CN1205482C - 用于监测变压器的局部放电的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在包含有诸如高压变压器的电介质的运行中的高压电气设备中检测局部放电的仪器。所述仪器包括超声波传感器(16)和环形电容器板(15)，用于分别检测由于在所述设备中发生局部放电而产生的超声波脉冲和射频脉冲。通过信号处理装置分析传感器的输出，以从正常存在于运行中的高压设备中的大量电气噪声中确定真正发生的局部放电。

Description

用于监测变压器的局部放电的系统

                          技术领域

本发明一般地涉及用于监测诸如高压变压器的电气设备性能的系统。具体说，该系统能够在完全绝缘的这样的变压器中检测故障的发生，并且提供信号以起动本地和/或远端故障指示报警。

                          背景技术

高压发电机和输电变压器形成任何发电、配电和输电系统的整体部分。其它变压器，比如整流变压器，也用于工业过程，比如冶炼电沉积过程。电流互感器(CT)也用于配电系统的保护和计量。

油浸式变压器的绝缘的最重要部分包括缠绕在铜线圈上的纸。还有垫片、垫圈、密封件、引入板、分接头、套管，它们也是变压器绝缘系统的一部分。为了提高绝缘性和稳定性，纸中渗透了电介质，通常是注满在变压器中的矿物油或硅油。这种绝缘油也用作冷却液，通过对流或强制流动以散发热量，并且还抑制放电。其它类型的变压器包括高频通信变压器和充气变压器，高频通信变压器使用固体聚合物电介质如环氧热固树脂，该种电介质被真空吸入填充到变压器中；充气变压器，例如在地下矿井使用的那种，通常为了安全，充满了氩气或六氟化硫。还有一些低压充气变压器。

高压变压器的工作寿命能够长于35年。该寿命取决于负载、设计、制造质量，以及材料和日常的维护。在它的寿命期间，变压器的绝缘可能下降，下降的速度取决于工作载荷和变压器的内部工作环境，比如温度、湿度、pH(酸碱度)等。绝缘的任何下降，比如因为制造缺陷而包围着封闭气泡的固体绝缘层的电子和离子等离子腐蚀，能够导致在变压器中增加局部放电的程度。局部放电的发生还导致在变压器中比如氢气和乙炔气体的逸出。这样增加的局部放电导致绝缘的进一步下降，这又导致局部放电程度的增加。绝缘的不断下降能够导致严重的放电、短路故障或由于例如氢气、乙炔和乙烯气体的爆炸产生的灾难性故障，这些气体是在下降过程中产生的化学副产品。这样的故障能够导致电力系统供电下降或停电，招致在变压器的替换或修复上相当多的费用，并且对附近的人和环境带来严重的危险。

由于制造缺陷和/或机械或电疲劳，也能够发生变压器的局部放电。即使绝缘没有下降或有少许下降，例如松动构件的移动、以及例如紧固件的金属构件的蠕变和应力松弛、或在变压器内的外来金属体，这些也会提供放电发生的机会。

由于变压器内线圈变得松散，也会引起变压器内的局部放电。在分接头转换器中的分接头连接器经受的磨损也能够引起局部放电。套管中的故障也能够导致局部放电。

众所周知，局部放电能够在大变压器内的不同地方产生信号，这些信号包括在中性线中由于不平衡引起的放电电流、通过套管的电容性分接头的位移电流、发射的射频(RF)脉冲或波以及发射的超声波(US)脉冲或波。

在变压器中局部放电的强度提供了确定变压器绝缘整体性的一种方法。例如，检测到的具有50皮库仑量级的局部放电在正常电压工作中通常被忽略，看到500皮库仑的示值，就应该有些关注，同时应该认为5000皮库仑的示值有潜在的危险。

电力主管部门一般通过大约每年一次在变压器中取样矿物油来测试变压器，以确定该矿物油中溶解气体的分析浓度(DGA)和介电损耗角(DLA)。如果获得高的气体示值，则增加取样频率为每月一次甚至每周一次。但是，在取样和实验室分析之间总有一些延迟。可能检测不到绝缘的快速恶化，并且即使当DGA取样已经完成，变压器已经灾难性地发生故障了。众所周知，因为在主要故障产生之前很快演变出较高强度和/或重复率的局部放电，所以非常希望对电气设备保持连续的在线监测，以提供早期告警。

使用的诸如罗宾逊(Robinson)、海弗莱(Haefly)、泰得克斯(Tettex)局部放电检测仪能够测量局部放电。这些局部放电检测仪通过使用电容分压器和环形系统耦合到变压器套管的较低部分或耦合到线圈，只检测高频(RF)电信号。在对新的或重新绕制的变压器进行高压试验测试时的测试间中通常使用这些仪器。但是，因为高强度的电气干扰，在变电站场所一般不能承担这些测量。利用这些仪器获得可靠的示值也需要相当高的技巧。

在国际申请号PCT/AU94/00263(WO 94/28566)中描述了在变压器中检测单个局部放电事件发生的设备。这个设备包括超声波传感器和安装在变压器器壁上的射频天线，并且各自被采用以检测由局部放电产生的超声波和射频脉冲。如果在预定的时间段内在检测到超声波信号之前检测到射频信号，则可以假定已经发生了局部放电。在能够检测这样的信号同时，关于在国际申请号WO 94/28566中所描述的设备的一个问题是在变压器内的电气噪声会随机产生无线电信号，这将导致起动虚假的发生局部放电的报警。根据虚假的报警而停止运行变压器是明显不期望的和不经济的。

