CN117554767A - 一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置及方法，可用于电力设备在线监测领域，该装置包括：信号采集模块及信号处理模块；所述信号处理模块包括分频电路及智能设备；所述信号采集模块设置在变压器的工频电流互感器的二次接线盒上，并连接所述分频电路，用于采集变压器的信号并将所述信号传输至所述分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；所述分频电路连接所述智能设备，用于将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备；所述智能设备用于分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。本申请实现了对变压器高频放电信号的分析及对局部放电故障的定位。
Description
技术领域
本申请涉及电气设备在线监测领域，尤其涉及一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置及方法。
背景技术
变压器是电网核心设备，然而近年来发生多起变压器爆燃事故，严重影响电力可靠供应和电网安全，造成巨大经济损失及恶劣社会影响，成为电力系统重要隐患。该类事故因变压器内部绝缘故障引发，由局部放电逐渐发展至绝缘击穿，最终产生巨大放电能量，致使变压器爆燃。现有变压器差动保护在出现明显短路电流后才进行保护，瓦斯保护在出现绝缘击穿引起的快速油流后才进行保护主保护均在绝缘击穿后才启动，无法有效防止变压器的爆燃事故。
高频放电信号是电力变压器故障检测常用的检测信号，现有技术中，如图14所示，高频局部放电在线监测的传感器大多位于铁心或者夹件处，对于容易引起变压器爆燃故障的套管以及高压出线装置部位，放电耦合特性相对较差；而对于在套管末屏接地处引出的测量方式，需要对现有的套管末屏接地方式进行改造，容易使得套管末屏处产生接地不良、受潮等隐患，同时改造还容易引起套管新的故障，从而给变压器增加额外的隐患。例如加装新的传感器会使得末屏连接稳定性、密封性降低，在运行过程中可能会引起进水、绝缘受潮等故障，直至引发套管爆炸。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请实施例提供一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置及方法，避免对变压器套管末屏接地等部位结构产生改动，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本申请提供一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，包括：信号采集模块及信号处理模块；
所述信号处理模块包括分频电路及智能设备；
所述信号采集模块设置在变压器的工频电流互感器的二次接线盒上，并连接所述分频电路，用于采集变压器的信号并将所述信号传输至所述分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；
所述分频电路连接所述智能设备，用于将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备；
所述智能设备用于分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。
进一步地，所述智能设备包括：
极性判别模块，用于对所述高频放电信号进行极性判别；
位置确定模块，用于根据极性判别的结果确定发生放电故障的位置。
进一步地，所述极性判别模块包括：
去噪模块，用于对所述高频放电信号进行去噪；
对齐模块，用于对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果；
极性信息生成模块，用于根据所述对齐结果生成极性信息；
结果生成模块，用于根据所述极性信息及预设的阈值得到极性判别的结果。
进一步地，所述对齐模块包括：
因子生成子模块，用于利用在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的互功率谱生成加权因子；
函数生成子模块，用于根据所述加权因子及所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号生成广义互相关函数；
信号对齐子模块，用于根据广义互相关函数的极值对齐所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号。
进一步地，所述智能设备还包括：
预警保护模块，用于根据所述发生放电故障的位置进行故障预警或保护。
进一步地，所述信号采集模块包括：
信号屏蔽端子，设置在所述二次接线盒上，用于防止高频信号泄露；
同轴线缆，连接所述信号屏蔽端子及所述分频电路，用于将所述信号传输至所述分频电路。
进一步地，所述信号屏蔽端子包括高频端子及接地端子；所述高频端子设置在所述二次接线盒的公共端子上；所述接地端子设置在所述二次接线盒的公共端子之外的端子上。
进一步地，所述高频端子包括铜导体层、聚乙烯绝缘层、铜接地层、连接螺栓、阻抗匹配装置及BNC接头。
进一步地，所述信号采集模块还包括：接地连接引线，连接所述高频端子及所述接地端子，用于保证良好的屏蔽效果。
进一步地，所述同轴线缆为BNC同轴线缆，连接所述高频端子及所述分频电路。
进一步地，所述分频电路包括第一低通滤波器及与所述第一低通滤波器并联的由第二低通滤波器及高通滤波器组成的高频带通滤波器；
所述第一低通滤波器用于将所述工频信号从所述信号中分离；
所述高频带通滤波器，连接所述智能设备，用于将所述高频放电信号从所述信号中分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备。
第二方面，本申请提供一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，包括：
信号采集模块采集变压器的信号并将所述信号传输至分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；
