CN111896848B - 输电线路的内部放电定位方法、终端、系统及存储介质 - Google Patents

输电线路的内部放电定位方法、终端、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法、系统以及存储介质，该方法包括以下步骤：建立有限元仿真模型；计算内部声源激励下GIL表面声信号；构建全域GIL声波衰减数学模型；给出GIL各结构单元表面的传感器布点位置；建立全域GIL声源定位算法；根据传感器布点位置将传感器布置在GIL相应位置，试验中若发生内部放电，根据全域GIL声源定位算法计算放电源位置。本发明能够实现公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电源量化定位检测，而且无需对结构进行任何更改，安全性与可靠性高，满足现场应用的需要，具有良好的应用前景。

Description

输电线路的内部放电定位方法、终端、系统及存储介质
技术领域
本发明属于输变电设备检测试验技术领域，具体涉及一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路内部放电定位方法、终端、系统以及存储介质。
背景技术
随着刚性气体绝缘输电线路(Gas-insulated Metal Enclosed TransmissionLine，GIL) 使用量不断增大，其对电网稳定运行的重要性显著提升。现场耐压试验作为GIL设备投运前的最后一道关口，是提高设备入网质量的重要保障。在耐压试验过程中，GIL内部绝缘缺陷可能导致击穿放电。由于GIL的长度可达数公里、气室数量可达数百个，对放电源位置的准确、快速定位成为GIL耐压试验的主要难题。
目前，对于刚性气体绝缘输电线路内部放电源的定位，通常根据经验在GIL外壳表面布置定位装置，当发生放电时根据信号幅值大小定性判断放电源大致位置，然后依靠人工逐个气室排查。该方法定位准确度低、排查工作量大，尤其是当GIL长度在公里级时，利用传统方法定位放电源往往需要数十个小时，严重限制了GIL设备的耐压试验效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的公里级长度GIL设备放电源难以准确定位的问题，提供一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路内部放电定位方法，能够实现GIL设备耐压试验中内部放电位置的准确检测，采用了非侵入式测量方式，无需对结构进行任何更改，安全性与可靠性高，满足现场使用的需要，具有良好的应用前景。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法，根据获取的传感器布点位置将传感器布置在刚性气体绝缘输电线路相应位置，刚性气体绝缘输电线路简称为GIL，试验中若发生内部放电，利用建立好的全域GIL声源定位算法根据传感器幅值计算放电源位置。
所述全域GIL声源定位算法的建立过程为：
S1：建立GIL结构单元的有限元仿真模型；
S2：基于有限元仿真模型通过弹性动力学有限元仿真分析，计算内部声源激励下GIL表面声信号；
S3：根据GIL表面声信号分析GIL各结构单元表面的声波衰减特性，构建全域GIL声波衰减数学模型；
S4：根据全域GIL声波衰减数学模型和振动传感器量程，给出GIL各结构单元表面的传感器布点位置；
S5：基于全域GIL声波衰减数学模型与传感器幅值，建立全域GIL声源定位算法。
进一步的，所述步骤S1中有限元仿真模型的建立具体包括如下步骤：
S1-1：针对GIL设备结构，对GIL设备典型单元进行绘制，形成GIL设备的三维模型；
S1-2：定义三维模型材料特性参数并装配，对三维模型添加接触及边界条件，建立GIL设备的有限元仿真模型。
进一步的，所述步骤S2中内部声源激励下GIL表面声信号的计算方法为：
S2-1：在GIL内部的气体与外壳交界处施加高斯脉冲点源，模拟GIL设备内部击穿时的声压载荷；
S2-2：根据声压载荷求解GIL典型单元上的声波时域波形，选取每个波形第一个波群的最大峰值为信号幅值，得到GIL典型单元上的声波信号幅值衰减曲线；
S2-3：根据声波信号幅值衰减曲线测量各典型单元上表面的声波振动信号幅值。
进一步的，所述GIL结构单元包括直筒单元、拐弯单元、盆式绝缘子单元和伸缩节单元，所述全域GIL声波衰减数学模型的构建方法为：
S3-1：对于直筒单元，任意位置满足Y＝αe-βx指数衰减特征，其中α为声源的声信号幅值；β为衰减系数；
S3-2：对于拐弯单元，经过拐弯区域后，其他直筒区域符合Y＝Aαe-βx衰减特征，A为经过拐弯区域后的信号幅值衰减系数；
