專利名稱：一種氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測(cè)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)定位方法，特別涉及SF6氣體絕緣組合電器的局部 放電在線監(jiān)測(cè)及放電源定位方法。
背景技術(shù)：
SF6氣體是一種優(yōu)良的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，它具有無毒、不可燃、絕緣強(qiáng)度高和 滅弧能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般電介質(zhì)的特點(diǎn)。因此，SF6氣體絕緣組合電器尺寸小、占地面積小、重 量輕、無火災(zāi)危險(xiǎn)，從而極大地提高了電力系統(tǒng)的可靠性。3&氣體絕緣變電站(GIS)的出 現(xiàn)和應(yīng)用已經(jīng)打破了傳統(tǒng)變電站的概念，為緊湊型高電壓、大容量新式變電站的發(fā)展提供 了廣闊的空間。然而，正是由于氣體絕緣組合電器的封閉性，導(dǎo)致對(duì)于GIS的監(jiān)測(cè)帶來了困 難。特別是GIS因絕緣缺陷在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下會(huì)引起局部放電(PD)，GIS內(nèi)部的局部放電 持續(xù)發(fā)展會(huì)造成絕緣擊穿，危機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。在GIS各類故障中，絕緣故障占有較大比例。實(shí)際運(yùn)行情況表明絕緣擊穿多發(fā)生 在固體絕緣表面，并經(jīng)常發(fā)生在GIS投運(yùn)以后不久的一段時(shí)間里。導(dǎo)致這類絕緣故障主要 是一些小的絕緣缺陷，如內(nèi)部雜質(zhì)、毛刺、接觸不良和固體絕緣表面臟污等。這些缺陷通常 比較微小和隱蔽，不足以導(dǎo)致在工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)立即擊穿，但投入運(yùn)行后在正常運(yùn)行電壓 作用下會(huì)發(fā)生局部放電，使缺陷逐漸發(fā)展擴(kuò)大，還可以使放電所產(chǎn)生的電荷在固體絕緣表 面逐漸積累，導(dǎo)致電場(chǎng)分布嚴(yán)重畸變。因此，GIS作為電力系統(tǒng)中的重大設(shè)備，其狀態(tài)檢測(cè) 顯然是十分必要的。而局部放電是反映GIS絕緣性能的重要參數(shù)之一，它是GIS絕緣劣化 的征兆和表現(xiàn)形式，又是絕緣進(jìn)一步劣化的原因，所以檢測(cè)GIS局部放電信號(hào)以及對(duì)局部 放電的定位具有重要的意義。GIS中局部放電的監(jiān)測(cè)方法大體有耦合電容法、超高頻法、超聲波監(jiān)測(cè)法、化學(xué) 監(jiān)測(cè)法、光學(xué)監(jiān)測(cè)法。超高頻法、超聲波監(jiān)測(cè)法是兩種目前比較成熟的局部放電監(jiān)測(cè)方法。 近年來，許多新穎的局部放電檢測(cè)方法越來越引起人們的重視。例如日本名古屋大學(xué)提出 的相位門極控制方法、俄羅斯科學(xué)家提出的物理_化學(xué)診斷方法、日本大阪大學(xué)提出的用 于寬帶電磁波監(jiān)測(cè)的小波方法、英國(guó)科學(xué)家提出的有限時(shí)域差分(FDTD)方法。現(xiàn)有氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測(cè)定位方法主要研究工作集中在放電 脈沖的波形觸發(fā)判斷。如申請(qǐng)?zhí)枮?00910104428. X的“一種電氣設(shè)備局部放電超高頻定位 檢測(cè)裝置及方法”專利，公開的局部放電定位方法為直接從高采樣率示波器中求取時(shí)間差， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)局部放電定位的。又如申請(qǐng)?zhí)枮?00610054229. 9的“氣體絕緣組合電器局部放 電在線檢測(cè)定位裝置及定位方法”專利，公開的局部放電也是利用兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)上升沿的 時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)局部放電定位的。