                          发明内容

根据第一方面，本发明是一种检测包含电介质的运行中的高压电气设备中的局部放电的仪器。每个局部放电产生射频脉冲或波以及超声波脉冲或波，该仪器包括：

至少一个传感器装置，用于检测由于发生局部放电而产生的超声波脉冲或波，并且接着输出相应于该检出的信号；

至少一个传感器装置，用于检测由于发生局部放电而产生的射频脉冲或波、以及其它在设备内产生的射频脉冲或波，并且接着输出对应于该检出的信号；和

信号处理和分析装置，它接收对应于检出的射频脉冲或波以及超声波脉冲或波的信号，并且它通过接收对应于检出的超声波脉冲或波的信号，用于：

(a)在先于检出超声波脉冲或波的时间的瞬间的预定时间段内，确定在所有被检测的射频脉冲或波中的检出瞬间与所述超声波脉冲或波的检出时间瞬间之间的时间延迟，并且在预定时间段上产生时间延迟值的分布。

(b)将时间延迟值的分布叠加到多个其它被检测的超声波脉冲或波的其它时间延迟值的分布上；以及

(c)分析叠加的时间延迟值的分布，以确定在被检测的射频脉冲或波的检出时间之后，是否被检测的超声波脉冲或波的部分，是在一个或多个特定时间延迟值处被检测到。

根据第二方面，本发明是个方法，用于检测包含电介质的运行中的高压电气设备中的局部放电，每个局部放电产生射频脉冲或波以及超声波脉冲或波，该方法包括步骤：

(i)检测在设备内产生的射频脉冲或波；

(ii)检测在设备内产生的超声波脉冲或波；

(iii)通过检测超声波脉冲或波，确定在先于检出超声波脉冲或波的时间的瞬间的预定时间段内，所有被检测的射频脉冲或波中的检出瞬间与所述超声波脉冲或波的检出时间瞬间之间的时间延迟，并且产生在预定时间段上的时间延迟值的分布。

(iv)把时间延迟值的分布叠加到多个其它被检测的超声波脉冲或波的其它时间延迟值的分布上；以及

(v)分析叠加的时间延迟值的分布，以确定在被检测的射频脉冲或波的检出时间之后，是否被检测的超声波脉冲或波的部分，是在一个或多个特定时间延迟值处被检测到。

在上述方面中，多个被检测的超声波脉冲或波的时间延迟值的分布的叠加，将导致来自在时间延迟值计数对于预定时间段的直方图中的每一个分布的任何相同时间延迟值的相长的增加。在一个或多个特定时间延迟值处的这种相长的增加，容易地从那些已确定的时间延迟值中区分出该特定时间延迟值，那些已确定的时间延迟值仅仅是在电气设备内或周围的异步电气噪声的结果。

在通过上述方面的仪器和方法监测的电气设备优选地包括电力仪器、包含电介质的电流或高频互感器，该电介质是矿物油或硅油、环氧树脂或气体。在下文中，为了清晰起见，将结合本发明在高压变压器中监测局部放电的应用来描述本发明的操作。应该理解当变压器在工作或使用时，本发明能够在线监测变压器。这可能包括变压器工作于正常工作条件下的时候，但是也可能包括变压器工作于非正常工作条件下的情形或工作于测试目的的情形，例如在施加过压或脉冲的鉴定测试期间，或变压器作为部件的系统测试时。

在每个方面的优选实施例中，能够持续地监测任何在变压器中发生的射频脉冲。类似地，能够持续地监测任何在变压器中发生的超声波脉冲。这样，应该理解，在正常工作时，超声波和射频脉冲的监测将同时进行。而且，在一个优选实施例中，即使当分析装置正在分析所接收的信号时，超声波和射频脉冲的监测将继续进行。

在一个优选实施例中，设置先于超声波检出时间的预定时间段大于在被检测的射频脉冲与被检测的超声波脉冲之间可能存在的最大可能时间延迟值。在一个实施例中，可以在变压器内安装该仪器时设置该时间段。在另一个实施例中，该仪器安装后，时间段是可以调整的。在典型的变压器中，预定时间段可能设置在1毫秒到10毫秒之间，更优选地在2毫秒到6毫秒之间，并且最优选地在大约4毫秒。按该仪器的数据存储能力确定该预定时间段，并且考虑到变压器的最大内部尺寸(一般是角对角的对角距离)、以及在材料中超声波脉冲的速度，这些材料包括变压器的内部零件，比如电介质、层叠铁芯、铜线圈等。

在先于超声波脉冲的预定时间设置为4毫秒、并且仪器以60微秒间隔采样的情形中，应该认识到最多有66个采样时间延迟时间段，它们能够组成结合在直方图中时间延迟值的分布。

在叠加多个时间延迟值的分布中，信号处理软件和分析装置能够叠加在特定时间段内产生的所有分布。该时间段的范围能够从几毫秒到几分、如果需要的话，甚至几小时。在一个实施例中，分析装置能够叠加在恰好先于叠加分布的步骤的特定时间段内产生的所有分布。该时间段可能是在0.1秒和10秒之间，更优选地在1秒和8秒之间，并且最优选地大约2秒。该分析装置能够用于连续地更新所产生的时间延迟值的分布的叠加，因而丢弃那些早于该时间段产生的分布。例如，在任何特定时间的叠加将仅包括先于此时间在特定时间段中产生的那些时间延迟值的分布。在一个实施例中，可以在变压器内安装该仪器时预设该特定时间段。在另一个实施例中，在安装该仪器后，该时间段是可以调整的。

在该优选实施例中，分析装置包括在合适软件指令控制下的微处理器装置。微处理器装置形体上位于接近变压器的位置，或位于与变压器有一定距离的位置。

微处理器的软件指令能够用于统计地计数在时间延迟值的分布中所确定的时间延迟值的数量，并且把这些计数与在特定时间段内从其它超声波脉冲的检出中产生的多个如此分布中得到的计数相叠加，以形成计数相对于时间延迟值的直方图。由于特定局部放电位置的时间延迟值不会变化，在直方图中对应于由局部放电产生的射频脉冲和超声波脉冲之间的时间延迟值的尖峰逐渐演变。如果在变压器中有两处局部放电，只要每处与传感器之间的距离是不同的，则在直方图中将产生两个尖峰。当在工作时，要求分析装置叠加多个时间延迟值的分布，应该预计到该分析装置具有处理这样多个分布的装置，至少一次足以形成计数相对于时间延迟值的直方图。但是，如果时间延迟值在一头是相同的，则在另一头将是不同的。一般地，根据变压器的类型、尺寸、设计和额定功率，可以安装二、三、四个头以解决这个问题。

