CN112327107B - 一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，其技术特点是：构建三维平面光电探测阵列；确定平面型光电传感器响应强度和入射放电辐射光线与法向量夹角以及最大响应度的函数关系；通过三维平面光电探测阵列确定其中一条放电辐射光线所在的两个平面；通过放电辐射光线及其所在的两个平面，确定放电辐射光线来光方向，进而判断故障放电点来源。本发明能够对气体绝缘金属封闭开关设备内部弧光的探测和方向判断，从而辅助开关设备进行安全保护。

Description

一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法

技术领域

本发明属于气体绝缘设备技术领域，涉及一种气体绝缘设备内部故障探测定位方法,尤其一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)由于具有占地面积小、结构紧凑、可靠性高、配置灵活等优势，广泛应用于电力系统中，然而GIS在生产、运输、装配及运行中不可避免形成诸如绝缘子表面异常、金件开裂、绝缘子裂纹、绝缘子表面污染等绝缘缺陷，其在过电压作用下将引起间歇性放电或短路电弧，最终可能造成绝缘击穿引发严重事故。因此，开展对GIS内部盆式绝缘子放电的检测具有重要意义，其中光测法由于具有较高的判别置信度和抗干扰能力成为了一种重要的绝缘故障检测技术。气体绝缘设备中局部放电的定位是关系到故障溯源和精准检修的关键问题。对放电的准确定位不仅可以节省因长时间停电检修带来的经济损失，也是组成对放电精细化诊断的重要组成部分。

目前对于气体绝缘设备检测的方法主要有：超声波检测法、化学检测法、耦合电容法以及超高频发，上述检测方法普遍具有造价高、精度低、检测速度慢等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高且检测速度快的适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，包括以下步骤：

步骤1、构建三维平面光电阵列；

步骤2、确定平面型光电传感器响应强度和入射放电辐射光线与法向量夹角以及最大响应度的函数关系；

步骤3、通过三维平面光电探测阵列确定其中一条放电辐射光线所在的两个平面；

步骤4、通过放电辐射光线及其所在的两个平面，确定放电辐射光线来光方向，进而判断故障放电点来源。

而且，所述三维平面光电探测阵列由三枚平面型光电传感器构成，所述三枚平面型光电传感器均处于不同平面，且三枚平面型光电传感器的法向量不同向并使得各个传感器的受光面法向量存在夹角。

而且，所述步骤2平面型光电传感器响应强度和入射放电辐射光线与法向量夹角以及最大响应度的函数关系式为：

I'＝I₀·cos(α)

其中，I′为平面型光电传感器响应强度；I₀为平面型光电传感器表面与入射放电辐射光线垂直时的响应强度；α为平行光与平面型光电传感器表面法向量的夹角。

而且，所述步骤3的具体实现步骤为：

将三维平面光电探测阵列中的第一平面型光电传感器和第二平面型光电传感器表面法向量n₁与n₂进行平移，使二者起点重合为点O，得到两条法向量的夹角β；

第一平面型光电传感器和第二平面型光电传感器表面法向量n₁和法向量n₂构成平面γ，放电辐射光线l入射到平面γ进入点O，在放电辐射光线l上任取一点A，通过点A作一条与平面γ垂直的直线，直线与平面γ相交于点B，连接点O与点B；在平面γ上，通过点B作一条与法向量n₁垂直的直线，直线与法向量n₁相交于点C，同理，通过点B作一条与法向量n₂垂直的直线，直线与法向量n₂相交于点D；点A、点C、点D分别位于放电辐射光线l、法向量n₁以及法向量n₂上，向量OA与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为α₁和α₂，向量OB与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为β₁和β₂；得到角α₁、角α₂、角β₁和角β₂之间关系：

结合平面型光电传感器响应强度与入射放电辐射光线l与法向量夹角和最大响应度的函数关系式得到求解β₁和β₂的方程组:

其中：I₁为第一平面型光电传感器响应强度，I₂为第二平面型光电传感器响应强度；

在得到角β₁和角β₂后，计算得到向量OB的值，继续计算得到与γ平面垂直的向量BA的值，通过向量OB和向量BA确定放电辐射光线l所在的一个平面γ₁；同理，在根据第一平面型光电传感器和第三平面型光电传感器得到放电辐射光线l所在的另一个平面γ₂。

