CN114113927A - 电力变压器局部放电故障检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力变压器局部放电故障检测装置，每个超声传感器接收被测电力变压器局部放电产生的超声信号，射频传感器接收被测电力变压器局部放电产生的射频信号，超声信号预处理模块对各个超声信号进行预处理，得到对应的各个有效数字超声信号，射频信号预处理模块对射频信号进行预处理，得到有效数字射频信号；射频信号微处理器确定有效数字射频信号的起始时刻；超声信号微处理器用于以有效数字射频信号的起始时刻为初始时刻，确定各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟；计算机采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器的局部放电源进行定位。本发明能准确定位局部放电源，提高电力变压器绝缘检测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及变压器监测技术领域，具体地指一种电力变压器局部放电故障检测装置及方法。
背景技术
局部放电是在绝缘劣化或存在瑕疵时的常见现象，尤其在长时间运行的大型电力变压器中极为常见，是造成电力变压器故障和电力系统运行事故的主要原因之一。因此，为了避免电力系统事故的发生，在电力变压器的出厂和长时间运行过程中，对电力变压器局部放电现象进行检测与定位是非常必要和重要的。在局部放电检测定位方面国内外已经做了大量的研究工作，在对局部放电现象检测方法的研究方面，根据伴随局部放电现象产生的诸多物理现象，提出了多种检测方法，如脉冲电流检测法、气相色谱检测法、超声波检测法、超高频检测法、光测法、射频检测法、红外热像法等多种检测方法，针对大型变压器局部放电的检测和定位取得了较多的成果，但各种检测方法在实际应用中都有局限性，因此，对各种局部放电检测方法的改进也一直在进行中。超声检测法是一种常用的局部放电检测方法，由于其便于实现对放电源定位的特点，该检测方法在实际应用中得到了广泛应用，但这种检测法在使用中存在定位误差过大、灵敏度不高等不足。
超声波检测在局部放电的检测中是一种传统的和应用广泛的检测方法。这种方法经常通过安装在变压器油箱壁上的超声传感器探测超声波脉冲信号的发生来判断局部放电现象的发生，通过对超声波脉冲信号的探测和多路超声波信号探测装置的摆放，可以方便的计算出局部放电的位置，易于实现对局部放电源的定位。由于超声波检测法便于定位的特点，所以该种检测方法得到了广泛的应用和深入的研究。但是超声波检测法也存在诸多局限，如变压器复杂的内部结构造成的超声波传播过程中的漫反射、探测和定位过程中使用的复杂的计算方法等等，使得超声波检测法的灵敏度不高、放电源定位误差过大。
局部放电的射频检测法，针对变压器的局部放电现象，采用射频传感器检测放电。射频检测法的关键是传感器及其接收灵敏度，较常用射频传感器有复合电容传感器、线圈电流传感器和射频天线传感器等几种传感器。针对变压器局部放电的射频电流的检测，将采用线圈传感器，此类型传感器测试频带较宽，能定量检测放电强度，现场测试证明，该方法具有较好的实用价值。射频电流信号由变压器中性点与大地的连线上获取，由于射频电流信号可以认为与局部放电现象同时发生，可以快速判断局部放电的发生，所以射频检测法具有很好的灵敏度，但是容易受到周围电磁干扰的影响，在实际应用中无法得到理想的效果。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种电力变压器局部放电故障检测装置及方法，本发明能准确定位局部放电源，提高电力变压器绝缘检测的准确性。
为实现此目的，本发明所设计的电力变压器局部放电故障检测装置，包括多个超声传感器、超声信号预处理模块、超声信号微处理器、射频传感器、射频信号预处理模块、射频信号微处理器和计算机，其中，每个超声传感器用于接收被测电力变压器局部放电产生的超声信号，射频传感器用于接收被测电力变压器局部放电产生的射频信号，超声信号预处理模块用于对各个超声信号进行预处理，得到对应的各个有效数字超声信号，射频信号预处理模块用于对射频信号进行预处理，得到有效数字射频信号；