所述分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至智能设备；
所述智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。
进一步地，所述分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至智能设备，包括：
第一低通滤波器将所述工频信号从所述信号中分离；
高频带通滤波器将所述高频放电信号从所述信号中分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备。
进一步地，所述智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置，包括：
所述智能设备对所述高频放电信号进行极性判别；
所述智能设备根据极性判别的结果确定发生放电故障的位置。
进一步地，所述智能设备对所述高频放电信号进行极性判别，包括：
所述智能设备对所述高频放电信号进行去噪；
所述智能设备对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果；
所述智能设备根据所述对齐结果生成极性信息；
所述智能设备用于根据所述极性信息及预设的阈值得到极性判别的结果。
进一步地，所述智能设备对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，包括：
所述智能设备利用在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的互功率谱生成加权因子；
所述智能设备根据所述加权因子及所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号生成广义互相关函数；
所述智能设备根据广义互相关函数的极值对齐所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号。
进一步地，还包括：
所述智能设备根据所述发生放电故障的位置进行故障预警或保护。
本申请提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置及方法，通过信号采集模块及信号处理模块；所述信号处理模块包括分频电路及智能设备；所述信号采集模块设置在变压器的工频电流互感器的二次接线盒上，并连接所述分频电路，用于采集变压器的信号并将所述信号传输至所述分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；所述分频电路连接所述智能设备，用于将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备；所述智能设备用于分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置，实现了对高频高频放电信号的分析及对局部放电故障的定位。其中，通过信号采集模块实现了无需增设额外传感器及改造互感器末屏，仅使用现有的套管工频电流互感器的二次端子进行高频局部放电电流的传感；通过分频电路实现了工频电流互感器二次端子处多频带信号的同步采集及工频信号与高频高频放电信号的分离；通过智能设备实现了高频高频放电信号的极性判别，并结合设定的多参量放电阈值，对变压器故障进行区分及预警；通过工频电流互感器检测高频放电信号，实现了变压器各绕组高压端、中性点等处同时在线局放监测，检测范围有效覆盖变压器，极大提升了对变压器内部可能产生的局放信号的检测灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置的结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的智能设备的结构示意图；
图3是本申请一实施例提供的智能设备的结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的智能设备的结构示意图；
图5是本申请一实施例提供的智能设备的结构示意图；
图6是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置的结构示意图；
图7是本申请一实施例提供的高频端子及接地端子的结构示意图；
图8是本申请一实施例提供的分频电路的结构示意图；
图9是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图；
图10是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图；
图11是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图；
图12是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图；
图13是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图；
图14是现有技术中高频脉冲电流法的原理图；
图15是套管工频电流互感器与高频电流互感器传输阻抗的曲线对比图；
图16是本申请一实施例提供的内部放电故障示意图；
图17是本申请一实施例提供的外部放电故障示意图；
图18是本申请一实施例提供的脉冲极性示意图；
图19是本申请一实施例提供的对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的流程示意图；
图20是本申请一实施例提供的对齐变压器中采集的各信号的流程示意图；
图21是本申请一实施例提供的故障定位的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在一实施例中，如图1所示，本申请提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置包括：信号采集模块101、信号处理模块102；
