CN113567822A - 一种用于电气设备局部放电的监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电气设备局部放电的监测装置，包括手持监测设备，手持监测设备包括第一采集模块、第一处理模块、第一检测模块、第一存储模块、显示模块、手持监测设备壳体和手持监测设备把手；第一采集模块包括多个在空间中呈三维阵列几何形状分布的第一声压传感器，用于采集超声波；第一处理模块与第一采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；第一检测模块与第一处理模块连接；第一存储模块与第一检测模块连接；显示模块与第一存储模块连接，用于显示放电超声波发射源的空间几何位置。备灵活使用，对大面积、数量众多的电气设备进行巡逻放电监测，应对各种高压放电的电气设备，检测定位精度高，节约成本以及提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备局部放电定位技术领域，尤其涉及一种用于电气设备局部放电的监测装置。
背景技术
局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿现象，它可能产生在固体绝缘孔隙中、液体绝缘气泡中或不同介质特性的绝缘层间，如果电场强度高于介质所具有的特定值，也可能发生在液体或固体绝缘中。局部放电逐渐发展，通过对其周围绝缘介质不断侵蚀，最终导致整个绝缘系统的失效，所以局部放电是造成绝缘劣化的主要原因，同时它也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式，与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，能有效地反映电力设备内部绝缘的故障，尤其对突发性故障的早期发现比介质损耗测量、油中气体含量分析等方法要有效得多。
CN104849635A公开了一种基于超声波传感器阵列的局部放电定位系统，包括变压器边界元模型、辐射声场分析声压计算模块、声压数据库、声压数据库对比模块、超声波传感器阵列模块、信号处理模块、数据采集模块、数据存储模块和工控机。检测灵敏度高，抗电磁干扰能力强，方便地定位，可以在线检测与离线检测。监测精度较低。
CN105548824A明公开了一种电气设备局放源定位装置及定位方法，包括压差式矢量传感器、高频载波通信模块以及分析装置；所述压差式矢量传感器设置在电气设备绝缘油中，用于采集放电信息；所述高频载波通信模块用于将压差式矢量传感器传输的信息发送给分析装置；所述分析装置设置在控制室内，用于对压差式矢量传感器采集的信息进行分析，得出局放源的具体位置。本发明用于对电气设备绝缘油中的局部放电源进行定位，具有结构简单、使用方便、定位精确的优点。只能小面积的对特定的电气设备进行监测，对于大面积的设备监测消耗成本较高，不能应对多变的环境。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种用于电气设备局部放电的监测装置，通过手持监测设备灵活使用，对大面积、数量众多的电气设备进行巡逻放电监测，适应性广泛，可应对各种高压放电的电气设备，检测定位精度高，而且不需要大量其它监测设备的布施，节约成本以及提高工作效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于电气设备局部放电的监测装置，包括手持监测设备，所述手持监测设备包括第一采集模块、第一处理模块、第一检测模块、第一存储模块、显示模块、手持监测设备壳体和手持监测设备把手；所述手持监测设备壳体和所述手持监测设备把手活动连接；所述第一处理模块、所述第一检测模块和所述第一存储模块位于所述手持设备壳体的内部，所述第一采集模块和所述显示模块位于所述手持设备壳体的外部；所述第一采集模块包括多个在空间中呈三维阵列几何形状分布的第一声压传感器，用于采集超声波；所述第一处理模块与所述第一采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；所述第一检测模块与所述第一处理模块连接，用于确定超声波的信号方向和干扰信号方向以及进行参数估计；所述第一存储模块与所述第一检测模块连接，用于缓存收集到的放电声压数据；所述显示模块与所述第一存储模块连接，用于显示放电超声波发射源的空间几何位置。
