CN114280427A - 基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，本方法采用多路传感器同步采集局部放电的物理量信号，并转换为局部放电脉冲信号后传送到数据采集卡；通过时域开窗提取脉冲波形幅值‑相位信息，将一个工频相位周期分为N个窗口，获取第i个窗口中的脉冲数量Ni，计算第i个窗口中的平均脉冲幅值Ii，通过平均脉冲幅值和所在窗口的中心相位重构出连续的时域波形；根据时域波形并结合脉冲信号相位信息绘制出局部放电量波形图，基于该图进行局部放电状态监测和故障诊断，提供绝缘劣化预警。本方法有效去除噪声影响，提高信噪比，测量结果精准，为电力设备运行状况评估及运维提供有效依据，减少故障带来的设备损失和停电损失。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备状态监测和故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，适用于各种电力设备的局部放电监测。
背景技术
局部放电是导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电，是造成电力设备绝缘劣化的主要原因，通过对局部放电信号的检测，可以实现对电力设备的绝缘劣化程度及使用寿命的评估。电力设备在制造、运行过程中会在绝缘介质内部出现气泡、杂质等其他物质，这就导致了在绝缘介质内部或表面会出现高场强区域，一旦这些区域的场强高到足以引起该区域的局部击穿，就会出现局部区域的放电，而此时其他区域仍会保持良好的绝缘性能，这就形成了局部放电。局部放电可能产生在固体绝缘孔隙中、液体绝缘气泡中或不同介电特性的绝缘层之间。如果电场强度高于绝缘介质所具有的特定值，局部放电也可能发生在液体或固体绝缘中。局部放电不会立即导致绝缘整体的击穿，但其对绝缘介质的危害异常严重。一旦绝缘介质中出现局部放电，通过对其周围绝缘介质的不断侵蚀，最终会导致整个绝缘系统的失效。局部放电是造成绝缘劣化的主要原因，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绝缘体的击穿过程密切相关，能有效地反映电力设备内部绝缘的潜伏性缺陷和故障。所以，测定电力设备在不同电压下局部放电强度与变化规律，能预示设备的绝缘状态，也是估计绝缘电老化速度的重要依据。
随着对电力设备可靠性要求的提高，局部放电的相关技术得到快速发展，各种局部放电测量方法应运而生。局部放电的检测大都是以局部放电发生时所产生的各种物理量的检测为基础。当绝缘介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热及一些新的化学产物，与此相应的出现了电学检测法、声学检测法、光学检测法及化学检测法等。而现有的局部放电测试仪虽然可以检测局部放电信号，但其在现场试验过程中局部放电测试仪受到噪声的影响较大，对于局部放电信号随机性的处理较欠缺，导致检测结果的精度较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，本方法适用于各种电力设备的局部放电监测，有效去除噪声的影响，提高信噪比，测量结果精准，应用范围广泛，操作简便，为电力设备运行状况评估及运维提供有效依据，减少故障带来的设备损失和停电损失。
为解决上述技术问题，本发明基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法包括如下步骤：
步骤一、采用多路传感器同步采集电力设备反应局部放电的物理量信号，将同步采集的物理量信号转换为局部放电脉冲信号后传送到数据采集卡；
步骤二、对采集到的多路局部放电脉冲信号进行实时时域重构处理，脉冲信号时域重构通过时域开窗提取脉冲波形幅值-相位信息，将一个工频相位周期分为N个窗口，获取第i个窗口中的脉冲数量Ni，计算第i个窗口中的平均脉冲幅值Ii，通过平均脉冲幅值和所在窗口的中心相位重构出连续的时域波形；
步骤三、根据脉冲信号时域重构得到的时域波形，结合脉冲信号相位信息绘制出重构后的局部放电平均放电量波形图，并通过基于时域重构后的平均放电量波形图特征进行局部放电状态监测和故障诊断，提供绝缘劣化预警。
进一步，所述步骤二中提取脉冲波形幅值-相位信息是将每个周期内脉冲发生的时间ti转换为相位φi，根据脉冲的最小间隔l对脉冲波形进行开窗，将每个窗口内脉冲波形幅值绝对值最大的点与局部放电检测阈值进行比较，若该点的绝对值大于阈值则记该点的值为有效放电脉冲的脉冲幅值，该点对应的相位为脉冲幅值的相位。
进一步，对环境噪声水平进行连续检测，以噪声水平最大值与平均值之差的2倍作为判断是否为有效放电脉冲，即为局部放电检测阈值。