所述信号处理模块102包括分频电路1021及智能设备1022；
所述信号采集模块101设置在变压器的工频电流互感器二次接线盒上，并连接所述分频电路1021，用于采集变压器的信号并将所述信号传输至所述分频电路1021；所述信号包括工频信号及高频放电信号；
具体地，如图15所示，本申请基于在实验室实测的套管工频电流互感器与高频电流互感器传输阻抗对比曲线得出，用于工频电流监测的变压器套管工频电流互感器在高频局部放电信号所处的3-30MHz高频频带下可以获得较高的响应度（1mV/mA以上），足以满足对变压器内部局放故障引起的高频电流的监测需求。为了在高频放电信号检测中避免外接高频电流互感器对高频放电信号耦合效果较差的问题及改造套管末屏导致的安全问题，本申请提出可以利用变压器现有套管工频电流互感器替代传统局部放电故障检测所使用的高频电流互感器，且变压器高压、中压、低压和中性点处均安装有套管工频电流互感器，可对变压器内部高频放电信号进行全方位监测，以提前对变压器进行保护，防止爆燃。
变压器的工频电流互感器感知变压器内部的高频放电信号，由设置在工频电流互感器上的信号采集模块101采集高频放电信号并将高频放电信号传输至信号处理模块102进行处理。工频电流互感器可以获得视在放电量、放电相位及放电频次等信息。信号采集模块101能够采集变压器的信号，该信号为多频带信号，包括工频信号及高频的高频放电信号。同时，信号采集模块101还可以实现由变压器工频电流互感器的接线端子到分频电路1021的信号传输。
所述分频电路1021连接所述智能设备1022，用于将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备1022；
具体地，分频电路1021可以由低通滤波器、高通滤波器6022组成，实现将工频信号与局部放电脉冲信号的分离并分开处理。
所述智能设备1022用于分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。
具体地，智能设备1022(Intelligent Electronic Device, IED)先对高频放电信号进行分析，即对高频放电信号进行极性判别，并根据极性判别的结果区分放电故障是内部放电故障或外部放电故障。
在一实施例中，如图2所示，进一步地，所述智能设备1022包括：
极性判别模块201，用于对所述高频放电信号进行极性判别；
具体地，变压器的放电故障根据发生故障的位置分为内部放电故障及外部放电故障，根据变压器内部放电故障和外部放电故障在变压器各套管工频电流互感器产生的脉冲电流极性不同，可以通过智能设备1022实现对内外部故障的区分与定位。例如，对采用单相自耦形式500kV（或500kV以上）电力变压器进行故障分析，其结构如图16所示。
位置确定模块202，用于根据极性判别的结果确定发生放电故障的位置。
具体地，变压器可以包含多个工频电流互感器，运行过程中可以同时进行高频电流监测。如图16所示，当发生内部故障时，各绕组工频电流互感器的二次侧及中性点接地工频电流互感器的二次侧均能传感到局放脉冲，且二者极性相反。反之，如图17所示，当发生外部故障时，故障电流为穿越电流，在绕组工频电流互感器及中性点接地工频电流互感器传感到的脉冲极性相同。位置确定模块202根据这一特性通过检测变压器运行过程中高频放电信号的极性可以实现对放电故障的定位，同极性脉冲及异极性脉冲如图18所示。
在一实施例中，如图3所示，进一步地，所述极性判别模块201包括：
去噪模块301，用于对所述高频放电信号进行去噪；
具体地，由于故障点距离工频电流互感器的距离不定，不同工频电流互感器采集到的高频高频放电信号有一定延时，同时混杂有一定噪声，因此首先需要对不同工频电流互感器采集到的高频高频放电信号进行去噪，智能设备1022的去噪模块301可以通过小波软阈值、经验模态分解或平滑去噪等方法对高频放电信号进行去噪。
对齐模块302，用于对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果；
具体地，由于局部放电故障的发生位置至不同工频电流互感器的距离不同，导致所接收到的脉冲会带有一定时延，直接进行极性判别可能会出现异常，在智能设备1022的去噪模块301对高频放电信号进行去噪后，智能设备1022的对齐模块302可以实现对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果。其中，对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号可以根据相位实现，也可以利用广义互相关方法(generalizedcross-correlation，GCC)实现，本申请不以此为限。
极性信息生成模块303，用于根据所述对齐结果及所述高频放电信号生成极性信息；
具体地，在智能设备1022的对齐模块302对齐不同工频电流互感器采集的局放脉冲信号后，智能设备1022的极性信息生成模块303根据所述对齐结果生成极性信息，该极性信息为一个周波内部的同极性脉冲或异极性脉冲的分布情况。
结果生成模块304，用于根据所述极性信息及预设的阈值得到极性判别的结果。
具体地，高频放电信号极性判别的结果分为同极性及异极性两种结果，智能设备1022的结果生成模块304可以统计一个周波内部的脉冲极性分布，根据预设的阈值进行内外部故障区分，例如设定阈值为75%，当极性信息为一个周波内部的同极性脉冲超过75%时，极性判别的结果为同极性，从而判定故障为外部放电故障；当极性信息为一个周波内部的异极性脉冲超过75%时，极性判别的结果为异极性，从而判定故障为内部放电故障。
在一实施例中，如图4所示，进一步地，所述对齐模块302包括：
因子生成子模块401，用于利用在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的互功率谱生成加权因子；
具体地，为将不同工频电流互感器处得到的高频放电信号对齐以供分析，智能设备1022可以采用广义互相关方法对高频放电信号进行处理。在实际情况中，由于存在混响和噪声的影响导致广义互相关函数的峰值不明显，降低了多路信号对齐的精度，因此广义互相关法利用频域加权因子对信号滤波来突出响应信号部分的频谱成分，抑制噪声部分的频谱成分，再进行傅里叶反变换IFFT反变到时域，锐化广义互相关函数/>在时延处的峰值，更利于峰值检测，从而提高时延估计性能。