可选的，包括多个固定监测设备，分别设置在待监测的电气设备内部；所述固定监测设备包括第二采集模块、第二处理模块、第二检测模块、第二存储模块和第一无线模块；所述第二采集模块包括多个在平面中呈二维阵列几何形状分布的第二声压传感器，用于采集电气设备内部的超声波；所述第二处理模块与所述第二采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；所述第二检测模块与所述第二处理模块连接，用于确定超声波的信号方向和干扰信号方向以及进行参数估计；所述第二存储模块与所述第二检测模块连接，用于缓存收集到的放电声压数据；所述第一无线模块与所述第二存储模块连接，用于无线传输放电声压数据；所述手持监测设备包括第二无线模块和对比模块，分别设置在所述手持监测设备壳体的内部；所述第二无线模块与所述第一无线模块无线连接；所述对比模块与所述第二无线模块、所述第一存储模块和所述显示模块连接，用于对收集到的声压数据进行比对，确定放电超声波发射源的空间几何位置。
可选的，所述第一声压传感器呈三维不规则几何形状分布；所述第二声压传感器呈二维正三角形几何形状分布。
可选的，预设所述第一无线模块的传输指令，所述传输指令包括当所述第二检测模块连续检测到来自同一位置的放电超声波信号次数在两次以上时，所述第一无线模块向所述第二无线模块无线传输对应的放电声压数据。
可选的，多个所述第一声压传感器之间的距离为6mm-10mm；多个所述第二声压传感器之间的距离为10mm-14mm；所述第一声压传感器阵列阵元总数大于32个；所述第二声压传感器阵列阵元总数为3个，分别位于二维正三角形的端点处。
可选的，所述参数估计包括估计信源、信道和波达方向的参数，采用ESPRIT算法或MUSIC算法。
可选的，所述固定监测设备包括光电传感器和摄像头，所述光电传感器和所述摄像头分别与所述第二检测模块连接。
电力系统中大量的电气设备布置紧凑集中，绝缘裕度越来越小，尤其是空气污染比较严重，湿度大较大时，在此种环境中运行的电气设备自身就有表面放电加重的情况，而且设备内部放电尤其是早期绝缘损坏的局部放电不易被巡检人员检测发现。局部放电是高压电气设备在较高电场强度处的一种放电现象，这种放电仅造成电气设备绝缘局部短路而不形成导电通道，轻微的局部放电电气设备绝缘影响较小，绝缘强度下降较慢，但是强烈的局部放电会使电气设备绝缘强度迅速下降。大部分需要在电气设备内部设置各种传感器来进行内部的高压放电监测，传感器设备安装数量较多，后期维护起来困难，对于一些新设备无法检测，成本高，自由度不高。
本发明的积极有益效果：通过阵列处理技术可以使在三维空间中按一定顺序排列的传感器接收到包含传感器阵列信息的信号进行处理，定位准确度较高，精准获取目标的达方位角实现局部放电信号的定位，对目标信号进行精确测量，并通过显示屏的直观显示，以便更精确的查找和定位到信源位置。运维人员可通过手持监测设备把手灵活使用该监测装置并对大面积、数量众多的电气设备进行巡逻放电监测，适应性广泛，可应对各种高压放电的电气设备，而且不需要大量其它监测设备的布施，增加电气设备巡检的实时性、全面性、灵活性和普及性，能满足工程实际检测需求，具备较高的工程应用价值，节约成本以及提高工作效率。
附图说明
图1是本发明的实施例1提供的一种手持监测设备的架构的示意框图；
图2是本发明的实施例1提供的一种手持监测设备的正视结构的示意图；
图3是本发明的实施例1提供的一种手持监测设备的侧视结构的示意图；
图4是本发明的实施例1提供的一种球形保护套以及第一声压传感器的阵列结构的示意图；
图5是本发明的实施例1提供的一种手持监测设备和固定监测设备的连接架构的示意框图；
图6是本发明的实施例1提供的一种第二声压传感器的阵列结构的示意图；
图7是本发明的实施例1提供的一种波达方向模型的示意图；
图8是本发明的实施例1提供的一种超声波数据模型的示意图；
图9是本发明的实施例1提供的一种超声波阵列放电数据模型的示意图；
图10是本发明的实施例1提供的一种监测装置的系统硬件结构的示意图。
具体实施方式
下面结合一些具体实施方式，对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1至图4所示，一种用于电气设备局部放电的监测装置，包括手持监测设备，所述手持监测设备包括第一采集模块、第一处理模块、第一检测模块、第一存储模块、显示模块、手持监测设备壳体10和手持监测设备把手13；所述手持监测设备壳体10和所述手持监测设备把手13活动连接；所述第一处理模块、所述第一检测模块和所述第一存储模块位于所述手持设备壳体的内部，所述第一采集模块和所述显示模块位于所述手持设备壳体的外部；所述第一采集模块包括多个在空间中呈三维阵列几何形状分布的第一声压传感器14，用于采集超声波；所述第一处理模块与所述第一采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；所述第一检测模块与所述第一处理模块连接，用于确定超声波的信号方向和干扰信号方向以及进行参数估计；所述第一存储模块与所述第一检测模块连接，用于缓存收集到的放电声压数据；所述显示模块与所述第一存储模块连接，用于显示放电超声波发射源的空间几何位置。
