CN116500433A - 一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统及方法，包括特高频传感模块、光纤光栅振动传感模块以及信号分析处理模块，通过获取有载分接开关油中放电及机械振动信号，比对有载分接开关故障与正常运行时机械振动和油中放电数据历史相关性和特征图谱的差异，对有载分接开关运行状态进行诊断。本发明可实时检测分体式有载分接开关切换电弧，有效监测切换开关油室突发性电弧放电故障；可实现分体式有载分接开关机械振动的高灵敏度测量，且抗电磁干扰能力强；可实现分体式有载分接开关运行状态的多参量联合监测。
Description
技术领域
本发明属于信号监测领域，特别涉及一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统及方法。
背景技术
换流变压器是特高压直流输电中的关键设备，其安全可靠运行对电力系统的运行稳定性具有重要意义。有载分接开关作为换流变压器中唯一可动部件，在不切断负载的情况下实现系统电压的连续调节，具有稳定电网电压、调节系统潮流以及改善电能质量的重要作用。然而，随着近年来有载调压技术的不断普及，有载分接开关调压操作日益频繁，实际工程中有载分接开关故障频发。切换机械隐患和切换开关油室绝缘失效是造成有载分接开关故障的重要原因，其中由机械隐患引发的故障占比达70％以上，但目前缺少针对有载分接开关运行状态行之有效的在线监测方法，有载分接开关的运行安全性和可靠性受到严重威胁。
现阶段对有载分接开关的监测主要包括对绝缘特性和机械特性的监测，对于绝缘特性监测主要采用气相色谱法，而在机械特性方面，一般采用压电陶瓷加速度传感器进行振动信号测量。上述两种监测方法的局限性如下：首先，油的气相色谱分析的监测周期较长，通常为2～4小时，虽然其对油中一系列潜伏性绝缘缺陷的诊断具有较高的准确性，但对于发展过程极快的突发性电弧故障，无法实现有效的实时监测和诊断；其次，气相色谱法采用的色谱柱及传感器需要定期进行标定，以避免在长期运行中性能发生变化；再次，采用压电陶瓷式加速度传感器进行切换过程机械振动信号的测量灵敏度较低、动态范围较窄，传感系统的性能受到制约。
因此，针对现今有载分接开关在线监测方法灵敏度低、实时性差、抗干扰能力弱等缺点，亟需发明一种可以监测有载分接开关油中放电和机械振动的，具备高监测灵敏度的有载分接开关多参量联合在线监测方法和监测系统。
发明内容
本发明公开了一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，包括特高频传感模块、光纤光栅振动传感模块以及信号分析处理模块。
优选地，所述特高频传感模块包括第一特高频传感模块和第二特高频传感模块，第一特高频传感模块布置于分体式有载分接开关切换油室顶盖观察窗处，第二特高频传感模块布置于分体式有载分接开关切换油室侧壁，用于检测分体式有载分接开关油中放电所辐射的电磁波信号，特高频传感模块通过信号传输电路与信号分析处理模块连接。
优选地，所述光纤光栅振动传感模块为基于光纤光栅水听器原理的光学振动传感模块，包括第一光纤光栅振动传感模块和第二光纤光栅振动传感模块，第一光纤光栅振动传感模块布置于分体式有载分接开关切换油室顶盖表面，第二光纤光栅振动传感模块布置于分体式有载分接开关切换油室侧壁，用于获取切换过程传动轴和触头动作产生的机械振动信号，光纤光栅振动传感模块通过信号传输电路与信号分析处理模块连接。
优选地，所述第一光纤光栅振动传感模块由第一光纤光栅传感器、第一光纤环形器和第一光电探测器构成；第二光纤光栅振动传感模块由宽带光源、1×2光纤耦合器、第二光纤环形器、第二光纤光栅传感器和第二光电探测器构成；第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器用于检测有载分接开关传动机构以及触头动作产生的机械振动信号，第一光纤环形器和第二光纤环形器用于用于按端口顺序的特定方向传输光信号，第一光电探测器和第二光电探测器用于将光信号转换为电信号，传输至信号分析处理模块，宽带光源用于提供光纤光栅所需的光功率，1×2光纤耦合器用于将光纤传输的光信号按比例分配到两根光纤传输。
优选地，所述信号分析处理模块(5)由特高频信号数字采集卡(51)、光纤光栅机械振动信号数字采集卡(52)和主机(53)构成；特高频信号数字采集卡(51)用于采集特高频传感模块测得的信号，光纤光栅机械振动信号数字采集卡(52)用于采集光纤光栅振动传感模块测得的信号，将信号送入主机(53)，主机(53)对分体式有载分接开关油中放电信号和机械振动信号进行数据历史相关性和特征图谱比对，通过比对分析正常和故障状态历史相关性和特征图谱的差异，诊断有载分接开关的运行状态。
本发明还公开一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法，采用所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统实现，具体包括以下步骤：
