CN113567815A - 监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统 - Google Patents

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Abstract

公开了监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，柔性压电超声传感器贴附或靠近待测电力设备以采集超声信号，所述柔性压电超声传感器和柔性压电超声传感器的表面设有电磁屏蔽层，信号放大器连接所述柔性压电超声传感器以接收和放大所述超声信号，数据采集模块连接所述信号放大器以采集所述超声信号，处理模块连接所述数据采集模块，所述处理模块基于所述超声信号生成时域波形以及傅里叶变换后的频域波形图。

Description

监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统
技术领域
本发明涉及电力监测领域，特别是一种监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统。
背景技术
电力电缆是现代能源传输的重要线路，电缆的安全稳定运行是影响我国能源安全和工业发展的重要保障。然而实际运行中的电力电缆由于受安装工艺、敷设环境、外力破坏、使用情况等因素影响，导致绝缘缺陷，乃至绝缘击穿事故时有发生，其中以电缆中间接头和终端头附件绝缘故障的比例为多。目前采用预防性试验是保证电缆可靠运行的一个重要手段。然而电缆绝缘性下降是一个逐步发展的过程，在故障发生早期，由于局部缺陷引起的放电信号非常微弱，传统的预防性实验项目很难检测到异常信号，因此传统实验方法已无法满足电缆安全运行需求。
局部放电(Partial Discharge，PD)是电缆附件绝缘故障早期的主要表现形式，它既是引起绝缘进一步劣化的主要原因，又是表征绝缘状况的主要特征量。因此，研究电缆绝缘缺陷局部放电检测诊断技术，对于及时判断电缆绝缘状态，防止事故的发生以及保障电网安全可靠运行具有重大意义。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，能够监测如电缆的电力设备局部放电时的超声波信号，进而确定电缆附件缺陷。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统包括，
柔性压电超声传感器，其贴附或靠近待测电力设备以采集超声信号，所述柔性压电超声传感器和柔性压电超声传感器的表面设有电磁屏蔽层，
信号放大器，其连接所述柔性压电超声传感器以接收和放大所述超声信号，
数据采集模块，其连接所述信号放大器以采集所述超声信号，
处理模块，其连接所述数据采集模块，所述处理模块基于所述超声信号生成时域波形以及傅里叶变换后的频域波形图。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，还包括，
处理器，其连接所述信号放大器以基于所述超声信号发出控制指令，
超声波发生器，其连接所述处理器以基于所述控制指令朝所述待测电力设备发送预定的超声波。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，柔性压电超声传感系统还包括示波器，其连接所述处理模块和所述信号放大器。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，所述信号放大器的正负端口通过线路连接柔性压电超声传感器，所述信号放大器的VCC端口与处理器的5V电压源端口相连接；所述信号放大器的GND端口与处理器的GND端口相连；所述信号放大器的AO端口为信号放大器的模拟电压信号输出接口，其连接示波器；所述信号放大器的DO端口为TTL电平输出接口。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，所述柔性压电超声传感器包括压电薄膜超声传感器，其表面缠绕锡纸且经由绝缘胶带或导电胶带固定于待测电力设备，所述待测电力设备靠近所述柔性压电超声传感器的表面设有锡纸。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，所述数据采集模块为数据采集卡。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，柔性压电超声传感器经由绝缘硅脂膏粘连待测电力设备。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，所述处理模块为单片机。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，所述处理模块包括MATLAB单元和傅里叶变化单元。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统中，所述待测电力设备包括电缆或电容器。
本发明所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统灵敏度高、便于贴附在电缆表面进行在线监测。通过本发明可以实现实时快速对电力设备局放超声波信息的定位及监测，进而确定设备运行状态。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明一个实施例的标准超声源检测电路连接示意图；
图2是本发明一个实施例的护层烧蚀检测电路连接示意图；
图3是本发明一个实施例的无扰动信号下时域波形图；
图4是本发明一个实施例的无扰动信号下频域波形图；
图5是本发明一个实施例的小功率超声波信号作用时域波形图；
