CN113504439A

CN113504439A - 一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统

Info

Publication number: CN113504439A
Application number: CN202110700695.4A
Authority: CN
Inventors: 彭阁; 陈浩; 陶劲松; 方书涵; 李林川; 常中正
Original assignee: Huaneng Suixian Jieshan Wind Power Co ltd; Wuhan University WHU
Current assignee: Huaneng Suixian Jieshan Wind Power Co ltd; Wuhan University WHU
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2021-10-15

Abstract

本发明涉及一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统及方法，该系统包括传感器组，传感器组活动设于开关柜内，用于接收开关柜内发生局部放电所产生的超声波，传感器组相对于开关柜具有一移动轨迹；该方法包括获取开关柜第一位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第一组时间差数据；获取开关柜第二位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第二组时间差数据；根据第一组时间差数据和第二组时间差数据得到开关柜内局部放电的具体位置；解决超声波定位算法中的时差法计算过程复杂、接线不便的问题。

Description

一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统

技术领域

本发明涉及开关柜局部放电监测技术领域，尤其涉及一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统。

背景技术

电气设备在制造、安装或者运行过程中不可避免的产生一些绝缘缺陷，如气隙、杂质等，这些绝缘缺陷在高场强作用下会导致电介质内部电场分布不均，在缺陷部位的场强较高，使该部分发生未贯穿的缺陷，即局部放电。局部放电的存在会导致绝缘介质发生绝缘劣化，若不加以处理控制，最终会造成电气设备绝缘击穿。

由于开关柜内部结构紧凑、零件繁多、绝缘距离小，往往更容易发生局部放电。开关柜中引起局部放电缺陷的主要因素包括：绝缘件表面污秽、受潮和凝露；高压母排连接处、隔离触头、电缆搭接处接触不良；导体、柜体内表面上有金属突出物等。数据表明，因局部放电而引发的开关柜内部电气设备的绝缘劣化故障占开关柜故障总数的66％。为了预防此类故障，需要对开关柜的绝缘状态进行监测。

在目前常用的局部放电监测方法中，超高频法设备造价昂贵；脉冲电流法与暂态地电压法会受到一定电磁干扰；气相色谱法只能适用于密闭环境；红外热像法只能测量泄漏电流较大时的局部放电并且容易受到环境影响；而超声波法具有不受电磁干扰、定位准确度较高等优点，并且具有良好的故障初始阶段识别能力，因此本发明基于超声波法设计一套开关柜状态监测系统，在线监测开关柜内部设备的绝缘状态，具有有效预防停电事故、提高供电可靠性、降低检修成本、保障配电网安全稳定运行的重大意义。

在目前基于超声波的定位算法中，时差法需要使用4个不共面的超声波传感器，接线不够方便，而且求解问题为三元约束性最优解问题，计算过程复杂，所需时间较长。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，用以解决超声波定位算法中的时差法计算过程复杂、接线不便的问题。

本发明提供一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，包括传感器组，所述传感器组活动设于开关柜内，用于接收开关柜内发生局部放电所产生的超声波，所述传感器组相对于开关柜具有一移动轨迹，以通过传感器组获取移动轨迹上任意两位置的超声波信号及时间差，供于定位开关柜局部放电的具体位置。

进一步的，该检测系统还包括一放大电路以及示波器，所述传感器组经由放大电路与示波器连接，所述示波器用于读取时间差数据。

进一步的，所述传感器组包括三个相对位置固定的超声波传感器。

进一步的，三个所述超声波传感器共线、且连接平行于所述开关柜的内壁设置，所述超声波传感器的一端为固定端、另一端为探头，所述固定端均与所述开关柜的内壁连接，所述探头指向开关柜内部设置。

进一步的，相邻两个所述超声波传感器之间存在距离差。

进一步的，三个所述超声波传感器之间的相对位置固定，其中一所述超声波传感器与所述开关柜转动连接，其余两个所述超声波传感器均与所述开关柜滑动连接，以通过其中一所述超声波传感器转动同步带动其余两个所超声波传感器绕着其中一所述超声波传感器的转动轴线转动。

