一種檢測gis局部放電故障的裝置及其檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種檢測GIS局部放電故障的裝置，包括平面倒F天線和壓電式超聲波傳感器，平面倒F天線通過第一信號放大模塊連接至阻抗匹配模塊，超聲波傳感器通過第二信號放大模塊連接至阻抗匹配模塊，阻抗匹配模塊連接至檢測模塊。本發明還公開了一種上述檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法。本發明能夠改進現有技術的不足，提高了檢測精度。
【專利說明】
一種檢測GIS局部放電故障的裝置及其檢測方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電氣檢測技術領域，尤其是一種檢測GIS局部放電故障的裝置及其檢 測方法。
【背景技術】
[0002] 氣體絕緣的金屬封閉式組合電器(Gas Insulated Substation，簡稱GIS)是將若 干相互聯接在一起的隔離開關、斷路器、避雷器、電壓互感器、電流互感器、快速接地開關、 連接管、母線和過渡元件等除變壓器以外的各種電氣元件，全部封閉在一個接地的，以SF6 氣體(0.34~0.6Mpa左右)作為絕緣和滅弧介質的金屬封閉開關設備。GIS具有很多優點，例 如:結構緊湊，占地面積少;安裝配置靈活方便，工程建設周期短;維護簡單，運行安全可靠， 檢修周期長和不受外界影響等。GIS以其在技術和經濟上較傳統敞開式高壓配電裝置的先 進性和優越性，使它自問世以來便得到了快速發展，目前，已有115kV以下各種電壓等級的 GIS已在高壓輸變電系統中得到了廣泛應用，特別是在利用邊遠地區水力資源和核能發電 方面，超高壓GIS更顯出常規設備無與倫比的優越性。
[0003] GIS內部故障中絕緣故障所占比重最大，而絕緣故障的重要征兆和表現形式是局 部放電(Partial Discharge，簡稱H))。長期的局部放電會使絕緣介質電氣絕緣性能進一步 劣化并逐漸擴大，最嚴重時會導致擊穿而引發設備損壞甚至系統癱瘓。并且，考慮到因GIS 結構帶來的維護和檢修方面的問題，運行部門和制造廠商普遍認為應對GIS采用狀態維修 策略，以確保電力系統的安全可靠運行。近年來，GIS在線檢測技術有了很大的發展，特別是 傳感技術、光電技術、信號處理技術和計算機技術的應用，使傳統的設備運行定期檢修制度 逐漸向狀態檢修制度發展，并且因其存在巨大的經濟效益而受到工業界廣泛的重視。為保 證電力系統的可靠運行，對GIS進行局部放電故障檢測的研究是非常必要的。
[0004] 目前用于GIS檢測局部放電最有效的特高頻法和超聲波法。超聲波法沒有特高頻 法那樣具有較強的抗干擾能力，但是特高頻法沒有超聲波具有能夠準確定位以及靈敏度高 等特點。特高頻法檢測GIS局部放電目前主要有微帶天線、阿基米德天線、分形天線、平面等 角螺旋天線等。目前設計的微帶天線用于電氣設備局部放電檢測時，要使得在檢測低頻信 號時，對于微帶天線的貼片面積具有很高的要求，使其實現起來具有很大困難。隨著天線技 術的發展，研究人員將分形天線引入了局部放電檢測中，也取得了很好的效果，但是盡管分 形天線有諸多良好性能，分形天線同樣也有很多缺點：基次/低次諧頻帶寬較窄；鄰頻比較 固定;基諧頻增益稍低;極化純度稍低，分形曲線彎折扭曲使得電流方向處處不盡一致，因 此電場方向性變差;可用分形體較少。因此一種用于GIS局部放電故障檢測方法顯的極為有 必要。
[0005]目前已設計的特高傳感器以及超聲波檢測傳感器并不能擁有良好的效果，而且兩 者的功能不能合并起來。目前的單調的檢測方法給目前的檢測帶來許多不便。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是提供一種檢測GIS局部放電故障的裝置及其檢測方 法，能夠解決現有技術的不足，提高了檢測精度。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案如下。
