CN115616352A - 一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及局部放电检测技术领域，尤其涉及一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置及方法，该装置包括：供电机构，包括工频交流电源、与工频交流电源连接的变压器以及耦合电容；局放检测机构，包括与阻抗输入单元以及与局放分析仪；气体绝缘机构，包括密闭的套管模型和充气组件，套管模型内具有与供电机构连接的模拟放电缺陷的电极，密闭套管模型上还具有透明观察窗；光谱采集分析机构，包括夹具、固定在夹具上且与缺陷电极对应的探头、与探头连接的光纤、与光纤连通的光谱仪以及与光谱仪连通的上位机；光谱仪用于检测缺陷电极放电时光谱的粒子种类、谱线类型、谱段范围和光谱强度，上位机根据光谱仪的检测结果确定放电的类型或者严重程度。

Description

一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置及方法

技术领域

本发明涉及局部放电检测技术领域，尤其涉及一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置及方法。

背景技术

气体绝缘电气设备在实际运行中因残留物、制造缺陷等会产生局部放电现象，而长时间的局部放电将造成设备的绝缘性能下降和老化。运用局部放电检测技术及时检出局部放电的位置和信息，能有效预防危险情况的发生，从而使电力设备安全稳定运行。

相关技术中，局部放电检测方法主要包括脉冲电流法、超高频法、超声信号检测、声电联合检测法、分解气体法等。发明人在实施上述局部放电检测方法时发现，脉冲电流法、超高频法、超声波法等检测信号易受自然环境中同频段的背景噪声干扰，而分解气体法无法反映突发性故障等，这从一定程度上限制了上述方法的推广与应用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本发明提供了一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置及方法，利用局部放电产生的光辐射信息来实现局部放电类型及严重程度的检测。

根据本发明的第一方面，提供一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置，包括：

供电机构，包括工频交流电源、与所述工频交流电源连接的变压器以及与所述变压器连接的耦合电容，所述供电机构用于施加电压；

局放检测机构，包括与所述耦合电容连接的阻抗输入单元以及与所述阻抗输入单元连接的局放分析仪，用于检测局部放电量的对比和参考；

气体绝缘机构，包括密闭的套管模型和与所述套管模型连通的充气组件，所述套管模型内具有与所述供电机构连接的模拟放电缺陷的电极，所述充气组件用于朝向所述套管模型内充入设定压力的绝缘气体，所述密闭套管模型上还具有透明观察窗；

光谱采集分析机构，包括与所述透明观察窗连接的夹具、固定在所述夹具上且与所述缺陷电极对应的探头、与所述探头连接的光纤、与所述光纤连通的光谱仪以及与所述光谱仪连通的上位机；

其中，所述光谱仪用于检测所述缺陷电极放电时光谱的粒子种类、谱线类型、谱段范围和光谱强度，所述上位机根据所述光谱仪的检测结果确定放电的类型或者严重程度。

在一些实施例中，所述局放分析仪为多通道数字式局部放电综合分析仪。

在一些实施例中，所述充气组件包括与所述套管模型通过管路连通的实验气瓶、与所述实验气瓶连接的阀门以及设置在连通管路上的气压表。

在一些实施例中，所述实验气瓶内存储的气体为SF₆气体。

在一些实施例中，所述电极所模拟的缺陷包括尖端缺陷、悬浮缺陷、微粒缺陷或沿面缺陷。

在一些实施例中，所述电极的材料为铁、不锈钢、铝、铜或者合金。

在一些实施例中，所述光谱仪的检测波长范围为200-11000nm，光谱分辨率为1nm。

在一些实施例中，所述夹具包括遮光板、固定在所述遮光板中间的固定座、固定在所述固定座上并朝向相反的方向延伸的伸缩杆以及与两所述伸缩杆的自由端连接的卡板；

其中，所述固定座用于所述探头的固定，两所述卡板在所述伸缩杆的作用下互相靠近或者远离，以实现将夹具固定在所述透明观察窗上。

在一些实施例中，所述夹具采用非导电材质，所述伸缩杆包括套筒和在所述套筒内可相对滑动设置的滑动管；

其中，所述滑动管伸入至所述套筒内的一端具有环形活塞，所述卡板内部中空设置且与所述滑动管连通，所述卡板上还具有气嘴，当朝向所述气嘴内抽气时，所述滑动管在所述套筒内收缩，反之伸长。

根据本发明的第二方面，还提供了一种气体绝缘电气设备局部放电检测方法，应用如第一方面任一项所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，包括以下步骤：