呈阵列几何形状分布的第一声压传感器14，用于采集各种超声波，立体阵列可以对三维空间内的声源目标进行定位，通过阵列处理技术可以使在三维空间中按一定顺序排列的传感器接收到包含传感器阵列信息的信号进行处理，定位准确度较高，精准获取目标的达方位角实现局部放电信号的定位，对目标信号进行精确测量，实际上是一种冗余，可以利用这种冗余提高信噪比；可以利用波束形成技术实现空间滤波，使得第一处理模块在提取有用信号的同时降低背景噪声抑制其它方向的干扰，第一处理模块可以实现对多变环境下的强噪声干扰过滤，获取电传声波阵元对电气弱声源的识别；经过第一检测模块确定信号的空域参数和信源位置，第一存储模块对处理，和分析的这些数据进行存储，可供运维人员或第一检测模块后续的分析和处理，显示模块主要包括显示屏11，可采用液晶显示屏11或触摸屏，通过显示屏11的直观显示，以便更精确的查找和定位到信源位置。传统的超声波传感器检测设备只能实现小范围区域化的定位模式，运维人员可通过手持监测设备把手13灵活使用该监测装置并对大面积、数量众多的电气设备进行巡逻放电监测，适应性广泛，可应对各种高压放电的电气设备，而且不需要大量其它监测设备的布施，节约成本以及提高工作效率。
进一步的，手持监测设备把手13设置在手持监测设备壳体10的底部，呈闭合的拱桥形，把手一侧的弧度大小略高于另一侧的弧度大小，方便握住和提高摩擦力，使得运维人员更方便使用，壳体顶部显示屏11的下方还设置有各种指示灯和频率调整旋钮以及开关等按键；手持监测设备壳体10远离把手的一侧部设置有球形保护套12，多个第一声压传感器14呈三维阵列几何形状分布在所述球形保护套12内部，所述球形保护套12采用易穿透的材质或套护套设置有均匀分布的小孔，易于监测。如图5和图6所示，所述监测装置包括多个固定监测设备，分别设置在待监测的电气设备内部；所述固定监测设备包括第二采集模块、第二处理模块、第二检测模块、第二存储模块和第一无线模块；所述第二采集模块包括多个在平面中呈二维阵列几何形状分布的第二声压传感器21，用于采集电气设备内部的超声波；所述第二处理模块与所述第二采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；所述第二检测模块与所述第二处理模块连接，用于确定超声波的信号方向和干扰信号方向以及进行参数估计；所述第二存储模块与所述第二检测模块连接，用于缓存收集到的放电声压数据；所述第一无线模块与所述第二存储模块连接，用于无线传输放电声压数据；所述手持监测设备包括第二无线模块和对比模块，分别设置在所述手持监测设备壳体10的内部；所述第二无线模块与所述第一无线模块无线连接；所述对比模块与所述第二无线模块、所述第一存储模块和所述显示模块连接，用于对收集到的声压数据进行比对，确定放电超声波发射源的空间几何位置。
固定监测设备是提前分别设置在所有待监测的电气设备内部进行近距离高压放电辅助监测的，固定监测设备内的大部分功能模块都与手持监测设备相同，不同的就是其内部的第二采集模块是由多个在平面中呈二维阵列几何形状分布的第二声压传感器21。具体的，所述第一声压传感器14呈三维不规则几何形状分布；所述第二声压传感器21呈二维规则几何形状分布，优选的选正三角形阵列，每个固定监测设备使用三个第二声压传感器21，分别位于正三角形的三个顶点处；第一声压传感器14阵列中的每个声压传感器的位置向量方向不同，位置向量是线性无关的，从而能够很好的避免重复空间采样，抑制混叠效应，有效减少鬼影的出现，可以独立使用，也可以配合固定监测设备使用，提高定位效果；根据待监测电气设备的多少和大小来确定第二声压传感器21的使用数量，一般使用数量较多，会增加成本，平面正三角形阵列的第二声压传感器21在制造安装运输方面有着成本较低以及性价比较高的优点，能保障放电超声波的定位效果，二元阵在二维平面内的定位没有唯一解，可能会导致定位不准确，利用三元阵可以进行唯一的定位，而且还可以降低信息的处理量，使得运算简单，提高检测效率。