而且，所述步骤4的具体实现方法为：

根据权力要求4所述步骤，推出放电辐射光线l为平面γ1和平面γ2的交线；将三个平面型光电传感器响应强度及位置关系联立，得到方程组：

其中，β11、β12分别为1号平面型光电探测器和2号平面型光电探测器确定的夹角；β21、β22分别为1号平面型光电探测器和3号平面型光电探测器确定的夹角；

将三个平面型光电传感器的法向量平移组成空间坐标系，法向量n₁与x轴正方向相同，法向量n₂位于XOY平面第一象限中，法向量n₃位于XOZ平面第一象限中，得到放电辐射光线l在三维平面光电探测阵列的空间坐标系中的直线方程为：

结合放电辐射光线l在三维平面光电探测阵列的空间坐标系中的直线方程以及三个平面型光电传感器响应强度及位置关系方程组，计算出放电辐射光线l的来光方向，进而通过母线两端盆式绝缘子位置判断故障放电点来源。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其通过将双平面光电探测阵列内置于气体绝缘环境中，获取双平面光电探测阵列不同平面探测得到的累计或平均光辐射强度，通过双平面强度比值关系和光电器件的光通量法向量角，对设备内部由绝缘故障引起的弧光进行溯源，实现了气体绝缘金属封闭开关设备内部弧光的早期预警和故障诊断功能，具有检测精度高、速度快等特点。

附图说明

图1a为本发明平面型光电探测器与入射放电辐射光线垂直平面上的投影面积示意图。

图1b为本发明利用入射角度与归一化响应强度关系的理论值、仿真结果和实测结果。

图2为本发明平面型光电探测器表面法向量进行平移示意图。

图3为1号和2号平面型光电探测器表面法向量与放电辐射光线的空间位置关系图。

图4为具有三个不同法向量的三维平面平面探测阵列。

图5为本发明通过三维平面光电探测阵列判断故障放电点来源示意图。

图6为本发明的理论值与仿真和实测结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，包括以下步骤：

步骤1、构建三维平面光电探测阵列。

所述三维平面光电探测阵列由三枚平面型光电传感器构成。优选毫米级尺寸的平面型光电探测器作为平面型光电传感器，平面型光电探测器相对于气体绝缘设备，其尺寸效应可以忽略不计，因而可以假设：从远端到达平面型光电探测器表面的局部放电辐射光信号可被视为平行光，平行光这一假设是本定位方法的基础。对于尺寸极小的平面型光电探测器而言，在平行光这一假设下，如果在电力设备中设置处于同一平面的平面型光电探测器阵列，阵列中传感单元响应强度近似相同，因此小尺度的平面阵列难以有效反应局部放电源位置。为解决此问题，本发明采用三维平面光电探测阵列，所述三维平面光电探测阵列将三枚平面型光电探测器设置于不同平面，且平面型光电探测器表面法向量不同向，使得阵列中各平面型光电探测器的受光面法向量存在夹角。通过平面型光电探测器表面法向量几何角度关系和受光强度比例大小便可对局部放电源位置进行确定。

步骤2、确定平面型光电传感器响应强度和入射放电辐射光线与法向量夹角以及最大响应度的函数关系。

在气体绝缘设备中，故障放电点向周围各方向射出光辐射，该故障放电可以被视为点光源从放电点射出，均匀的分布在各个方向。在平面型光电探测器未达到饱和的范围内，平面型光电探测器的响应强度I′与其表面所接收到的光通量Φ′成正比。在入射放电辐射光线为平行光这一假设的前提下，平面型光电探测器所能接受到的光通量Φ′与其在平行放电辐射光线中的等效面积有关，即平面型光电探测器与入射放电辐射光线垂直平面上的投影面积，如图1a所示。综上所述，当平面型光电探测器距离与光源一定时，可由方程组计算解出平面型光电传感器响应度为入射光与法向量夹角和最大响应度的函数，如下所示：

其中，I′为平面型光电传感器响应强度，单位为V；Φ′为平面型光电传感器光通量，单位为lux；S′为平面型光电传感器在平行光中的等效面积，单位为m²；k₁为光电比例系数，单位为V/lux；k₂为光通量与面积比例系数，单位为lux/m²；I₀为平面型光电传感器表面与入射光线垂直时的响应强度，单位为V；S₀为平面型光电传感器表面面积，单位为m²；α为平行光与平面型光电传感器表面法向量的夹角。图1b为本发明所利用的入射角度与归一化响应强度关系的理论值、仿真结果和实测结果。