选取加权因子如下式所示：
（1）
其中，w表示角频率，表示在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号x 1(t)和x 2(t)间的互功率谱，/>表示在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号x 1(t)和x 1(t)间的自功率谱，/>表示在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号x 2(t)和x 2(t)间的自功率谱。
函数生成子模块402，用于根据所述加权因子及所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号生成广义互相关函数；
具体地，广义互相关函数是描述随机高频放电信号x 1(s)，x 2(t)在任意两个不同时刻s，t的取值间的相关程度，定义为：
（2）
其中，X 1(s)表示x 1(s)对应的随机变量，X 2(t)表示x 2(t)对应的随机变量。
根据维纳-辛钦定理，广义互相关函数与其互功率谱密度互为傅里叶变换对，则x 1(t)和x 2(t)的广义互相关函数又可以表示为：
（3）
其中，j表示虚数单位，w表示角频率，X 1(ω)和X 2(ω)分别表示高频放电信号x 1(t)和x 2(t)的傅里叶变换，则表示高频放电信号x 1(t)和x 2(t)间的互功率谱，为X 2(ω)取复共轭。
再利用加权因子锐化广义互相关函数在时延处的峰值，得到的广义互相关函数表示为：
（4）
其中，j表示虚数单位，w表示角频率，X 1(ω)和X 2(ω)分别表示高频放电信号x 1(t)和x 2(t)的傅里叶变换，表示加权因子，/>为X 2(ω)取复共轭。
信号对齐子模块403，用于根据广义互相关函数的极值对齐所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号。
具体地，广义互相关函数的极值位置的对应两路高频信号之间的时延值，即其对应最大峰值处的横坐标表示对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号所要求的时延估计值，按照时延值对信号进行平移即可实现不同信号之间的对齐。对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的流程如图19所示。
例如，变压器上安装有多套电流互感器，任意选择其中一个作为时间基准，设为传感器1，其余依次编号。整台变压器整体信号对齐流程如图20所示，智能设备1022对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号以进行极性判别。
在一实施例中，如图5所示，进一步地，所述智能设备1022还包括：
预警保护模块501，用于根据所述发生放电故障的位置进行故障预警或保护。
具体地，如图21所示，智能设备1022的预警保护模块501能够根据判定的发生放电故障的位置进行故障预警或保护。当放电故障判定为内部故障时，智能设备1022的预警保护模块501根据设定的放电阈值(例如幅值、脉冲次数及增长率等)等多参量判断该放电故障是否达到报警阈值，若该放电故障已达到报警阈值则发出预警或保护动作信号，反之继续监测；当放电故障判定为外部故障时智能设备1022的预警保护模块501不动作，继续常规监测。
此外，当变压器出现既不是内部故障也不是外部故障的故障时，智能设备1022的预警保护模块501会进行异常计数，当异常计数满50后发出监测异常报警信号。
在一实施例中，如图6所示，进一步地，所述信号采集模块101包括：
信号屏蔽端子，设置在所述二次接线盒上，用于防止高频信号泄露；
具体地，工频电流互感器的二次接线盒通常仅用来引出工频电流，其出线端子并未为高频信号特殊设计，直接使用会导致高频信号泄露及串扰，对高频电流的衰减很大，引出效果不好，并且其末端阻抗也仅匹配了工频下所需的额定二次侧负载值，无法满足高频信号采集所需的50欧负载匹配，故设置信号屏蔽端子以更好地引出多频带信号，实现工频信号与高频信号的同步采集。
在一实施例中，信号屏蔽端子的外壳为铝制屏蔽罩，出口为BNC母头，且一侧设有接地螺栓，以有效防止高频信号泄露。
同轴线缆，连接所述信号屏蔽端子及所述分频电路1021，用于将所述信号传输至所述分频电路1021。
具体地，同轴线缆的中心导线截面积根据工频电流互感器的频定电流乘以过流系数k进行选择，例如，过流系数k可以设置在1.2至1.5之间。
在一实施例中，如图6所示，进一步地，所述信号屏蔽端子包括高频端子601及接地端子602；所述高频端子601设置在所述二次接线盒的公共端子S1上；所述接地端子602设置在所述二次接线盒的公共端子之外的端子上。
具体地，设置在二次接线盒的公共端子S1上的高频端子601与设置在所述二次接线盒的公共端子之外的端子上的接地端子602共同实现信号屏蔽以防止高频信号泄露及串扰，有效引出高频放电信号。工频电流互感器的二次接线盒具有多个出线端子，例如，如图6所示，除了公共端子S1，二次接线盒上还有一出线端子S2及另一出线端子S3等，接地端子根据变压器参数设置在公共端子之外的出线端子上。
在一实施例中，如图7所示，进一步地，所述高频端子包括铜导体层701、聚乙烯绝缘层702、铜接地层703、连接螺栓704、阻抗匹配装置705及BNC接头706。
具体地，高频端子601及接地端子602的结构如图7所示，高频端子601及接地端子602的内部均设有内螺纹，能够直接拧在变压器的套管工频电流互感器二次侧接线盒内的出线端子处，便于与二次接线盒连接。其中，高频端子601的阻抗匹配装置705可以保证在工频下互感器二次侧满足其额定值所要求的二次负载，在高频范围内能满足50欧输出阻抗匹配；高频端子601的BNC接头706为母头，方便与信号线（同轴线缆）连接。
在一实施例中，如图6所示，进一步地，所述信号采集模块101还包括：接地连接引线603，连接所述高频端子601及所述接地端子602，用于保证良好的屏蔽效果。