S3-3：对于盆式绝缘子单元，经过盆式绝缘子区域后，其他直筒区域符合Y＝Bαe-βx衰减特征，B为经过盆式绝缘子区域后的信号幅值系数；
S3-4：对于伸缩节单元，经过伸缩节区域后，其他直筒区域符合Y＝Cαe-βx衰减特征， C为经过伸缩节区域后的信号幅值系数；
S3-5：根据各典型单元的个数，建立设备的声波全域衰减数学模型，当距离声源存在a个拐弯、b个盆式绝缘子、c个伸缩节时，GIL的声波全域衰减数学模型为 Y＝AaBbCcαe-βx。
进一步的，所述步骤S4中传感器布点位置的确定方法为：
对于直筒单元，传感器采用等间隔布置，布置间距＜(lnP1-lnP2)/β，其中P1为击穿点声信号幅值，P2为传感器有效测量下限；
对于其他类型单元，传感器布置在相应单元非指数衰减区域与直筒区域的交接处。
本发明能够实现公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电源量化定位检测，而且无需对结构进行任何更改，安全性与可靠性高，满足现场应用的需要，具有良好的应用前景。
本发明还提供一种一体化放电定位终端，包括传感器、信号调理模块、数据采集模块、储存模块、显示模块、通讯模块、控制模块和供电模块；所述传感器，用于提供幅值信号；
所述信号调理模块，用于将幅值信号转换为标准信号；
所述数据采集模块，用于对标准信号进行数据采集；
所述储存模块，用于储存数据采集模块采集的数据；
所述显示模块，用于显示数据采集模块采集的数据；
所述通讯模块，用于将数据采集模块采集的数据传递给后台主机；
所述控制模块，用于对传感器检测频率进行控制；
所述供电模块，用于对定位终端供电。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、能够准确、定量判断GIL放电源位置。
2、采用非侵入式检测，无需对设备结构进行改造，安全性与可靠性好。
3、能够大量减少重复耐压排查试验耗费的工作量及对设备绝缘的损伤。
附图说明
图1是本发明用于公里长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法的流程图；
图2是本发明用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位装置的结构示意图；
图3是本发明的一体化放电定位终端的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，本发明提供一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法，包括以下步骤：
步骤(A)：建立公里级长度GIL典型结构单元的有限元仿真模型，包括以下步骤：
(A1)针对长距离GIL设备的典型结构，采用三维造型软件对GIL设备的直角单元、法兰单元、直角拐弯单元、盆式绝缘子单元、伸缩节单元等典型单元进行绘制，形成GIL设备的三维模型；
(A2)定义三维模型材料特性参数并装配，对三维模型添加接触及边界条件，建立长距离GIL设备的有限元仿真模型。
步骤(B)：通过弹性动力学有限元仿真分析，计算内部声源激励下GIL表面声信号并进行试验验证，包括以下步骤：
(B1)采用有限元分析软件，在GIL内部的气体与外壳交界处施加高斯脉冲点源，模拟GIL设备内部击穿时的声压载荷；
(B2)根据声压载荷求解GIL典型单元上的声波时域波形，选取每个波形第一个波群的最大峰值为信号幅值，得到GIL典型单元上的声波信号幅值衰减曲线；
(B3)构建GIL模拟放电试验平台，开展GIL内部击穿放电的模拟试验，测量各类典型单元上表面的声波振动信号幅值；
(B4)将模拟试验结果与仿真计算结果进行比对，对仿真参数进行校准，完成校准并验证有限元仿真模型。
步骤(C)：根据GIL各典型结构单元表面的声波衰减特性，构建全域GIL声波衰减数学模型，包括以下步骤：
(C1)对于直筒单元(含法兰单元)，任意位置满足Y＝αe-βx指数衰减特征，其中α为声源的声信号幅值；β为衰减系数；
(C2)对于拐弯单元，经过拐弯区域(拐弯点前、后的非指数衰减区域)后，其他直筒区域符合Y＝Aαe-βx衰减特征，A为经过拐弯区域后的信号幅值衰减系数；
(C3)对于盆式绝缘子单元，经过盆式绝缘子区域(盆式绝缘子前、后的非指数衰减区域)后，其他直筒区域符合Y＝Bαe-βx衰减特征，B为经过盆式绝缘子区域后的信号幅值系数；
(C4)对于伸缩节单元，经过伸缩节区域(伸缩节前、后的非指数衰减区域)后，其他直筒区域符合Y＝Cαe-βx衰减特征，C为经过伸缩节区域后的信号幅值系数；
(C5)根据各典型单元的个数，建立了设备的声波全域衰减数学模型，当距离声源存在a个拐弯、b个盆式绝缘子、c个伸缩节时，GIL的声波全域衰减数学模型为 Y＝AaBbCcαe-βx。
