電暈電流的測量裝置及用其進行多點電暈電流定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電暈電流的定位方法和裝置，屬于電力系統(tǒng)運行監(jiān)測及量測技術(shù)領(lǐng)域。利用隧穿磁阻磁場傳感器具有的高靈敏度、寬頻帶、抗干擾能力強等特點及對磁場方向的敏感性，制作了雙軸磁場傳感測量裝置，采用傳感器陣列的形式實現(xiàn)了對惡劣電磁環(huán)境中電暈電流周圍磁場的測量，并通過測量磁場值提出了對電暈放電點的定位方法，最后得到電暈放電點的近似區(qū)域及近似放電點。本發(fā)明方法及裝置基于隧穿磁阻磁場傳感器的測量優(yōu)勢，針對高頻電暈放電電流產(chǎn)生的磁場信號進行測量，兼顧電暈電流特點，實現(xiàn)了電暈放電點的準確定位。本發(fā)明解決了無法對設(shè)備絕緣缺陷產(chǎn)生的電暈電流進行精確定位的問題，極大地提升了極端電磁環(huán)境下磁場及電流測量的穩(wěn)定性及精度，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性運行及絕緣水平。
【專利說明】
電暈電流的測量裝置及用其進行多點電暈電流定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種多點電暈電流的測量裝置及用其進行多點電暈電流定位方法，屬 于電力系統(tǒng)運行監(jiān)測及量測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大量資料表明，導(dǎo)致高壓電力設(shè)備故障的主要原因是絕緣性能的劣化和失效，因 此高壓電力設(shè)備的絕大多數(shù)故障最終歸結(jié)為絕緣性故障。局部放電是造成絕緣劣化的主要 原因，也是絕緣劣化的重要表征。電暈放電作為局部放電的一種主要形式，是包括無線電干 擾、可聽噪聲在內(nèi)的電磁環(huán)境問題的主要來源，目前已成為高壓輸電關(guān)鍵技術(shù)問題之一。因 此檢測設(shè)備局部放電及電暈放電，能夠?qū)υO(shè)備絕緣狀態(tài)進行有效評估，預(yù)警可能出現(xiàn)的絕 緣故障，提高設(shè)備安全運行水平。局部放電過程中可以產(chǎn)生聲、光、電等多種物理現(xiàn)象，通過 對不同物理現(xiàn)象的檢測可以實現(xiàn)對局部放電的測量，比較常用局部放電測量方法有紫外成 像法、特高頻法、脈沖電流法、超聲波法等，電暈放電是局部放電的一種形式，其放電脈沖的 頻率較低，放電強度較弱，采用局部放電常用的紫外成像法及特高頻法由于帶寬及分辨率 的限制，加之變電站及設(shè)備現(xiàn)場電磁環(huán)境異常復(fù)雜，對電暈放電監(jiān)測/檢測結(jié)果仍然存在較 大誤差。針對電暈放電的測量及定位，成為保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運行的亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種電暈電流的測量裝置及用 其進行多點電暈電流定位方法，通過測量電暈電流在周圍空間產(chǎn)生的高頻矢量磁場，根據(jù) 矢量磁場與電暈電流間的關(guān)系，實現(xiàn)對多個點對地放電電暈電流及對應(yīng)點電極的定位，采 用非接觸式的方法解決絕緣設(shè)備的放電定位問題。