具体地，高频端子601及接地端子602的一侧均设有接地螺栓，采用接地连接引线603连接高频端子601及接地端子602可以实现更好的信号屏蔽效果，以保证对高频高频放电信号的采集，该接地连接引线603可以为金属线。
在一实施例中，如图6所示，进一步地，所述同轴线缆为BNC同轴线缆604，连接所述高频端子601及所述分频电路1021。
具体地，BNC同轴线缆604的一端通过高频端子601的BNC接头706与设置在二次接线盒的高频端子601连接，另一端与信号处理模块102的分频电路1021连接，以将变压器的多频带信号（包含工频信号及高频放电信号）传输至分频电路1021进行工频信号与高频高频放电信号的分离。
在一实施例中，如图8所示，进一步地，所述分频电路1021包括第一低通滤波器801及与所述第一低通滤波器801并联的由第二低通滤波器8021及高通滤波器8022组成的高频带通滤波器802；
所述第一低通滤波器801用于将所述工频信号从所述信号中分离；
具体地，低通滤波器是一种电子滤波器，主要用于去除信号中的高频成分，保留低频成分。它通常用于滤除音频、视频、通信等领域中的噪声和干扰信号，从而提高信号的质量和可靠性。
低通滤波器的主要组成部分是电容器和电阻器。电容器的作用是阻止高频信号通过，而允许低频信号通过；电阻器则用于限制电流流动，调节信号的幅值。滤波器的截止频率（cutoff frequency）是指滤波器允许信号通过的最高频率，超过这个频率的信号将被滤除。
低通滤波器可以采用巴特沃斯滤波器或贝塞尔滤波器等，滤波器阶数可以根据实际需要选择，一般控制在2-4阶，以实现滤波过渡带陡度以及电路复杂度之间的平衡，截止频率可以设定为300Hz。利用低通滤波器经频带分离后得到的工频信号可以直接送入差分保护设备、电流记录设备或测量设备，无需进行额外处理。
所述高频带通滤波器802，连接所述智能设备1022，用于将所述高频放电信号从所述信号中分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备1022。
具体地，高通滤波器8022使用截止频率为30MHz的低通滤波器与截止频率为3MHz高通滤波器8022串联，实现对3MHz~30MHz内的信号分离。滤波器可以采用巴特沃斯滤波器或贝塞尔滤波器等，滤波器阶数可以根据实际需要选择，一般控制在2-4阶，以实现滤波过渡带陡度以及电路复杂度之间的平衡。利用由第二低通滤波器8021及高通滤波器8022串联组成的高频带通滤波器802经频带分离后得到的高频高频放电信号可以先送入局部放电分析仪进行处理，再送入智能设备1022进行分析，也可以直接送入智能设备1022进行分析。
本申请提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，通过信号采集模块及信号处理模块；所述信号处理模块包括分频电路及智能设备；所述信号采集模块设置在变压器的工频电流互感器的二次接线盒上，并连接所述分频电路，用于采集变压器的信号并将所述信号传输至所述分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；所述分频电路连接所述智能设备，用于将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备；所述智能设备用于分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置，实现了对高频高频放电信号的分析及对局部放电故障的定位。其中，通过信号采集模块实现了无需增设额外传感器及改造互感器末屏，仅使用现有的套管工频电流互感器的二次端子进行高频局部放电电流的传感；通过分频电路实现了工频电流互感器二次端子处多频带信号的同步采集及工频信号与高频高频放电信号的分离；通过智能设备实现了高频高频放电信号的极性判别，并结合设定的多参量放电阈值，对变压器故障进行区分及预警；通过变压器现有套管工频电流互感器检测高频放电信号，实现了变压器各绕组高压端、中性点等处同时在线局放监测，检测范围有效覆盖变压器，极大提升了对变压器内部可能产生的局放信号的检测灵敏度。
此外，本申请还提供了一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，通过使用上述实施例所描述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，完成变压器高频放电信号分析。
图9是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图，如图9所示，本申请提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，包括：
S901：信号采集模块采集变压器的信号并将所述信号传输至分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；
具体地，信号采集模块采集变压器的信号，该信号为多频带信号，包括工频信号及高频的高频放电信号，同时，信号采集模块将多频带信号由变压器工频电流互感器的接线端子传输至分频电路。
S902：所述分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至智能设备；
具体地，分频电路将工频信号与局部放电脉冲信号分离并分开处理，其可以由低通滤波器、高通滤波器组成。
图10是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图，如图10所示，S902包括：
S1001：第一低通滤波器将所述工频信号从所述信号中分离；
具体地，低通滤波器是一种电子滤波器，主要用于去除信号中的高频成分，保留低频成分。它通常用于滤除音频、视频、通信等领域中的噪声和干扰信号，从而提高信号的质量和可靠性。
低通滤波器的主要组成部分是电容器和电阻器。电容器的作用是阻止高频信号通过，而允许低频信号通过；电阻器则用于限制电流流动，调节信号的幅值。滤波器的截止频率（cutoff frequency）是指滤波器允许信号通过的最高频率，超过这个频率的信号将被滤除。