在一个优选实施例中，检测超声波脉冲的超声波传感器装置还输出代表所检测超声波脉冲的幅度的信号。在这个实施例中，优选地采用该分析装置去接收这个幅度信号。能够采用该分析装置以忽略代表低于预定幅度设置的超声波脉冲的寄生信号。在一个实施例中，如果导致那个信号产生的超声波脉冲的幅度低于预定幅度设置值，则该分析装置能够不对超声波信号进行进一步的分析。可以在变压器中安装该仪器时预设该预定幅度设置。在另一个实施例中，在安装该仪器后，该预定幅度设置值是可以调整的。还应该预计到，也许会产生一些低于超声波传感器的检测门限的超声波脉冲。

在另一个实施例中，检出射频脉冲的射频传感器装置还输出代表所检测射频脉冲幅度的信号。在这个实施例中，分析装置优选地用于接收这个幅度信号。分析装置能够忽略代表低于预定幅度设置值的射频脉冲的信号。可以在变压器中安装该仪器时预设该射频脉冲的预定幅度设置值。在另一个实施例中，在安装该仪器后，该预定幅度设置值是可以调整的。还应该预计到，在变压器中也许会产生一些低于射频传感器的检测门限的射频脉冲。

在一个实施例中，如果某一时间段所接收信号的分析结果符合所考虑的指示局部放电的标准，则分析装置能够用于起动报警装置。可以在变压器中安装该仪器时预设所考虑的指示局部放电的标准。在另一个实施例中，在安装后该标准是可以调整的。

在一个实施例中，根据所检测的超声波脉冲的特性，分析装置能够用于起动各种类型的报警装置。例如，通过接收超声波信号、并确定在射频和超声波脉冲的检出之间的一个或多个特定时间延迟值中在计数上存在一个尖峰，分析装置能够确定该超声波脉冲是否具有大于预定幅度设置值的幅度。如果幅度大于预定幅度设置值和/或在某些预定设置值之上有相当多的超声波脉冲重复发生，则信号处理软件分析装置能够起动特定类型的报警装置。例如，可以说这组条件去起动第一类(Class 1)报警。如果已经确定了在时间延迟值上的尖峰，但是超声波脉冲的幅度和/或重复率低于预定设置值，则可以说这组条件去起动第二类(Class 2)报警。

如果分析装置接收代表大于预定幅度和/或重复设置值的超声波信号、但是不能确定在信号和任何在前射频信号之间的任何时间延迟值上存在任何尖峰，则可以说这组条件去起动第三类(Class 3)报警。最后，如果检测到超声波脉冲低于预定幅度和/或重复设置值、但是又不能在任何时间延迟值上再次确定任何尖峰，则可以说这组条件去起动第四类(Class 4)报警。在另一个实施例中，对于没有在任何时间延迟值上确定了尖峰的情形与已经在某些时间延迟值确定了尖峰的情形，其在分析装置中的预定幅度和/或重复设置值可能是不同的。例如，如果确定在一个时间延迟值的计数上的尖峰，则可以将预定设置值设置为低于在所检测的超声波脉冲与射频脉冲之间的时间延迟值上已经确定没有尖峰的情形中的设置值。

通过起动不同类的报警，分析装置为监测变压器性能的组织(例如，发电和配电机构)提供确定变压器中故障的严重性的能力。例如第四类报警的起动可能不被认为是关注的明显理由，但是可以警告应该更密切地监测这个变压器或进行常规测试，并在比计划的日期更早的时候进行维护。相反，第一类报警的起动可能被监测组织认为是值得立即或相当快速地停止运行变压器，以进行现场测试，并且如果需要，在现场或在修理车间修理故障。如果在几分、几小时、几天、甚至几周内，仪器首先起动第四类报警，接着是第三类或第二类，和接着是第一类报警，则这些为监测组织提供了变压器中故障的严重性的增长率的指示，并且在变压器应该进行检查时给出指示。从第四类报警的起动到第三类报警的起动或第二类报警的起动到第一类报警的起动的快速变化将被认为是非常危险的，例如，并且一般导致将该变压器退出或停止运行。

报警装置可以包括可视的和/或可发声装置。可视报警装置可以包括明亮的彩色闪光灯、发光二极管(LED)、或类似器件，并且可以组合在现存的软件监测系统中，比如SCADA、Harley、Citect等。应该预计到，通过打开灯或熄灭灯可以指示报警条件。在一些实施例中，后者是优选的，因为可以快速地注意到并修理灯的任何故障。在另一个实施例中，报警装置可以包括在电视屏幕或计算机监视器上的适当消息。可发声报警装置可以包括铃、蜂鸣器、报警笛或其它类似设备。据认为从高频扬声器发出的持续的3千赫兹的声音特别有效。报警装置可以形体上放置在受监测的变压器附近或有与变压器有一定的距离。

在另一个实施例中，分析装置可以包括数据存储装置，用于存储所有从各自传感器装置接收的信号、和/或所产生的时间延迟值的分布的叠加。数据存储装置可以用于仅存储在预定时间段内最近的记录数据、或仅存储局部放电的瞬间的指示。例如，存储装置可以仅存储自前24小时以来的所有记录数据。

可以应操作员的请求或自动地把所存储的数据下载到位于本地或远端的控制装置中。在一个实施例中，控制装置或分析装置可以在特定的日期或特定的时间从分析装置中例行地初始化数据转换。例如，在存储装置用于存储24小时数据的地方，控制装置或分析装置也可以大约每24小时从分析装置中初始化数据转换。可以易于设想其它数据转换的时间段。

