一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統和檢測方法

一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統和檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，包括Rogowski線圈射頻傳感器、濾波放大器、超聲波相控陣傳感器、電荷放大器、同步采集器和計算機，所述Rogowski線圈射頻傳感器將所檢測到的射頻電流發送至所述濾波放大器進行濾波、放大，之后發送給所述同步采集器；所述超聲波相控陣傳感器的每一個陣元將檢測到的超聲波信號發送至所述電荷放大器進行放大，之后發送給所述同步采集器；所述同步采集器將接收到的經濾波放大后的射頻電流信號和經放大后的超聲波信號發送至所述計算機，所述計算機對變壓器局部放電源進行定位。本發明可有效提高檢測系統的性能，避免引起超聲波檢測法的定位誤差，提高定位精度。
【專利說明】
一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統和檢測方法
技術領域
[0001] 本發明涉及高電壓設備檢測技術領域，特別涉及一種用于變壓器局部放電定位的 檢測系統和檢測方法。
【背景技術】
[0002] 電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備之一，其性能直接影響了電力系統的安 全運行狀況。由于電力變壓器的絕緣結構通常采用絕緣性能良好的油浸式復合絕緣，隨著 電力系統的發展和電壓等級的提高，局部放電已經成為電力變壓器絕緣劣化的重要原因。 對電力變壓器這樣的大型設備的局部放電，不僅要監測其實在放電量，以診斷其故障的嚴 重程度，而且希望監測出放電的部位，以利于有針對性地進行維修并節省維修的時間和費 用。
[0003] 現有的變壓器局部放電的定位是根據局部放電過程中產生的電脈沖、電磁波、聲、 光、熱和放電導致絕緣材料分解氣體等現象，相應的定位方法有電氣定位法、超高頻電磁波 定位法、超聲波定位法、光定位法、熱定位和DGA(Disso 1 ved Gas Analysis)定位等。但是， 這些定位方法，要么需要停止變壓器運行，要么需要改變變壓器的運行方式，因此操作起來 存在麻煩、低效或定位精度不高等問題。

【發明內容】

[0004] 鑒于上述問題，提出了本發明，以便提供一種克服上述問題或至少部分地解決上 述問題的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統和檢測方法。
[0005] 根據本發明的一個方面，提供一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，所述檢 測系統包括Rogowski線圈射頻傳感器、濾波放大器、超聲波相控陣傳感器、電荷放大器、同 步采集器和計算機，所述Rogowski線圈射頻傳感器將所檢測到的射頻電流發送至所述濾波 放大器進行濾波、放大，之后發送給所述同步采集器;所述超聲波相控陣傳感器的每一個陣 元將檢測到的超聲波信號發送至所述電荷放大器進行放大，之后發送給所述同步采集器； 所述同步采集器將接收到的經濾波放大后的射頻電流信號和經放大后的超聲波信號發送 至所述計算機，所述計算機對變壓器局部放電源進行定位。
[0006] 進一步的，所述Rogowski線圈射頻傳感器11在所述變壓器中性點與地的連線上， 用于接收射頻電流信號，以獲取的射頻電流信號作為基準信號。
[0007] 進一步的，所述超聲波相控陣傳感器的接收陣為平面方陣陣元結構，貼在所述變 壓器油箱外殼上，接收由局部放電產生的超聲波信號。
[0008] 進一步的，所述超聲波相控陣接收陣取為4X4陣元的方陣，陣元間隔取為1mm。
[0009] 進一步的，所述超聲波相控陣傳感器的陣元間距是超聲波在所述變壓器油中傳播 時的半波長。
