CN208076658U - 基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，主要由多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置、UHF信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元四个部分构成；所述局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端；所述复合单元的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端；所述UHF信号采集装置信号连接所述模拟局部放电装置；所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且通过无线传输模式传送至主机显示单元。实现同时施加直流电压和谐波电压，能够准确模拟换流变压器阀侧套管的复杂工况。

Description

基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统

技术领域

本实用新型属于油纸绝缘放电测量技术领域，涉及一种基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统。

背景技术

近年来，换流变压器的事故频发，2007年度影响我国直流输电系统可靠性指标的分析报告中明确给出：因换流变引发的故障造成单级强迫停运5次，停运时间472.13小时，单级计划停运4次，停运时间287.25小时，引起系统降额运行1次。换流变压器的绝缘问题是造成故障的主要原因。换流变压器的绝缘以油纸绝缘为主，在热、电应力作用下，油分子会发生老化，纸板纤维会发生断裂，造成绝缘劣化。油纸绝缘劣化会导致变压器主绝缘、匝间绝缘、接线端子绝缘等发生严重局部放电，进而发展成沿面闪络，气隙放电等故障，造成绝缘永久性损坏，变压器发生短路、断路等故障。

换流变压器阀侧绕组主要承受了不同交直流电压比例的复合电压作用，这使得换流变压器内部油纸绝缘的局部放电特性与交流电力变压器内部绝缘局部放电(PartialDischarge,PD)特性存在一定的差异性。为考核换流变压器内绝缘在直流电场作用下的绝缘性能，IEC标准规定，换流变出厂前需进行直流耐压试验，同时在耐压过程中进行局部放电测量试验。目前，交流电压作用下油纸绝缘的局部放电特性进行多年研究，形成较为完整的理论体系和分析方法。近年来随着高压直流输电工程(High Voltage Direct Current,HVDC)发展，直流电压，脉冲电压和谐波电压作用下油纸绝缘局部放电现象分析成为研究热点。但是现阶段，国内外对复合电压下局部放电的试验与诊断技术的研究仍然处于起步阶段。

特高频检测法(ultra high frequency,UHF)是指电力设备内发生局部放电时的电流脉冲(上升沿为纳秒级)能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，通过检测这种电磁波信号来实现局部放电检测。特高频检测法检测频段高(通常为300-3000MHz)，具有抗干扰能力强，检测灵敏度高等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、定位和故障类型识别。

Zigbee串口模块是基于Zigbee2007/PRO协议栈的2.4G Zigbee无线串口透明传输通信模块。模块基于TI高性能低功耗的2.4G射频收发芯片CC2530及大功率低噪声射频前端芯片CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zigbee无线传感网络的组网。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，利用UHF天线的局部放电检测技术，对多物理场下油纸绝缘局部放电缺陷进行诊断和识别。

本实用新型针对换流变压器阀侧套管用油纸绝缘在复合电场下的局部放电检测，通过将特高频天线与直流叠加谐波电压装置相结合，能够保持高灵敏度对运行的油纸绝缘局部放电进行检测，并通过信号采集和信号处理传输至主机，进而从局部放电方面描述油纸绝缘劣化的局部放电检测系统

本实用新型为解决技术问题，提出的技术方案是：基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，主要由多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置、UHF信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元四个部分构成；

所述多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端；

所述复合单元的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端；

所述模拟局部放电装置主要由一个恒温预热平台和两个指压型电极构成：其中的一个指压型电极与所述复合单元的输出端相连，另一个指型电极与大地相连；

所述UHF信号采集装置信号连接所述模拟局部放电装置，用以获取油纸绝缘所产生的特高频局部放电信号；所述UHF信号采集装置信号包括依次串接的UHF天线、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大电路和稳压电路；

所述UHF天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺线复合的外置型天线；

所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接至数据传输单元的输入端；

所述数据传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输；

所述数据传输单元的输出端连接射频天线，通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；

所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且通过无线传输模式传送至主机显示单元；

所述主机显示单元用于获取从数据传输单元传过来的数据，并进行局部放电相位谱图和脉冲序列相位谱图的描点，将结果显示在人机界面上，并进行数据存储和读取。

所述直流电源为静电纺丝高压源。

所述谐波电源由一台单进单出变频电源和一台试验变压器构成。

所述复合单元由两个高压薄膜电容和两个高压电阻构成。

所述数据传输单元集成在UHF信号采集装置中。

所述UHF天线采用一端为BNC接头，另一端为高频RF头的传输线。

所述放大电路采用两个型号为ADL5545芯片串联实现的二级放大。

所述滤波电路为三阶巴特沃斯高通滤波器，截止频率设定为300MHz。

所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成。

所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的2倍放大和电压跟随。

有益效果

1、实现同时施加直流电压和谐波电压，能够准确模拟换流变压器阀侧套管的复杂工况，并且正负直流电压源切换快捷，保证实验安全。谐波电压发生器的输出电压和频率均可调节，保证功能完善。