S201：通过基于有限元分析及电磁波传播特性分析，找到放电信号最强的位置，布置特高频传感模块，获取有载分接开关油中放电信号；
S202：计算分接开关切换过程中振动信号传播特性，在传播特性最大值位置布置光纤光栅振动传感模块，获取有载分接开关机械振动信号；
S203：开展分体式有载分接开关切换实验，获得正常运行状态下分体式有载分接开关切换电弧信号和机械振动信号，获取机械振动信号主频，建立油中放电信号和机械振动信号的历史数据库；
S204：开展绝缘油劣化局部放电实验，获得各类影响因素下绝缘油劣化导致的局部放电信号，建立绝缘油劣化局部放电特征图谱库；
S205：将切换电弧和机械振动信号与正常运行状态下的信号进行比对，采用p值检验切换信号与历史数据的历史相关性，比较切换信号与历史数据的历史相关系数r，根据历史相关性判断是否正常切换，通过历史相关系数得出切换信号与历史信号的相关程度；
S206：实时获取绝缘油局部放电图谱，与绝缘油劣化局部放电特征图谱库进行比对，判断切换油室中是否发生因绝缘油劣化导致的局部放电；
S207：根据历史相关性和特征图谱比对结果判断有载分接开关运行状态。
优选地，步骤S205中所述数据历史相关系数r计算方法为：
其中，cov(X,Y)为切换信号与历史数据的协方差，σX为切换信号标准差，σY为历史数据标准差。
优选地，步骤S205中所述数据历史相关性检验方法为：
p＜0.05，则认为所测信号与历史数据具有相关性；
p＞0.05，则认为所测信号与历史数据没有相关性；
其中，p为当原假设正确时，得到所观测的样本数据或更极端数据的概率。
优选地，步骤S201所述油中放电包括切换油室绝缘油劣化局部放电以及切换电弧。
优选地，
步骤S203所述获取机械振动信号主频的方法为快速傅里叶变换：
其中，x(n)为所测时域信号，x(k)为快速傅里叶变换后的频域信号。
本发明的优点在于，可实时检测分体式有载分接开关切换电弧，有效监测切换开关油室突发性电弧放电故障；可实时分体式有载分接开关机械振动的高灵敏度测量，且抗电磁干扰能力强；可实现分体式有载分接开关运行状态的多参量联合监测。本发明操作简单，易于实施，并且便于操作人员及时发现有载分接开关运行状态的异常，大大降低了有载分接开关的故障损坏率，延长有载分接开关的使用寿命。
附图说明
图1为有载分接开关多参量联合在线监测系统结构示意图；其中，1为第一特高频传感模块；2为第二特高频传感模块；3为第一光纤光栅振动传感模块；31为第一光纤光栅传感器；32为第一光纤环形器；33为第一光电探测器；4为第二光纤光栅振动传感模块；41为宽带光源；42为1×2光纤耦合器；43为第二光纤环形器；44为第二光纤光栅传感器；45为第二光电探测器；5为信号分析处理模块信号分析处理模块；51为特高频信号数字采集卡；52为光纤光栅机械振动信号数字采集卡；53为主机；6为分体式有载分接开关切换油室；
图2为分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
如图1所示，本发明公开的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，包括第一特高频传感模块1、第二特高频传感模块2、第一光纤光栅振动传感模块3、第二光纤光栅振动传感模块4以及信号分析处理模块5，第一特高频传感模块1、第二特高频传感模块2、第一光纤光栅振动传感模块3、第二光纤光栅振动传感模块4和光纤光栅振动传感模块分别通过电路与信号分析处理模块5进行连接。
系统中，第一特高频传感模块1布置于有载分接开关切换油室6顶盖观察窗处，第二特高频传感模块2布置于分体式有载分接开关切换油室侧壁，检测有载分接开关油中放电所辐射的电磁波信号，其中油中放电包括绝缘油中局部放电以及切换电弧，第一特高频传感模块1和第二特高频传感模块2通过信号传输电路与信号分析处理模块5连接，实现特高频信号的传输。
系统中，第一光纤光栅振动传感模块3布置于有载分接开关切换油室6顶盖表面，第二光纤光栅振动传感模块(4)布置于分体式有载分接开关切换油室侧壁，用于获取切换过程传动轴和触头动作产生的机械振动信号，并通过电路传输给信号分析处理模块5。
系统中，信号分析处理模块5由特高频信号数字采集卡51、光纤光栅机械振动信号数字采集卡52和主机53构成；特高频信号数字采集卡51用于采集特高频传感模块测得的信号，光纤光栅机械振动信号数字采集卡52用于采集光纤光栅振动传感模块测得的信号，将信号送入主机53，主机53对特高频信号和机械振动信号进行数据历史相关性和特征图谱比对，通过比对分析正常和故障状态历史相关性和特征图谱的差异，从而根据特征参量的差异诊断分体式有载分接开关的运行状态。
如图2所示，本发明公开的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法包括三个步骤：
S201：通过基于有限元分析及电磁波传播特性分析，找到放电信号最强的位置，布置特高频传感模块，获取有载分接开关油中放电信号；
S202：计算分接开关切换过程中振动信号传播特性，在传播特性最大值位置布置光纤光栅振动传感模块，获取有载分接开关机械振动信号；