[0010] 進一步的，所述超聲波相控陣傳感器由壓電平面陣元、聲匹配層、外殼和電極引線 組成，陣元材料采用壓敏陶瓷，所述聲匹配層采用硅橡膠填充，所述外殼采用不銹鋼材料。
[0011] 進一步的，所述超聲波相控陣傳感器統計觸發后每個陣元接收到的超聲信號的時 延，然后對各時延進行加權平均，得到平均時延，再乘以油中超聲波的傳播速度，即可得到 局放源與超聲傳感器的空間距離。
[0012] 進一步的，所述計算機對變壓器局部放電源進行定位的方法為:首先對方型陣列 進行虛擬擴展，擴展后的虛擬陣列利用空間譜估計算法進行估計，然后根據偽峰的大小和 位置隨虛擬陣列擴展系數的增加而改變的原理，對譜值進行加權平均，從而得到陣列信號 準確的方位角和俯仰角信息，然后以局部放電產生的電脈沖信號為基準，可得到超聲波在 變壓器中的傳播時延，從而定位。
[0013] 進一步的，所述計算機對變壓器局部放電源進行定位的方法包括如下步驟：
[0014] 選取位于超聲波陣列傳感器幾何中心的超聲波傳感器放大后的超聲波信號，作為 選定的超聲波信號，陣元位于X、Y軸上且等間距排列，P點為局部放電位置，Θ和Φ:分別代表來 波方向的方位角和俯仰角，對方型超聲波陣列進行虛擬擴展，加入擴展系數η(大于1的整 數），使陣元間距變為半波長的η倍；
[0015] 對每個虛擬陣列采集的陣列信號構造子空間矩陣Λ = ⑴xf⑷];
[0016] 求解所構造的子空間矩陣；
[0017] 通過所構造的子空間矩陣，由譜函f
進行譜峰搜索，得到 譜估計值；
[0018] 根據真實譜峰的大小和位置保持不變，而偽峰的大小和位置會隨虛擬陣列擴展系 數的增加而改變的原理，對各個譜值進行加權平均，從而得到陣列信號準確的方位角Θ和俯 仰角Φ信息；
[0019] 在（Θ，:Φ)方向上分別對射頻電流信號和超聲波信號進行波束合成，得到超聲波陣 列的輸出y (t)和Rogowski線圈射頻傳感器的輸出y 1 (t)，兩個包絡峰值之間的時間差即為 超聲波到達傳感器的時延τ;
[0020] 根據超聲波在油中的傳播速度ν，從而可以確定局部放電源和傳感器之間的距離 *1 = νΧτ。結合叭^和丨，將放電源的柱坐標轉換為笛卡爾坐標，即可完成變壓器中局部放 電源的定位。
[0021] 根據本發明的另一方面，還提供一種用于變壓器局部放電定位的檢測方法，所述 方法包括：
[0022] 對局部放電部位進行射頻電流信號采集及超聲陣列信號采集，經濾波放大后，對 方型陣列進行虛擬擴展，對擴展后的虛擬陣列利用空間譜估計算法進行方向估計，從而得 到陣列信號準確的方位角和俯仰角信息；另一方面，以局部放電產生的射頻電流信號為基 準，統計觸發后每個陣元接收到的超聲波在變壓器中的傳播時延，然后對各時延進行加權 平均，得到平均時延，再乘以油中超聲波的傳播速度，即可得到局放源與超聲傳感器的空間 距離，根據計算的距離、方位角和俯仰角確定局部放電源的具體位置，從而精確定位。
[0023] 本發明通過比較射頻電流信號和超聲波信號的時域波形，確定射頻電流信號和超 聲波信號的時序關系，通過估算變壓器局部放電源與超聲波傳感器陣列單元所在平面的方 位角和俯仰角，獲得變壓器局部放電源的位置。這種聯合射頻電流信號和超聲波信號的方 法，無需停止變壓器運行，也無需改變變壓器的運行方式，可以有效提高檢測系統的性能， 避免引起超聲波檢測法的定位誤差，提尚定位精度。
【附圖說明】
[0024] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他 的附圖。
[0025] 圖1為本發明一種實施例的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統的結構示意 圖。
[0026] 圖2為本發明另一種實施例的一種用于變壓器局部放電定位的檢測方法的流程示 意圖。
[0027 ]圖3為本發明一種實施例的Rogowsk i線圈電流傳感器的結構示意圖。