由上式可见，平面型光电探测器接收到的光通量和响应强度与平面型光电探测器在平行放电辐射光线中的等效面积有关，等效面积又是平面型光电探测器入射平行放电辐射光线夹角的函数，最终推导出平面型光电探测器接收到的响应强度为α和平面型光电探测器接收到的最大响应度的函数。基于上述关系，进行后续步骤，对故障放电点进行定位。

步骤3、通过三维平面光电探测阵列确定其中一条放电辐射光线所在的两个平面。具体方法如下：

①对平面型光电探测器表面法向量进行平移：在平行光这一假设下，进入平面型光电探测器表面的光通量只与平面型光电探测器表面法向量与放电辐射光线方向的夹角有关，因此可以推出如下结论：将平面型光电探测器在平行放电辐射光线中从原位置随意平移至另一位置，平面型光电探测器对入射放电辐射光线的响应不变。基于此，为了便于进一步计算及分析，将三维平面光电探测阵列中1号和2号平面型光电探测器表面法向量n₁与n₂进行平移，使二者起点重合为点O，如图2所示。平移前两条平面型光电探测器表面法向量n₁和n₂的夹角大小为β，根据平移的几何性质，1号和2号平面型光电探测器表面法向量的夹角大小在平移后仍为β。

②进行角度计算：如图3所示，1号和2号平面型光电探测器表面法向量n₁和法向量n₂构成平面γ。假设从空间中有一放电辐射光线l入射到平面γ进入点O。在放电辐射光线l上任取一点A。接下来通过点A作一条与平面γ垂直的直线，直线与平面γ相交于点B，连接点O与点B。在平面γ上，通过点B作一条与法向量n1垂直的直线，直线与法向量n₁相交于点C。类似地，通过点B作一条与法向量n₂垂直的直线，直线与法向量n₂相交于点D。点A、点C、点D分别位于放电辐射光线l、法向量n₁以及法向量n₂上。向量OA与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为α₁和α₂，向量OB与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为β₁和β₂。根据立体几何知识，可以得出角α₁、角α₂、角β₁和角β₂之间有如下关系：

结合公式(1)平面型光电探测器响应强度与入射放电辐射光线与法向量夹角和最大响应度的函数关系可得：

其中：I₁为1号平面型光电传感器响应强度，I₂为2号平面型光电传感器响应强度。

结合步骤①中法向量n₁与法向量n₂夹角为β，即角β₁和角β₂角度之和为β，可得如下方程组：

其中，β、I₁以及I₂均为已知量，因此可以通过该方程组求解出β₁和β₂的值。

③确定放电辐射光线所在平面：在求解出角β₁和角β₂的基础上，可以算出向量OB的值，继而进一步可以获得与γ平面垂直的向量BA的值。根据立体几何关系，向量OB与向量BA之间存在垂直的几何关系，通过向量OB与向量BA可以唯一确定一个平面γ₁。由于点A和点O均在平面γ₁上，且点A和点O均为直线l上的点，根据立体几何关系，得出放电辐射光线l在平面γ₁内。同理，通过1号平面型光电探测器和3号平面型光电探测器我们还可以确定放电辐射光线所在的另一个平面γ₂。

步骤4、通过放电辐射光线及其所在的两个平面，确定放电辐射光线来光方向，进而判断故障放电点来源。

在得到放电辐射光线l所在的两个平面γ₁和γ₂后，可推出放电辐射光线l为平面γ₁和平面γ₂的交线；将三个探测器响应强度及位置关系联立，得到方程组：

其中，β₁₁、β₁₂分别为1号平面型光电探测器和2号平面型光电探测器确定的夹角；β₂₁、β₂₂分别为1号平面型光电探测器和3号平面型光电探测器确定的夹角。如图3所示。

将三维平面光电探测阵列布置成图4所示形式时，即1号平面型光电探测器表面法向量n1与x轴正方向相同，2号平面型光电探测器表面法向量n2位于XOY平面第一象限中，3号平面型光电探测器表面法向量n3位于XOZ平面第一象限中，得到放电辐射光线l在三维平面光电探测阵列的空间坐标系中的直线方程为：