射频信号微处理器用于确定有效数字射频信号的起始时刻；超声信号微处理器用于以有效数字射频信号的起始时刻为初始时刻，确定各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟；
计算机用于根据初始时刻和各个有效超声信号相对初始时刻的时间延迟，以及各个超声传感器的布置位置，采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器的局部放电源进行定位。
本发明的有益效果：
本发明利用超声信号和射频信号同时对局部放电进行检测和定位，综合利用到了两种信号的不同特性。利用到了两种信号传播速度不同的特性，射频信号认为与局部放电同时发生，可以作为时间延迟的开始，超声波信号传播速度较慢，可作为时间延迟的结束，两种信号间的时间延迟与声速的乘积即等效于放电源与超声传感器间的直线距离。根据超声传感器与放电源间的直线距离建立定位模型，可以利用空间距离方程等简单的计算方法对放电源进行定位，获得放电源坐标。解决了目前电力变压器局部放电测试中难以准确确定局放源位置的难题，提高了电力变压器绝缘检测及诊断的准确性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中射频传感器和超声传感器的时序图；
图3为超声传感器菱形排列的示意图。
其中，1—被测电力变压器、2—超声传感器、3—射频传感器、4—接地线、5—计算机、6—超声信号主放大器、7—超声信号滤波器、8—超声信号次放大器、9—超声信号比较器、10—超声信号微处理器、11—超声信号D/A转换器、12—射频信号D/A转换器、13—射频信号主放大器、14—射频信号滤波器、15—射频信号次放大器、16—射频信号比较器、17—射频信号微处理器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～3所示电力变压器局部放电故障检测装置，包括多个超声传感器2、超声信号预处理模块、超声信号微处理器10(超声信号PIC微处理器)、射频传感器3、射频信号预处理模块、射频信号微处理器17(射频信号PIC微控器)和计算机5，其中，每个超声传感器2用于接收被测电力变压器1局部放电产生的超声信号，射频传感器3用于接收被测电力变压器1局部放电产生的射频信号，每个超声传感器2均用于将所述超声信号传输给超声信号预处理模块，射频传感器3用于将所述射频信号传输给射频信号预处理模块，超声信号预处理模块用于对各个超声信号进行预处理，得到对应的各个有效数字超声信号，射频信号预处理模块用于对射频信号进行预处理，得到有效数字射频信号；
射频信号微处理器17用于确定有效数字射频信号的起始时刻；超声信号微处理器10用于以有效数字射频信号的起始时刻为初始时刻，确定各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟；
计算机5用于根据初始时刻和各个有效超声信号相对初始时刻的时间延迟，以及各个超声传感器2的布置位置，采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器1的局部放电源进行定位。
上述技术方案中，射频信号微处理器17在检测系统中的作用是快速检测射频信号的发生，并作为计算时间延迟的开始；
射频信号PIC微控器17程序初始化后，实现对现场噪声阈值的自动设定，然后进入四个判断程序：是否检测到射频信号、是否符合射频电流信号的时间长度、是否检测到超声信号、是否符合射频信号的时间长度。当未检测到射频信号时，射频信号PIC微控器17一直循环等待射频信号，检测到射频信号后，检查信号是否符合射频信号特性若检测到的信号超过射频信号时间长度的特性，则认为是噪声信号，继续检测射频信号，若符合射频特性，则超声信号微处理器10启动超声信号检测，启动超声信号检测后，检测是否接收到超声信号，并判断等待超声信号的时间是否超过阈值，当等待超声信号时间没有超过阈值时，则循环等待，若等待超声信号时间超过阈值(即长时间没有检测到超声信号)，则终止超声检测，重新检测射频信号。