固定电极至套管模型中，并检查所述套管模型的气密性；

固定夹具于所述套管模型的透明观察窗位置处，并将探头固定在所述夹具上，检查所述光谱仪与上位机的电路接线；

通过所述供电机构逐步施加电压，观察局放分析仪至局部放电量稳定；

逐渐升压，记录不同电压下的放电光信号，通过上位机分析处理不同电压下的放电光信号的均值、均方差、信噪比，得出局部放电量与放电光信号的映射关系，完成放电类型及放电严重程度的判定。

本发明的有益效果为：本发明通过局部放电产生的光辐射进行故障检查，通过确定光谱中对应的粒子种类及光谱强度，即可通过放电的光谱信息判断故障类型和严重程度；同时，光学检测基于电学检测进行对比，可建立放电光-电检测的联系，综合判断放电的信息，为局部放电提供多角度更全面的检测方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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。

图1为本发明实施例中气体绝缘电气设备局部放电检测装置的原理图；

图2为本发明实施例中供电机构的原理图；

图3为本发明实施例中局放检测机构的原理图；

图4为本发明实施例中气体绝缘机构的结构示意图；

图5为本发明实施例中光谱采集分析机构的结构示意图；

图6为本发明实施例中夹具的结构示意图；

图7为本发明实施例中夹具的平面剖视结构示意图；

图8为本发明实施例中气体绝缘电气设备局部放电检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

光学检测法主要是通过检测局部放电产生的光辐射信息进行故障诊断，而发射光谱是电激发或热激发作用下物质的分子、原子、离子和基团等粒子从高能态跃迁到低能态，释放出光子所形成的光谱。一旦气体绝缘电气设备发生放电故障，发射光谱包含了气体绝缘介质及其分解产物的光谱特性，与放电过程、放电类型和放电严重程度等密切相关。因此，利用发射光谱检测分析不同谱线对应的特征粒子，不仅可监测放电发展的整个过程，有助于放电过程的分析；还可为气体绝缘电气设备提供故障预警和诊断依据。光谱包含信息较多，利用发射光辐射信息进行局部放电识别的光学检测法具有响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，本发明实施例中正式利用光学检测法来实现局部放电的检测，下面以对本发明的一些具体实施方式做详细介绍。

如图1至图7所示的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，包括供电机构10、局放检测机构20、气体绝缘机构30和光谱分析采集机构40，其中：

供电机构10包括工频交流电源11、与工频交流电源11连接的变压器12以及与变压器12连接的耦合电容13，供电机构10用于对模拟的缺陷施加电压，在本发明一些实施例中，施加电压的范围为0-100kV；耦合电容13500pF，而且如图2中所示，在本发明实施例中还连接了限流电阻，限流电阻的阻值为10k欧姆；供电机构10的最大输出电压为100kV，容量为100kV ▪A。

局放检测机构20包括与耦合电容13连接的阻抗输入单元21以及与阻抗输入单元21连接的局放分析仪22，用于检测局部放电量的对比和参考；在本发明一些实施例中，局放分析仪22采用多通道数字式局部放电综合分析仪，该分析仪通过脉冲电流法的基本原理来检测视频两端的电荷变化，局部放电引起的脉冲经过滤波、放大、采集等处理计算，通过分析仪的面板进行显示。

气体绝缘机构30包括密闭的套管模型31和与套管模型31连通的充气组件32，套管模型31内具有与供电机构10连接的模拟放电缺陷的电极31a，充气组件32用于朝向套管模型31内充入设定压力的绝缘气体，密闭套管模型31上还具有透明观察窗31b；在本发明一些实施例中，透明观察窗31b采用透明石英玻璃，对光的透过率较高，在接口处采用密封胶密封，来保证套管模型31的密封性能；

光谱采集分析机构，包括与透明观察窗31b连接的夹具41、固定在夹具41上且与缺陷电极31a对应的探头42、与探头42连接的光纤43、与光纤43连通的光谱仪44以及与光谱仪44连通的上位机；

其中，光谱仪44用于检测缺陷电极31a放电时光谱的粒子种类、谱线类型、谱段范围和光谱强度，上位机根据光谱仪44的检测结果确定放电的类型或者严重程度。在本发明实施例中，通过局放分析仪22记录放电强度，然后再通过光信号的参数找出映射关系，从而就可以实现根据光信号完成放电严重程度的判断；此外，在本发明一些实施例中，采用多种放电缺陷来进行试验，同样做出映射，可以实现通过光信号来判断放电类型；

在上述实施例中，通过局部放电产生的光辐射进行故障检查，通过确定光谱中对应的粒子种类及光谱强度，即可通过放电的光谱信息判断故障类型和严重程度；同时，光学检测基于电学检测进行对比，可建立放电光-电检测的联系，综合判断放电的信息，为局部放电提供多角度更全面的检测方案。