[0028] 圖4為本發明一種實施例的超聲波相控陣傳感器陣列的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將參照附圖更詳細的描述本發明的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本發明 的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發明，而不應被這里闡述的實施例 所限制。相反，提供這些實施例是為了能更透徹的理解本發明，并且能夠將本發明的范圍完 整的傳達給本領域的技術人員。
[0030] 如圖1所示，本發明提供一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，采用Rogowski 線圈（羅氏線圈)射頻傳感器與超聲波相控陣傳感器聯合檢測的結構，具體的：
[0031] 檢測系統包括Rogowski線圈射頻傳感器11、濾波放大器12、超聲波相控陣傳感器 13、電荷放大器14、同步采集器15和計算機16,其中，Rogowski線圈射頻傳感器11的輸出端 與濾波放大器12的輸入端相連，Rogowski線圈射頻傳感器將所檢測到的射頻電流發送至濾 波放大器;超聲波相控陣傳感器13的每個陣元的輸出端與電荷放大器14的輸入端相連，超 聲波相控陣傳感器每一個陣元將檢測到的超聲波信號發送至電荷放大器;濾波放大器12的 輸出端和電荷放大器14的輸出端分別與同步采集器15的輸入端相連，同步采集器15的輸出 端與計算機16相連。
[0032] Rogowski線圈射頻傳感器11安裝在變壓器中性點與地的連線上，用于接收射頻電 流信號，以獲取的射頻電流信號作為基準信號。由于射頻電流信號可以認為與局部放電現 象同時發生，因此相對于超聲信號，可以認為接收到的射頻電流信號的時刻即為局部放電 發生的時刻，并以此時刻觸發超聲陣列信號的采集。本發明采用Rogowski線圈射頻傳感器， 此類型傳感器測試頻帶較寬（1MHz~30MHz)，能定量檢測放電強度。
[0033] 濾波放大器12和Rogowski線圈射頻傳感器11相連，用于接收Rogowski線圈射頻傳 感器11發送的射頻電流信號，并對射頻電流信號進行濾波處理，消除干擾信號，再將濾波處 理后的射頻電流信號進行發大，并發送至同步采集器15。
[0034]超聲波相控陣傳感器13的接收陣設計為平面方陣陣元結構，貼在變壓器油箱外殼 上，接收由局部放電產生的超聲波信號。比如，如圖4所示，超聲波相控陣接收陣取為4 X 4陣 元的方陣，陣元間隔取為1_，或者超聲波陣列傳感器陣元間距是超聲波在變壓器油中傳播 時的半波長。超聲波相控陣傳感器13由壓電平面陣元、聲匹配層、外殼、電極引線等幾部分 組成，陣元材料采用壓敏陶瓷，聲匹配層采用硅橡膠填充，外殼選用不銹鋼材料。超聲波相 控陣傳感器13的每個陣元輸出均連接有電荷放大器14。超聲波相控陣方法定位精度較高， 并且能對同時發生的多個局部放電源進行定位。超聲波相控陣傳感器13統計觸發后每個陣 元接收到的超聲信號的時延，然后對各時延進行加權平均，得到平均時延，再乘以油中超聲 波的傳播速度，即可得到局放源與超聲傳感器的空間距離。
[0035]電荷放大器14和超聲波相控陣傳感器13相連，將每一個傳感器陣元檢測到的超聲 波信號進行放大處理后，發送至同步采集器15。
[0036]同步采集器15可為多通道高速數據同步采集器，用于接收濾波放大器12發送的經 濾波放大后的射頻電流信號以及電荷放大器14發送的經放大后的超聲波信號，并將接收到 的經濾波放大后的射頻電流信號和經放大后的超聲波信號發送至計算機16。