平面型光电探测器的角度选择要综合考虑定位精度与视场的范围，在达到定位精度的同时，尽量保证视场范围最大化，对于狭长的GIS设备，视场范围尤为重要。

结合公式(5)和公式(6)，计算出放电辐射光线l的来光方向，进而通过母线两端盆式绝缘子位置判断故障放电点来源，如图5所示。

如图6所示为利用本发明方法，基于三维平面光电探测阵列得到的来光方向(俯仰角和水平角)的真实值和实测结果对比图，可以看出他们的数据结果非常接近，足以证明本发明方法可行。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、构建三维平面光电探测阵列，该三维平面光电探测阵列由三枚平面型光电传感器构成，所述三枚平面型光电传感器均处于不同平面，且三枚平面型光电传感器的法向量不同向并使得各个传感器的受光面法向量存在夹角；

步骤2、确定平面型光电传感器响应强度和入射放电辐射光线与法向量夹角以及最大响应度的函数关系；

步骤3、通过三维平面光电探测阵列确定其中一条放电辐射光线所在的两个平面；

步骤4、通过放电辐射光线及其所在的两个平面，确定放电辐射光线来光方向，进而判断故障放电点来源。

2.根据权利要求1所述的适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，其特征在于：所述步骤2平面型光电传感器响应强度和入射放电辐射光线与法向量夹角以及最大响应度的函数关系式为：

I'＝I₀·cos(α)

其中，I'为平面型光电传感器响应强度；I₀为平面型光电传感器表面与入射放电辐射光线垂直时的响应强度；α为平行光与平面型光电传感器表面法向量的夹角。

3.根据权利要求2所述的适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现步骤为：

将三维平面光电探测阵列中的第一平面型光电传感器和第二平面型光电传感器表面法向量n₁与n₂进行平移，使二者起点重合为点O，得到两条法向量的夹角β；

第一平面型光电传感器和第二平面型光电传感器表面法向量n₁和法向量n₂构成平面γ，放电辐射光线l入射到平面γ进入点O，在放电辐射光线l上任取一点A，通过点A作一条与平面γ垂直的直线，直线与平面γ相交于点B，连接点O与点B；在平面γ上，通过点B作一条与法向量n₁垂直的直线，直线与法向量n₁相交于点C，同理，通过点B作一条与法向量n₂垂直的直线，直线与法向量n₂相交于点D；点A、点C、点D分别位于放电辐射光线l、法向量n₁以及法向量n₂上，向量OA与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为α₁和α₂，向量OB与法向量n₁和法向量n₂的夹角分别为β₁和β₂；得到角α₁、角α₂、角β₁和角β₂之间关系：

结合平面型光电传感器响应强度与入射放电辐射光线l与法向量夹角和最大响应度的函数关系式得到求解β₁和β₂的方程组:

其中：I₁为第一平面型光电传感器响应强度，I₂为第二平面型光电传感器响应强度；

在得到角β₁和角β₂后，计算得到向量OB的值，继续计算得到与γ平面垂直的向量BA的值，通过向量OB和向量BA确定放电辐射光线l所在的一个平面γ₁；同理，在根据第一平面型光电传感器和第三平面型光电传感器得到放电辐射光线l所在的另一个平面γ₂。

4.根据权利要求3所述的适用于气体绝缘设备内部故障弧光探测和定位的方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：

根据权力要求4所述步骤，推出放电辐射光线l为平面γ1和平面γ2的交线；将三个平面型光电传感器响应强度及位置关系联立，得到方程组：

其中，β₁₁、β₁₂分别为1号平面型光电探测器和2号平面型光电探测器确定的夹角；β₂₁、β₂₂分别为1号平面型光电探测器和3号平面型光电探测器确定的夹角；

将三个平面型光电传感器的法向量平移组成空间坐标系，法向量n₁与x轴正方向相同，法向量n₂位于XOY平面第一象限中，法向量n₃位于XOZ平面第一象限中，得到放电辐射光线l在三维平面光电探测阵列的空间坐标系中的直线方程为：

结合放电辐射光线l在三维平面光电探测阵列的空间坐标系中的直线方程以及三个平面型光电传感器响应强度及位置关系方程组，计算出放电辐射光线l的来光方向，进而通过母线两端盆式绝缘子位置判断故障放电点来源。

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