步骤(D)：根据全域GIL声波衰减数学模型和振动传感器量程，给出各典型结构单元表面的传感器布点位置，包括以下步骤，
(D1)对于直筒单元(含法兰单元)，传感器采用等间隔布置，布置间距应＜ (lnP1-lnP2)/β，其中P1为击穿点声信号幅值，P2为传感器有效测量下限；
(D2)对于其他类型单元，传感器布置在相应单元非指数衰减区域与直筒区域的交接处。
步骤(E)：基于全域GIL声波衰减数学模型与传感器幅值，建立全域GIL声源定位算法，并软件编程实现；
步骤(F)：耐压试验前将传感器布置在GIL相应位置，试验中若发生内部放电，利用声源定位软件程序计算放电源位置。
步骤(F)中根据放电源两侧传感器幅值(幅值最大点)和全域GIL声源定位算法计算放电源位置：
式中，Pi、Pj分别是放电源两侧传感器i、传感器j的信号幅值，xi、xj分别是放电源与传感器i、传感器j之间的距离。
如图2所示，本发明还提供一种用于实现上述内部放电定位方法的定位装置，该装置包括后台主机1和若干组一体化放电定位终端2。如图3所示，一体化放电定位终端 2由传感器4、信号调理5、数据采集6、储存8、显示9、通讯7、供电11、控制10等模块组成，定位终端2根据步骤D获取的传感器布点位置要求，安装在刚性气体绝缘输电线路3外壳表面，与后台主机1通过有线或无线通讯。
本实施例还提供一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位系统，该系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；处理器，用于在运行计算机程序指令时，执行上述共识方法的步骤。
本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质 (例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本实施例中将上述定位方法、定位装置、定位系统应用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路内部放电位置定位，其具体的步骤如下：
步骤(1)：根据特高压GIL的结构与尺寸，绘制直角单元、法兰单元、直角拐弯单元、盆式绝缘子单元、伸缩节等结构，建立GIL设备的三维模型；定义中心导体和外壳的材料为铝合金，中心导体和外壳之间的区域定义为SF6气体，以Local Seeds方法对模型进行网格划分，对三维模型添加接触及边界条件，建立长距离GIL设备的有限元仿真模型。
步骤(2)：采用有限元分析软件，在特高压GIL内部的气体与外壳交界处施加高斯脉冲点源，模拟GIL设备内部击穿时的声压载荷，其表达式为其中A 表示声源强度，取A＝1000，中心频率f0＝80kHz，研究的频率带宽为0-160kHz；
求解GIL典型单元上的声波时域波形，选取每个波形第一个波群的最大峰值为信号幅值，得到特高压GIL典型单元上的声波信号幅值衰减曲线；构建GIL模拟放电试验平台，开展GIL内部击穿放电的模拟试验，测量各类典型单元上表面的声波振动信号幅值；将模拟试验结果与仿真计算结果进行比对，对仿真参数进行校准，完成校准并验证有限元仿真模型。
步骤(3)：根据GIL各典型结构单元表面的声波衰减特性，构建全域GIL声波衰减数学模型：
对于直筒单元(含法兰单元)，任意位置满足Y＝αe-βx指数衰减特征，其中α为声源的声信号幅值；β为衰减系数；
对于拐弯单元，经过拐弯区域(拐弯点前、后的非指数衰减区域)后，其他直筒区域符合Y＝Aαe-βx衰减特征，A为经过拐弯区域后的信号幅值衰减系数；
对于盆式绝缘子单元，经过盆式绝缘子区域(盆式绝缘子前、后的非指数衰减区域) 后，其他直筒区域符合Y＝Bαe-βx衰减特征，B为经过盆式绝缘子区域后的信号幅值系数；
对于伸缩节单元，经过伸缩节区域(伸缩节前、后的非指数衰减区域)后，其他直筒区域符合Y＝Cαe-βx衰减特征，C为经过伸缩节区域后的信号幅值系数；
根据上述各典型单元的个数，建立设备的声波全域衰减数学模型，当距离声源存在 a个拐弯、b个盆式绝缘子、c个伸缩节时，GIL的声波全域衰减数学模型为 Y＝AaBbCcαe-βx。
步骤(4)：根据全域GIL声波衰减数学模型和振动传感器量程，给出各典型结构单元表面的传感器布点位置：
对于直筒单元(含法兰单元)，传感器采用等间隔布置，布置间距应＜(lnP1-lnP2)/β，其中P1为击穿点声信号幅值，P2为传感器有效测量下限；对于其他类型单元，传感器布置在相应单元非指数衰减区域与直筒区域的交接处。
步骤(5)：基于全域GIL声波衰减数学模型与传感器幅值，建立全域GIL声源定位算法，并软件编程实现。
步骤(6)：耐压试验前根据传感器布点位置将一体化放电定位终端2分别布置在特高压GIL相应位置，试验中若发生内部放电，利用声源定位软件程序计算放电源位置。