如果控制装置注意到微处理器已经初始化报警装置，则它为负责监测变压器性能的人员提供恰当的指示。这样的恰当指示可以包括在计算机监视器上的可视和/或声音指示。控制装置还可以包括适当的数据存储装置，以便能存储所有从分析装置所转换的数据。系统能存档跨越几个月甚或几年的时间段的报警和数据。这个数据存储将允许在监测组织的责任人将受监测的变压器性能与早期某些时候所监测到的情况作比较，并因而确定在性能是否已经有了变化，即，趋势分析。在另一个实施例中，控制装置将优选地用于接收从多个监测许多不同变压器的分析装置中所转换的数据。例如，属于发电或配电机构的控制装置能够联网到网络中的安装有根据本发明的仪器的全部或一些变压器上。这使得配电机构能够监测网络中变压器的性能，而不需要实际地在每个变压器的位置上有维护人员在场。

在一个实施例中，各自的传感器装置能够装在同一个机壳内。该机壳可以置于变压器的器壁内，使得每个传感器装置的一个表面与该器壁的内表面重合。

检出超声波的传感器装置最好包括压电元件。压电元件最好具有第一和第二表面。压电元件优选地具有在大约50至大约300千赫兹之间的厚度共振频率，更优选地在60至大约250千赫兹之间，并且最优选地在大约190千赫兹。压电元件优选地具有最大工作温度至少在100℃，并且更优选地在至少120℃。压电元件还最好能够承受至少到5克的机械振动。

压电元件还最好是陶瓷/聚合物复合体。压电元件最好具有1至3个几何结构。该陶瓷可以从包括多晶钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)、铌钛酸铅、钡钛酸铅的组中选择。该聚合物最好是热固性聚合物。热固性聚合物可以从包括环氧树脂、聚亚胺酯、硅树脂、酚醛塑料的组中选择。

可以通过烧结或烧制钡、钛酸盐、锆酸盐、和/或铅的氧化物或碳酸盐以形成陶瓷圆盘，来制造压电元件中的陶瓷。接着最好采用合适的导电材料涂敷在陶瓷圆盘的平行相对表面以形成电极。接着该陶瓷圆盘最好浸入热油中被极化，并且施加直流电场到该圆盘上，同时温度保持在大约90℃。接着允许该油优选地冷却到室温，同时保持施加在该圆盘的电场。

一旦圆盘被极化，通过使用环氧树脂粘合剂把圆盘的一面粘合在块上，该圆盘被安装在铝块或环氧树脂块上。接着最好小心地把该块夹紧在金刚石锯切削机的卡盘上，以避免损坏该陶瓷圆盘。接着最好使用金刚石刀刃的锯去切片该陶瓷圆盘，以形成一系列彼此有间距的平行切槽(cut)。接着最好使用甲醇清洁陶瓷圆盘以除去任何碎片，并且接着用比如环氧树脂的热固性聚合物真空吸入填充。最好通过抛光除去任何多余的环氧树脂，然后再次最好使用切削机切片该圆盘，以形成又一系列彼此有间距的平行切槽，这些平行切槽与在第一组平行切槽成直角。接着使用甲醇清洁圆盘，然后最好在该圆盘周围放置直径和高度略大些的机壳，然后该圆盘以及周围机壳用环氧树脂真空吸入填充。结果是一组以热固环氧树脂支持的平行陶瓷立柱或支柱。

机壳对复合物内的外支柱提供额外的支持，并且帮助防止任何对它们无意的破坏，特别是接着当从支持块上切削该复合物时。机壳也最好由比如环氧树脂的热固性聚合物构成。该机壳的作用是进一步减少传感器的侧向灵敏度，以切断在变压器器壁上的、与由局部放电引起的超声波无关的波和侧向高频振动。一旦从支持块上除去，优选地使用牌号120、400、600的金刚砂纸分别研磨该复合物的第一和第二表面，以露出陶瓷立柱。

在一个优选实施例中，使用比如掺银环氧树脂的导电粘合剂涂敷该第一和第二表面。接着施加载荷，并在掺银环氧树脂固化前，压入导电丝网电极，并用掺银环氧树脂粘合，以形成该复合物传感器的电极。导电丝网优选地是金属丝网，并且甚至更优选地是黄铜丝网。在粘合时，金属丝网的直径最好大于复合物的第一和第二表面的直径。一旦被粘合，可以将该丝网分别修整到第一和第二表面的直径那么大。在每个情形中，最好保留丝网的小线头，以提供到电极的现成的坚固、可靠的欧姆性电气连接。到线头的电气连接最好由焊接到每个线头的绝缘铜线提供。

复合物传感器最好具有短的振铃时间(ring down time)，使得它能快速的从超声波脉冲的检出中恢复，并且准备检测下一个超声波脉冲。为了增加传感器的阻尼(damping)，在传感器的第二表面上粘接背板。该背板最好由掺钨环氧树脂构成。

还可以在复合物传感器的第一表面上粘接(attach)匹配层。该匹配层可能包括一层或多层在复合物中使用的热固性聚合物。这个匹配层的厚度最好是该传感器的厚度共振频率的四分之一波长。该匹配层在支柱的较高的声音阻抗与油的声音阻抗之间充当声音阻抗变换器，从而改善了该复合物的整体匹配声音阻抗。传感器的声音阻抗最好尽可能接近油的声音阻抗，从而最小化在传感器第一表面处的纵向超声波。为了最大的转换，该匹配层最好是复合物和油的几何平均数。该匹配层还充当磨损板，以在使用中保护复合物。