在上述实施例的基础上，在本发明一些实施例中，充气组件32具体包括与套管模型31通过管路连通的实验气瓶、与实验气瓶连接的阀门以及设置在连通管路上的气压表；在本发明一些实施例中，光谱检测结果的差异由气体种类、固体材料、施加电压、杂质等因素决定：气体种类和含量不同，由电或热激发导致的光辐射过程就不同，粒子电离产生的光谱是光谱差异的根本原因；不同固体材料也会对应不同的光谱灵敏线；不同原子或分子发生能级跃迁所需要的能量不同，放电初期起始电压下和放电进一步加深阶段所光辐射包含的粒子种类不同，等等。在本发明的一些实施例中，实验气瓶内采用SF6气体，在放电初期其特征谱段主要集中在400-500nm波段内，主要为SF6分子跃迁产生；而随着施加电压的增加，气体进一步电离，其特征谱线可以由F或S离子或原子选定。

在本发明一些实施例中，电极31a所模拟的缺陷包括尖端缺陷、悬浮缺陷、微粒缺陷或沿面缺陷，具体可根据缺陷类型的不同更换不同的电极31a形状，上述缺陷的电极31a形状为本领域的常规结构形式，这里不再进行详细描述。同样的，为了检测不同类型的电极31a材料对局部放电结果的影响，在本发明一些实施例中，电极31a的材料为铁、不锈钢、铝、铜或者合金。

在本发明一些实施例中，光谱仪44的检测波长范围为200-11000nm，覆盖了紫外波段、红外波段和近红外波段，光谱分辨率为1nm，从而可以覆盖不同放电气体的发射光谱的检测与分析，在本发明一些实施例中，根据谱段范围、谱线对应的粒子种类以及相对光强确定不同气体放电光谱信息的差异，从而确定不同气体的特征发射谱段。

请参照图4至图6，在本发明一些实施例中，夹具41包括遮光板41a、固定在遮光板41a中间的固定座41b、固定在固定座41b上并朝向相反的方向延伸的伸缩杆41c以及与两伸缩杆41c的自由端连接的卡板41d；其中，固定座41b用于探头42的固定，两卡板41d在伸缩杆41c的作用下互相靠近或者远离，以实现将夹具41固定在透明观察窗31b上。这里需要指出的是，在本发明一些实施例中，探头42加装了光学聚焦透镜，光学聚焦透镜在200-2000nm波段具有良好的透过率，用来采集放电辐射出的光信号；此外，在探头42处还设置有光栅，利用光栅进行分光，从而产生光谱信息，再通过解耦确定谱线对应的粒子种类及其光谱强度等。关于伸缩杆41c的形式，在本发明实施例中具有多种形式，例如可采用弹性的材质，但为了保证检测的效果，在本发明实施例中，将夹具41采用非导电材质；具体如图7中所示，伸缩杆41c包括套筒41c1和在套筒41c1内可相对滑动设置的滑动管41c2；其中，滑动管41c2伸入至套筒41c1内的一端具有环形活塞，卡板41d内部中空设置且与滑动管41c2连通，卡板41d上还具有气嘴41d1，当朝向气嘴41d1内抽气时，滑动管41c2在套筒41c1内收缩，反之伸长。由于卡板41d中空设置，通过气嘴41d1与滑动管41c2连通，而滑动管41c2伸入至套筒41c1内的端部通过带孔的活塞与套筒41c1内壁密封，当通入负压后，滑动管41c2端部与套筒41c1之间的压力会将伸缩管朝内吸附，从而实现保持卡板41d朝内的压力来将整个夹具41夹持在透明观察窗31b上。通过上述方式的设置，无需任何导电部件，从而避免了采集光信息时对局部放电的影响，保证了探头42采集光信息的准确性。

在本发明实施例中，还提供一种如图8中所示的气体绝缘电气设备局部放电检测方法，应用上述气体绝缘电气设备局部放电检测装置，包括以下步骤：

S10：固定电极31a至套管模型31中，并检查套管模型31的气密性；在具体进行气密性的检查时，在本发明一些实施例中，可以采用真空泵持续抽真空30分钟后，静置观察气压表变化，若较长时间内气压表无变化，则说明气密性良好。在检查完气密性以后，采用试验气体对该模型内部进行洗气，循环2-3次，洗完气后充入一定压力的试验气体，静置一段时间待气体扩散均匀后进行检测；

S20：固定夹具41于套管模型31的透明观察窗31b位置处，并将探头42固定在夹具41上，检查光谱仪44与上位机的电路接线；在具体固定时，将探头42对准放电点，并对多通道数字式局部放电综合分析仪进行校准，排除环境中的干扰，脉冲校准发生器提供双极性脉冲，并且脉冲重复率在50Hz-1000Hz内可调，工频交流电压下，该值选择100Hz。