一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法，所述方法包括：

获取开关柜第一位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第一组时间差数据；

获取开关柜第二位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第二组时间差数据；

根据第一组时间差数据和第二组时间差数据得到开关柜内局部放电的具体位置。

进一步的，所述开关柜内形成有圆形的超声波信号待扫描区域，所述第一位置和所述第二位置中的超声波信号组为待扫描区域中位于两个不同直径上的超声波信号组。

进一步的，根据第一组时间差数据和第二组时间差数据，通过时差定位法，得到开关柜内局部放电的具体位置。

进一步的，该方法还包括定位点校验，若检测到的局部放电位置能与母排连接处、隔离触头、设备表面或内部绝缘缺陷等易发生局部放电的位置对应，则认为定位准确，否则，更换获取超声波信号的位置，重复上述检测步骤。

与现有技术相比，该开关柜局部放电监测系统通过设置传感器组，所述传感器组活动设于开关柜内，用于接收开关柜内发生局部放电所产生的超声波，所述传感器组相对于开关柜具有一移动轨迹，以通过传感器组获取移动轨迹上任意两位置的超声波信号及时间差，从而可计算得到开关柜内的局部放电点，无需时差法中四个不共面的超声波传感器的设置，接线方便。

同时，获取开关柜第一位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第一组时间差数据，获取开关柜第二位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第二组时间差数据，根据第一组时间差数据和第二组时间差数据得到开关柜内局部放电的具体位置，最终可以得到一元非线性优化问题，即可得到方电源坐标，计算过程简单，耗时短。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统本实施例中传感器组的安装示意图；

图2为本发明提供的一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统本实施例中整体的结构示意图；

图3为本发明提供的一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统本实施例中放大电路的结构示意图；

图4为本发明提供的一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例中的一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，包括传感器组100，传感器组100活动设于开关柜内，用于接收开关柜内发生局部放电所产生的超声波，传感器组100相对于开关柜具有一移动轨迹，以通过传感器组100获取移动轨迹上任意两位置的超声波信号及时间差，供于定位开关柜局部放电的具体位置。

本实施例中的传感器组100包括三个相对位置固定的超声波传感器。

需要说明的是，本实施例中的局部放电产生超声波的频率范围为20kHz-200kHz，可选用带宽覆盖此范围的传感器组100。

其中，三个超声波传感器共线、且连接平行于开关柜的内壁设置，超声波传感器的一端为固定端、另一端为探头，固定端均与开关柜的内壁连接，探头指向开关柜内部设置。

考虑超声波的有效传播距离，为保证足够的灵敏度，超声波传感器与开关柜的距离不应超过500mm。

为了便于具体阐述三个超声波传感器的相对位置，现将三个超声波传感器分别标记为第一传感器110、第二传感器120和第三传感器130，为了便于操作和方便计算，第一传感器110、第二传感器120和第三传感器130依次共线设置。

为了保证一定的不对称性，避免放大误差，相邻两个超声波传感器之间存在距离差，本实施例中将第一传感器110和第二传感器120之间的距离大小大于第二传感器120和第三传感器130之间的距离大小，具体的，第一传感器110和第二传感器120之间的距离为200mm，第二传感器120和第三传感器130之间的距离为190mm。

其中，三个超声波传感器之间的相对位置固定，其中一超声波传感器与开关柜转动连接，其余两个超声波传感器均与开关柜滑动连接，以通过其中一超声波传感器转动同步带动其余两个所超声波传感器绕着其中一超声波传感器的转动轴线转动。

具体的，第二传感器120与开关柜转动连接，第一传感器110和第三传感器130均经由一连接件与第二传感器120固定连接，第一传感器110和第三传感器130均与开关柜滑动连接，以供第一传感器110和第三传感器130绕着第二传感器120同步转动。