上述技术方案中，所述超声信号预处理模块包括超声信号主放大器6和超声信号滤波器7，所述超声信号主放大器6用于将各个超声传感器2采集的超声信号的幅值放大20倍，使得各个超声信号的幅值满足超声信号滤波器7的输入信号幅值的要求，超声信号滤波器7用于对主放大后的超声信号进行滤波处理，保留频率范围为80～120khz的超声信号。考虑到低频、高频干扰和超声信号的峰值频率主要在70～120KHz，将超声信号检测系统的滤波器中心频率定为100KHz。
所述超声信号预处理模块还包括超声信号次放大器8和超声信号比较器9，所述超声信号次放大器8用于对各个滤波后的超声信号进出二次放大，本实施例中将超声信号的幅值放大10倍(由于之前的主放大过程和滤波过程会减小信号的动态范围，所以需要再次放大)，使各个二次放大后的超声信号幅值满足超声信号比较器9输入信号幅值的要求，超声信号比较器9用于将各个二次放大后的超声信号的幅值分别与噪声信号幅值的阈值进行比较，当二次放大后的超声信号的幅值大于噪声信号幅值的阈值，且二次放大后的超声信号的频率满足超声信号频率特性时，确认二次放大后的超声信号为有效模拟超声信号。
所述超声信号预处理模块还包括超声信号D/A转换器11，所述超声信号D/A转换器11用于将有效模拟超声信号转换为有效数字超声信号。
上述技术方案中，所述射频信号预处理模块包括射频信号主放大器13和射频信号滤波器14，所述射频信号主放大器13用于将射频传感器3采集的射频信号的幅值进行放大，使得射频信号的幅值满足射频信号滤波器14的输入信号幅值的要求，射频信号滤波器14用于对进行主放大后的射频信号进行滤波处理，保留频率范围为10khz～20mhz的射频信号。射频信号是一种持续时间很短的脉冲型信号，局部放电信号的带宽很宽，可达几十MHz。现场的干扰源大致包括系统的高次谐波，载波通讯和无线电广播等脉冲型干扰；电网中的整流器件的开关动作引起的高频涌流和电弧放电等白噪声干扰；绕组的热噪声和地网噪声。本发明必须选择合适带宽的硬件滤波器尽可能地减少这些低频和高频干扰，为了有效的去除低频干扰，射频信号检测系统滤波器的下截止频率为10KHz。在对射频信号检测单元设计时，为了简化设计也将滤波器的中心频率拟定为400kHz。
所述射频信号预处理模块还包括射频信号次放大器15和射频信号比较器16，所述射频信号次放大器15用于对滤波后的射频信号进出二次放大，本实施例中将射频信号的幅值放大10倍(由于之前的主放大过程和滤波过程会减小信号的动态范围，所以需要再次放大)，使各个二次放大后的射频信号幅值满足射频信号比较器16输入信号幅值的要求，射频信号比较器16用于将二次放大后的射频信号的幅值与噪声信号幅值的阈值进行比较，当二次放大后的射频信号的幅值大于噪声信号幅值的阈值，且二次放大后的射频信号的频率满足射频信号频率特性时，确认二次放大后的射频信号为有效模拟射频信号。
所述射频信号预处理模块还包括射频信号D/A转换器12，射频信号D/A转换器12用于将有效模拟射频信号转换为有效数字射频信号。
本实施例中，超声信号主放大器6和射频信号主放大器13的增益倍数能达到100倍，带宽能达到800kHz，噪声频率1kHz时为1.3nV/Hz，保证了放大器输出的信号能尽可能复现传感器接收到的信号，另外，由于局部放电信号的幅值本身很小，超声信号主放大器6和射频信号主放大器13还要具有高增益、低噪声的特点，以便尽可能多的减小信号的失真，得到较真实的局部放电信号信息。
上述技术方案中，超声传感器2采用压电式超声换能器，所述超声传感器2有四个，四个超声传感器2安装在被测电力变压器1的油箱壁外部，四个超声传感器2菱形排列，每个超声传感器2安装位置为菱形的顶点，菱形排列的顶角为60°，边长可随变压器的大小伸长或者缩短；
射频传感器3为rogowski线圈射频传感器，射频传感器3安装在被测电力变压器1的接地线4上。
上述技术方案中，所述计算机采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器1的局部放电源进行定位的具体方法为：
将有效数字射频信号的起始时刻t0作为初始时刻，利用各个有效数字超声信号的起始时刻作为时间延迟的结束，得到各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟，各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟即为超声波从局部放电源传播到各个相应超声传感器2所需的时间，将超声波从局部放电源传播到各个相应超声传感器2所需的时间分别乘以超声波的传播速度，得到各个超声传感器2与局部放电源的直线距离，通过各个超声传感器2与局部放电源的直线距离结合各个超声传感器2的布置位置确定被测电力变压器1的局部放电源的具体位置。