图6是本发明一个实施例的小功率超声波信号作用频域波形图；
图7是本发明一个实施例的护层烧蚀实验时域波形图；
图8是本发明一个实施例的护层烧蚀实验频域波形图；
图9是本发明一个实施例的安装位置示意图；
图10是本发明一个实施例的A相时域波形图；
图11是本发明一个实施例的A相频域波形图；
图12是本发明一个实施例的B相高处时域波形图；
图13是本发明一个实施例的B相低处时域波形图；
图14是本发明一个实施例的B相高处频域波形图；
图15是本发明一个实施例的B相低处频域波形图；
图16是本发明一个实施例的电路连接示意图；
图17是本发明一个实施例的背景噪声时域波形图；
图18是本发明一个实施例的背景噪声频域波形图；
图19是本发明一个实施例的自愈现象时域波形图；
图20是本发明一个实施例的自愈现象频域波形图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图20更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
一种监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统包括，
柔性压电超声传感器，其贴附或靠近待测电力设备以采集超声信号，所述柔性压电超声传感器和柔性压电超声传感器的表面设有电磁屏蔽层，
信号放大器，其连接所述柔性压电超声传感器以接收和放大所述超声信号，
数据采集模块，其连接所述信号放大器以采集所述超声信号，
处理模块，其连接所述数据采集模块，所述处理模块基于所述超声信号生成时域波形以及傅里叶变换后的频域波形图。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，还包括，
处理器，其连接所述信号放大器以基于所述超声信号发出控制指令，
超声波发生器，其连接所述处理器以基于所述控制指令朝所述待测电力设备发送预定的超声波。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，柔性压电超声传感系统还包括示波器，其连接所述处理模块和所述信号放大器。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，所述信号放大器的正负端口通过线路连接柔性压电超声传感器，所述信号放大器的VCC端口与处理器的5V电压源端口相连接；所述信号放大器的GND端口与处理器的GND端口相连；所述信号放大器的A0端口为信号放大器的模拟电压信号输出接口，其连接示波器；所述信号放大器的D0端口为TTL电平输出接口。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，所述柔性压电超声传感器包括压电薄膜超声传感器，其表面缠绕锡纸且经由绝缘胶带或导电胶带固定于待测电力设备，所述待测电力设备靠近所述柔性压电超声传感器的表面设有锡纸。PVDF压电传感器具有轻薄柔软、压电常数大、灵敏度高、机械性能优良等优点，能够便于贴附在电缆表面进行在线监测。基于声信号传感检测技术原理，提取柔性压电超声传感器所检测的缺陷声信号，从而实现对电缆局部放电信号的监测技术。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，所述数据采集模块为数据采集卡。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，柔性压电超声传感器经由绝缘硅脂膏粘连待测电力设备。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，所述处理模块为单片机。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，所述处理模块包括MATLAB单元和傅里叶变化单元。
所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统的优选实施例中，所述待测电力设备包括电缆或电容器。
在一个实施例，所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统包括PVDF柔性压电超声传感器、信号放大器、数据采集模块、小功率超声波发生器、ATMEGA3328P模块、RTB2004示波器、局部放电模拟发生设备、5V电压源、笔记本电脑、锡纸、导电胶带、绝缘胶带。连接方式如下：
首先在电路线缆及PVDF传感器表面缠绕一层锡纸，再用绝缘胶带加以固定(或者缠以导电胶带)，起到屏蔽外来电磁信号干扰的作用；
PVDF柔性压电超声传感器作为超声信号采集设备，贴附在被测物体表面或近距离放置在被测物体旁边；
信号放大器的“+”、“-”端口通过线路连接PVDF柔性压电超声传感器；VCC端口与ATMEGA3328P模块的5V电压源端口相连接；GND端口与ATMEGA3328P模块的GND端口相连；A0端口为信号放大器的模拟电压信号输出接口，与RTB2004示波器相连接；DO端口为TTL电平输出接口。
当使用数据采集模块对PVDF柔性压电超声传感器所检测的信号进行分析时，将信号放大器的输出端口与数据采集模块的采集通道相连，数据采集模块的输出端口通过USB与笔记本电脑连接，可以对采集信号进行实时显示，并可对采集的数据加以进一步分析处理。
为了进一步理解本发明，本系统分别在实验室模拟及现场测试下进行实验，验证本系统的可行性及有效性。
如图1至图2所示，在实验室模拟环境下搭建两个测试平台对本套柔性压电超声传感器监测系统的可行性及有效性进行评估。具体包括：1)标准超声源检测；2)模拟局部放电实验。测试平台搭建完毕后，首先在没有扰动信号作用下进行一组空白对照组测试，示波器中显示波形如图3至图4所示，可以看出在没有扰动的情况下，环境噪声中的超声波信号频域幅值基本为0。