上述兩種方法在時(shí)間差的求取上，精度不高，易受干擾的影 響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置的定位方法的不足之處，提供一種具有定位精度高、操作方法簡(jiǎn)單及計(jì)算量小等特點(diǎn)的一種氣體絕緣組合電器局部放 電的在線監(jiān)測(cè)定位方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測(cè)定位方 法，包括以下步驟a)、初始化系統(tǒng)初始化后，將安裝在SF6氣體絕緣組合電器的盆式絕緣子處的每一傳感器天 線在三維空間直角指標(biāo)系中的位置(X” Y” Z》、(X2，Y2，Z2)……(Xn，Yn，Zn)存儲(chǔ)于處理器 中，并設(shè)定實(shí)時(shí)采樣時(shí)間間隔；b)、采樣局部放電信號(hào)采樣時(shí)間到時(shí)，處理器(5)首先通過總線控制智能選擇開關(guān)2輪流選通傳感器天 線，傳感器天線的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波處理以及高速數(shù)字采集器(4)進(jìn)行 模數(shù)變換后，通過總線將數(shù)據(jù)傳送到處理器5內(nèi)；c)、局部放電判斷處理器內(nèi)的控制模塊根據(jù)信號(hào)的幅值，以預(yù)先測(cè)定的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的無局部放電的噪 聲信號(hào)幅值為判據(jù)，判斷是否發(fā)生局部放電若信號(hào)的幅值大于無局部放電的噪聲信號(hào)幅 值，則判斷發(fā)生局部放電；d)、時(shí)間差定位根據(jù)波頭擬合算法確定局部放電源點(diǎn)分別到任意三個(gè)傳感器天線的空間坐標(biāo) (X” Y” lx)、(X2，Y2，Z2)以及(X3，Y3，Z3)所用的時(shí)間t” t2和t3，再根據(jù)下式(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2 = (vt^2 (1)(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2 = (vt2)2 (2)(x-x3) 2+ (y-y3) 2+ (z_z3)2 = vt3)2 (3)其中(X1 Z:)、(X2，Y2，Z2)以及(X3，Y3，Z3)分別是任意三個(gè)傳感器天線的空間 坐標(biāo)；(X，Y，Z)為局部放電源點(diǎn)的空間坐標(biāo)；v為局部放電信號(hào)在SF6氣體中的傳播速度；計(jì)算得出局部放電源的空間坐標(biāo)(X、Y、Z)，從而確定局部放電源的具體位置；上 述局部放電源到其中一個(gè)傳感器天線所用的時(shí)間t，由下式計(jì)算 式⑷中，參數(shù)b、c、si、s2通過以下方式求出找出一歸一化后的_之后，采用幅值在0. 3 0. 9之間的采樣點(diǎn)來截取_對(duì) 應(yīng)的一段，然后將截取的_擬合曲線，求出參數(shù)b、c、Sl、s2 ；其中，(n)=,"々、) "=1,2”..,TV (5)式(5)中，Ul(n)為局部放電信號(hào)111(0經(jīng)采樣后的信號(hào)序列，N為信號(hào)序列Ul(n) 的采樣點(diǎn)數(shù)，(Ul(n))_*Ul(n)信號(hào)序列的最大值；e)、顯示當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，進(jìn)行定位并將判斷結(jié)果顯示在處理器屏幕；當(dāng)沒有發(fā)生局部 放電時(shí)，回到b步等待下一次定時(shí)采樣局部放電信號(hào)。本發(fā)明局部放電在線檢測(cè)定位裝置(硬件部分)主要由傳感器天線、智能選擇開關(guān)、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)字采集器、處理器和控制模塊組成。本發(fā)明的傳感器天線安裝 在GIS各盆式絕緣子處，各傳感器天線與智能選擇開關(guān)連接；智能選擇開關(guān)通過高頻屏蔽 同軸電纜與信號(hào)調(diào)理電路連接后，再與高速數(shù)字采集器的數(shù)據(jù)采集通道連接，高速數(shù)字采 集器通過總線和處理器相連接，處理器通過總線和控制模塊連接，控制模塊通過總線與智 能選擇開關(guān)相連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、定位精度高、抗干擾性好由于采用特定的波頭擬合法，通過數(shù)據(jù)擬合，通過求解一個(gè)簡(jiǎn)單的近似函數(shù)來反 映原函數(shù)整體變化的趨勢(shì)，經(jīng)過實(shí)踐證明，該方法行之有效，能準(zhǔn)確地確定局部放電源點(diǎn)。2、操作方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小。3、裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、制作成本不高。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，具有有效的檢測(cè)GIS局部放電、能提高檢測(cè)系統(tǒng)的 抗干擾能力等特點(diǎn)。本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合具體實(shí)施方式