[0004] 本發(fā)明提出的一種電暈電流的測量裝置，其特征在于，該裝置包括:基于隧穿磁阻 效應(yīng)的磁場傳感器單元、信號處理及電源單元、信號輸出單元三部分;所述基于隧穿磁阻效 應(yīng)的磁場傳感器單元，采用由兩個單軸隧穿磁阻傳感器以正交排列方式組成的可測雙軸矢 量磁場的磁場傳感器，所述磁場傳感器單元的兩個單軸傳感器用于分別測量各自敏感軸方 向上的磁場，將兩個磁場測量結(jié)果進行矢量合成，從而得到所測雙軸磁場值;所述磁場傳感 器單元的測量信號輸出至所述信號處理及電源單元，所述信號處理及電源單元用于對兩個 單軸傳感器輸出信號進行差分及放大處理，并提供傳感器工作所需電源;所述信號處理及 電源單元的電壓信號輸出至所述信號輸出單元，所述信號輸出單元用于將輸出信號傳輸至 外部的信號采集裝置。
[0005] 本發(fā)明還提出采用上述裝置進行多點電暈電流定位方法，其特征在于，該方法包 括以下步驟：
[0006] 1)將多個電暈電流測量裝置組成陣列形式排布在被測電暈放電區(qū)域周圍；
[0007] 2)當(dāng)電暈放電的脈沖頻率保持穩(wěn)定時，陣列中的各電暈電流測量裝置對電暈放電 周圍區(qū)域的空間高頻矢量磁場進行測量，得到多組放電情況下電暈電流在周圍空間輻射磁 場的波形作為計算數(shù)據(jù)；
[0008] 3)設(shè)置電暈電流測量裝置選擇輸出電壓的閾值，判斷各組計算數(shù)據(jù)的電壓值是否 大于閾值，將電暈電流測量裝置測得的雙軸矢量磁場的任一峰值輸出大于此閾值的計算數(shù) 據(jù)作為該測量裝置的輸出結(jié)果用于計算；
[0009] 4)采用小波去噪方法對該測量裝置的輸出的測量波形進行去噪處理，并對陣列中 各裝置的磁場峰值測量結(jié)果進行平均，得到電暈放電在周圍空間產(chǎn)生的高頻矢量磁場值； [0010] 5)通過陣列中多個測量裝置的磁場傳感器單元測量結(jié)果得到的磁場Hdlscharge的方 向，計算得到每個電暈放電點的位置；
[0011] 6)將所述陣列中各電暈電流測量裝置對同一組電暈放電的測量結(jié)果進行處理得 到放電區(qū)域，取放電區(qū)域的重心作為計算得到的放電點，完成多個電暈放電的定位測量。
[0012] 本發(fā)明的原理:空間局部放電產(chǎn)生的高頻電流脈沖信號在流散過程中，將在其周 圍的近場空間中形成高頻電磁脈沖信號，并且信號強度和空間局部放電位置存在強相關(guān) 性。通過檢測放電設(shè)備近場空間中的高頻電磁脈沖信號，進行信號特征量的提取和識別，可 以實現(xiàn)設(shè)備局部放電的有效檢測。
[0013] 本發(fā)明的特點及有益效果是：
[0014] 本發(fā)明充分考慮到電暈放電電流的微小量程、寬帶寬及測量時背景噪聲較大的特 點，利用隧穿磁阻傳感器的高靈敏度、寬頻帶、本征噪聲較小、抗電磁干擾能力強、存在單向 的測量敏感軸的優(yōu)勢，實現(xiàn)對高頻矢量磁場的準確測量。對進行信號去噪后的磁場測量結(jié) 果進行相應(yīng)定位計算，得到對應(yīng)的高頻電流源的位置。隧穿磁阻傳感器的安裝位置可以更 加靈活、不受限制，同時傳感器對外界磁場角度也具有敏感性，因此可以通過多組隧穿磁阻 磁場傳感器在空間局放設(shè)備空間位置上的合理布置和配合，利用信號強度與空間局放位置 的強相關(guān)性，實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部多個局部放電的精確定位。該結(jié)果可以基本確定多個電暈放電 點，即設(shè)備發(fā)生絕緣缺陷的位置。