手持监测设备通过和固定监测设备的配合，分别从不同的距离和方向对超声波方向和位置进行定位，提高了监测灵敏度和精度。第二存储模块缓存第二声压传感器21收集到的放电声压数据并在合适的时候通过第一无线模块无线传输放电声压数据，第二无线模块可接收第一无线模块发送的放电声压数据，所述合适的时候可以是第二检测模块通过第二声压传感器21连续检测到来自同一位置的放电超声波信号次数在两次以上时，单次的局部放电有可能是正常现象，对设备的危害很低，不需要进行检修或更换，但如果连续发生两次以上的超声波放电时说明对应的设备局部放电已经超过一定的程度，运维人员应该将设备退出运行并进行检修和更换。预设所述第一无线模块的传输指令，所述传输指令包括当所述第二检测模块连续检测到来自同一位置的放电超声波信号次数在两次以上时，所述第一无线模块向所述第二无线模块无线传输对应的放电声压数据，保障对设备高压放电监测的准确度，避免频繁检修更换，提高工作效率和降低维护成本。
阵列参数包括声压传感器的数目，传声器阵元间距，传声器的空间分布形式等几何参数；多个所述第一声压传感器14之间的距离为6mm-10mm；多个所述第二声压传感器21之间的距离为10mm-14mm；检测距离0.5m-15m；检测信号频率在2kHz-52kHz；第一声压传感器14阵列阵元总数大于32个。针对不同声压传感器阵列的排布选择不同的间距，提高超声波测量精度，声压传感器之间的距离越大，声达时间差就越大，在采样频率一定的情况下，可以降低系统误差，呈不规则三维阵列分布的第一声压传感器14的监测精度较高，在距离上可以比第二声压传感器21之间的距离要小，缩减装置整体体积，增加便携性。
第一声压传感器14阵列和第二声压传感器21阵列分别单独作为一个整体，都可分别单独定位，不但可以获得声音信号的时域信息还可以获得空域信息，麦克风阵列信号处理的主要目标是最大化地利用空时信息来提高接收端信号的质量。根据不同的应用场景，其主要需要解决以下几类问题：1)声源检测，判断声源个数，采用Akaike InformationCriterion(赤池信息量准则)，用最小化一个关于带噪信号相关矩阵中噪声特征值的函数的方法；2)参数估计，所述参数估计包括估计信源、信道和波达方向(DOA)的参数，最为关心的问题是DOA估计，DOA是指空间信号的到达方向，即各个信号到达阵列阵元的方向角，如图7所示，采用高分辨率谱估计的方法，比如ESPRIT算法或MUSIC算法，通过找到最大功率的放电超声波方向，也可用相关延时估计算法；3)降噪，提取目标方向的信号，同时，最大限度地抑制其他方向的干扰。当干扰信号和目标信号处于同一频段时，时域滤波的方式无法去除干扰，只能利用空域信息来进行空间滤波；4)成像，通过空间中不同位置接收到的信号的强度来进行成像显示。
所述固定监测设备包括光电传感器和摄像头，所述光电传感器和所述摄像头分别与所述第二检测模块连接。采用视频辅助系统解决和精确方向估计问题，减少算法的复杂度，对高压放电源做进一步的精确定位，光电传感器对光源很敏感，可以感受到发光源的位置，在电气设备内高压放电时还会发出瞬时的光束可供光电传感器或摄像头采集。可以采取离线的监控并传输数据，在运维人员不在的时候单独实时监控电气设备的高压放电。
参考图8为超声波数据模型，超声波调理电路具有良好的放大和滤波的效果，可以检测到非常微弱的超声波信号，并滤除干扰信号；参考图9为超声波阵列数据模型，超声波局部放电阵列数据，可以实现对放电源的定位；对于DOA参数估计方法采用近似最大似然估计(Approximated Maximum Likelihood，AML)的模型参数方法利用宽带信号噪声在各频带上满足复高斯分布的特性，构建最大似然函数并通过优化搜索来获得目标波达方向的估计结果。其中，AML算法通过离散傅里叶变换故障点定位(DFT)将时域阵列信号变成频域信号，y(k)＝A(k)(Θ，k)k(t)+n(k)，k＝1，2，…，N/2.，其中
如果对J(θ)取对数操作并忽略其中的常数可以得到化简后的目标函数
再对公式进行一下优化处理可以得到
相比于其他传统的DOA估计算法，AML算法在角度分表率、估计偏差、相干信号估计、任意阵型设计等方面具有明显优势。