加以進(jìn)一步闡述。
圖1是本發(fā)明的原理框圖；圖2是本發(fā)明方法的程序流程圖；圖3-1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的傳感器天線在現(xiàn)場(chǎng)的局部放電信號(hào)波形圖；圖3-2是圖3-1所示局部放電信號(hào)波形采用波頭擬合法得出的局部放電的波頭部 分波形圖。
具體實(shí)施例方式圖1中，1、傳感器天線(可采用現(xiàn)有微帶天線)；2、智能選擇開關(guān)(射頻開關(guān)、才 華牌單刀多擲開關(guān)CH2) ；3、信號(hào)調(diào)理電路；4、高速數(shù)字采集器(泰克TDS5104B示波器，最 高采用速率為5GS/s，記錄長(zhǎng)度可達(dá)16m，1GHz的帶寬)；5、處理器(AT89C2051單片機(jī))；6、 控制模塊。圖1是實(shí)施本發(fā)明硬件的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。系統(tǒng)包括設(shè)置在GIS外部的多個(gè)用于 檢測(cè)局部放電信號(hào)的天線構(gòu)成的傳感器、智能選擇開關(guān)2、信號(hào)調(diào)理電路3、高速數(shù)字采集 器4、處理器5及控制模塊6。圖2是本發(fā)明的流程圖。當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電產(chǎn)生放電 陡脈沖信號(hào)時(shí)，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生幾百兆赫茲以上的超高頻電磁波。GIS外部天線1接收局部放電 產(chǎn)生的電磁波，處理器5發(fā)出指令使控制模塊6選通智能選擇開關(guān)2，采用屏蔽同軸電纜使 智能選擇開關(guān)2連接到天線，信號(hào)調(diào)理電路3對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、消除干擾和噪聲信號(hào)， 高速數(shù)字采集器4將信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)后，再由處理器5進(jìn)行運(yùn)算處理。圖3-1、圖3-2分別是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器天線在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的典型局部放 電波形及其用波頭擬合法得出的波頭部分，從圖中可以看出清晰的局部放電信號(hào)，其信號(hào) 幅值大約為4. 9mV，能滿足局部放電檢測(cè)的需要，具有較高靈敏度。從波頭擬合法得出的波 形來看，該擬合波形能夠總體上表征實(shí)際局部放電波形，同時(shí)也從算法上得到局部放電源 到達(dá)該天線的距離。
本發(fā)明的智能選擇開關(guān)為單刀多擲開關(guān)，通過控制模塊控制后選通相應(yīng)的天線。 信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路和濾波器部分。本發(fā)明的高速數(shù)字采集器、處理器和控制模塊 均為市場(chǎng)購(gòu)件。處理器通過總線發(fā)送指令到控制模塊，由控制模塊控制智能選擇開關(guān)選中 傳感器進(jìn)行采集，采集到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，由高速數(shù)字采集器(即模數(shù)轉(zhuǎn)換器)將 信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，處理器對(duì)高速數(shù)字采集器采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理，從而對(duì) GIS內(nèi)部局部放電源進(jìn)行定位。數(shù)據(jù)擬合是一種求解一簡(jiǎn)單適用的近似函數(shù)來反映原函數(shù)整體變化趨勢(shì)的方法。 大量事實(shí)證明，擬合曲線方法是一種行之有效的方法。對(duì)大量局部放電的波形進(jìn)行深入研究，可以得出局部放電波形的波頭部分可以由 雙指數(shù)函數(shù)來描述。假設(shè)氣體絕緣組合電器局部放電信號(hào)為u(t)，定義放電開始時(shí)刻為零 時(shí)刻，則u(t)的波頭部分函數(shù)形式為u(t) = ax(e~Sl' -e~H')式中a、si、s2為待定參數(shù)。若一個(gè)傳感器檢測(cè)到的局部放電信號(hào)為Ul(t)，則該信號(hào)的波頭部分函數(shù)形式為 式中6 = &，c = axe's^,t1為局部放電信號(hào)從局部放電源點(diǎn)到該傳感器所 用的時(shí)間?；?。