[0015] 本發(fā)明提供了基于磁測量的在極端電磁環(huán)境中進行磁場及電流測量的新方法，解 決了無法對設(shè)備絕緣缺陷產(chǎn)生的電暈電流進行精確定位的問題，極大地提升了極端電磁環(huán) 境下磁場及電流測量的穩(wěn)定性及精度，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性運行及絕緣水平。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的電暈電流的測量裝置示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明中采用的點極與板電極之間電暈電流的基本形式，當(dāng)點電極周圍的 電場為極不均勻場時，電暈電流產(chǎn)生于點電極與板電極之間。
[0018] 圖3是本發(fā)明方法的總體流程框圖
[0019] 圖4是本方法的每個電暈放電點位置的定位算法示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明提出的一種電暈電流的測量裝置及用其進行多點電暈電流定位方法，結(jié)合 附圖及實施例說明如下：
[0021] 本發(fā)明提出一種電暈電流的測量裝置，如圖（1)所示，該裝置包括基于隧穿磁阻效 應(yīng)的磁場傳感器單元、信號處理及電源單元、信號輸出單元三部分;所述基于隧穿磁阻效應(yīng) 的磁場傳感器單元，采用由兩個單軸隧穿磁阻傳感器以正交排列方式組成的可測雙軸矢量 磁場的磁場傳感器，所述磁場傳感器單元的兩個單軸傳感器用于分別測量各自敏感軸方向 上的磁場，將兩個磁場測量結(jié)果進行矢量合成，從而得到所測雙軸磁場值;所述磁場傳感器 單元的測量信號輸出至所述信號處理及電源單元，用于對兩個單軸傳感器輸出信號進行差 分及放大處理，并提供傳感器工作所需電源，所述信號及電源單元由帶寬大于30MHz的差分 運算放大器AD8044及電壓參考源芯片LM7805、LM7905組成;所述信號處理及電源單元的電 壓信號輸出至所述信號輸出單元，裝置的輸出信號通過電暈電流測量裝置的SMA 口輸出至 BNC線，并將信號傳輸至外部的信號采集裝置，所述信號采集裝置可以是示波器或采集卡， 不屬于本裝置的部件。
[0022] 本發(fā)明提出采用所述電暈電流測量裝置進行多點電暈電流定位的方法，主要針對 電氣設(shè)備中所出現(xiàn)的電暈脈沖放電進行定位計算，在本發(fā)明方法的實施例中，采用點電極 對板電極放電的形式對設(shè)備中的電暈脈沖放電進行模擬，說明電暈電流定位的實現(xiàn)方法。 本實施例的實驗場景如圖（2)所示，表示一個點電極1對板電極3的放電形式，當(dāng)在點電極1 上施加高電壓時，點電極1周圍的電場將會呈現(xiàn)極不均勻的形式，電暈電流2產(chǎn)生于點電極1 與板電極3之間。針對所述場景的多點電暈電流定位的方法流程如圖3所示，包括以下步驟：