选用MEMS传感器作为阵元进行阵列设计，选择适合型号的声压传感器，由于阵列具有的阵元数目较多，考虑采用FPGA来进行信号数据采集，同时对信号进行预处理(例如预滤波、解码等)，FPGA拥有丰富的IO口资源，采用Sigma-Delta ADC进行采样，输出的PDM信号需要先经过CIC滤波器进行降采样处理后再经过低通滤波器输出。整个系统被划分成了声压传感器阵列、信号调理电路、A/D转换电路、主控制器、分别以静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory,SRAM)、嵌入式多媒体存储卡(Embedded Multi MediaCard,eMMC)为核心的缓存与主存电路、USB通讯电路、蓝牙收发模块以及电源转换电路，并留有SW接口与串口，用于后期系统的调试。其结构框图如图10所示，其中MEMS阵元、信号调理电路、A/D转换电路主要用于采集超声波信号，无线模块可采用蓝牙传输，滤波放大之后，经采样量化之后转换成数字信号，通过显示模块，实现可视化信号定位展示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，包括手持监测设备，所述手持监测设备包括第一采集模块、第一处理模块、第一检测模块、第一存储模块、显示模块、手持监测设备壳体和手持监测设备把手；所述手持监测设备壳体和所述手持监测设备把手活动连接；所述第一处理模块、所述第一检测模块和所述第一存储模块位于所述手持设备壳体的内部，所述第一采集模块和所述显示模块位于所述手持设备壳体的外部；所述第一采集模块包括多个在空间中呈三维阵列几何形状分布的第一声压传感器，用于采集超声波；所述第一处理模块与所述第一采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；所述第一检测模块与所述第一处理模块连接，用于确定超声波的信号方向和干扰信号方向以及进行参数估计；所述第一存储模块与所述第一检测模块连接，用于缓存收集到的放电声压数据；所述显示模块与所述第一存储模块连接，用于显示放电超声波发射源的空间几何位置。
2.如权利要求1所述的一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，包括多个固定监测设备，分别设置在待监测的电气设备内部；所述固定监测设备包括第二采集模块、第二处理模块、第二检测模块、第二存储模块和第一无线模块；所述第二采集模块包括多个在平面中呈二维阵列几何形状分布的第二声压传感器，用于采集电气设备内部的超声波；所述第二处理模块与所述第二采集模块连接，用于对采集的超声波进行降噪滤波；所述第二检测模块与所述第二处理模块连接，用于确定超声波的信号方向和干扰信号方向以及进行参数估计；所述第二存储模块与所述第二检测模块连接，用于缓存收集到的放电声压数据；所述第一无线模块与所述第二存储模块连接，用于无线传输放电声压数据；所述手持监测设备包括第二无线模块和对比模块，分别设置在所述手持监测设备壳体的内部；所述第二无线模块与所述第一无线模块无线连接；所述对比模块与所述第二无线模块、所述第一存储模块和所述显示模块连接，用于对收集到的声压数据进行比对，确定放电超声波发射源的空间几何位置。
3.如权利要求2所述的一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，所述第一声压传感器呈三维不规则几何形状分布；所述第二声压传感器呈二维正三角形几何形状分布。
4.如权利要求2所述的一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，预设所述第一无线模块的传输指令，所述传输指令包括当所述第二检测模块连续检测到来自同一位置的放电超声波信号次数在两次以上时，所述第一无线模块向所述第二无线模块无线传输对应的放电声压数据。
5.如权利要求3所述的一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，多个所述第一声压传感器之间的距离为6mm-10mm；多个所述第二声压传感器之间的距离为10mm-14mm；所述第一声压传感器阵列阵元总数大于32个；所述第二声压传感器阵列阵元总数为3个，分别位于二维正三角形的端点处。
6.如权利要求1所述的一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，所述参数估计包括估计信源、信道和波达方向的参数，采用ESPRIT算法或MUSIC算法。
7.如权利要求2所述的一种用于电气设备局部放电的监测装置，其特征在于，所述固定监测设备包括光电传感器和摄像头，所述光电传感器和所述摄像头分别与所述第二检测模块连接。
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