2、复合型螺旋天线具有更好的截止频率和更小的尺寸，能够更加准确捕捉到局部放电信号，能够有效去除部分干扰信号。

3、主机分析功能强大，具有数据对比库和分析模式，能够查阅存储历史数据，并能够自行定义图片编号和日期，从PRPD和PRPS两种谱图协同分析局部放电特征，并进行模式识别。

4、具备多种图形参数设置功能，可进行可视化降噪功能，可设定阈值和采样间隔以及电源频率等。

5、完全数字化显示，界面更加直观，简洁明了，人机交互友好。

6、与现有检测技术和检测装置相比，本实用新型能够准确模拟换流变压器阀侧套管用油纸绝缘在实际工况下所产生的局部放电信号，检测准确，便于工作人员操作设置和诊断，采用基于特高频法的检测系统更具优势，能够实现准确的信号捕捉，通过将采集结果通过无线传输至数据分析单元，保证操作安全可靠。

附图说明

图1是本实用新型的电压复合单元电路接线图；

图2是本实用新型的系统结构装置图；

图3是本实用新型的UHF信号采集装置结构框图；

图4是本实用新型的主机显示单元结构框图；

图5是本实用新型的主机界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本实用新型的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统是如何实现的。

本实用新型通过UHF天线和多物理场耦合局部放电装置的结合，对油纸绝缘局部放电进行检测，从PRPD和PRPS谱图两个方面描述油纸绝缘在多物理场耦合作用下的局部放电特征，研究换流变压器阀侧套管内绝缘的介电性能。本实用新型通过以下措施来达到：提供一种基于UHF法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，即一种基于特高频天线和多物理场耦合局部放电装置实现油纸绝缘的局部放电动态和高灵敏度检测。

如图2所示，本实用新型基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，用于研究换流变复杂工况下油纸绝缘的局部放电特征研究。包括：多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置、UHF信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元。

所述多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端。

本实施例中所述直流电源由一台正极性东文静电纺丝高压电源和一台负极性东文静电纺丝高压电源构成，型号为DW-P503-1ACDF，内部采用模块化电路设计，输出稳压精度高，输出电压连续可调，并带有高精度输出电压及电流数字显示。

本实施例中所述谐波电源由一台10kVA单相输入单相输出交流单相变频电源和一台试验变压器组成，所述变频电源的型号为OYHS-9803，频率在40-499.9Hz连续可调，输出电压在0-300V连续可调，波形为正弦波，失真率≤1％。所述试验变压器型号为武汉三鑫华泰电气10kVA变压器，额定输出电压为AC16kV，额定输入电压为200V；所述变频电源输出端通过三相电源线与所述试验变压器的输入端相连。

本实施例中所述复合单元为一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和一个大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻串联而成的隔直电路与一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和一个大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻搭建而成的低通滤波电路组成。所述聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器的型号为EACO-SDD，容值为0.1μF，耐压等级20kV，所述大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻的型号为RI80，阻值为1MΩ；电路连接如图1所示。

本实施例中所述模拟局部放电装置为一个型号为HB-HP-6040汉邦恒温加热平台和两个指压型电极构成，加热平台采用电阻丝发热进行升温，可以实现快速升温。平台内置MCU程控温度并配置独立感温探头，面板每点差小于±2℃，可保证试样均匀恒温受热，并配有实际温度和设定温度的数字显示。其中一个指型电极与所述复合单元的输出端相连，另一个指型电极与大地相连。

UHF信号采集装置的结构框图如图3所示，用以获取UHF局部放电信号，包括依次串接的UHF天线、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大和稳压电路，所述电压反馈放大和稳压电路的输出端连接至数据传输单元的输入端。

本实施例中所述UHF天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺旋复合构成的PCB型天线，其表面附有厚度为1mm的环氧树脂浇注层，天线外壳内部为中空反射腔，通过高频同轴线接BNC头，可避免外部串扰；

本实施例中所述放大电路采用两个型号为ADL5545芯片串联实现的二级放大电路，所述滤波电路为三阶巴特沃斯高通滤波器，截止频率设定为300MHz，所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成，电容值1nF和电阻值5MΩ，所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的2倍放大和电压跟随。

当油纸绝缘发生局部放电时，会产生持续时间仅为ns级的脉冲电流，激发出的电磁波会透过环氧材料浇注层，通过外置式UHF天线耦合成电压信号，同时将其送入到UHF信号采集装置，此处需要进行放大电路进行放大，然后需要过滤掉干扰噪声，比如工频干扰等外界信号，信号经滤波后进行检波。三阶巴特沃兹高通滤波器将频带设定在300MHz以上，有效避开电晕等干扰信号，用以捕获准确的局部放电信号。