低通滤波器可以采用巴特沃斯滤波器或贝塞尔滤波器等，滤波器阶数可以根据实际需要选择，一般控制在2-4阶，以实现滤波过渡带陡度以及电路复杂度之间的平衡，截止频率可以设定为300Hz。利用低通滤波器经频带分离后得到的工频信号可以直接送入差分保护设备、电流记录设备或测量设备，无需进行额外处理。
S1002：高频带通滤波器将所述高频放电信号从所述信号中分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备。
具体地，高通滤波器使用截止频率为30MHz的低通滤波器与截止频率为3MHz高通滤波器串联，实现对3MHz~30MHz内的信号分离。滤波器可以采用巴特沃斯滤波器或贝塞尔滤波器等，滤波器阶数可以根据实际需要选择，一般控制在2-4阶，以实现滤波过渡带陡度以及电路复杂度之间的平衡。利用由第二低通滤波器及高通滤波器串联组成的高频带通滤波器经频带分离后得到的高频高频放电信号可以先送入局部放电分析仪进行处理，再送入智能设备进行分析，也可以直接送入智能设备进行分析。
S903：所述智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。
具体地，智能设备(Intelligent Electronic Device, IED)先对高频放电信号进行分析，即对高频放电信号进行极性判别，并根据极性判别的结果区分放电故障是内部放电故障或外部放电故障。
图11是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图，如图11所示，S903包括：
S1101：所述智能设备对所述高频放电信号进行极性判别；
具体地，变压器的放电故障根据发生故障的位置分为内部放电故障及外部放电故障，根据变压器内部放电故障和外部放电故障在套管工频电流互感器及中性点接地工频电流互感器上的脉冲电流极性不同，可以通过智能设备实现对内外部故障的区分与定位。例如，对采用单相自耦形式500kV（或500kV以上）电力变压器进行故障分析，其结构如图16所示。
图12是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图，如图12所示，S1101包括：
S1201：所述智能设备对所述高频放电信号进行去噪；
具体地，由于故障点距离工频电流互感器的距离不定，不同工频电流互感器采集到的高频高频放电信号有一定延时，同时混杂有一定噪声，因此首先需要对不同工频电流互感器采集到的高频高频放电信号进行去噪，智能设备的去噪模块可以通过小波软阈值、经验模态分解或平滑去噪等方法对高频放电信号进行去噪。
S1202：所述智能设备对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果；
具体地，由于局部放电故障的发生位置至不同工频电流互感器的距离不同，导致所接收到的脉冲会带有一定时延，直接进行极性对比可能会出现异常，在智能设备的去噪模块对高频放电信号进行去噪后，智能设备的对齐模块可以实现对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果。其中，对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号可以根据相位实现，也可以利用广义互相关方法(generalized cross-correlation，GCC)实现，本申请不以此为限。
图13是本申请一实施例提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法的流程示意图，如图13所示，S1202包括：
S1301：所述智能设备利用在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的互功率谱生成加权因子；
具体地，为将不同工频电流互感器处得到的高频放电信号对齐以供分析，智能设备可以采用广义互相关方法对高频放电信号进行处理。在实际情况中，由于存在混响和噪声的影响导致广义互相关函数的峰值不明显，降低了多路信号对齐的精度，因此广义互相关法利用频域加权因子对信号滤波来突出响应信号部分的频谱成分，抑制噪声部分的频谱成分，再进行傅里叶反变换IFFT反变到时域，锐化广义互相关函数/>在时延处的峰值，更利于峰值检测，从而提高时延估计性能。
选取加权因子如下式所示：
（1）
其中，w表示角频率，表示在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号x 1(t)和x 2(t)间的互功率谱，/>表示在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号x 1(t)和x 1(t)间的自功率谱，/>表示在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号x 2(t)和x 2(t)间的自功率谱。
S1302：所述智能设备根据所述加权因子及所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号生成广义互相关函数；
具体地，广义互相关函数是描述随机高频放电信号x 1(s)，x 2(t)在任意两个不同时刻s，t的取值间的相关程度，定义为：
（2）
其中，X 1(s)表示x 1(s)对应的随机变量，X 2(t)表示x 2(t)对应的随机变量。
根据维纳-辛钦定理，广义互相关函数与其互功率谱密度互为傅里叶变换对，则x 1(t)和x 2(t)的广义互相关函数又可以表示为：
（3）
其中，j表示虚数单位，w表示角频率，X 1(ω)和X 2(ω)分别表示高频放电信号x 1(t)和x 2(t)的傅里叶变换，则表示高频放电信号x 1(t)和x 2(t)间的互功率谱，/>为X 2(ω)取复共轭。
再利用加权因子锐化广义互相关函数在时延处的峰值，得到的广义互相关函数表示为：
（4）
其中，j表示虚数单位，w表示角频率，X 1(ω)和X 2(ω)分别表示高频放电信号x 1(t)和x 2(t)的傅里叶变换，表示加权因子，/>为X 2(ω)取复共轭。
