CN112816835B - 基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，该方法首先分别对局部放电超高频电磁波和超声波声学信号进行采样提取，获得局部放电源产生的电磁波脉冲和声脉冲信号；再分别提取两种信号的传播时延特征；以电磁波信号的传播时延特征值作为参考基准，获取超声波信号的相对传播时延，并对相对传播时延进行金属边界条件下的修正补偿；然后计算局部放电源与超声波传感器的距离；重复多次采样计算局部放电源与单个超声波传感器的距离，将距离的算术平均数值作为最终判定的局部放电源与超声波传感器的距离；最后结合柜内的电气布置确定局部放电源的具体位置。本发明的定位方法能更为准确地反映设备局部放电源的准确位置。

Description

基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法

技术领域

本发明属于局部放电检测技术领域，具体涉及一种基于电声联合检测及其信号传播时延补偿的高压开关柜局部放电定位方法。

背景技术

高压电力开关柜在长期运行中必然存在由于电、热、化学因素导致绝缘缺陷，电气绝缘强度降低，出现局部放电现象，甚至发生突发性绝缘击穿。局部放电是设备绝缘劣化的征兆和表现形式，对开关柜设备进行局部放电检测，可以了解柜内是否有局部放电存在和局部放电的具体位置以及局部放电的类型和放电量，以此评估开关柜设备绝缘劣化的程度和运行安全性的危害程度。

高压开关柜的局放检测方法主要有脉冲电流法、暂态对地电压法、超声法、超高频法等。以超声波检测所代表的声学检测方式，抗电气干扰能力强、但因信号衰减快使得检测范围较小、灵敏度较低。以超高频为代表的电学检测方式灵敏高度，动态范围大，但因其电磁波的特性易受到超高频电磁干扰的影响。因此，单一的运用某种检测方法来解决局部放电的定位，存在着局限性，并不能全面、客观、真实的反映被检设备的运行状况，有时甚至出现误判断，如何可靠地确定高动态范围下局部放电源发生的精确位置一直以来是一个难点。

将超高频电磁波手段与超声波声学手段相结合，利用电声的物理学传播特性确识别并找到局放发生的具体电气部位，实现对局放故障源进行精准定位，才能从真正意义上“对症下药”，准确采取相应措施实施治理检修。通常的手段是采取两种信号的时差来解算测距以确定局部放电源的位置。但是对于高压开关柜等金属材质的电气设备而言，考虑到开关柜内壁四周均为金属板，柜内也有大量金属连接件和隔断，因此超高频电磁波信号以及超声波信号从柜内局部放电源扩散传播的过程中不可避免会因这个金属部件发生反射、折射，呈现出一定的信号多径衰落情况，为此在确定电声信号相对时差时必须要将柜内金属部件对电磁波与超声波的传播影响考虑进去，如何对电声信号传播时延进行适当的修正补偿是真正实现精准定位的重点和难点问题。

为此，迫切需要采取电声联合办法，双管齐下综合运用超高频和超声波的手段寻求合适的局部放电定位方法，通过组成声电联合检测系统后以声、电信号的时差(相对传播时延)计算测距实现快速准确定位，同时对相对传播时延进行金属边界条件下的修正补偿，使其能够更为准确地反映设备局部放电源的发生准确位置和实际状况，以达到指导高压开关柜局放带电检测运维的预知性状态检修的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，针对高压开关柜局部放电源精确定位的难题，采用电声联合的检测方式，以超高频电磁波信号为基准，在获取超声波脉冲信号相对电磁波信号传播时延基础上，实现了相对传播时延在金属边界条件下的电声联合修正补偿。进一步建立了基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位计算模型，使其能够更为准确地反映高动态范围以及柜体金属边界条件下局部放电源的发生准确位置和实际状况，以达到指导高压开关柜局部放电带电检测运维的预知性状态检修的目的。

一种基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，该方法实现的步骤包括：

步骤一：分别对局部放电超高频电磁波信号和超声波声学信号进行采样提取，获得局部放电源产生的电磁波脉冲信号和声脉冲信号；

步骤二：分别提取电磁波脉冲信号和声脉冲信号的传播时延特征；

步骤三：以超高频电磁波信号的传播时延特征值作为参考基准，获取超声波信号的相对传播时延，并对相对传播时延进行金属边界条件下的修正补偿；

步骤四：计算局部放电源与超声波传感器的距离；

步骤五：重复多次采样计算局部放电源与单个超声波传感器的距离，将距离的算术平均数值作为最终判定的局部放电源与超声波传感器的距离；

步骤六：根据局部放电源与超声波传感器的测距，结合柜内的电气布置判断确定局部放电源的具体位置。

进一步地，所述步骤二中，以电脉冲信号波形尖峰最大幅值出现的时间点作为电磁波信号的传播时延特征值；以声脉冲信号波形尖峰最大幅值出现的时间点作为超声波信号的传播时延特征值。