所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至主机显示单元。

所述数据传输单元采用高性能STM32系列ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用高性能ARM芯片自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，同时通过UART串口通信，与传输单元发送模块相连接，将采集到的信号进行编码，通过无线传输将数据送至主机显示单元；所述的数据传输单元采用ZAuZx_T系列Zigbee串口透传模块经过RF天线实现无线传输通信。

主机显示单元的结构框图如图4所示，用于对局部放电数据进行分析以及进行PRPD和PRPS的描点，并且对油纸绝缘的局部放电状态做出判断，将分析的结果进行存储和查询。采用高性能ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用STM32系列高性能ARM芯片，通过自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，对接收信号的幅值进行测量并且计算局部放电信号脉冲个数，以所测量的局部放电脉冲信号值的大小以及脉冲个数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱，以此进行PRPD和PRPS谱图的描点，单位为dB，如图5所示。

电源采用外置锂电池供电，方便拆卸进行充电。

本实用新型的基于UHF法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，具体的使用环境及其方法如下：

1、使用环境

海拔高度：≤1000m

工作温度：-20℃-40℃

工作湿度：0-90％，无凝露

无火灾、爆炸危险，严重污秽化学腐蚀、剧烈振动、强电磁干扰及雷击场所被测设备要良好接地

2、使用方法

⑴纤维素绝缘试样制作步骤

①本实例中采用南唐中利有限公司生产的纤维素绝缘纸，厚度为0.13mm，将纤维素绝缘纸裁剪成20mm*50mm的正方形试样，将试样放入型号为401B型热老化试验箱中进行干燥，温度设置为90℃，干燥时间设置为12小时。

②采用长城25#变压器油进行真空滤油处理。

③将处理后的纤维素绝缘纸放入绝缘油中，并在型号为DZF-6020/6050的真空干燥箱中静置48小时，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20，环境温度设定为40℃，真空度设定为50Pa。

④取出浸油处理后的油浸绝缘纸进行后续实验步骤。

⑵局部放电检测步骤

①将两个指型电极相对放在在恒温加热平台上并固定，电极之间距离设定为15mm，将油浸纸试样放在电极之间，并确保电极紧密贴合在试样上，加热平台温度设定在40℃。

②设定所述高压直流电源的电压幅值为10kV,设定所述谐波电压频率为250Hz，将UHF天线浇注环氧一面正对在指型电极之间，天线距离试样约为5cm，通过主机设定显示脉冲电数为1000个，触发电平为1dB。

③升高谐波电压发生器产生的电压幅值，当油纸绝缘发生局部放电时，UHF天线耦合从试样传导出来的横向电磁波信号，经过放大滤波处理后通过检波电路进，得到可以送至ARM的有效采集脉冲信号，经过A/D数模转换后，经UART串口传至Zigbee模块，通过RF天线无线传输送至主机显示单元；同时主机还提供人机界面和数据存储和查询功能，并实时输出PRPD和PRPS谱图。

Claims (10)

1.基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，主要由多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置、UHF信号采集装置、数据传输单元和主机显示单元四个部分构成；

所述多物理场耦合油纸绝缘局部放电装置包含直流电源、谐波电源、复合单元和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述谐波电源的输出端连接所述复合单元的输入端；

所述复合单元的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端；

所述模拟局部放电装置主要由一个恒温预热平台和两个指压型电极构成：其中的一个指压型电极与所述复合单元的输出端相连，另一个指型电极与大地相连；

所述UHF信号采集装置信号连接所述模拟局部放电装置，用以获取油纸绝缘所产生的特高频局部放电信号；所述UHF信号采集装置信号包括依次串接的UHF天线、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大电路和稳压电路；

所述UHF天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺线复合的外置型天线；

所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接至数据传输单元的输入端；

所述数据传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输；

所述数据传输单元的输出端连接射频天线，通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；

所述数据传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且通过无线传输模式传送至主机显示单元；

所述主机显示单元用于获取从数据传输单元传过来的数据，并进行局部放电相位谱图和脉冲序列相位谱图的描点，将结果显示在人机界面上，并进行数据存储和读取。

2.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述直流电源为静电纺丝高压源。

3.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述谐波电源由一台单进单出变频电源和一台试验变压器构成。

4.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述复合单元由两个高压薄膜电容和两个高压电阻构成。

5.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述数据传输单元集成在UHF信号采集装置中。

6.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述UHF天线采用一端为BNC接头，另一端为高频RF头的传输线。

7.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述放大电路采用两个型号为ADL5545芯片串联实现的二级放大。

8.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述滤波电路为三阶巴特沃斯高通滤波器，截止频率设定为300MHz。

9.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成。

10.根据权利要求1所述的基于特高频法的多物理场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的2倍放大和电压跟随。