局部放電信號(hào)ujt)經(jīng)采樣為信號(hào)序列Ul(n)，找出Ul(n)的最大值，然后進(jìn)行歸- N為采樣信號(hào)Ul(n)的采樣點(diǎn)數(shù)，(!! )_為信號(hào)序列Ul(n)的最大值。然后找
出歸一化之后的巧㈨采樣點(diǎn)幅值在0. 3 0. 9之間的采樣點(diǎn)，即截?。ア淼囊欢?。然后將截取的_擬合曲線，求出參數(shù)b、c、Sl、s2 ；因?yàn)? 從而求出 確定坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間的三維直角坐標(biāo)系。假設(shè)一傳感器的空間坐標(biāo)為(Xl，yi， Zl)，局部放電源坐標(biāo)為(x，y，z)，局部放電信號(hào)在SF6氣體中的傳播速度為v，于是有(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2 = (vt^2 (1)同理，假設(shè)另外兩個(gè)傳感器的空間坐標(biāo)分別為(&，72，22)、(知，73，23)，于是得出下 列兩個(gè)方程(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2 = (vt2)2 (2)(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2 = (vt3)2 (3)將(1)、(2)、(3)三個(gè)方程聯(lián)立，就能得到局部放電源的位置(X、Y、Z)。其中，tl、t2、t3分別為用波頭擬合法得出的局部放電源點(diǎn)到上述三個(gè)傳感器天線所用的時(shí)間。一種氣體絕緣組合電器局部放電在線監(jiān)測(cè)定位方法，該方法利用傳感器天線(可 以說是，由天線組成的傳感器)、智能選擇開關(guān)、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)字采集器、處理器及 控制模塊，通過處理器進(jìn)行定位，其方法步驟如下(1)初始化將各個(gè)天線傳感器在三維空間，即在空間直角坐標(biāo)系中的位置存儲(chǔ) 于處理器中，并設(shè)定定時(shí)采集時(shí)間間隔；(2)采樣局部放電信號(hào)采樣時(shí)間到時(shí)，處理器首先通過總線控制智能選擇開關(guān) 輪流選通傳感器中的天線，然后將數(shù)據(jù)傳送到處理器內(nèi)；(3)局部放電判斷根據(jù)信號(hào)的幅值，以預(yù)先測(cè)定的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的無局部放電的噪 聲信號(hào)幅值為判據(jù)，判斷是否發(fā)生局部放電；(4)時(shí)間差定位根據(jù)本發(fā)明的波頭擬合算法精確確定任意三個(gè)傳感器測(cè)量的局 部放電信號(hào)的時(shí)間差，根據(jù)GIS的六氟化硫(SF6)介質(zhì)中電磁波的傳播速度，即可計(jì)算局部 放電源的具體位置；(5)顯示當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，進(jìn)行定位并將判斷結(jié)果顯示在處理器屏幕；當(dāng)沒有 發(fā)生局部放電時(shí)，回到第(2)步等待下一次定時(shí)采樣局部放電信號(hào)。
權(quán)利要求
一種氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測(cè)定位方法，其特征在于，方法步驟如下a)、初始化系統(tǒng)初始化后，將安裝在SF6氣體絕緣變電站的每一盆式絕緣子處的每一傳感器天線在三維空間直角指標(biāo)系中的位置(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)……(Xn，Yn，Zn)存儲(chǔ)于處理器中，并設(shè)定實(shí)時(shí)采樣時(shí)間間隔；b)、采樣局部放電信號(hào)采樣時(shí)間到時(shí)，處理器(5)首先通過總線控制智能選擇開關(guān)2輪流選通傳感器天線，傳感器天線的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波處理以及高速數(shù)字采集器(4)進(jìn)行模數(shù)變換后，通過總線將數(shù)據(jù)傳送到處理器5內(nèi)；c)、局部放電判斷處理器內(nèi)的控制模塊根據(jù)信號(hào)的幅值，以預(yù)先測(