[0037] 計算機16用于接收并存儲經濾波放大處理后的射頻電流信號和放大后的超聲波 信號，并根據以上兩種信號對變壓器局部放電源進行定位，采用的定位方法為:首先對方型 陣列進行虛擬擴展，擴展后的虛擬陣列利用空間譜估計算法進行估計，然后根據偽峰的大 小和位置隨虛擬陣列擴展系數的增加而改變的原理，對譜值進行加權平均，從而得到陣列 信號準確的方位角和俯仰角信息，然后以局部放電產生的電脈沖信號為基準，可得到超聲 波在變壓器中的傳播時延，從而定位。具體的，利用圖1所示的變壓器局部放電定位系統進 行變壓器局部放電定位的過程是：
[0038] 選取位于超聲波陣列傳感器幾何中心的超聲波傳感器放大后的超聲波信號，作為 選定的超聲波信號，陣元位于X、Y軸上且等間距排列，P點為局部放電位置，Θ和Φ分別代表來 波方向的方位角和俯仰角。
[0039] 步驟1，對方型超聲波陣列進行虛擬擴展，加入擴展系數η(η為大于1的整數），使陣 元間距變為半波長的η倍。
[0040] 步驟2,對每個虛擬陣列采集的陣列信號構造子空間矩陣《 = ⑴
[0041] 考慮K個遠場信號入射到某陣列上，采集數據向量表示為：
[0042] X(t)=A(0)S(t)+N(t) (1)
[0043] 式中，S(t)為信號數據向量，5(〇 = (81(〇,82(〇，"_，％(〇,4(〇為噪聲數據向 量，
[0044] N(t) = (nn(t)，n2i(t)，···，ηΜ?(?)，ni2(t)，···，nMN(t))T;A為信號的陣列流型矩陣，A = (ai，a2，···，ak); ?為信息參數，包含信號的方位角Θ與俯仰角Φ信息。
[0045] 由X(t)的第1至Κ行和第Κ+1至ΜΧΝ行構造如下子空間協方差矩陣：
[0046] R = E^xtl{t) .T,f(i)] (2)
[0047] 式中XU( t ) = (Xll( t )，X21( t )，…，XK1( t) )T，Xd( t ) = (X(K+1) ( t )，…，XM1( t )，X12 (t), ··· ,χμν(?) )T〇
[0048] 步驟3,求解所構造的子空間矩陣。
[0049] 將陣列流型矩陣A按行劃分為Α= (Ακ,Αμν-κ)τ，且假設nu(t) = (nii(t)，rm(t)，…， nia(t) )T，nd(t) = (η(κ+ι)(?)，···，nMi(t)，ni2(t)，···，nMN(t) )T，貝lj
[0050]
[0051] 步驟4,通過所構造的子空間矩陣，由譜函數= 進行譜峰搜 索，得到譜估計值。
[0052]步驟5,根據真實譜峰的大小和位置保持不變，而偽峰的大小和位置會隨虛擬陣列 擴展系數的增加而改變的原理，對各個譜值進行加權平均：
[0053]
(4) ? ?=Ι
[0054] 從而得到陣列信號準確的方位角Θ和俯仰角φ信息。
[0055] 步驟6,在（θ，φ)方向上分別對射頻電流信號和超聲波信號進行波束合成，得到超 聲波陣列的輸出y (t)和Rogowski線圈射頻傳感器的輸出yi(t)，兩個包絡峰值之間的時間 差即為超聲波到達傳感器的時延τ。
[0056] 步驟7,根據超聲波在油中的傳播速度ν，從而可以確定局部放電源和傳感器之間 的距離為1 = νΧτ。結合Θ、Φ和1，可將放電源的柱坐標轉換為笛卡爾坐標，即可完成變壓器 中局部放電源的定位。
[0057]根據本發明的另一方面，如圖2所示，還提供一種用于變壓器局部放電定位的檢測 方法，該檢測方法基于上述檢測原理，因此不再贅述，所述方法包括：
[0058] 對局部放電部位進行射頻電流信號采集及超聲陣列信號采集，經濾波放大后，對 方型陣列進行虛擬擴展，對擴展后的虛擬陣列利用空間譜估計算法進行方向估計，從而得 到陣列信號準確的方位角和俯仰角信息；另一方面，以局部放電產生的射頻電流信號為基 準，統計觸發后每個陣元接收到的超聲波在變壓器中的傳播時延τ，然后對各時延進行加權 平均，得到平均時延，再乘以油中超聲波的傳播速度，即可得到局放源與超聲傳感器的空間 距離，根據計算的距離、方位角和俯仰角確定局部放電源的具體位置，從而精確定位。