[0008] -種檢測GIS局部放電故障的裝置，包括平面倒F天線和壓電式超聲波傳感器，平 面倒F天線通過第一信號放大模塊連接至阻抗匹配模塊，超聲波傳感器通過第二信號放大 模塊連接至阻抗匹配模塊，阻抗匹配模塊連接至檢測模塊。
[0009] 作為優選，所述平面倒F天線包括鋪設于介質基板上的接地板和天線導線層;壓電 式超聲波傳感器安裝在介質基板的右上側。
[0010] -種上述的檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法，包括以下步驟：
[0011] A、檢測模塊采集由平面倒F天線和壓電式超聲波傳感器傳遞來的信號，對兩個信 號進行傅里葉變換；
[0012] B、在展開后的兩個信號中選取出數量相同的目標頻率的函數分量，并對選取的函 數分量進行歸一化處理；
[0013] C、對歸一化處理后的函數分量進行加權平均，得到判定函數;對判定函數進行傅 里葉反變換，使用傅里葉反變換得到的函數的特征參數進行故障類型和故障等級的判斷。
[0014] 作為優選，步驟B中，從平面倒F天線和壓電式超聲波傳感器信號中選取的目標頻 率的函數分量為一一對應的關系，每個平面倒F天線信號的函數分量所占平面倒F天線信號 強度的比例與壓電式超聲波傳感器信號中的一個的函數分量所占壓電式超聲波傳感器信 號強度的比例之差小于設定的閾值。
[0015] 作為優選，步驟B中，應用于平面倒F天線信號的函數分量的歸一化函數為，
[0017] 應用于壓電式超聲波傳感器信號的函數分量的歸一化函數為，
[0018] y = k3X3lnx;
[0019] 其中，ki~k3為比例常數。
[0020] 作為優選，步驟C中，對歸一化處理后的函數分量進行加權平均所用的加權權重與 函數分量占對應的信號強度比例的平方成正比。
[0021] 采用上述技術方案所帶來的有益效果在于:本發明相比于現有技術具有以下有優 勢：
[0022] 1.設計的新型天線采用了倒F天線與壓電式超聲波傳感器相結合，具有良好的低 頻特性，而且降低了故障檢測失誤率。
[0023] 2.在300MHz到3GHz范圍內具有多個檢測頻帶，檢測頻帶較寬，檢測頻帶內駐波比 小于2,能夠記錄局部放電的大部分信息，而且可以檢測lk~20KHZ的超聲信號。
[0024] 3.相對于其他局部放電傳感器具有體積小、制造成本低等優勢。
[0025] 4.采用融合傳感器對GIS局部放電故障檢測可以很好的提升GIS內部缺陷檢測質 量。
[0026] 本發明具有較強的抗干擾性能、同時能夠檢測GIS局部放電的特高頻信號與超聲 波信號，加大了GIS局部放電的檢測準確度。該方法在應用GIS局部放電檢測時，具有很好的 檢測效果和經濟特性。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明一個【具體實施方式】的原理圖。
[0028] 圖2是本發明一個【具體實施方式】中平面倒F天線的結構圖。
[0029] 圖3是本發明一個【具體實施方式】中平面倒F天線尺寸的示意圖。
[0030] 圖4是本發明一個【具體實施方式】中檢測局部放電的融合傳感器的結構圖。
【具體實施方式】
[0031] 參照圖1-4,本【具體實施方式】包括平面倒F天線5和壓電式超聲波傳感器4,平面倒F 天線5通過第一信號放大模塊7連接至阻抗匹配模塊8,超聲波傳感器6通過第二信號放大模 塊9連接至阻抗匹配模塊8,阻抗匹配模塊8連接至檢測模塊6。所述平面倒F天線5包括鋪設 于介質基板3上的接地板1和天線導線層2;壓電式超聲波傳感器4安裝在介質基板3的右上 偵t平面倒F天線5的長邊長度a為5mm，短邊長度c為3mm，外側寬度b為1.5mm，內部寬度d為 lmm〇
