脉冲信号S(t)时域特征和频域特征的简单方法是用信号的均值和标准差来表示，即将|Sj(ti)|2和|Pj(fi)|2视为概率密度，观察其均值和标准差来分析信号的时域和频域特征。
对采样波形数据Sj(ti)做如下处理：
式中：
Tj0表示波形信号的时间均值；
Tj表示波形信号的时域标准差，称为等效时宽；
Fj表示频谱图的频次均值，称为中心频次；
每个温度采样时段，都可提取出放电温度数据特征量(Tj,Fj)，即得整个监测过程放电温度数据的特征量(Tj,Fj)，j＝1,2,…,N，为监测时段周期序列。
在本实施列中，图1-2为本发明实施例的时域波形图和频域频谱图。如图1所示，计算机部分通过对局部放电温升波形数据，每三小时的数据量为一组进行处理。采样率为1点/10秒钟，相应采样点数为1080个点。局部放电一次的温升持续时间不等，一般情况下，大于30秒，小于10分钟。三小时能全面反映多个局部放电完整过程信息。记录长度1080个点能精确的对波形做时频分析。对采集到的局放温度数据做预处理，得到局放温升时域波形图。再对数据做快速傅里叶变换(FFT)，并做带通滤波处理，得到局放温升频谱图。如图1所示，在时域波形图上观察，如果出现多个不规则的脉冲波形，则可以初步判断有局放现象发生。然后在频域频谱图上观察脉冲集中出现的区域，则可初步判断局放出现的频次和幅度。
图3和图4为本发明实施列的等效时宽趋势线和中心频次趋势线示意图，如图3和图4所示，计算机部分通过对每个采样周期的时域波形数据，按照等效时宽算法进行计算，得到该采样周期的等效时宽特征值。将每个采样周期序列的等效时宽特征值在图中连成线，得到“等效时宽趋势线”；对每个采样周期的时域波形数据，按照等效时宽算法进行计算，得到该采样周期的等效时宽特征值。将每个采样周期序列的等效时宽特征值在图中连成线，得到“等效时宽趋势线”。每次采样周期中的等效时宽特征值，代表了该时段内累计放电时间长度，该特征值越大说明累计放电时间越长；通过等效时宽趋势线，可以看出放电时间占比的变化趋势。趋势线逐渐升高，说明局放故障在持续增加；每次采样周期中的中心频次特征值，代表了该时段内最大可能的放电次数，该特征值越大说明单位时间内放电次数越多。通过中心频次趋势线，可以看出放电频次的变化趋势。趋势线逐渐升高，说明放电频次在持续增加。能够判断局放故障发生的严重程度和发展趋势。
优选的，还包括步骤5：局放故障预警，对高压电缆接头部位连续多次温度波形数据做线性回归分析，预测达到事故爆发临界点的时间。
在本实施例中，图5为本发明实施例的温度幅值趋势线示意图。如图5所示，当初步判断有局放发生后，计算机部分对多次接收的测温数据绘制局放温度幅值趋势线。局放温度幅值趋势线幅值，代表了该时刻局放的平均温度幅度，幅值越大说明该时刻放电强度越大。
当局放现象开始发生后，电气接点开始发生恶化。因冷热循环往复、热胀冷缩的作用下，螺栓发生蠕变和松动；同时，局放高温导致螺栓被烧蚀进一步导致接头松动，电气接点压力减小，空气间隙增大，接触电阻增大，产生间隙放电(局放现象)。随着局放故障的恶化，间隙放电次数增加，每次放电持续时间增加、放电电弧能量增加，总体放电能量增大，总发热量增加。如图5所示，局放趋势图拟合出的趋势线方程为线性方程y＝ax+b，当温度趋势均值达到约120℃，为事故爆发临界点，通过方程可计算出达到事故爆发临界点的时间，从而做到对事故未来发生的时间做出预测。
本发明还提供一种基于红外测温传感器的局放检测设备，包括：
红外测温传感器部分，用于检测温度，所述红外测温传感器部分对于每套高压电力设备，包括至少三个红外测温传感器，所述红外测温传感器采用喉箍式安装于高压电缆接头部位；
信号无线接收装置，用于接收红外测温传感器的温度监测数据，所述信号无线接收装置通过有线或无线通讯方式将温度监测数据上传给计算机部分；
计算机部分，用于接收信号无线接收装置所发送的电缆接头测温数据，所述计算机部分设有温度报警阀值，当计算机部分接收到的电缆接头测温数据超过报警阀值时，启动局放检测步骤，并通过软件界面呈现预测结果和报警信息；否则，确定为无局放现象，无需进行局放检测。
本实施列中该设备执行的原理和流程与本发明中提供的一种基于红外测温传感器的局放检测方法大致相同，其主要区别在于在进行局放故障判断前还需要进行以下步骤：