进一步，所述步骤一中物理量信号包括脉冲电流信号、超声信号和光信号；所述脉冲电流信号通过安装在电力设备接地线路的阻抗或罗氏线圈进行测量；所述超声信号采用频带在20～300kHz之间的压电超声波传感器进行测量，并将超声波信号转换为电信号；光信号采用波长在500～700nm之间的光学传感器进行测量，并利用光电转换和光电倍增原理将光信号转换为电信号。
进一步，所述步骤二中N个窗口的N为正整数，N的取值根据实际局部放电的脉冲发生重复率进行手动或自动设置。
进一步，所述步骤一中多路传感器同步采集时，各路信号采用相同的A/D采样率和模拟带宽的采样通道进行同步采集。
进一步，所述步骤二中时域开窗选取固定时间作为开窗长度，并根据单位时间内的局部放电强度进行选择，开窗长度介于最大脉冲宽度tw和最小脉冲时间间隔tl之间。
进一步，所述步骤一中数据采集卡设有可供自定义数据采集方式和分析方法的二次编程接口，并具有多路快速、高分辨率的采集通道。
由于本发明基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法采用了上述技术方案，即本方法采用多路传感器同步采集局部放电的物理量信号，并转换为局部放电脉冲信号后传送到数据采集卡；通过时域开窗提取脉冲波形幅值-相位信息，将一个工频相位周期分为N个窗口，获取第i个窗口中的脉冲数量Ni，计算第i个窗口中的平均脉冲幅值Ii，通过平均脉冲幅值和所在窗口的中心相位重构出连续的时域波形；根据时域波形并结合脉冲信号相位信息绘制出局部放电量波形图，基于该图进行局部放电状态监测和故障诊断，提供绝缘劣化预警。本方法适用于各种电力设备的局部放电监测，有效去除噪声的影响，提高信噪比，测量结果精准，应用范围广泛，操作简便，为电力设备运行状况评估及运维提供有效依据，减少故障带来的设备损失和停电损失。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本方法的原理框图；
图2为本方法中时域重构得到的局部放电电量波形图；
图3为本方法中同步时域开窗提取放电脉冲示意图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法包括如下步骤：
步骤一、采用多路传感器同步采集电力设备反应局部放电的物理量信号，将同步采集的物理量信号转换为局部放电脉冲信号后传送到数据采集卡；
步骤二、对采集到的多路局部放电脉冲信号进行实时时域重构处理，脉冲信号时域重构通过时域开窗提取脉冲波形幅值-相位信息，将一个工频相位周期分为N个窗口，获取第i个窗口中的脉冲数量Ni，计算第i个窗口中的平均脉冲幅值Ii，通过平均脉冲幅值和所在窗口的中心相位重构出连续的时域波形；
步骤三、根据脉冲信号时域重构得到的时域波形，结合脉冲信号相位信息绘制出重构后的局部放电平均放电量波形图，并通过基于时域重构后的平均放电量波形图特征进行局部放电状态监测和故障诊断，提供绝缘劣化预警。
优选的，所述步骤二中提取脉冲波形幅值-相位信息是将每个周期内脉冲发生的时间ti转换为相位φi，根据脉冲的最小间隔l对脉冲波形进行开窗，将每个窗口内脉冲波形幅值绝对值最大的点与局部放电检测阈值进行比较，若该点的绝对值大于阈值则记该点的值为有效放电脉冲的脉冲幅值，该点对应的相位为脉冲幅值的相位。
优选的，对环境噪声水平进行连续检测，以噪声水平最大值与平均值之差的2倍作为判断是否为有效放电脉冲，即为局部放电检测阈值。
优选的，所述步骤一中物理量信号包括脉冲电流信号、超声信号和光信号；所述脉冲电流信号通过安装在电力设备接地线路的阻抗或罗氏线圈进行测量；所述超声信号采用频带在20～300kHz之间的压电超声波传感器进行测量，并将超声波信号转换为电信号；光信号采用波长在500～700nm之间的光学传感器进行测量，并利用光电转换和光电倍增原理将光信号转换为电信号。
优选的，所述步骤二中N个窗口的N为正整数，N的取值根据实际局部放电的脉冲发生重复率进行手动或自动设置。
优选的，所述步骤一中多路传感器同步采集时，各路信号采用相同的A/D采样率和模拟带宽的采样通道进行同步采集。
优选的，所述步骤二中时域开窗选取固定时间作为开窗长度，并根据单位时间内的局部放电强度进行选择，开窗长度介于最大脉冲宽度tw和最小脉冲时间间隔tl之间。
优选的，所述步骤一中数据采集卡设有可供自定义数据采集方式和分析方法的二次编程接口，并具有多路快速、高分辨率的采集通道。
如图1所示，图中（a）部分利用数据采集卡同时采集8路局部放电信号，各路采集通道的A/D采样率和模拟带宽相同，具有12位高分辨率，20MHz带宽，256MS缓冲存储器和80MS/s的快速采样率，可实现多路通道的同时数据采集。
图1中（b）部分和图3展示了提取局部放电信号的方法，本方法采用同步时域开窗进行信号提取，以固定时间长度作为开窗长度（本示例中取20μs），获取每个时间窗内的脉冲信号幅值，此时提取到的平均脉冲幅值应始终大于所设定的局部放电检测阈值。利用公式（1）将每个周期内的时间ti转换为相位φi，其中T为周期。然后根据单位时间内的局部放电强度确定开窗长度l，并计算第i个窗口中的局部放电脉冲数量Ni，并利用公式（2）计算第i个窗口中的脉冲信号平均幅值Ii。