[0032] -種上述檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法，包括以下步驟：
[0033] A、檢測模塊6采集由平面倒F天線5和壓電式超聲波傳感器4傳遞來的信號，對兩個 信號進行傅里葉變換；
[0034] B、在展開后的兩個信號中選取出數量相同的目標頻率的函數分量，并對選取的函 數分量進行歸一化處理；
[0035] 從平面倒F天線5和壓電式超聲波傳感器4信號中選取的目標頻率的函數分量為一 一對應的關系，每個平面倒F天線5信號的函數分量所占平面倒F天線5信號強度的比例與壓 電式超聲波傳感器4信號中的一個的函數分量所占壓電式超聲波傳感器4信號強度的比例 之差小于設定的閾值；
[0036] 應用于平面倒F天線5信號的函數分量的歸一化函數為，
[0038] 應用于壓電式超聲波傳感器4信號的函數分量的歸一化函數為，
[0039] y = k3X3lnx；
[0040] 其中，ki~k3為比例常數。
[0041] C、對歸一化處理后的函數分量進行加權平均，得到判定函數;對判定函數進行傅 里葉反變換，使用傅里葉反變換得到的函數的特征參數進行故障類型和故障等級的判斷；
[0042] 對歸一化處理后的函數分量進行加權平均所用的加權權重與函數分量占對應的 信號強度比例的平方成正比。
[0043]另外，在對函數分量進行歸一化處理之后，對函數分量進行濾波處理。應用于平面 倒F天線5信號的函數分量的濾波函數為，
[0045]應用于壓電式超聲波傳感器4信號的函數分量的濾波函數為，
[0047] 其中，xd平面倒F天線5信號的函數分量的采樣值，k4~k7為比例常數。
[0048] 對于放電位置的確定，使用以下步驟完成：
[0049] 1、在GIS設備四周安裝至少三個上述的由平面倒F天線5和壓電式超聲波傳感器4 組成的融合傳感器，同時對放電信號進行檢測；
[0050] 2、不同的融合傳感器得到目標頻率的函數分量后，對比同一函數分量在不同融合 傳感器上的強度和相位的區別；
[0051] 3、使用不同融合傳感器安裝位置上的信號傳遞路徑參數對第二步中的函數分量 進行傳遞過程的模擬計算，取計算結果與實際函數分量最相近的信號傳遞路徑作為信號傳 遞路徑；
[0052] 4、使用上述多個信號傳遞路徑的匯聚區域作為放電位置。
[0053]現將本發明所涉及到的設計過程進行介紹。
[0054] GIS中發生放電時局部放電脈沖寬度可達l-2ns，可激發頻率達1GHz以上的電磁 波，因此可以運用超高頻法對電氣設備進行局部放電檢測。又加上GIS內部產生局部放電信 號的時候，會產生沖擊的振動及聲音，GIS局部放電會產生聲波，其類型包括縱波、橫波和表 面波。縱波通過氣體傳到外殼、橫波則需要通過固體介質（比如絕緣子等)傳到外殼。通過貼 在GIS外殼表面的壓電式傳感器接收這些聲波信號，以達到監測GIS局放的目的。因此可以 用在腔體外壁上安裝的超聲波傳感器來測量局部放電信號。
[0055] 平面倒F天線(Planar Inverted-?六1^6]1的)簡稱？]^4天線，由地板、福射貼片、短 路貼片、饋電四部分組成，是一種具有水平和垂直兩種極化特性的平面天線，一般貼片和地 板之間的填充介質為空氣。PIFA天線具有小型化、重量輕、低剖面、成本低、比吸收率(SAR) 低等一系列優點，其結構緊湊、設計簡單，在近年來得到了長期的發展。
[0056] PIFA天線采用將短路金屬板置于矩形微帶天線輻射金屬貼片與地板之間的做法， 使得輻射貼片的長度減半，從而達到縮小天線的目的，此時天線的長度約等于諧振波長的 1/4,即四分之一波長天線。如果仍用L表示PIFA天線的長度，則其諧振頻率f可有下式估算
[0058] L是PIFA貼片的長度，為原天線長度的一半，f是工作頻率，c是真空中的光速，ee是 等效介電常數。
[0059]根據上述原理根據GIS局部放電的特高頻信號的頻帶(0.3~3GHZ)對倒F天線進行 設計。