S203：开展分体式有载分接开关切换实验，获得正常运行状态下分体式有载分接开关切换电弧信号和机械振动信号，获取机械振动信号主频，建立油中放电信号和机械振动信号的历史数据库；
S204：开展绝缘油劣化局部放电实验，获得各类影响因素下绝缘油劣化导致的局部放电信号，建立绝缘油劣化局部放电特征图谱库；
S205：将切换电弧和机械振动信号与正常运行状态下的信号进行比对，检验切换信号与历史数据的历史相关性，比较切换信号与历史数据的历史相关系数，根据历史相关性判断是否正常切换；
S206：实时获取绝缘油局部放电图谱，与绝缘油劣化局部放电特征图谱库进行比对，判断切换油室中是否发生因绝缘油劣化导致的局部放电；
S207：根据历史相关性和特征图谱比对结果判断有载分接开关运行状态，切换电弧和机械振动信号历史相关性与正常切换相符，且未出现绝缘油劣化局部放电特征图谱，则有载分接开关开关运行状态正常，切换电弧和机械振动信号历史相关性与正常切换存在差异，或出现绝缘油劣化局部放电特征图谱，则有载分接开关故障出现故障。
在分体式有载分接开关切换油室6顶盖布置第一特高频传感模块1以及第一光纤光栅振动传感模块3，在分体式有载分接开关切换油室6侧壁布置第二特高频传感模块2以及第二光纤光栅振动传感模块4获取有载分接开关油中放电及机械振动信号，并传输至信号分析处理模块5；由信号分析处理模块5对特高频信号和机械振动信号进行数据历史相关性和特征图谱比对，通过比对分析正常和故障状态历史相关性和特征图谱的差异，从而根据特征参量的差异诊断分体式有载分接开关的运行状态。若切换电弧和机械振动信号历史相关性与正常切换相符，且未出现绝缘油劣化局部放电特征图谱，则有载分接开关开关运行状态正常，切换电弧和机械振动信号历史相关性与正常切换存在差异，或出现绝缘油劣化局部放电特征图谱，则有载分接开关故障出现故障。
由于特高频传感模块对电弧放电信号的检测具有很强的实时性，故本发明可实时检测有载分接开关切换电弧，有效监测切换开关油室突发性电弧放电故障；又由于光纤光栅振动传感模块对机械振动信号的测量相较传统测量方法具有更高的灵敏度，同时光纤光栅振动传感模块中光信号在光纤中传播不受外界电磁场的影响，故本发明可实时对有载分接开关机械振动进行高灵敏度测量，且抗电磁干扰能力强。
特高频信号和机械振动信号进行数据历史相关性和特征图谱比对，通过比对分析正常和故障状态历史相关性和特征图谱的差异，可实现分体式有载分接开关运行状态的多参量联合监测。
Claims (10)
1.一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，其特征在于，包括特高频传感模块、光纤光栅振动传感模块以及信号分析处理模块。
2.根据权利要求1所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，其特征在于，所述特高频传感模块包括第一特高频传感模块(1)和第二特高频传感模块(2)，第一特高频传感模块(1)布置于分体式有载分接开关切换油室(6)顶盖观察窗处，第二特高频传感模块(2)布置于分体式有载分接开关切换油室侧壁，用于检测分体式有载分接开关油中放电所辐射的电磁波信号，特高频传感模块通过信号传输电路与信号分析处理模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅振动传感模块为基于光纤光栅水听器原理的光学振动传感模块，包括第一光纤光栅振动传感模块(3)和第二光纤光栅振动传感模块(4)，第一光纤光栅振动传感模块(3)布置于分体式有载分接开关切换油室(6)顶盖表面，第二光纤光栅振动传感模块(4)布置于分体式有载分接开关切换油室(6)侧壁，用于获取切换过程传动轴和触头动作产生的机械振动信号，光纤光栅振动传感模块通过信号传输电路与信号分析处理模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，其特征在于，所述第一光纤光栅传感模块(3)由第一光纤光栅传感器(31)、第一光纤环形器(32)和第一光电探测器(33)构成；第二光纤光栅传感模块(4)由宽带光源(41)、1×2光纤耦合器(42)、第二光纤环形器(43)、第二光纤光栅传感器(44)和第二光电探测器(45)构成；第一光纤光栅传感器(31)和第二光纤光栅传感器(44)用于检测有载分接开关传动机构以及触头动作产生的机械振动信号，第一光纤环形器(32)和第二光纤环形器(43)用于按端口顺序的特定方向传输光信号，第一光电探测器(33)和第二光电探测器(45)用于将光信号转换为电信号，传输至信号分析处理模块，宽带光源(41)用于提供光纤光栅所需的光功率，1×2光纤耦合器(42)用于将光纤传输的光信号按比例分配到两根光纤传输。
5.根据权利要求1所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统，其特征在于，所述信号分析处理模块(5)由特高频信号数字采集卡(51)、光纤光栅机械振动信号数字采集卡(52)和主机(53)构成；特高频信号数字采集卡(51)用于采集特高频传感模块测得的信号，光纤光栅机械振动信号数字采集卡(52)用于采集光纤光栅振动传感模块测得的信号，将信号送入主机(53)，主机(53)对分体式有载分接开关油中放电信号和机械振动信号进行数据历史相关性和特征图谱比对，通过比对分析正常和故障状态历史相关性和特征图谱的差异，诊断有载分接开关的运行状态。