由于局部放电的物理过程，必然同时伴随有温升现象，所以对局放故障的判断，首先判断温度是否有超温报警，如有超温报警，则启动上述的局放数据分析过程，在本实施列中的温度阀值设置为65℃。否则，确定为无局放现象，无需启动局放分析过程。当计算机部分接收到的电缆接头测温数据达到预先设定的报警阀值时则启动局放检测步骤，并且通过程序页面呈现局放检测结果。
优选的，在本实施例中，所述计算机部分还具有局放事故预警功能，通过对高压电缆接头部位的连续多次温度波形数据做线性回归分析，预测达到事故爆发临界点的时间，并通过程序界面呈现预测结果和报警信息。
优选的，计算机部分，可以是现场的电脑，或者是远程服务器，或者是云平台，或者是带有软件系统的智能终端设备。专用的局放诊断软件运行在计算机部分上。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于红外测温传感器的局放检测方法，应用于高压电缆接头部位，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用红外测温传感器获取高压电缆接头测温数据；
步骤2、计算机部分接收红外测温传感器发送的测温数据；
步骤3、计算机部分通过测温数据生成时域波形图以及频域频谱图，计算机部分通过识别时域波形图中脉冲波形的分布状态来判断是否存在局放现象；若有局放发生，则还可通过识别频谱图中频率分布状态来判定局放出现的频次和幅度；
步骤4、利用等效时宽算法和中心频次算法，计算机部分通过对多个采样周期局放测温数据的等效时宽特征值和中心频次特征值进行趋势分析，判断局放故障的等级和发展趋势。
2.如权利要求1所述的一种基于红外测温传感器的局放检测方法，其特征在于：所述采样周期为三个小时的数据量，采样率为1点/10秒钟，相应采样点数为1080个点。
3.如权利要求1所述的一种基于红外测温传感器的局放检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
步骤5、局放故障预警，对电缆接头部位连续多次温度波形数据做线性回归分析，预测达到事故爆发临界点的时间。
4.如权利要求1所述的一种基于红外测温传感器的局放检测方法，其特征在于：所述计算机部分，可以是现场的电脑，或者是远程服务器，或者是云平台，或者是带有软件系统的智能终端设备，专用的局放诊断软件运行在计算机部分上。
5.如权利要求1所述的一种基于红外测温传感器的局放检测方法，其特征在于，在所述步骤3中，通过温度原始数据生成时域波形图以及频域频谱图，具体步骤如下：
对所述波形信号进行归一化和带通滤波处理，形成一堆数组，所述数组如下：
式中：Sj表示第j个采样时段；Pj为该时段中Sj的快速傅里叶变换(FFT)；n表示脉冲波形由n个点组成，脉冲波形的FFT频谱则由n/2个点组成；si为第i+1个点对应的时域波形幅值；pi为第i+1个点的频谱幅值；ti为第i+1个点对应的时间；fi为第i+1个点的频率值。
6.如权利要求1所述的一种基于红外测温传感器的局放检测方法，其特征在于，在所述步骤4中，对多个采样周期的等效时宽特征值和中心频次特征值进行趋势分析，具体步骤如下：
用信号的均值和标准差来表示时域特征和频域特征，对采样波形数据做如下处理：
式中：Tj0表示波形信号的时间均值；Tj表示波形信号的时域标准差，称为等效时宽；Fj表示频谱图的频次均值，称为中心频次。
7.一种基于红外测温传感器的局放检测设备，主要应用于高压电缆接头部位的特定条件下，其特征在于，包括：
红外测温传感器部分，用于检测温度，所述红外测温传感器部分对于每套高压电力设备，包括至少三个红外测温传感器，所述红外测温传感器采用喉箍式安装于高压电缆接头部位；
信号无线接收装置，用于接收红外测温传感器的温度监测数据，所述信号无线接收装置通过有线或无线通讯方式将温度监测数据上传给计算机部分；
计算机部分，用于接收信号无线接收装置所发送的电缆接头测温数据，所述计算机部分设有温度报警阀值，当计算机部分接收到的电缆接头测温数据超过报警阀值时，启动局放检测步骤，并通过软件界面呈现预测结果和报警信息；否则，确定为无局放现象，无需进行局放检测。
8.如权利要求7所述的一种基于红外测温传感器的局放检测设备，其特征在于，所述计算机部分，可以是现场的电脑，或者是远程服务器，或者是云平台，或者是带有软件系统的智能终端设备，专用的局放诊断软件运行在计算机部分上，当所述检测步骤执行时，实现如权利要求1-6的任一所述的一种基于红外测温传感器的局放检测方法。
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