射频信号和四路超声信号的具体时序关系如图2所示。
在图2中，t0，tA，tB，tC，tD。分别是射频传感器、超声传感器A、超声传感器B、超声传感器C、超声传感器D接收到信号的起始时刻。由原理分析可知射频信号可以认为是与局部放电现象同时发生，所以可以将射频信号的起始时刻t0作为时间延迟计算的开始时间。由于超声波传播速度较慢，相对射频信号就会产生一定的时间延迟，且由于各超声传感器与局部放电源的直线距离的不同，因此不同超声传感器接收到的超声信号相对相同的起始射频信号，就会产生不同长度的时间延迟，所以利用超声波信号的起始时刻，tA，tB，tC，tD。作为时间延迟的结束，可以得到四个时间延迟TA，TB，TC，TD，且四个时间延迟长度不同。通过分析可以认为TA，TB，TC，TD就是超声波从放电源传播到传感器所需的时间，再乘以超声波的传播速度，就可以得到不同超声波传感器与放电源间不同的直线距离。通过各个超声传感器2与局部放电源的直线距离结合各个超声传感器2的布置位置确定被测电力变压器1的局部放电源的具体位置。
在超声检测法中引入射频检测法后，可以将两种检测方法的优缺点相互融合和弥补，改进后的超声—射频电流联合检测比单一使用超声波法更加稳定、灵敏和更加抗噪声干扰，并且定位的准确度也会有一定的提高。避免单一干扰源对被检信号的干扰，避免局部放电现象的误判断的发生。
上述技术方案中，四个超声传感器2按照菱形排列，可对变压器内传感器一侧发生的局部放电现象进行探测，并配合使用实现对放电源进行定位。按照菱形排列的超声波传感器，放电源与至少三路超声传感器间的传播途径是近似直线的，传感器使用菱形排列可以有效的抑制变压器内复杂内部结构的影响，减小超声波传播时的影响，可以减小射频信号与超声信号间的时延误差，为放电源的定位提供较为准确的变量，避免造成过大的定位误差。
通过射频，超声两种信号的配合使用，直接获得放电源与超声传感器间的直接距离，以放电源与超声传感器间的直接距离建立定位模型，可以极大的简化定位原理和定位过程。不同超声传感器与放电源间的直接距离，再代入超声传感器的位置坐标，便可以使用空间距离方程直接对放电源的位置坐标进行求解。使用空间距离方程定位与复杂的算法相比，具有原理简单、算法简单、定位简单的优点，其优点可以从方程的空间距离方程看出：
x，y，z为放电源的空间位置坐标，d为空间距离，a，b，c为空间中一定点坐标，对于每一个超声传感器一定具有其位置坐标和与放电源间的直线距离，便可以建立一个关于放电源空间位置坐标的方程，只需至少三路超声传感器便可以对放电源的空间位置进行定位。求出x，y，z的值既是放电源的位置。
在传感器菱形排列示意图，图3中，将超声传感器按照菱形排列，并将O点设定为零点，那么A，B，C，D点坐标便可确定为A(0，b，0)，B(a，0，0)，C(0，-b，0)，D(-a，0，0)。将检测到的放电源与A，B，C，D四个超声传感器间的直接距离定为dA，dB，dC，dD其中直线距离为射频信号与超声信号间的时间延迟即传播时间与波速的乘积。将超声传感器A，B，C，D点的坐标和直线距离dA，dB，dC，dD，带入空间距离方程，可得如下方程：
对其进行简化，得方程：
通过以上表达式，局部放电源的x，y，z坐标便可以通过求解得到。
一种电力变压器局部放电故障检测方法，它包括如下步骤：
每个超声传感器2接收被测电力变压器1局部放电产生的超声信号，射频传感器3接收被测电力变压器1局部放电产生的射频信号；
每个超声传感器2均将所述超声信号传输给超声信号预处理模块，射频传感器3将所述射频信号传输给射频信号预处理模块；
超声信号预处理模块对各个超声信号进行预处理，得到对应的各个有效数字超声信号，射频信号预处理模块对射频信号进行预处理，得到有效数字射频信号；
射频信号微处理器17确定有效数字射频信号的起始时刻；超声信号微处理器10以有效数字射频信号的起始时刻为初始时刻，确定各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟；