复合物传感器可以具有电气连接在连接到第一和第二表面电极的铜线之间的调谐电感，以进一步增强灵敏度。该调谐电感最好受到屏蔽，以防止在变压器环境中通过该电感拾取磁场。

一旦被制造，对每个复合物传感器最好使用阻抗分析仪进行测试，以测量传感器的电气机械耦合，由于超声波转换为电能，电气机械耦合是传感器在转换机械能效率上的量度。

在另一个充气变压器的实施例中，超声波传感器可以用压电聚合物材料来制造。在一个优选实施例中，该压电聚合物材料可能是聚偏氟乙烯(PVDF)。

检测射频脉冲的传感器装置可能包括：从铁氧体芯天线、调谐电路、或金属电容板的组中选择的天线。优选金属电容板，并且金属电容板最好具有20皮库仑至250皮库仑之间的对地电容。该板最好具有环形几何形状，并且能够用黄铜制造。环形板的面积、变压器中绝缘体的介电常数、以及环形板的间隔、和离开变压器器壁的支持可调垫圈(它接地，并形成该电容的另一板)确定电容值。

在共有机壳内，压电元件最好共轴放置在并匹配于环形电容板内，使得电介质围绕着电容板以及压电传感器的外套的除了一面以外的所有表面。最好在传感器安装之前和之后，通过除气除去电介质中的气泡。可以提供排气孔以确保传感器的周围空间完全充满矿物油。

可以使用粗铜线以及一个或多个螺栓，把超声波和射频传感器都电气地或机械地连接在引入板上。围绕支撑环形黄铜板的螺栓的可调节垫圈能够允许把该板与变压器器壁之间的距离设置为所期望的间隔，从而便于射频传感器电容的调整。

引入板最好由具有带丝扣的插入式黄铜连接件的环氧树脂压模板组成。如果在板的一边连接铜线，并且在环氧树脂板的另一边连接铜线，则提供了从一边到另一边穿过环氧树脂板的电气连续性。一般地，引入板具有几个插入式黄铜连接件。使用铸造在传感器上的螺栓，这些插入式黄铜连接件之一可以用于支撑超声波传感器；两个插入式连接件可以用于连接来自超声波传感器的粗铜线，以及三个或多个插入式连接件可以用于支撑作为射频天线使用的环形黄铜板。

带有传感器的环氧树脂引入板位于变压器器壁的通孔或穿过检查盖，这样该传感器是在变压器内部。接着引入板最好使用氯丁橡胶O型圈、或橡胶浸渍过的软木塞垫圈密封，并且用金属法兰盘固定到位。在变压器外部，金属机壳连接到该法兰盘上。

通过环氧树脂引入板上的插入式黄铜连接件，最好使用屏蔽同轴电缆进行从传感器到超声波传感器电路和射频传感器电路的电气连接。这个电路最好安放在小金属盒中。这个小金属盒最好固定在附着到法兰盘上的较大金属机壳上。接着最好用屏蔽双绞线将来自金属盒中的超声波传感器电路和射频传感器电路的输出连接到在金属机壳边上的绝缘引入板连接件上。机壳的盖子最好位于橡胶浸渍过的软木塞密封圈上，接着机壳的盖子最好夹紧到位，使得整个装置防水、并且防白蚁和寄生虫。

在传感器与分析装置之间发送信号的超声波传感器处理器优选地顺序包括放大器、精密整流器、125千赫兹高通滤波器、1千赫兹低通滤波器、带模拟输出部分的放大器和缓冲器。在传感器与分析装置之间发送信号的射频传感器处理器优选地顺序包括1至70兆赫兹前置放大器、精密整流器、1千赫兹低通滤波器、高速比较器以及带有光隔离数字输出部分的单镜头(monoshot)。在电气处理器中的所有电气元件最好能够承受高温，即军用标准120℃，因为这是在变压器顶部的上端机壳里可能的温度。

下文中，在需要的地方，传感器、环氧树脂引入板、连接件、屏蔽电缆、密封件、垫圈、金属机壳、超声波传感器电路、射频传感器电路以及机盖合称为“头(head)”。

通过屏蔽双绞线，从超声波和射频传感器电路的输出端，提供输出电信号到分析装置的微处理器。可以通过光纤线缆耦合微处理器的输出端到具有耦合调制解调器的计算机。该计算机可以用于在计算机监视器上显示报警条件，或者能够通过调制解调器和电话或其它通信网络向远端控制装置发送报警条件。

一般地，对于大多数装置，系统必须能够承受环境温度在-25℃至+120℃的范围。但是利用特殊的元件，这个范围能够扩展到-35℃至+120℃。可以安装特殊的电子式断路装置，温度设置在+110℃，以停止运行和保护系统。因而，可能的工作范围在-35℃至+110℃。这对大多数装置都是适宜的。

在另一个实施例中，可以通过分析来自安装在变压器器壁内的至少三个传感器头的输出信号，确定在高压变压器中局部放电源的三维位置。如果检测到局部放电，分析装置优选地确定每个传感器头的时间延迟值，并且接着通过三角测量、估计局部放电源的位置。应该理解，通过考虑超声波在变压器中不同材料中的速度的变化、考虑在界面的反射、以及通过迭代求出从局部放电源到三个传感器头中的每一个的最可能的超声波声学路径，能够提高位置的分辨率。

在另一个实施例中，在安装根据本发明的仪器于变压器以后，可以测试和校准该仪器。可以通过在变压器中放置局部放电发生器以模拟在变压器绝缘中的故障，来进行这样的测试和校准。通过能够改变插入到变压器中的局部放电的程度，可以设置该仪器的灵敏度级别。一旦完成测试和校准，可以移出局部放电发生器。

根据另一方面，本发明是传感器单元，包括：

用于检测超声波脉冲或波、并且接着输出相应于该检测的信号的压电复合物圆盘，该压电元件具有形成于第一和第二表面的电极，该电极由压入导电粘合剂中的导电金属丝网材料构成；和用于检测射频脉冲或波、并且接着输出相应于该检测的电信号的环形电容板。