[0059] 本方法采用外部測量的方式，無需停止變壓器運行，也無需改變變壓器的運行方 式，可以有效提尚檢測系統的性能，避免引起超聲波檢測法的定位誤差，提尚定位精度。
[0060] 如圖3所示，羅氏線圈測量電流的理論依據是法拉第電磁感應定律和安培環路定 律，當被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時，在環形繞組所包圍的體積內產生相應變化的 磁場，強度為Η，由安培環路定律得：
[0061 ]陽· dl = I(t)
[0062] *B=yH，e(t)=dC>/dt，<t>=Ni'B*dS，e(t)=M*di/dtJ*:
[0063] 其截面為矩形時，互感系數Μ和自感系數L分別為：
[0064] M=yONhln(b/a)/2JT
[0065] L=yON'2hln(b/a)/2Ji
[0066] 上式中，Η為線圈內部的磁場強度，B為線圈內部的磁感應強度，μ0為真空磁導率，N 為線圈匝數，e(t)為線圈兩端的感應電壓，a，b分別為線圈橫截面的內外徑，h為截面高度。 [0067]由此可見，線圈一定時，Μ為定值，線圈的輸出電壓與di/dt成正比。也就是說，羅氏 線圈的輸出電壓與被測電流的微分成正比，只要將其輸出經過的積分器，即可得到與一次 電流成正比的輸出電壓。
[0068]本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或 系統實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法 實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為 分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或 者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根 據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術 人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解并實施。
[0069]以上所述僅為本發明之較佳實施例，并非用以限定本發明的權利要求保護范圍。 同時以上說明，對于相關技術領域的技術人員應可以理解及實施，因此其他基于本發明所 揭示內容所完成的等同改變，均應包含在本權利要求書的涵蓋范圍內。
【主權項】
1. 一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于：所述檢測系統包括 Rogowski線圈射頻傳感器、濾波放大器、超聲波相控陣傳感器、電荷放大器、同步采集器和 計算機，所述Rogowski線圈射頻傳感器將所檢測到的射頻電流發送至所述濾波放大器進行 濾波、放大，之后發送給所述同步采集器;所述超聲波相控陣傳感器的每一個陣元將檢測到 的超聲波信號發送至所述電荷放大器進行放大，之后發送給所述同步采集器;所述同步采 集器將接收到的經濾波放大后的射頻電流信號和經放大后的超聲波信號發送至所述計算 機，所述計算機對變壓器局部放電源進行定位。2. 如權利要求1所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于：所述 Rogowski線圈射頻傳感器11在所述變壓器中性點與地的連線上，用于接收射頻電流信號， W獲取的射頻電流信號作為基準信號。3. 如權利要求1所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述超 聲波相控陣傳感器的接收陣為平面方陣陣元結構，貼在所述變壓器油箱外殼上，接收由局 部放電產生的超聲波信號。4. 如權利要求3所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述超 聲波相控陣接收陣取為4 X 4陣元的方陣，陣元間隔取為1mm。