计算机5根据初始时刻和各个有效超声信号相对初始时刻的时间延迟，以及各个超声传感器2的布置位置，采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器1的局部放电源进行定位。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：包括多个超声传感器(2)、超声信号预处理模块、超声信号微处理器(10)、射频传感器(3)、射频信号预处理模块、射频信号微处理器(17)和计算机(5)，其中，每个超声传感器(2)用于接收被测电力变压器(1)局部放电产生的超声信号，射频传感器(3)用于接收被测电力变压器(1)局部放电产生的射频信号，超声信号预处理模块用于对各个超声信号进行预处理，得到对应的各个有效数字超声信号，射频信号预处理模块用于对射频信号进行预处理，得到有效数字射频信号；
射频信号微处理器(17)用于确定有效数字射频信号的起始时刻；超声信号微处理器(10)用于以有效数字射频信号的起始时刻为初始时刻，确定各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟；
计算机(5)用于根据初始时刻和各个有效超声信号相对初始时刻的时间延迟，以及各个超声传感器(2)的布置位置，采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器(1)的局部放电源进行定位。
2.根据权利要求1所述的电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：所述超声信号预处理模块包括超声信号主放大器(6)和超声信号滤波器(7)，所述超声信号主放大器(6)用于将各个超声传感器(2)采集的超声信号的幅值进行放大，使得各个超声信号的幅值满足超声信号滤波器(7)的输入信号幅值的要求，超声信号滤波器(7)用于对主放大后的超声信号进行滤波处理，保留频率范围为80～120khz的超声信号。
3.根据权利要求2所述的电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：所述超声信号预处理模块还包括超声信号次放大器(8)和超声信号比较器(9)，所述超声信号次放大器(8)用于对各个滤波后的超声信号进出二次放大，使各个二次放大后的超声信号幅值满足超声信号比较器(9)输入信号幅值的要求，超声信号比较器(9)用于将各个二次放大后的超声信号的幅值分别与噪声信号幅值的阈值进行比较，当二次放大后的超声信号的幅值大于噪声信号幅值的阈值，且二次放大后的超声信号的频率满足超声信号频率特性时，确认二次放大后的超声信号为有效模拟超声信号；
所述超声信号预处理模块还包括超声信号D/A转换器(11)，所述超声信号D/A转换器(11)用于将有效模拟超声信号转换为有效数字超声信号。
4.根据权利要求1所述的电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：所述射频信号预处理模块包括射频信号主放大器(13)和射频信号滤波器(14)，所述射频信号主放大器(13)用于将射频传感器(3)采集的射频信号的幅值进行放大，使得射频信号的幅值满足射频信号滤波器(14)的输入信号幅值的要求，射频信号滤波器(14)用于对放大后的射频信号进行滤波处理，保留频率范围为10khz～20mhz的射频信号。
5.根据权利要求4所述的电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：所述射频信号预处理模块还包括射频信号次放大器(15)和射频信号比较器(16)，所述射频信号次放大器(15)用于对滤波后的射频信号进出二次放大，使各个二次放大后的射频信号幅值满足射频信号比较器(16)输入信号幅值的要求，射频信号比较器(16)用于将二次放大后的射频信号的幅值与噪声信号幅值的阈值进行比较，当二次放大后的射频信号的幅值大于噪声信号幅值的阈值，且二次放大后的射频信号的频率满足射频信号频率特性时，确认二次放大后的射频信号为有效模拟射频信号；
所述射频信号预处理模块还包括射频信号D/A转换器(12)，射频信号D/A转换器(12)用于将有效模拟射频信号转换为有效数字射频信号。