[0023] 1)將多個電暈電流測量裝置組成陣列形式排布在被測電暈放電區(qū)域周圍；采用多 個基于隧穿磁阻效應(yīng)的電暈電流測量裝置組成陣列形式對多點對地電暈放電周圍的空間 磁場進行測量，以減小電暈放電隨機性造成的測量誤差。在實際應(yīng)用中一般陣列的長度不 能超過20cm，在本實施例中，每個陣列由五個電暈電流測量裝置成等間距直線排布組成，陣 列中每個電暈電流測量裝置的間距為5cm。在實際確定測量裝置的間距時，可首先定性判斷 檢測區(qū)域的電暈放電強度，若電暈放電點相對于本實施例多且密集，同時放電區(qū)域大于本 實施例中的放電區(qū)域，則可減少電暈電流測量裝置的間距在2-4cm之間，同時使用兩個以上 的陣列形式進行測量，否則可增加電暈電流測量裝置的間距在6-8cm之間，同時只采用一個 陣列進行測量。五個電暈電流測量裝置的信號處理及電源單元和信號輸出單元獨立工作。 測量過程中，所述陣列排布在板電極3以外，并處于板電極3的水平面以上及點電極2水平面 以下的位置，即陣列排布在電暈放電周圍區(qū)域，以減小電暈放電對電暈電流測量裝置絕緣 性能的影響，消除測量裝置對電暈放電的干擾；
[0024] 2)陣列中的各電暈電流測量裝置對電暈放電周圍區(qū)域的空間高頻矢量磁場進行 測量，得到多組放電情況下電暈電流在周圍空間輻射磁場的波形；當(dāng)電暈放電的脈沖頻率 保持穩(wěn)定時，對電暈放電脈沖進行測量;本實施例中點電極對板電極采用同一放電脈沖進 行觸發(fā)，得到同一時刻下陣列中各電暈電流測量裝置的輸出波形，作為一組放電的結(jié)果。對 放電脈沖進行多次觸發(fā)，得到多組放電的波形作為計算數(shù)據(jù)；
[0025] 3)為避免在較小輸出情況下由背景噪聲造成的較大的計算誤差，設(shè)置電暈電流測 量裝置選擇輸出電壓的閾值，本實施例的閾值取為10mV，判斷各組計算數(shù)據(jù)的電壓值是否 大于閾值，將測量裝置雙軸輸出均小于等于閾值的計算數(shù)據(jù)舍棄，將電暈電流測量裝置測 得的雙軸矢量磁場的任一峰值輸出大于此閾值的一組計算數(shù)據(jù)作為該測量裝置的輸出結(jié) 果用于計算；
[0026] 4)對所述電暈電流測量裝置采用小波去噪方法對其輸出的測量波形進行去噪處 理，并對陣列中各裝置的磁場峰值測量結(jié)果進行平均，得到電暈放電在周圍空間產(chǎn)生的高 頻矢量磁場值;本方法實施例采用小波去噪的方法對陣列各電暈電流測量裝置的原始測量 信號進行去噪處理，所選小波為db4,小波級數(shù)根據(jù)實際測量中的采樣率進行選擇，考慮到 電暈電流的主要頻率分量在30MHz以下，因此小波去噪時的最后一級空間頻率范圍至少應(yīng) 大于30MHz。采用小波去噪后的信號峰值作為測量裝置所測磁場脈沖的響應(yīng)值，將陣列中各 單軸傳感器的同一次電暈放電下處理得到的多組電暈放電脈沖響應(yīng)值進行平均(本發(fā)明為 在所測電暈電流周圍磁場較小的情況下進行，忽略單軸傳感器交叉敏感軸靈敏度的影響）， 直接以電暈電流測量裝置得到的雙軸輸出電壓作為雙軸磁場值；
[0027] 5)通過多個磁場傳感器單元測量結(jié)果得到的磁場Hdlscharge的方向，即可計算得到 每個電暈放電點位置的定位;本實施例的定位算法如圖（3)所示。根據(jù)麥克斯韋方程組，理 論上電暈電流產(chǎn)生磁場應(yīng)垂直于測量點及放電點的連線，對每一個電暈電流測量裝置4沿 測量點及放電點的切向，如圖中Hdischarge所不。Hdischarge的兩個分量Hx和Hy分別由磁場傳感器 單元的兩個正交軸上的傳感器測量得到。圖中P夾角為的夾角，可直接通過電 暈電流測量裝置的雙軸輸出電壓得到，即：
[0028] φ= arclan ^ Κ. ? ?7ν j ；