Claims (6)

1.一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法，其特征在于：根据获取的传感器布点位置将传感器布置在刚性气体绝缘输电线路相应位置，刚性气体绝缘输电线路简称为GIL，试验中若发生内部放电，利用建立好的全域GIL声源定位算法根据传感器幅值计算放电源位置；
所述全域GIL声源定位算法的建立过程为：
S1：建立GIL结构单元的有限元仿真模型；
S2：基于有限元仿真模型通过弹性动力学有限元仿真分析，计算内部声源激励下GIL表面声信号；
S3：根据GIL表面声信号分析GIL各结构单元表面的声波衰减特性，构建全域GIL声波衰减数学模型；
S4：根据全域GIL声波衰减数学模型和振动传感器量程，给出GIL各结构单元表面的传感器布点位置；
S5：基于全域GIL声波衰减数学模型与传感器幅值，建立全域GIL声源定位算法；
所述GIL结构单元包括直筒单元、拐弯单元、盆式绝缘子单元和伸缩节单元，所述全域GIL声波衰减数学模型的构建方法为：
S3-1：对于直筒单元，任意位置满足Y＝αe-βx指数衰减特征，其中α为声源的声信号幅值；β为衰减系数；
S3-2：对于拐弯单元，经过拐弯区域后，其他直筒区域符合Y＝Aαe-βx衰减特征，A为经过拐弯区域后的信号幅值衰减系数；
S3-3：对于盆式绝缘子单元，经过盆式绝缘子区域后，其他直筒区域符合Y＝Bαe-βx衰减特征，B为经过盆式绝缘子区域后的信号幅值衰减系数；
S3-4：对于伸缩节单元，经过伸缩节区域后，其他直筒区域符合Y＝Cαe-βx衰减特征，C为经过伸缩节区域后的信号幅值衰减系数；
S3-5：根据各典型单元的个数，建立设备的声波全域衰减数学模型，当距离声源存在a个拐弯、b个盆式绝缘子、c个伸缩节时，GIL的声波全域衰减数学模型为Y＝AaBbCcαe-βx；
S5中全域GIL声源定位算法的表达方式为：
式中，Pi、Pj分别是放电源两侧传感器i、传感器j的信号幅值，xi、xj分别是放电源与传感器i、传感器j之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法，其特征在于：所述S1中有限元仿真模型的建立具体包括如下步骤：
S1-1：针对GIL设备结构，对GIL设备典型单元进行绘制，形成GIL设备的三维模型；
S1-2：定义三维模型材料特性参数并装配，对三维模型添加接触及边界条件，建立GIL设备的有限元仿真模型。
3.根据权利要求1所述的一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法，其特征在于：所述S2中内部声源激励下GIL表面声信号的计算方法为：
S2-1：在GIL内部的气体与外壳交界处施加高斯脉冲点源，模拟GIL设备内部击穿时的声压载荷；
S2-2：根据声压载荷求解GIL典型单元上的声波时域波形，选取每个波形第一个波群的最大峰值为信号幅值，得到GIL典型单元上的声波信号幅值衰减曲线；
S2-3：根据声波信号幅值衰减曲线测量各典型单元上表面的声波振动信号幅值。
4.根据权利要求3所述的一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法，其特征在于：所述S4中传感器布点位置的确定方法为：
对于直筒单元，传感器采用等间隔布置，布置间距＜(lnP1-lnP2)/β，其中P1为击穿点声信号幅值，P2为传感器有效测量下限；
对于其他类型单元，传感器布置在相应单元非指数衰减区域与直筒区域的交接处。
5.一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位系统，其特征在于：所述系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，
所述网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行权利要求1～4中任一项所述的一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法的步骤。
6.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质存储有一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法的程序，所述一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1～4中任一项所述的一种用于公里级长度刚性气体绝缘输电线路的内部放电定位方法的步骤。
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