进一步地，所述步骤三中声脉冲信号相对超高频电磁波脉冲信号的相对传播时延记为：

Δt＝t2-t1 (1)

其中，Δt为不考虑开关柜金属边界条件影响的理想情况下的相对传播时延；t2为声脉冲信号传播时延；t1为超高频电磁波信号传播时延。

进一步地，所述步骤三中对相对传播时延进行修正如下：

Δt_A-E＝α·Δt+β (2)

其中，Δt为不考虑开关柜金属边界条件影响的理想情况下的相对传播时延；α为超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；β为电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子。

进一步地，所述步骤四中计算局部放电源与超声波传感器距离的公式如下：

s_A＝Δt_A-E·v_A＝α·Δt·v_A+β·v_A (3)

其中，v_A为超声波的声速。

进一步地，所述步骤五中局部放电源与单个超声波传感器距离的算术平均值计算公式如下：

其中，

表示第i次局部放电发生事件的采样获取的局部放电源至超声波传感器之间的测距；Δtⁱ表示该次获取到的超声波信号相对电磁波信号的传播时延；α为超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；β为电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；v_A为超声波的声速；n为重复采样测距的次数。

有益效果：

本发明针对局部放电源精准定位的难题，建立了基于电声联合检测及其信号传播时延补偿的高压开关柜局部放电定位计算模型，通过同时检测局部放电的电磁波信号和超声波信号，实现优势互补，既发挥超高频法不受设备机械振动等环境影响、检测动态范围大、定位快速的优点，又充分利用超声波的抗电气干扰能力强、定位准确的特点，从而能够真实、可靠反映高动态范围下局部放电源发生的位置和实际状况。同时，对相对传播时延进行金属边界条件下的修正补偿，使其能够更为准确地反映高动态范围以及柜体金属边界条件下局部放电源的发生准确位置和实际状况，以达到指导高压开关柜局部放电带电检测运维的预知性状态检修的目的。

附图说明

图1为本发明基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法实现的步骤流程图；

图2为提取电磁波信号和声脉冲信号传播时延特征的示意图；

图3为实施例中某变电站的开关柜采取电声联合的局放检测方式部署传感器的示意图；

图4为检测过程中的局部放电产生的电(电磁波)声(超声波)信号的时域波形图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，针对高压开关柜局部放电源精确定位的难题，采用电声联合的检测方式，以超高频电磁波信号为基准，在获取超声波脉冲信号相对电磁波信号传播时延基础上，实现了相对传播时延在金属边界条件下的电声联合修正补偿。进一步建立了基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位计算模型，使其能够更为准确地反映高动态范围以及柜体金属边界条件下局部放电源的发生准确位置和实际状况，以达到指导高压开关柜局部放电带电检测运维的预知性状态检修的目的。

本发明实现的步骤流程如图1所示，具体包括：

步骤一：对局部放电超高频电磁波信号进行采样，获得局部放电源产生的电脉冲信号E(t)；同时对局部放电超声波声学信号进行采样提取，获得局部放电源产生的声脉冲信号E(t)，如附图2所示：

步骤二：提取电磁波信号的传播时延特征，同时提取超声波信号的传播时延特征。

如附图2所示，以电脉冲信号波形尖峰最大幅值出现的时间点t1作为电磁波信号的传播时延特征值；以声脉冲信号波形尖峰最大幅值出现的时间点t2作为超声波信号的传播时延特征值。

步骤三：以超高频电磁波信号的传播时延特征值作为参考基准，获取超声波信号的传播时间作为相对传播时延。

(1)计算超声波相对电磁波的相对传播时延

由于电磁波在各种介质中的传播速度远远大于超声波的传播速度，与超声波信号相比，超高频电磁波信号的传播时间几乎完全可以忽略，故可将电磁波信号作为参考基准。于是放电信号到达超声波传感器和超高频传感器的时间差，也即超声波相对电磁波的相对传播时延记为：

Δt＝t2-t1 (1)

其中，Δt为不考虑开关柜金属边界条件影响的理想情况下的相对传播时延；t2为超声波信号传播时延；t1为超高频电磁波信号传播时延。

(2)对相对传播时延进行金属边界条件下的修正补偿

考虑开关柜内壁四周均为金属板，柜内也有大量金属连接件和隔断，因此超高频电磁波信号以及超声波信号从柜内局部放电源扩散传播的过程中不可避免会因这个金属部件发生反射、折射，呈现出一定的信号多径衰落情况，为此将柜内金属部件对电磁波与超声波的传播影响分别用影响因子α和β来表示，也即考虑到开关柜金属边界条件，对相对传播时延进行修正如下：

Δt_A-E＝α·Δt+β (2)

其中，Δt为不考虑开关柜金属边界条件影响的理想情况下的相对传播时延；α为超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；β为电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子。