式（1）中方括号表示取整函数；
图1中（c）部分表明，当采集到的脉冲数满足设定值后，将所提取到的平均脉冲幅值信号及其所对应的的相位信息同时输出，经过标定，生成平均放电量波形图。图2示出了采用本方法所得到的典型缺陷局部放电的平均放电量波形图示例。
传统电力设备局部放电检测中，对信号的特征提取大多采用幅值-相位信息统计的方法，基于PRPD谱图对放电特征进行分析，且测量手段复杂，易受噪声干扰，某些检测技术应用范围有限等。针对这些实际情况，本方法提出一种精确有效且应用范围广泛的局部放电的监测手段。本方法的目的在于通过对采集到的局部放电信号进行同步时域开窗提取信号，然后对多个周期的幅值信息进行时域（相位）重构得到具有统计特征的连续时域波形，最后通过识别多周期统计和重构的连续波形的特征实现设备局部放电的状态检测和故障诊断，本方法可被广泛应用于各种电力设备的局部放电监测中，且去除了噪声影响，使得测量结果更为准确。
本方法通过选取合适的时间窗长度，获取每个窗内的脉冲幅值并取平均，将每个周期内的时间转换为相位，结合平均脉冲幅值和相位信息生成平均放电量波形图，所获取的结果具有统计性特征，可一定程度去除噪声的影响，信噪比高，并且可以在现场测试和监测所有的电力设备，包括发电机、电动机、变压器、气体绝缘组合电器设备（GIS）、电感电容、电线电缆接头等各类电力设备。本方法测量结果精准、应用范围广泛，操作简便，为监测电力设备的运行状况以及安排生产及检修提供有效依据，减少故障带来的设备损失以及停电损失。
Claims (8)
1.一种基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于本方法包括如下步骤：
步骤一、采用多路传感器同步采集电力设备反应局部放电的物理量信号，将同步采集的物理量信号转换为局部放电脉冲信号后传送到数据采集卡；
步骤二、对采集到的多路局部放电脉冲信号进行实时时域重构处理，脉冲信号时域重构通过时域开窗提取脉冲波形幅值-相位信息，将一个工频相位周期分为N个窗口，获取第i个窗口中的脉冲数量Ni，计算第i个窗口中的平均脉冲幅值Ii，通过平均脉冲幅值和所在窗口的中心相位重构出连续的时域波形；
步骤三、根据脉冲信号时域重构得到的时域波形，结合脉冲信号相位信息绘制出重构后的局部放电平均放电量波形图，并通过基于时域重构后的平均放电量波形图特征进行局部放电状态监测和故障诊断，提供绝缘劣化预警。
2.根据权利要求1所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：所述步骤二中提取脉冲波形幅值-相位信息是将每个周期内脉冲发生的时间ti转换为相位φi，根据脉冲的最小间隔l对脉冲波形进行开窗，将每个窗口内脉冲波形幅值绝对值最大的点与局部放电检测阈值进行比较，若该点的绝对值大于阈值则记该点的值为有效放电脉冲的脉冲幅值，该点对应的相位为脉冲幅值的相位。
3.根据权利要求2所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：对环境噪声水平进行连续检测，以噪声水平最大值与平均值之差的2倍作为判断是否为有效放电脉冲，即为局部放电检测阈值。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：所述步骤一中物理量信号包括脉冲电流信号、超声信号和光信号；所述脉冲电流信号通过安装在电力设备接地线路的阻抗或罗氏线圈进行测量；所述超声信号采用频带在20～300kHz之间的压电超声波传感器进行测量，并将超声波信号转换为电信号；光信号采用波长在500～700nm之间的光学传感器进行测量，并利用光电转换和光电倍增原理将光信号转换为电信号。
5.根据权利要求4所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：所述步骤二中N个窗口的N为正整数，N的取值根据实际局部放电的脉冲发生重复率进行手动或自动设置。
6.根据权利要求4所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：所述步骤一中多路传感器同步采集时，各路信号采用相同的A/D采样率和模拟带宽的采样通道进行同步采集。
7.根据权利要求4所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：所述步骤二中时域开窗选取固定时间作为开窗长度，并根据单位时间内的局部放电强度进行选择，开窗长度介于最大脉冲宽度tw和最小脉冲时间间隔tl之间。
8.根据权利要求4所述的基于开关柜地电波的局部放电分布式监测预警方法，其特征在于：所述步骤一中数据采集卡设有可供自定义数据采集方式和分析方法的二次编程接口，并具有多路快速、高分辨率的采集通道。
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