在这一方面的该优选实施例中，该导电粘合剂是涂敷在第一和第二表面的掺银环氧树脂。该导电金属丝网优选黄铜丝网或铜丝网。金属丝网的直径最好大于该复合物的第一和第二表面的直径。一旦施加载荷，可以分别将该丝网修整到第一和第二表面的直径那么大。在每个情形中，最好保留丝网的小线头，以提供现成的到电极的电气连接。到线头的电气连接最好通过焊接在每个线头上的绝缘的或漆包的铜线实现。

在其它实施例中，传感器单元可能具有如以上根据本发明的第一方面所述的特征。

                          附图说明

仅作为举例，将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1是说明位于变压器器壁上的根据本发明的仪器的传感器头的局部剖视图；

图2传感器头中超声波脉冲检测器的剖视图；

图3是根据本发明的仪器的示意图；

图4是在图3中所描述仪器中的超声波信号和射频信号处理器的示意图；

图5是描述在检出射频信号和超声波信号之后，在根据本发明的仪器中微处理器的一个实施例中的处理器输出相对于时间的曲线图；

图6是来自通过本发明的微处理器装置产生的时间延迟值的多个分布的计数的直方图；以及

图7是通过根据本发明的微处理器装置产生的不同报警类别的流程图。

                  实施本发明的最佳模式

在运行中的高压变压器中监测局部放电的仪器的传感器头一般地在图中表示为10。

如图1所描述的，传感器头10安装于含有矿物油13的变压器12的器壁11内。该传感器头10包括具有金属盖14a的金属机壳14，在其内部是检测射频脉冲的环形黄铜电容板15，以及充当超声波脉冲检测器的超声波传感器16。定位板15和传感器16，使得它们与变压器12的器壁11的内表面重合，尽管这不是关键性的。

如图2更清楚地描述的，超声波传感器16是具有1至3个几何结构的陶瓷/聚合物的复合物，即陶瓷对准在一个方向、同时聚合物具有3个方向。在传感器16中的陶瓷是锆钛酸铅(PZT)，但是，也可以利用其它合适的压电陶瓷材料。在复合物中的聚合物是热固性环氧树脂。在制造时，超声波传感器被封装在环氧树脂外套29内。一旦安装于传感器头10中，用螺栓31将外套29装配在引入板32上。该外套29具有第一表面33和第二表面34。

在外套29内和从第一表面33向内延伸是环氧树脂匹配层35。匹配层35可防止矿物油13进入，并且具有低的在矿物油中的对超声波的声阻抗，由此可以检测来自局部放电超声波脉冲的微小反射。匹配层35的厚度是该传感器厚度共振频率的四分之一波长。从第二表面34向内延伸是由掺有钨粉粒的环氧树脂构成的背板36，它基本上是不透过超声波的。在背板36中的掺钨环氧树脂的作用是确保超声波传感器16检测不到来自引入板的超声波信号的反射，并且帮助防止超声波脉冲在变压器12的器壁11中传播和输送到超声波传感器16。

超声波传感器16的每一面具有用于积累电荷的电极37。每个电极包括其中压入薄的黄铜丝网片的掺银环氧树脂粘合层。

从每个电极37的电气连接是通过镀锡铜线38和漆包的铜线39进行的。虽未描述，调谐指示器是可以在铜线之间进行电气连接的。

超声波传感器16同轴放置在环形板15内，使得矿物油13围绕着板15以及外套29除了一面以外的所有表面。环形板15可以具有20至250皮库仑之间的对地电容，并且用黄铜制造。

通过法兰盘9固定就位的引入板32由具有带丝扣的插入式黄铜连接件的环氧树脂压模板组成。在引入板32上的两个插入式黄铜连接件可以用于穿过引入板32从由超声波传感器16延伸出的铜线39到延伸到超声波传感器电路40的同轴电缆的电气连接。两个或三个可调节的带丝扣的插入式黄铜连接件15a是用于支撑环形板15，并且还为经由板15接收的电信号提供电气连接，以穿过板32传播到射频信号处理器21(见图3)。

超声波电路信号处理器40和射频信号处理器21安放于装配在变压器12器壁上的机壳14内的小金属盒中。电磁噪声屏蔽18也围绕着板32。处理器21、40的电力由电源提供(未示出)，该电源通过进入机壳14的电缆19提供电力。

如图4所示，超声波检测器信号处理器40接收来自超声波传感器16的信号、并把它们传送到分析装置50；该处理器40顺序包括前置放大器41、精密整流器42、125千赫兹高通滤波器43、1千赫兹低通滤波器44、带模拟输出部分46的放大器和缓冲器45。

射频信号处理器21顺序包括1至70兆赫兹前置放大器22、精密整流器23、1千赫兹低通滤波器24、高速比较器25以及带有数字输出部分27的单镜头(monoshot)26。

来自射频输出部分27和来自传感器头10的超声波输出部分46的放大的电信号，通过同轴屏蔽电缆传输到分析装置50。

分析装置50包括微处理器装置51，微处理器装置51在合适的软件指令控制下处理到来的信号。

在安装以前或以后，对校准微处理器装置51的软件进行校准。此校准包括设置一个将是先于超声波脉冲检出时间的预定时间段的值。假设给定安装该仪器的变压器12的尺寸，该预定时间段一般会设置为大于能够存在于被检测射频脉冲和被检测超声波脉冲之间的最大可能时间延迟值。在正常情况下，在所述微处理器装置51中的预定时间段会设置为大约4毫秒。

在校准的时候，一般还将设置特定时间段，从该时间段微处理器装置51将选择和叠加在被测射频和超声波脉冲之间所测量的时间延迟值的所有分布。在通常情况下，为下列描述的目的，特定时间段设置为在先的2秒。