步骤四：计算局部放电源与单个超声波传感器的距离。

以超高频电磁波信号为基准(超高频信号的传播速度远大于超声波信号的传播速度)，在上一部步骤中测量得到超声波的传播时间，结合超声波的声速v_A，可计算得到局部放电源至超声波传感器之间的距离。记为如下：

s_A＝Δt_A-E·v_A＝α·Δt·v_A+β·v_A (3)

步骤5，重复多次采样，计算局部放电源与单个超声波传感器的距离，将距离的算术平均数值作为最终判定的局部放电源与超声波传感器的距离。

记为如下：

其中，

表示该次(第i次局部放电发生事件)的采样获取的局部放电源至超声波传感器之间的测距；Δtⁱ表示该次获取到的超声波信号相对电磁波信号的传播时延；α为超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；β为电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；v_A为超声波的声速；n为重复采样测距的次数。

步骤六：根据局部放电源与超声波传感器的测距，结合柜内的电气布置判断确定局部放电源的具体位置。

下面以某变电站10kV高压开关柜采用基于电声联合检测信号时差的局部放电定位方法对局部放电源进行定位的实例说明：

某变电站的高压开关室检测局部放电时，发现某10kV电容器组开关柜周边有人耳可辨的轻微放电声响。为对柜内的局部放电源进行准确定位，采用电声联合检测的办法，在停电检修措施中将超高频局放传感器和超声波局放传感器同时安装于柜内，如附图3所示，。在检测过程中观测局放发生产生的电声信号时域波形，采用超高频检测手段捕获局部放电的瞬态电磁波信号为附图4中振幅较小波形所示，采用超声波检测手段捕获局部放电的瞬态电磁波信号为附图4中振幅较大形所示。

依据式(1)计算得到算得理想情况下的相对传播时延Δt＝0.45mS。考虑到开关柜金属边界条件影响，取超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子α＝1.02；电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子β＝0.006。则相对传播时延进行修正为：

Δt_A-E＝α·Δt+β＝1.02*0.45+0.006＝0.465mS

进一步根据式(3)，局部放电源与单个超声波传感器的距离为：

s_A＝Δt_A-E·v_A＝0.465*340＝158.1mm

根据式(4)重复多次采样，计算局部放电源与单个超声波传感器的距离，将距离的算术平均数值作为最终判定的局部放电源与超声波传感器的距离，最终认定局部放电源与超声波传感器的距离为：

最后，依据多次重复采样测定的局部放电源与超声波传感器的距离S，结合柜内的电气布置判断确定局部放电源的具体位置为母排B所在的出线接头处。由此能够针对性地该局部放电源进行排查治理，同时也证明了基于电声联合检测及其信号传播时延补偿的高压开关柜定位评估方法的有效性和可行性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，其特征在于，该方法实现的步骤包括：

步骤一：分别对局部放电超高频电磁波信号和超声波声学信号进行采样提取，获得局部放电源产生的电磁波脉冲信号和声脉冲信号；

步骤二：分别提取电磁波脉冲信号和声脉冲信号的传播时延特征；

步骤三：以超高频电磁波信号的传播时延特征值作为参考基准，获取超声波信号的相对传播时延，并对相对传播时延进行金属边界条件下的修正补偿；

步骤四：计算局部放电源与超声波传感器的距离；

步骤五：重复多次采样计算局部放电源与单个超声波传感器的距离，将距离的算术平均数值作为最终判定的局部放电源与超声波传感器的距离；

步骤六：根据局部放电源与超声波传感器的测距，结合柜内的电气布置判断确定局部放电源的具体位置；

所述步骤三中声脉冲信号相对超高频电磁波脉冲信号的相对传播时延记为：

Δt＝t2-t1 (1)

其中，Δt为不考虑开关柜金属边界条件影响的理想情况下的相对传播时延；t2为声脉冲信号传播时延；t1为超高频电磁波信号传播时延；

所述步骤三中对相对传播时延进行修正如下：

Δt_A-E＝α·Δt+β (2)

其中，Δt为不考虑开关柜金属边界条件影响的理想情况下的相对传播时延；α为超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；β为电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子。

2.如权利要求1所述的基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤二中，以电脉冲信号波形尖峰最大幅值出现的时间点作为电磁波信号的传播时延特征值；以声脉冲信号波形尖峰最大幅值出现的时间点作为超声波信号的传播时延特征值。

3.如权利要求2所述的基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤四中计算局部放电源与超声波传感器距离的公式如下：

s_A＝Δt_A-E·v_A＝α·Δt·v_A+β·v_A (3)

其中，v_A为超声波的声速。

4.如权利要求3所述的基于电声联合检测信号传播时延补偿的局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤五中局部放电源与单个超声波传感器距离的算术平均值计算公式如下：

其中，

表示第i次局部放电发生事件的采样获取的局部放电源至超声波传感器之间的测距；Δtⁱ表示该次获取到的超声波信号相对电磁波信号的传播时延；α为超声波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；β为电磁波信号传播在受到开关柜金属边界条件影响下的影响因子；v_A为超声波的声速；n为重复采样测距的次数。

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