S1303：所述智能设备根据广义互相关函数的极值对齐所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号。
具体地，广义互相关函数的极值位置的对应两路高频信号之间的时延值，即其对应最大峰值处的横坐标表示对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号所要求的时延估计值，按照时延值对信号进行平移即可实现不同信号之间的对齐。对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的流程如图19所示。
例如，变压器上安装有多套电流互感器，任意选择其中一个作为时间基准，设为传感器1，其余依次编号。整台变压器整体信号对齐流程如图20所示，智能设备对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号以进行极性判别。
S1203：所述智能设备根据所述对齐结果及所述高频放电信号生成极性信息；
具体地，在智能设备的对齐模块对齐不同工频电流互感器采集的局放脉冲信号的相位后，智能设备的极性信息生成模块根据所述对齐结果及所述高频放电信号生成极性信息，该极性信息为一个周波内部的同极性脉冲或异极性脉冲的分布情况。
S1204：所述智能设备根据所述极性信息及预设的阈值得到极性判别的结果。
具体地，高频放电信号极性判别的结果分为同极性及异极性两种结果，智能设备的结果生成模块统计一个周波内部的脉冲极性分布，根据预设的阈值进行内外部故障区分，例如设定阈值为75%，当极性信息为一个周波内部的同极性脉冲超过75%时，极性判别的结果为同极性，从而判定故障为外部放电故障；当极性信息为一个周波内部的异极性脉冲超过75%时，极性判别的结果为异极性，从而判定故障为内部放电故障。
S1102：所述智能设备根据极性判别的结果确定发生放电故障的位置。
具体地，变压器可以包含多个工频电流互感器，同时进行电流监测。如图16所示，当发生内部故障时，绕组工频电流互感器的二次侧及中性点接地工频电流互感器的二次侧均能传感到局放脉冲，且二者极性相反。反之，如图17所示，当发生外部故障时，故障电流为穿越电流，在绕组工频电流互感器及中性点接地工频电流互感器传感到的脉冲极性相同。智能设备的位置确定模块根据这一特性通过检测变压器运行过程中高频放电信号的极性可以实现对放电故障的定位，同极性脉冲及异极性脉冲如图18所示。
在一实施例中，基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法在S903之后还包括：
所述智能设备根据所述发生放电故障的位置进行故障预警或保护。
具体地，如图21所示，智能设备的预警保护模块能够根据判定的发生放电故障的位置进行故障预警或保护。当放电故障判定为内部故障时，智能设备的预警保护模块根据设定的放电阈值(例如幅值、脉冲次数及增长率等)等多参量判断该放电故障是否达到报警阈值，若该放电故障已达到报警阈值则发出预警或保护动作信号，反之继续监测；当放电故障判定为外部故障时智能设备的预警保护模块不动作，继续常规监测。
此外，当变压器出现既不是内部故障也不是外部故障的故障时，智能设备的预警保护模块会进行异常计数，当异常计数满50后发出监测异常报警信号。
本申请提供的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，通过信号采集模块采集变压器的信号并将所述信号传输至分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；所述分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至智能设备；所述智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置，实现了对高频高频放电信号的分析及对局部放电故障的定位。其中，通过信号采集模块采集变压器的信号并将所述信号传输至分频电路实现了无需增设额外传感器及改造互感器末屏，仅使用现有的套管工频电流互感器的二次端子进行高频局部放电电流的传感；通过分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离实现了工频电流互感器二次端子处多频带信号的同步采集及工频信号与高频高频放电信号的分离；通过智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置实现了高频高频放电信号的极性判别，并结合设定的多参量放电阈值，对变压器故障进行区分及预警；通过变压器现有套管工频电流互感器检测高频放电信号，实现了变压器各绕组高压端、中性点等处同时在线局放监测，检测范围有效覆盖变压器，极大提升了对变压器内部可能产生的局放信号的检测灵敏度。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，包括：信号采集模块及信号处理模块；
所述信号处理模块包括分频电路及智能设备；
所述信号采集模块设置在变压器的工频电流互感器的二次接线盒上，并连接所述分频电路，用于采集变压器的信号并将所述信号传输至所述分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；
所述分频电路连接所述智能设备，用于将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备；
所述智能设备用于分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。
2.根据权利要求1所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述智能设备包括：
极性判别模块，用于对所述高频放电信号进行极性判别；
位置确定模块，用于根据极性判别的结果确定发生放电故障的位置。
3.根据权利要求2所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述极性判别模块包括：
去噪模块，用于对所述高频放电信号进行去噪；