6.一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统实现，具体包括以下步骤：
S201：通过基于有限元分析及电磁波传播特性分析，找到放电信号最强的位置，布置特高频传感模块，获取有载分接开关油中放电信号；
S202：计算分接开关切换过程中振动信号传播特性，在传播特性最大值位置布置光纤光栅振动传感模块，获取有载分接开关机械振动信号；
S203：开展分体式有载分接开关切换实验，获得正常运行状态下分体式有载分接开关切换电弧信号和机械振动信号，获取机械振动信号主频，建立油中放电信号和机械振动信号的历史数据库；
S204：开展绝缘油劣化局部放电实验，获得各类影响因素下绝缘油劣化导致的局部放电信号，建立绝缘油劣化局部放电特征图谱库；
S205：将切换电弧和机械振动信号与正常运行状态下的信号进行比对，采用p值检验切换信号与历史数据的历史相关性，比较切换信号与历史数据的历史相关系数r，根据历史相关性判断是否正常切换，通过历史相关系数得出切换信号与历史信号的相关程度；
S206：实时获取绝缘油局部放电图谱，与绝缘油劣化局部放电特征图谱库进行比对，判断切换油室中是否发生因绝缘油劣化导致的局部放电；
S207：根据历史相关性和特征图谱比对结果判断有载分接开关运行状态，切换电弧和机械振动信号历史相关性与正常切换相符，且未出现绝缘油劣化局部放电特征图谱，则有载分接开关开关运行状态正常，切换电弧和机械振动信号历史相关性与正常切换存在差异，或出现绝缘油劣化局部放电特征图谱，则有载分接开关故障出现故障。
7.根据权利要求6所述一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法，其特征在于，所述数据历史相关系数r计算方法为：
其中，cov(X,Y)为切换信号与历史数据的协方差，σX为切换信号标准差，σY为历史数据标准差。
8.根据权利要求6所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法，其特征在于，所述数据历史相关性检验方法为：
p＜0.05，则认为所测信号与历史数据具有相关性；
p＞0.05，则认为所测信号与历史数据没有相关性；
其中，p为当原假设正确时，得到所观测样本数据或更极端数据的概率。
9.根据权利要求6所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法，其特征在于，步骤S201所述油中放电包括切换油室绝缘油劣化局部放电以及切换电弧。
10.根据权利要求6所述的一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测方法，其特征在于，步骤S203所述获取机械振动信号主频的方法为快速傅里叶变换：
其中，x(n)为所测时域信号，x(k)为快速傅里叶变换后的频域信号。
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| CN202310525131.0A Pending CN116500433A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 一种分体式有载分接开关多参量联合在线监测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116500433A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117434437A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-01-23 | 清华四川能源互联网研究院 | 变压器有载分接开关切换程序解析方法 |
-
2023
- 2023-05-10 CN CN202310525131.0A patent/CN116500433A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117434437A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-01-23 | 清华四川能源互联网研究院 | 变压器有载分接开关切换程序解析方法 |
| CN117434437B (zh) * | 2023-12-14 | 2024-03-15 | 清华四川能源互联网研究院 | 变压器有载分接开关切换程序解析方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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