S30：通过供电机构10逐步施加电压，观察局放分析仪22至局部放电量稳定；这里的稳定是指初始局部放电量大于校准后的噪声局放量，且稳定出现。

S40：逐渐升压，记录不同电压下的放电光信号，通过上位机分析处理不同电压下的放电光信号的均值、均方差、信噪比，得出局部放电量与放电光信号的映射关系，完成放电类型及放电严重程度的判定。

本发明提供的基于发射光谱的气体绝缘电气设备局部放电光学检测装置，利用局部放电产生的光辐射进行故障检测，将放电产生的光辐射通过光栅进行分光，从而产生发射光谱信息，是一种非接触式、实时、在线的检测方法，发射光谱及光脉冲蕴含大量可表征放电过程的信息，如放电过程的粒子种类、电子温度、粒子能量等，这些与放电能量，放电类型和电极材料等相关联，可通过放电的光学信息判断其故障类型和严重程度。同时，光学检测和基于脉冲电流法的电学检测进行对比，可建立放电光-电检测的联系，综合判断放电的信息，为局部放电提供多角度更全面的检测方案，有利于放电故障的精准识别和放电早期及时预警，保证电气设备安全平稳运行。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，包括：

供电机构，包括工频交流电源、与所述工频交流电源连接的变压器以及与所述变压器连接的耦合电容，所述供电机构用于施加电压；

局放检测机构，包括与所述耦合电容连接的阻抗输入单元以及与所述阻抗输入单元连接的局放分析仪，用于检测局部放电量的对比和参考；

气体绝缘机构，包括密闭的套管模型和与所述套管模型连通的充气组件，所述套管模型内具有与所述供电机构连接的模拟放电缺陷的电极，所述充气组件用于朝向所述套管模型内充入设定压力的绝缘气体，所述密闭套管模型上还具有透明观察窗；

光谱采集分析机构，包括与所述透明观察窗连接的夹具、固定在所述夹具上且与所述缺陷电极对应的探头、与所述探头连接的光纤、与所述光纤连通的光谱仪以及与所述光谱仪连通的上位机；

其中，所述光谱仪用于检测所述缺陷电极放电时光谱的粒子种类、谱线类型、谱段范围和光谱强度，所述上位机根据所述光谱仪的检测结果确定放电的类型或者严重程度。

2.根据权利要求1所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述局放分析仪为多通道数字式局部放电综合分析仪。

3.根据权利要求1所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述充气组件包括与所述套管模型通过管路连通的实验气瓶、与所述实验气瓶连接的阀门以及设置在连通管路上的气压表。

4.根据权利要求3所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述实验气瓶内存储的气体为SF₆气体。

5.根据权利要求1所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述电极所模拟的缺陷包括尖端缺陷、悬浮缺陷、微粒缺陷或沿面缺陷。

6.根据权利要求5所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述电极的材料为铁、不锈钢、铝、铜或者合金。

7.根据权利要求1所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述光谱仪的检测波长范围为200-11000nm，光谱分辨率为1nm。

8.根据权利要求1所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述夹具包括遮光板、固定在所述遮光板中间的固定座、固定在所述固定座上并朝向相反的方向延伸的伸缩杆以及与两所述伸缩杆的自由端连接的卡板；

其中，所述固定座用于所述探头的固定，两所述卡板在所述伸缩杆的作用下互相靠近或者远离，以实现将夹具固定在所述透明观察窗上。

9.根据权利要求8所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，其特征在于，所述夹具采用非导电材质，所述伸缩杆包括套筒和在所述套筒内可相对滑动设置的滑动管；

其中，所述滑动管伸入至所述套筒内的一端具有环形活塞，所述卡板内部中空设置且与所述滑动管连通，所述卡板上还具有气嘴，当朝向所述气嘴内抽气时，所述滑动管在所述套筒内收缩，反之伸长。

10.一种气体绝缘电气设备局部放电检测方法，其特征在于，应用如权利要求1至9任一项所述的气体绝缘电气设备局部放电检测装置，包括以下步骤：

固定电极至套管模型中，并检查所述套管模型的气密性；

固定夹具于所述套管模型的透明观察窗位置处，并将探头固定在所述夹具上，检查所述光谱仪与上位机的电路接线；

通过所述供电机构逐步施加电压，观察局放分析仪至局部放电量稳定；

逐渐升压，记录不同电压下的放电光信号，通过上位机分析处理不同电压下的放电光信号的均值、均方差、信噪比，得出局部放电量与放电光信号的映射关系，完成放电类型及放电严重程度的判定。

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