对齐模块，用于对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果；
极性信息生成模块，用于根据所述对齐结果生成极性信息；
结果生成模块，用于根据所述极性信息及预设的阈值得到极性判别的结果。
4.根据权利要求3所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述对齐模块包括：
因子生成子模块，用于利用在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的互功率谱生成加权因子；
函数生成子模块，用于根据所述加权因子及所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号生成广义互相关函数；
信号对齐子模块，用于根据广义互相关函数的极值对齐所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号。
5.根据权利要求1所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述智能设备还包括：
预警保护模块，用于根据所述发生放电故障的位置进行故障预警或保护。
6.根据权利要求1所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：
信号屏蔽端子，设置在所述二次接线盒上，用于防止高频信号泄露；
同轴线缆，连接所述信号屏蔽端子及所述分频电路，用于将所述信号传输至所述分频电路。
7.根据权利要求6所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述信号屏蔽端子包括高频端子及接地端子；所述高频端子设置在所述二次接线盒的公共端子上；所述接地端子设置在所述二次接线盒的公共端子之外的端子上。
8.根据权利要求7所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述高频端子包括铜导体层、聚乙烯绝缘层、铜接地层、连接螺栓、阻抗匹配装置及BNC接头。
9.根据权利要求7所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述信号采集模块还包括：接地连接引线，连接所述高频端子及所述接地端子，用于保证良好的屏蔽效果。
10.根据权利要求7所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述同轴线缆为BNC同轴线缆，连接所述高频端子及所述分频电路。
11.根据权利要求1所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测装置，其特征在于，所述分频电路包括第一低通滤波器及与所述第一低通滤波器并联的由第二低通滤波器及高通滤波器组成的高频带通滤波器；
所述第一低通滤波器用于将所述工频信号从所述信号中分离；
所述高频带通滤波器，连接所述智能设备，用于将所述高频放电信号从所述信号中分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备。
12.一种基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，其特征在于，包括：
信号采集模块采集变压器的信号并将所述信号传输至分频电路；所述信号包括工频信号及高频放电信号；
所述分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至智能设备；
所述智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置。
13.根据权利要求12所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，其特征在于，所述分频电路将所述工频信号与所述高频放电信号分离，并将所述高频放电信号传输至智能设备，包括：
第一低通滤波器将所述工频信号从所述信号中分离；
高频带通滤波器将所述高频放电信号从所述信号中分离，并将所述高频放电信号传输至所述智能设备。
14.根据权利要求12所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，其特征在于，所述智能设备分析所述高频放电信号以确定发生放电故障的位置，包括：
所述智能设备对所述高频放电信号进行极性判别；
所述智能设备根据极性判别的结果确定发生放电故障的位置。
15.根据权利要求14所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，其特征在于，所述智能设备对所述高频放电信号进行极性判别，包括：
所述智能设备对所述高频放电信号进行去噪；
所述智能设备对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，得到对齐结果；
所述智能设备根据所述对齐结果生成极性信息；
所述智能设备根据所述极性信息及预设的阈值得到极性判别的结果。
16.根据权利要求15所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，其特征在于，所述智能设备对齐在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号，包括：
所述智能设备利用在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号的互功率谱生成加权因子；
所述智能设备根据所述加权因子及所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号生成广义互相关函数；
所述智能设备根据广义互相关函数的极值对齐所述在不同工频电流互感器处得到的高频放电信号。
17.根据权利要求12所述的基于工频电流互感器的高频放电信号检测方法，其特征在于，还包括：
所述智能设备根据所述发生放电故障的位置进行故障预警或保护。
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