cè)定的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的無局部放電的噪聲信號(hào)幅值為判據(jù)，判斷是否發(fā)生局部放電若信號(hào)的幅值大于無局部放電的噪聲信號(hào)幅值，則判斷發(fā)生局部放電；d)、時(shí)間差定位根據(jù)波頭擬合算法確定，從局部放電源點(diǎn)分別到任意三個(gè)傳感器天線的空間坐標(biāo)(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)以及(X3，Y3，Z3)所用的時(shí)間t1、t2和t3，再根據(jù)下式(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝(vt1)2 (1)(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝(vt2)2 (2)(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝(vt3)2 (3)其中(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)以及(X3，Y3，Z3)分別是任意三個(gè)傳感器天線的空間坐標(biāo)；V為局部放電信號(hào)在SF6氣體中的傳播速度；計(jì)算得出局部放電源的空間坐標(biāo)(X、Y、Z)，從而確定局部放電源的具體位置；上述局部放電源點(diǎn)到其中一個(gè)傳感器天線所用的時(shí)間t，由下式計(jì)算 <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1</mn><mi>n</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>/</mo> <mi>c</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>s</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式(4)中，參數(shù)b、c、s1、s2通過以下方式求出找出一歸一化后的采用點(diǎn)幅值在0.3～0.9之間的采樣點(diǎn)來截取對(duì)應(yīng)的一段，然后將截取的擬合曲線，求出參數(shù)b、c、s1、s2；其中， <mrow><mover> <mrow><msub> <mi>u</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>u</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>max</mi> </msub></mfrac> </mrow>n＝1，2，...，N (5)式(5)中，u1(n)為局部放電信號(hào)u1(t)經(jīng)采樣后的信號(hào)序列，N為信號(hào)序列u1(n)的采樣點(diǎn)數(shù)，(u1(n))max為u1(n)信號(hào)序列的最大值；e)、顯示當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，進(jìn)行定位并將判斷結(jié)果顯示在處理器(5)屏幕；當(dāng)沒有發(fā)生局部放電時(shí)，回到b步等待下一次定時(shí)采樣局部放電信號(hào)。FSA00000117700300021.tif,FSA00000117700300022.tif,FSA00000117700300023.tif
全文摘要
一種氣體絕緣組合電器局部放電的在線監(jiān)測(cè)定位方法，屬于電氣設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明主要由傳感器天線、智能選擇開關(guān)、高速數(shù)字采集器、處理器和控制模塊等組成，通過波頭擬合算法，對(duì)傳感器天線接收到的局部放電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，再通過求解一個(gè)簡(jiǎn)單的近似函數(shù)來反映原函數(shù)整體變化的趨勢(shì)，能準(zhǔn)確地確定局部放電源點(diǎn)。本發(fā)明能夠有效的檢測(cè)GIS局部放電，能在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)部的局部放電，而且能提高檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。
文檔編號(hào)G01S5/00GK101865969SQ20101018394
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者劉凡, 劉平, 曾奕, 甘德剛, 肖偉 申請(qǐng)人:四川電力試驗(yàn)研究院