可以理解的是，连接件可以为连接杆，也可以采用其他的连接结构代替，只要能够保证第一传感器110、第二传感器120以及第三传感器130之间相对固定即可。

可以理解的是，第二传感器120可以通过固定设于开关柜上的电机(图中未示)驱动，也可以采用其他的结构代替，只要能够带动第二传感器120自转，第一传感器110和第三传感器130绕着第二传感器120转动即可。

为了便于理解，本实施例中对第一传感器110、第二传感器120以及第二传感器120相对于开关柜的方位建立空间直角坐标系，具体的，以第二传感器120为原点，建立空间直角坐标系，第二传感器120指向开关柜的方向为x轴正方向，指向第一传感器110的方向为y轴正方向，z轴正方向为垂直向上。则第一传感器110、第二传感器120以及第二传感器120的坐标依次为(0,200,0)，(0,0,0)，(0,-190,0)。

如图2-3所示，该检测系统还包括一放大电路200以及示波器300，传感器组100经由放大电路200与示波器300连接，示波器300用于读取时间差数据，放大器的数量为三个，与三个超声波传感器一一对应，每个放大电路200分别集成在对应的超声波传感器上。

其中，放大电路200原理图如图3所示，采用两级放大，放大倍数为1694.21倍，并使用交流220V转直流5V电源为放大电路200供电。

其中，超声波信号被超声波传感器接收后转换为电压信号，再经过放大后输入示波器300进行显示，本实施例中示波器300的型号为TDS2024C，具有四个通道，每个通道采样速率最高可达2GS/s，满足超声波测量要求。

需要理解的是，若开关柜内未发生局部放电，示波器300上仅显示幅值较小的无规律背景噪声信号，以及可能存在的幅值较大的频率固定的周围设备运行噪声信号，若开关柜内发生局部放电，示波器300上会显示对应的超声波信号，并可以获得一组不同传感器接收到超声波的时间差。

与现有技术相比：通过设置传感器组100，传感器组100活动设于开关柜内，用于接收开关柜内发生局部放电所产生的超声波，传感器组100相对于开关柜具有一移动轨迹，以通过传感器组100获取移动轨迹上任意两位置的超声波信号及时间差，从而可计算得到开关柜内的局部放电点，无需时差法中四个不共面的超声波传感器的设置，接线方便。

如图4所示，一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法，该方法包括：

S1、获取开关柜第一位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第一组时间差数据；

S2、获取开关柜第二位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第二组时间差数据；

S3、根据第一组时间差数据和第二组时间差数据得到开关柜内局部放电的具体位置。

其中，本实施例中的开关柜内形成有圆形的超声波信号待扫描区域，第一位置和第二位置中的超声波信号组为待扫描区域中位于两个不同直径上的超声波信号组。

本实施例中根据第一组时间差数据和第二组时间差数据，通过时差定位法，得到开关柜内局部放电的具体位置，具体的，根据上述的第一传感器110(0,200,0)，第二传感器120(0,0,0)，第三传感器130(0,-190,0)，当采集到第一组时间差数据时，可建立下放方程式组：

其中放电源坐标为(x，y，z)，且

其中v为声速，t₁为第一组时间差数据中第一传感器110与第二传感器120接收超声波的时间差，t₂为第一组时间差数据中第二传感器120与第三传感器130接收超声波的时间差。由公式(1)可得。

由此可得

将公式(2)代入公式(4)即可计算出放电源的y轴坐标值，根据t₁或t₂的符号可舍去一个不符合实际情况的值。代入公式(1)可得

公式(4)和公式(5)即为第一组时间差数据确定的放电源所在的曲线，根据实际情况忽略掉开关柜外的部分，该曲线为一条圆弧。

将超声波传感器组100以第二传感器120为圆心，沿y-z平面顺时针旋转

则有

其中第一传感器110坐标(x₁,y₁,z₁)＝(0,200cosα,200sinα)，第二传感器120坐标(x₂,y₂,z₂)＝(0,0,0)，第三传感器130坐标(x₃,y₃,z₃)＝(0,-190cosα,-190sinα)；t′₁为第二组时间差数据中，第一传感器110与第二传感器120接收超声波的时间差，t′₂为第二组时间差数据中，第二传感器120与第三传感器130接收超声波的时间差。引入函数f，令