[0029] 6)綜合各點的計算結(jié)果得到多個電暈放電點的放電區(qū)域:將所述陣列中各電暈電 流測量裝置對同一組電暈放電的測量結(jié)果進行處理（即把多點電暈定位計算轉(zhuǎn)化為單點計 算，實現(xiàn)計算的簡化）；綜合多個電暈電流測量裝置的測量得到的放電區(qū)域（由于測量中可 能存在誤差，所有電暈電流測量裝置的測量結(jié)果可能并不能恰好通過放電點，而是通過計 算得到多個放電區(qū)域），取放電區(qū)域的重心作為計算得到的放電點，完成多個電暈放電的定 位測量。
[0030] 步驟(5)中，一般情況下可根據(jù)電暈電流測量裝置測量結(jié)果得到一個多邊形區(qū)域， 此多邊形區(qū)域包含了陣列中的各個測量裝置計算得到的徑向線，若形成多邊形區(qū)域不能包 含所有的徑向線，則選擇包含最多條徑向線的區(qū)域作為求解得到的放電區(qū)域，并取該區(qū)域 的重心作為計算得到的電暈放電點。
[0031] 本發(fā)明實施例中的點電極對板電極的電暈放電形式是電氣設(shè)備電暈放電的基本 模型，因此本發(fā)明所述裝置及方法對實際電氣設(shè)備中的電暈放電定位同樣適用。
【主權(quán)項】
1. 一種電暈電流的測量裝置，其特征在于，該裝置包括:基于隧穿磁阻效應(yīng)的磁場傳感 器單元、信號處理及電源單元、信號輸出單元三部分;所述基于隧穿磁阻效應(yīng)的磁場傳感器 單元，采用由兩個單軸隧穿磁阻傳感器以正交排列方式組成的可測雙軸矢量磁場的磁場傳 感器，所述磁場傳感器單元的兩個單軸傳感器用于分別測量各自敏感軸方向上的磁場，將 兩個磁場測量結(jié)果進行矢量合成，從而得到所測雙軸磁場值;所述磁場傳感器單元的測量 信號輸出至所述信號處理及電源單元，所述信號處理及電源單元用于對兩個單軸傳感器輸 出信號進行差分及放大處理，并提供傳感器工作所需電源;所述信號處理及電源單元的電 壓信號輸出至所述信號輸出單元，所述信號輸出單元用于將輸出信號傳輸至外部的信號采 集裝置。2. -種采用如權(quán)利要求1所述裝置進行多點電暈電流定位方法，其特征在于，該方法包 括以下步驟： 1) 將多個電暈電流測量裝置組成陣列形式排布在被測電暈放電區(qū)域周圍； 2) 當(dāng)電暈放電的脈沖頻率保持穩(wěn)定時，陣列中的各電暈電流測量裝置對電暈放電周圍 區(qū)域的空間高頻矢量磁場進行測量，得到多組放電情況下電暈電流在周圍空間輻射磁場的 波形作為計算數(shù)據(jù)； 3) 設(shè)置電暈電流測量裝置選擇輸出電壓的閾值，判斷各組計算數(shù)據(jù)的電壓值是否大于 閾值，將電暈電流測量裝置測得的雙軸矢量磁場的任一峰值輸出大于此閾值的計算數(shù)據(jù)作 為該測量裝置的輸出結(jié)果用于計算； 4) 采用小波去噪方法對該測量裝置的輸出的測量波形進行去噪處理，并對陣列中各裝 置的磁場峰值測量結(jié)果進行平均，得到電暈放電在周圍空間產(chǎn)生的高頻矢量磁場值； 5) 通過陣列中多個測量裝置的磁場傳感器單元測量結(jié)果得到的磁場Hdlscharge的方向， 計算得到每個電暈放電點位置的定位； 6) 將所述陣列中各電暈電流測量裝置對同一組電暈放電的測量結(jié)果進行處理得到的 放電區(qū)域，取放電區(qū)域的重心作為計算得到的放電點，完成多個電暈放電的定位測量。3. 如權(quán)利要求1所述的電暈電流定位方法，其特征在于，所述步驟(5)中得到的多邊形 區(qū)域，該多邊形區(qū)域包含了陣列中的各個測量裝置計算得到的徑向線，若形成多邊形區(qū)域 不能包含所有的徑向線，則選擇包含最多條徑向線的區(qū)域作為求解得到的放電區(qū)域，并取 該區(qū)域的重心作為計算得到的電暈放電點。 