6.根据权利要求1所述的电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：所述超声传感器(2)有四个，四个超声传感器(2)安装在被测电力变压器(1)的油箱壁外部，四个超声传感器(2)呈菱形排列，每个超声传感器(2)安装位置为菱形的顶点，菱形排列的顶角为60°；
所述射频传感器(3)安装在被测电力变压器(1)的接地线(4)上。
7.根据权利要求1所述的电力变压器局部放电故障检测装置，其特征在于：所述计算机(5)采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器(1)的局部放电源进行定位的具体方法为：
将有效数字射频信号的起始时刻t0作为初始时刻，利用各个有效数字超声信号的起始时刻作为时间延迟的结束，得到各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟，各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟为超声波从局部放电源传播到各个相应超声传感器(2)所需的时间，将超声波从局部放电源传播到各个相应超声传感器(2)所需的时间分别乘以超声波的传播速度，得到各个超声传感器(2)与局部放电源的直线距离，通过各个超声传感器(2)与局部放电源的直线距离结合各个超声传感器(2)的布置位置确定被测电力变压器(1)的局部放电源的具体位置。
8.一种电力变压器局部放电故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
每个超声传感器(2)接收被测电力变压器(1)局部放电产生的超声信号，射频传感器(3)接收被测电力变压器(1)局部放电产生的射频信号；
超声信号预处理模块对各个超声信号进行预处理，得到对应的各个有效数字超声信号，射频信号预处理模块对射频信号进行预处理，得到有效数字射频信号；
射频信号微处理器(17)确定有效数字射频信号的起始时刻；超声信号微处理器(10)以有效数字射频信号的起始时刻为初始时刻，确定各个有效数字超声信号相对初始时刻的时间延迟；
计算机(5)根据初始时刻和各个有效超声信号相对初始时刻的时间延迟，以及各个超声传感器(2)的布置位置，采用超声和射频联合检测法对被测电力变压器(1)的局部放电源进行定位。
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| CN202111283220.6A Pending CN114113927A (zh) | 2021-11-01 | 2021-11-01 | 电力变压器局部放电故障检测装置及方法 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105093070A (zh) * | 2014-05-06 | 2015-11-25 | 长沙理工大学 | 一种大型变压器多放电源超声定位方法 |
| CN110108993A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-08-09 | 国网青海省电力公司检修公司 | 一种用于电力设备局部放电的多频段三维联合测试方法 |
| CN209728162U (zh) * | 2019-03-11 | 2019-12-03 | 河南乐佳电子科技有限公司 | 一种超声波传感器 |
-
2021
- 2021-11-01 CN CN202111283220.6A patent/CN114113927A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105093070A (zh) * | 2014-05-06 | 2015-11-25 | 长沙理工大学 | 一种大型变压器多放电源超声定位方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 兰云鹏: "电力变压器局部放电检测定位的研究", CNKI硕士电子期刊库, 15 September 2009 (2009-09-15), pages 1 - 75 * |
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