在校准的时候，一般还将设置仪器的灵敏度。例如可以调整微处理器装置51，以忽略从超声波传感器16和/或射频检测器15所发射的、低于特定幅度和/或重复率的信号。在校准期间，还可以预先设置用于调整由微处理器装置51提出的报警的分类的预定幅度设置值。

在工作中，微处理器装置51通过接收来自相应于超声波脉冲的电路40的信号，在4毫秒预定时间段内，确定在任何检测到的射频脉冲的检出与超声波脉冲的检出之间的时间延迟，并产生跨越4毫秒间隔的时间延迟值计数分布。接着通过微处理器装置51把该时间延迟值的分布与在先2秒内产生的其它已确定的时间延迟值的分布相叠加。多个分布的叠加用于形成如图6所示的直方图。由于如图5所示的、对应特定局部放电位置的时间延迟值没有变化，在直方图中一个尖峰逐渐演化，该尖峰从那些是在变压器中的异步电气噪声的产物的其它测量的时间延迟值中区分出这个时间延迟值。虽未示出，如果在变压器中有两处局部放电，只要每一处与传感器头之间的距离是不同的，则会看到在直方图中有两个尖峰。

一旦微处理器装置51确定了在变压器中在所检测的射频与超声波脉冲之间出现时间延迟，则所检测的超声波脉冲的特性将与预定设置进行比较。如图7所示，如果超声波脉冲的幅度和/或重复率大于被认为是代表高的超声波水平的预定设置值，则微处理器装置能够起动第一类报警类型。如果超声波的幅度和/或重复率不是高的水平，则微处理器装置51能够起动第二类报警类型。

还是如图6所示，即使在已经确定没有尖峰时间延迟值的那些瞬间中，微处理器装置51仍能够用于起动报警。例如仅仅根据高或中等水平的超声波脉冲的检出，可以起动不同的报警类型。

通过能够起动不同类的报警，微处理器装置51可以用作指示器，不仅是呈现变压器绝缘的故障，而且还是故障严重性以及变压器的恶化速度的指示器。例如可能不认为第四类报警的起动是关注的明显理由，但是至少可以警告以后应该更密切地监测这个变压器。这还意味着该变压器应该比预期更早地进行常规维护。相反，可能认为第一类报警的起动是关注的明显理由，并且立即调整或相当快速地停止运行变压器，以便于适当的现场测试。

应该预计到，在变压器的绝缘逐渐地发生故障的情况下，至少第二类报警以及可能第三类和第四类报警，可能会在第一类报警起动之前起动。因此，通过监测从第四类到第一类的报警类型的起动速度，也可以提供在变压器绝缘中故障的严重性上升的多么快的一个指示。

在所述实施例中，经由微处理器装置51起动的报警包括在计算机监视器52上的消息，该消息指出由微处理器装置51起动的报警类型。相应的声音报警也可起动。

分析装置50可以联网到中央控制器60，比如PC监视器和数据记录器。PC监视器和数据记录器可以位于接近或远离正受监测的变压器12。例如，分析装置50和PC监视器以及数据记录器60可以通过比如电话网的通信网络联网。在一个系统中，可以看到分析装置50与PC监视器和数据记录器60持续地通信。在另一个实施例中，连接到分析装置50的调制解调器可以用于拨叫在PC监视器和数据记录器上的调制解调器，或者反之亦然，并且提供合适的数据传输。当监测组织认为必要时，调制解调器的拨叫可以周期性地进行。同时，分析装置50会下载数据到PC监视器和数据记录器60上，应该预计到，PC监视器和数据记录器60能够提供指令到分析装置50。这样的指令可以用于允许对运行在微处理器装置51上的软件指令的设置进行在线调整。

在PC监视器和数据记录器60如所述仅联网到一个分析装置50时，应该认识到，它可以联网到多个在许多不同位置的、装配在不同变压器上的分析装置50上。这些使得例如配电机构能够去监测在它的网络内的变压器的性能，而不需要在每个变压器的位置有维护人员到场。这些对乡村地区的遥远位置有吸引力。

本领域一般技术人员应该认识到，对如特定实施例所述的本发明可以作大量变化和/或修改，而不偏离如广泛描述的本发明的实质和范围。因而，本实施例在所有方面应被认为是示例的、而不是限定性的。

Claims (37)

1.一种用于在包含电介质的运行中的高压电设备上检测局部放电的仪器，每个局部放电产生射频脉冲或波、和超声波脉冲或波，所述仪器包括：

至少一个传感器装置，用于检测由于发生局部放电而产生的超声波脉冲或波，并且接着输出相应于该检出的信号；

至少一个传感器装置，用于检测由于发生局部放电而产生的射频脉冲或波、以及其它在设备以内或以外产生的射频脉冲或波，并且接着输出对应于该检出的信号；和

信号处理和分析装置，它接收对应于检出的射频脉冲或波以及超声波脉冲或波的信号，并且它通过接收对应于检出的超声波脉冲或波的信号，用于：

(a)在先于检出超声波脉冲或波的时间的瞬间的预定时间段内，确定在所有被检测的射频脉冲或波中的检测瞬间与所述超声波脉冲或波的检出时间瞬间之间的时间延迟，并且在预定时间段上产生时间延迟值的分布；

(b)将时间延迟值的分布叠加到多个其它被检测的超声波脉冲或波的其它时间延迟值的分布上；以及

(c)分析叠加的时间延迟值的分布，以确定在被检测的射频脉冲或波的检出时间之后，是否被检测的超声波脉冲或波的部分，是在一个或多个特定时间延迟值处被检测到。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中各自传感器装置连续地监测电子设备。