通過所述基于隧穿磁阻效應(yīng)的磁場測量裝置，采用陣列形式對多點對地電暈放電周圍 的空間磁場進行測量，記錄多組放電情況下傳感裝置陣列測量得到的磁場峰值。測量過程 中，所述傳感器陣列排布在多點對地放電的周圍區(qū)域，為減小電暈放電對測量裝置絕緣性 能的影響，消除測量裝置對電暈放電的干擾，測量裝置應(yīng)排布在放電區(qū)域或板電極以外。當(dāng) 電暈放電的脈沖頻率保持穩(wěn)定時，對電暈放電脈沖進行測量，對同一放電脈沖進行觸發(fā)，得 到同一時刻下傳感器陣列的多組輸出波形。為減小電暈放電隨機性造成的測量誤差，以兩 點放電定位的測量為例，所述每個陣列中至少采用五個雙軸傳感器，同時每個陣列排布下 測量至少五組電暈放電脈沖。 (1)距離放電點較遠的傳感器對于放電磁場的響應(yīng)較小，為避免在較小輸出情況下由 背景噪聲造成的較大的計算誤差，需要對磁場響應(yīng)大的傳感器輸出進行選擇。設(shè)置傳感器 輸出的選擇閾值，在雙軸傳感器的任一輸出均大于此閾值的情況下，使用此組傳感器的輸 出結(jié)果進行計算。 (2) 對所述磁場測量裝置陣列的測量波形進行去噪處理，對陣列中各裝置的磁場峰值 測量結(jié)果進行平均，得到電暈放電在周圍空間產(chǎn)生的高頻矢量磁場值。采用小波去噪的方 法對各傳感器的原始測量信號進行去噪處理，本方法中所選去噪小波為db4,小波級數(shù)根據(jù) 實際測量中的采樣率進行選擇，考慮到電暈電流的主要頻率分量在30MHz以下，因此小波去 噪時的最后一級空間頻率范圍至少應(yīng)大于30MHz。在之后的計算中，采用小波去噪后的信號 峰值作為傳感器所測磁場脈沖的響應(yīng)值，將所述傳感器陣列中各單軸傳感器的多組電暈放 電脈沖響應(yīng)值進行平均，在所測電暈電流周圍磁場較小的情況下，忽略單軸傳感器交叉敏 感軸靈敏度的影響，直接以兩個單軸傳感器的磁場合成結(jié)果作為雙軸磁場值。 (3) 將電暈電流模型簡化為線電流模型，根據(jù)麥克斯韋方程組，理論上電暈電流產(chǎn)生磁 場應(yīng)垂直于測量點及放電點的連線，即沿測量點及放電點的切向，通過測量結(jié)果得到的磁 場方向及對應(yīng)徑向，即可計算得到放電點的位置。 (4) 將所述傳感器陣列中各雙軸傳感器對同一組電暈放電的測量結(jié)果進行處理，得到 同一陣列形式下雙軸傳感器測得多個放電點所在位置，綜合多個雙軸傳感器的測量結(jié)果， 由于測量中可能存在誤差，所有雙軸傳感器的測量結(jié)果可能并不能恰好通過放電點，而是 通過計算得到多個放電區(qū)域，取放電區(qū)域的重心作為計算得到的放電點，完成多個電暈放 電的定位測量。
【文檔編號】G01R19/165GK106093733SQ201610621133
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月30日 公開號201610621133.X, CN 106093733 A, CN 106093733A, CN 201610621133, CN-A-106093733, CN106093733 A, CN106093733A, CN201610621133, CN201610621133.X
【發(fā)明人】胡軍, 趙根, 何金良, 歐陽勇, 王善祥, 畢建剛, 常文治, 莊池杰, 張波, 曾嶸, 余占清
【申請人】清華大學(xué), 中國電力科學(xué)研究院