设置超声波发生器发射频率为50Hz，每隔50ms发射一次脉冲，数据采集卡采样率设置为2kHz。用数据采集模块对超声波信号进行采集，所得实验波形图如图5、图6所示，对时域信号进行傅里叶变换之后，可以看出PVDF柔性压电超声传感器所采集到频率为50Hz的信号非常明显。
护层烧蚀测试平台中，用护层烧蚀时产生的声电信号模拟电缆发生局部放电时产生的信号，对实验数据信息进行收集，后续在MATLAB中进行数据分析，所得的实验波形图如图7、图8所示，在频域波形图中可以看出，护层烧蚀放电发出的超声波信号频率在20kHz到140kHz之间。
为了进一步测试本发明系统，分别对天津市侯微线110kV电缆以及西安市电容器进行现场监测。
分别对情况较好的A相电缆和发出局放信号较为明显的B相电缆进行监测，探测超声信号，并使用传统离线测量方法高频感应电流测试作为验证。以电缆表面露出位置底座为原点，对B相电缆设置两个测试位置，为别为离原点90cm(下文简称高处)和40cm(下文简称低处)，其中高处离电缆局放点较近，低处离电缆局放点稍远，具体安装位置如图9所示。
将PVDF柔性压电超声传感器用绝缘硅脂膏粘连在A相电缆，用本套发明系统对A相进行声信号监测，传感器所采集到的声信号时域波形图10所示。
对时域信号进行傅里叶变换得到频域图形如图11所示，可以看出A相电缆局放发出的超声波信号非常微弱，说明A相电缆运行状况较好。
然后将PVDF柔性压电超声传感器分别用绝缘硅脂膏粘连在B相局放电缆的高处、低处，用本套发明系统进行信号监测，示波器中显示的波形图如图12、图13所示。
对高处、低处时域波形图进行傅里叶变换，得到频域图形如图14、图15所示，频域波形图可以明显看出有超声信号的存在，检测到的超声信号在30kHz-60kHz之间，并且高处比低处的频域幅值要高，说明离局放点越近，局放信号越明显，频域中相应的幅值越高。
用本系统对电容器自愈时发出的声信号进行检测。将PVDF柔性压电传感器包裹在电容器表面，然后对电容器进行加压，进行测试。具体电路连接图及包裹形式如下图16所示。
首先对背景噪声进行采集，时域波形及傅里叶变换后的频域波形图如图17、图18所示，可见无自愈状态下背景噪声主要来源于电源工频50Hz。然后对电容器逐渐加压，当电容器有自愈现象发生时，PVDF传感器采集到的声信号时域和频域波形图如图19、图20所示。从频域中可以看出电容器自愈发出的是宽频信号，并且可以被本监测系统所检测。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：其包括，
柔性压电超声传感器，其贴附或靠近待测电力设备以采集超声信号，所述柔性压电超声传感器和柔性压电超声传感器的表面设有电磁屏蔽层，
信号放大器，其连接所述柔性压电超声传感器以接收和放大所述超声信号，
数据采集模块，其连接所述信号放大器以采集所述超声信号，
处理模块，其连接所述数据采集模块，所述处理模块基于所述超声信号生成时域波形以及傅里叶变换后的频域波形图。
2.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：优选的，还包括，
处理器，其连接所述信号放大器以基于所述超声信号发出控制指令，
超声波发生器，其连接所述处理器以基于所述控制指令朝所述待测电力设备发送预定的超声波。
3.根据权利要求2所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：柔性压电超声传感系统还包括示波器，其连接所述处理模块和所述信号放大器。
4.根据权利要求3所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：所述信号放大器的正负端口通过线路连接柔性压电超声传感器，所述信号放大器的VCC端口与处理器的5V电压源端口相连接；所述信号放大器的GND端口与处理器的GND端口相连；所述信号放大器的A0端口为信号放大器的模拟电压信号输出接口，其连接示波器；所述信号放大器的D0端口为TTL电平输出接口。
5.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：所述柔性压电超声传感器包括压电薄膜超声传感器，其表面缠绕锡纸且经由绝缘胶带或导电胶带固定于待测电力设备，所述待测电力设备靠近所述柔性压电超声传感器的表面设有锡纸。
6.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：所述数据采集模块为数据采集卡。
7.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：柔性压电超声传感器经由绝缘硅脂膏粘连待测电力设备。
8.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：所述处理模块为单片机。
9.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：所述处理模块包括MATLAB单元和傅里叶变化单元。
10.根据权利要求1所述的监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统，其特征在于：所述待测电力设备包括电缆或电容器。
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CN116448179A (zh) * 2023-04-19 2023-07-18 湖北工业大学 一种三信号同时感知无源柔性传感系统及其应用

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