[0060] GIS設備局部放電的超聲波檢測法是利用安裝在GIS外殼上的超聲波傳感器接收 局部放電產生的振動信號以達到檢測內部局部放電的目的。在GIS中，除局部放電產生的聲 波外，還有微粒碰撞絕緣子或外殼、電磁振動、操作引起的機械振動等也會發出的聲波。根 據超聲波法檢測GIS局部放電原理本發明的融合傳感器設計使用壓電式超聲波探頭。介質 基板的材質為玻璃纖維環氧樹脂覆銅板耐燃材料，其耐熱等級為FR-4,厚度為2mm，所述接 地板和導線層的材質為銅。阻抗匹配電路的輸出阻抗為50歐姆。
[0061]本發明可以有效降低干擾信號對于放電故障的干擾，提高了放電故障的檢測精度 和速度。
[0062]在本發明的描述中，需要理解的是，術語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所 示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必 須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0063]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
【主權項】
1. 一種檢測GIS局部放電故障的裝置，其特征在于:包括平面倒F天線(5)和壓電式超聲 波傳感器(4)，平面倒F天線(5)通過第一信號放大模塊(7)連接至阻抗匹配模塊(8)，超聲波 傳感器(6)通過第二信號放大模塊(9)連接至阻抗匹配模塊(8)，阻抗匹配模塊(8)連接至檢 測豐旲塊(6)。2. 根據權利要求1所述的檢測GIS局部放電故障的裝置，其特征在于:所述平面倒F天線 (5)包括鋪設于介質基板(3)上的接地板（1)和天線導線層(2);壓電式超聲波傳感器(4)安 裝在介質基板(3)的右上側。3. -種權利要求1-2任意一項所述的檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法，其特征 在于包括以下步驟： A、 檢測模塊(6)采集由平面倒F天線(5)和壓電式超聲波傳感器(4)傳遞來的信號，對兩 個信號進行傅里葉變換； B、 在展開后的兩個信號中選取出數量相同的目標頻率的函數分量，并對選取的函數分 量進行歸一化處理； C、 對歸一化處理后的函數分量進行加權平均，得到判定函數;對判定函數進行傅里葉 反變換，使用傅里葉反變換得到的函數的特征參數進行故障類型和故障等級的判斷。4. 根據權利要求3所述的檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法，其特征在于:步驟B 中，從平面倒F天線（5)和壓電式超聲波傳感器(4)信號中選取的目標頻率的函數分量為一 一對應的關系，每個平面倒F天線(5)信號的函數分量所占平面倒F天線(5)信號強度的比例 與壓電式超聲波傳感器(4)信號中的一個的函數分量所占壓電式超聲波傳感器(4)信號強 度的比例之差小于設定的閾值。5. 根據權利要求3所述的檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法，其特征在于:步驟B 中，應用于平面倒F天線(5)信號的函數分量的歸一化函數為，應用于壓電式超聲波傳感器(4)信號的函數分量的歸一化函數為， y = k2X3lnx； 其中，ki~k3為比例常數。6. 根據權利要求5所述的檢測GIS局部放電故障的裝置的檢測方法，其特征在于:步驟C 中，對歸一化處理后的函數分量進行加權平均所用的加權權重與函數分量占對應的信號強 度比例的平方成正比。
【文檔編號】G01R31/12GK105929310SQ201610268898
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】支磊
【申請人】支磊