则放电源坐标为使得函数f取最小值的(x,y,z)。将公式(4)和公式(5)代入上式，可消去x，y，得到关于z的一元函数。使用拟牛顿法(Quasi-Newton Methods)求解上述一元非线性优化问题，即可得到放电源坐标。

为了能够接受开关柜内的局部放电发出的超声波信号，本实施例中的传感器组100的带宽覆盖局部放电产生超声波的频率。

为了使定位更加准确，该方法还包括S5定位点校验，具体的，若检测到的局部放电位置能与母排连接处、隔离触头、设备表面或内部绝缘缺陷等易发生局部放电的位置对应，则认为定位准确，否则，更换传感器组100的位置，重复上述检测步骤S2-S4。

对其中的误差来源进行分析：

1.时间差获取：一般选取某次放电所产生超声波信号的第一个波峰或波谷作为传感器接收到超声波的时刻，此项误差可达数十微秒，乘以声速换算成距离为厘米级，为主要误差来源。

2.大气环境：大气压和温度的变化会影响声速，从而带来一定误差。

3.开关柜壁及内部设备，超声波在固体中传播速度大于空气中传播速度，从而带来一定误差。

4.坐标测量随机误差。

基于上述误差分析，一般认为，若以定位点为圆心，5cm为半径的球内存在母排连接处、隔离触头、设备表面或内部绝缘缺陷等易发生局部放电的位置，则认为定位有效；否则需移动超声波传感器组100重新定位。

与现有技术相比：获取开关柜第一位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第一组时间差数据，获取开关柜第二位置中超声波信号组，超声波信号组包括位于同一线性上的多个超声波信号，并生成第二组时间差数据，根据第一组时间差数据和第二组时间差数据得到开关柜内局部放电的具体位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，其特征在于，包括：传感器组，所述传感器组活动设于开关柜内，用于接收开关柜内发生局部放电所产生的超声波，所述传感器组相对于开关柜具有一移动轨迹，以通过传感器组获取移动轨迹上任意两位置的超声波信号及时间差，供于定位开关柜局部放电的具体位置。

2.根据权利要求1所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，其特征在于，该检测系统还包括一放大电路以及示波器，所述传感器组经由放大电路与示波器连接，所述示波器用于读取时间差数据。

3.根据权利要求1所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，其特征在于，所述传感器组包括三个相对位置固定的超声波传感器。

4.根据权利要求3所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，其特征在于，三个所述超声波传感器共线、且连接平行于所述开关柜的内壁设置，所述超声波传感器的一端为固定端、另一端为探头，所述固定端均与所述开关柜的内壁连接，所述探头指向开关柜内部设置。

5.根据权利要求4所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，其特征在于，相邻两个所述超声波传感器之间存在距离差。

6.根据权利要求5所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测系统，其特征在于，三个所述超声波传感器之间的相对位置固定，其中一所述超声波传感器与所述开关柜转动连接，其余两个所述超声波传感器均与所述开关柜滑动连接，以通过其中一所述超声波传感器转动同步带动其余两个所超声波传感器绕着其中一所述超声波传感器的转动轴线转动。

7.一种基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法，其特征在于，所述开关柜内形成有圆形的超声波信号待扫描区域，所述第一位置和所述第二位置中的超声波信号组为待扫描区域中位于两个不同直径上的超声波信号组。

9.根据权利要求7所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法，其特征在于，根据第一组时间差数据和第二组时间差数据，通过时差定位法，得到开关柜内局部放电的具体位置。

10.根据权利要求7所述的基于超声波定位技术的开关柜局部放电监测方法，其特征在于，该方法还包括定位点校验，若检测到的局部放电位置能与母排连接处、隔离触头、设备表面或内部绝缘缺陷等易发生局部放电的位置对应，则认为定位准确，否则，更换获取超声波信号的位置，重复上述检测步骤。