5. 如權利要求3所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述超 聲波相控陣傳感器的陣元間距是超聲波在所述變壓器油中傳播時的半波長。6. 如權利要求1所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述超 聲波相控陣傳感器由壓電平面陣元、聲匹配層、外殼和電極引線組成，陣元材料采用壓敏陶 瓷，所述聲匹配層采用娃橡膠填充，所述外殼采用不誘鋼材料。7. 如權利要求1所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述超 聲波相控陣傳感器統計觸發后每個陣元接收到的超聲信號的時延，然后對各時延進行加權 平均，得到平均時延，再乘W油中超聲波的傳播速度，即可得到局放源與超聲傳感器的空間 距離。8. 如權利要求1所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述計 算機對變壓器局部放電源進行定位的方法為:首先對方型陣列進行虛擬擴展，擴展后的虛 擬陣列利用空間譜估計算法進行估計，然后根據偽峰的大小和位置隨虛擬陣列擴展系數的 增加而改變的原理，對譜值進行加權平均，從而得到陣列信號準確的方位角和俯仰角信息， 然后W局部放電產生的電脈沖信號為基準，可得到超聲波在變壓器中的傳播時延，從而定 位。9. 如權利要求1所述的一種用于變壓器局部放電定位的檢測系統，其特征在于:所述計 算機對變壓器局部放電源進行定位的方法包括如下步驟： 選取位于超聲波陣列傳感器幾何中屯、的超聲波傳感器放大后的超聲波信號，作為選定 的超聲波信號，陣元位于Χ、Υ軸上且等間距排列，P點為局部放電位置，Θ和Φ分別代表來波方 向的方位角和俯仰角，對方型超聲波陣列進行虛擬擴展，加入擴展系數η(大于1的整數），使 陣元間距變為半波長的η倍； 對每個虛擬陣列采集的陣列信號構造子空間矩陣化皆Wl· 求解所構造的子空間矩陣； 通過所構造的子空間矩陣，由譜函數巧e) = i/[?f(/-w/H)。,]進行譜峰捜索，得到譜估 計值； 根據真實譜峰的大小和位置保持不變，而偽峰的大小和位置會隨虛擬陣列擴展系數的 增加而改變的原理，對各個譜值進行加權平均，從而得到陣列信號準確的方位角Θ和俯仰角 啤?目息； 在炒，φ)方向上分別對射頻電流信號和超聲波信號進行波束合成，得到超聲波陣列的輸 出y(t)和Rogowski線圈射頻傳感器的輸出yi(t)，兩個包絡峰值之間的時間差即為超聲波 到達傳感器的時延τ; 根據超聲波在油中的傳播速度V，從而可W確定局部放電源和傳感器之間的距離為1 = νΧτ。結合θ、φ和1，將放電源的柱坐標轉換為笛卡爾坐標，即可完成變壓器中局部放電源的 定位。10.-種用于變壓器局部放電定位的檢測方法，所述方法包括： 對局部放電部位進行射頻電流信號采集及超聲陣列信號采集，經濾波放大后，對方型 陣列進行虛擬擴展，對擴展后的虛擬陣列利用空間譜估計算法進行方向估計，從而得到陣 列信號準確的方位角和俯仰角信息；另一方面，W局部放電產生的射頻電流信號為基準，統 計觸發后每個陣元接收到的超聲波在變壓器中的傳播時延，然后對各時延進行加權平均， 得到平均時延，再乘W油中超聲波的傳播速度，即可得到局放源與超聲傳感器的空間距離， 根據計算的距離、方位角和俯仰角確定局部放電源的具體位置，從而精確定位。
【文檔編號】G01R31/12GK105974281SQ201610302660
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】袁帥, 王永強, 閻春雨, 畢建剛, 楊寧, 王峰, 謝軍, 常文治
【申請人】中國電力科學研究院, 國家電網公司, 華北電力大學（保定）, 國網河北省電力公司