3.根据权利要求1或2所述的仪器，其中设置先于检出超声波脉冲的时间的预定时间段大于在电设备中能够存在于被检测射频脉冲和被检测超声波脉冲之间的最大可能时间延迟值。

4.根据权利要求1所述的仪器，其中设置所述预定时间段在1毫秒到10毫秒之间。

5.根据权利要求1所述的仪器，其中设置所述预定时间段在2毫秒到6毫秒之间。

6.根据权利要求1所述的仪器，其中设置所述预定时间段为4毫秒。

7.根据权利要求1所述的仪器，其中信号处理和分析装置叠加在特定时间段内产生的所有分布。

8.根据权利要求7所述的仪器，其中所述信号处理和分析装置叠加在恰好先于叠加所述分布的所述步骤的特定时间段内产生的所有分布。

9.根据权利要求8所述的仪器，其中所述特定时间段在0.1秒至10秒之间。

10.根据权利要求8所述的仪器，其中所述特定时间段在1秒至8秒之间。

11.根据权利要求8所述的仪器，其中所述特定时间段是2秒。

12.根据权利要求1所述的仪器，其中所述信号处理和分析装置包括在软件指令控制下的微处理器装置。

13.根据权利要求12所述的仪器，其中所述微处理器的软件用于统计地计数在时间延迟值的分布内所确定的时间延迟值的数量，并且将这些计数与在预定时间段内从其它超声波脉冲的检测中产生的多个如此分布中得到的计数相叠加，以形成计数相对于时间延迟值的直方图。

14.根据权利要求1所述的仪器，其中检测超声波脉冲的超声波传感器装置还输出代表所检测超声波脉冲幅度的信号。

15.根据权利要求14所述的仪器，其中如果导致该信号产生的超声波脉冲的幅度低于预定幅度设置值，则所述信号处理和分析装置不对超声波信号进行进一步的分析。

16.根据权利要求1所述的仪器，其中检测射频脉冲的射频传感器装置还输出表示所检测射频脉冲幅度的信号。

17.根据权利要求16所述的仪器，其中信号处理和分析装置忽略代表射频脉冲低于预定幅度设置值的信号。

18.根据权利要求1所述的仪器，其中信号处理和分析装置用于根据所检测超声波脉冲的特性，起动各种类型的报警装置。

19.根据权利要求18所述的仪器，其中所述报警装置包括可视和/或可发声装置。

20.根据权利要求18所述的仪器，其中所述报警装置形体上位于接近受监测的变压器或与之有一些距离的位置。

21.根据权利要求18所述的仪器，其中信号处理和分析装置包括用于存储从各自传感器装置接收的所有信号、和/或所产生的时间延迟分布的叠加。

22.根据权利要求21所述的仪器，其中存储在时间存储装置的数据，可根据操作者的请求或自动地下载到位于本地或远端的控制装置上。

23.根据权利要求22所述的仪器，其中如果所述控制装置接收指示报警装置起动的信号，则它能提供恰当的指示给负责监测该变压器的性能的人员。

24.根据权利要求22或23所述的仪器，其中所述控制装置用于接收来自多个不同信号处理和分析装置所转换的数据。

25.根据权利要求1所述的仪器，其中各自传感器装置安放在共同机壳内，所述共同机壳可定位于电气设备的器壁内，使得每个传感器的一个表面与所述器壁的内表面重合。

26.根据权利要求1所述的仪器，其中检测超声波脉冲的所述传感器包括具有第一和第二表面的压电元件，所述压电元件具有在50千赫兹至300千赫兹之间的厚度共振频率。

27.根据权利要求1所述的仪器，其中检测超声波脉冲的所述传感器包括具有第一和第二表面的压电元件，所述压电元件具有在60千赫兹至250千赫兹之间的厚度共振频率。

28.根据权利要求1所述的仪器，其中检测超声波脉冲的所述传感器包括具有第一和第二表面的压电元件，所述压电元件具有在大约190千赫兹的厚度共振频率。

29.根据权利要求26所述的仪器，其中所述压电元件是具有1至3个几何结构的陶瓷/聚合物复合体，所述陶瓷是多晶钛酸铅。

30.根据权利要求26所述的仪器，其中所述压电元件是具有1至3个几何结构的陶瓷/聚合物复合体，所述陶瓷是锆钛酸铅。

31.根据权利要求26所述的仪器，其中所述压电元件是具有1至3个几何结构的陶瓷/聚合物复合体，所述陶瓷是铌钛酸铅。

32.根据权利要求26所述的仪器，其中所述压电元件是具有1至3个几何结构的陶瓷/聚合物复合体，所述陶瓷是钡钛酸铅。

33.根据权利要求1所述的仪器，其中检测射频脉冲的所述传感器装置是从铁氧体芯天线、调谐电路、或金属电容板的所述组中所选择的天线。

34.根据权利要求33所述的仪器，其中所述天线是具有环形几何形状的金属电容板。

35.根据权利要求32所述的仪器，其中检测射频脉冲的所述传感器装置是环形金属电容板式的天线，所述压电元件是共轴地定位在所述环形金属电容板中。

36.根据权利要求1所述的仪器，其中在高压电气设备中的局部放电源的位置是通过分析来自放置在所述电气设备器壁内的至少三个传感器头的所述信号输出而确定的。

37.一种用于在包含电介质的运行中的电气设备中检测局部放电的方法，每个局部放电产生射频脉冲或波、以及超声波脉冲或波，所述方法包括这些步骤：

(i)检测在所述设备内所产生的射频脉冲或波；

(ii)检测在所述设备内所产生的超声波脉冲或波；

(iii)通过检测超声波脉冲或波，确定在先于超声波脉冲或波的检出时间的瞬间的预定时间段内，所有被检测的射频脉冲或波中的检出瞬间与所述超声波脉冲或波的检出时间瞬间之间的时间延迟，并且产生在预定时间段上的时间延迟值的分布；

(iv)把时间延迟值的所述分布叠加到多个其它被检测的超声波脉冲或波的其它时间延迟值的分布上；以及

(v)分析所述被叠加的时间延迟值的分布，以确定在被检测的射频脉冲或波的检出时间之后，是否被检测的超声波脉冲或波的部分，是在一个或多个特定时间延迟值处被检测到。

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