CN102809719A - 一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法，第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器分别采集局部放电信号中的超声波信号，并传输至信号处理单元；超高频传感器采集局部放电信号中的超高频信号，并传输至信号处理单元；信号处理单元分别对四路超声波信号和一路超高频信号进行放大和滤波处理，将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号传输至数据采集卡；将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储，达到触发要求时，四路超声波数字信号或四路超声波数字信号与一路超高频信号传输至计算机，计算机进行计算实现对局部放电位置的定位。

Description

一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及监测技术领域，尤其涉及一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法。

背景技术

干式变压器是电力***的主要设备之一，广泛应用在炼油厂和海上石油平台等特殊场合。统计资料显示，目前干式变压器的主要故障以绝缘故障为主，绝缘故障主要表现为绝缘的劣化。另一方面局部放电既是绝缘劣化的原因，也是绝缘劣化的表现形式。局部放电的检测能够提前反映干式变压器的绝缘状况，及时发现干式变压器内部的绝缘缺陷，预防潜伏性和突发性事故的发生。因此及时有效地检测到局部放电信号并给出局部源的位置对于干式变压器的维护有着重要的意义。

局部放电的定位是根据局部放电过程中产生的电磁波、声、光、热和化学变化等现象，其定位方法有电气定位、超声波定位、光定位、热定位和DGA(Dissolved Gas Analysis)定位等。目前，国内外研究最多、应用最广泛的是局部放电超声波定位法。局部放电超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播方向和时间来确定放电位置的。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下问题：

局部放电超声波定位法的准确度和灵敏度不高，最主要的原因是超声波传播的时延误差过大。因为干式变压器内部结构复杂，超声波信号在干式变压器的树脂和金属等不同媒质中传播时受折射、反射和损耗等多种因素的影响，用于定位的实际时延估计往往不能准确地得到。

发明内容

本发明提供了一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法，本发明提高了定位的精度和灵敏度，减少了超声波传播的时延误差，详见下文描述：

一种干式变压器局部放电在线监测装置，包括：分别在干式变压器上设置有第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器和超高频传感器，

所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器分别采集局部放电信号中的超声波信号，并传输至信号处理单元；所述超高频传感器采集局部放电信号中的超高频信号，并传输至所述信号处理单元；所述信号处理单元接收四路超声波信号和一路超高频信号，并分别对所述四路超声波信号和一路超高频信号进行放大和滤波处理，将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号传输至数据采集卡；所述数据采集卡将所述处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储，当达到定位触发要求时，所述四路超声波数字信号或所述四路超声波数字信号与所述一路超高频信号传输至计算机，所述计算机进行计算实现对局部放电位置的定位。

所述方法包括以下步骤：

(1)数据采集卡将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储；

(2)当四路超声波信号中的任意一路信号满足定位触发要求时，计算机采用第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器进行定位，获取第一局部放电位置；

(3)当采用超高频传感器获得的超高频信号满足触发要求时，所述计算机采用所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器和所述第四超声波传感器获得的超声波信号及4路超声波信号与超高频传感器的时间差进行定位，获取第二局部放电位置；

(4)所述计算机对所述第一局部放电位置和所述第二局部放电位置取平均值，输出局部放电位置。

所述计算机采用第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器进行定位，获取第一局部放电位置具体为：

P(x,y,z)表示局部放电点，S₁，S₂，S₃，S₄分别表示超声波传感器的位置坐标，S₀（x’，y’,z’）表示所述超高频传感器的位置坐标，

设各超声波传感器到所述局部放电位置的距离为L_i(i=1,2,3,4)

$L_i^2={(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2;$ L_i=v(t+Δt_i)

v为超声波信号在所述干式变压器中的传播速度；t为测量到的超声波信号到达触发超声波传感器第一个峰值所需时间；△t_i为信号到达任意两路超声波传感器的时延，设F_i（x,y,z,t）为各项残差，（x^*,y^*,z^*,t^*)为所述第一局部放电位置，通过求解 ${\left|\right|F_i(x^{*},y^{*},z^{*},t^{*})\left|\right|}^2=\min \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{\left|\right|(x,y,z,t)\left|\right|}^2$ 获取所述第一局部放电位置。

所述所述计算机采用所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器和所述第四超声波传感器获得的超声波信号及4路超声波信号与超高频传感器的时间差进行定位，获取第二局部放电位置具体为：

读取所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器同时到达最大峰值的第一时间，读取所述超高频传感器到达最大峰值的第二时间，获取所述第一时间和所述第二时间的差作为时延量△t_i；通过一阶泰勒公式和雅克比矩阵，并将所述第一局部放电位置作为初值进行迭代运算，当迭代结果满足局放定位误差约束条件δ和相邻两次迭代误差的模小于定位精度约束ε时，输出所述第二局部放电位置。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过四路超声波传感器和一路超高频传感器的结合使用，提高了定位的精度；并且通过两种定位方式提高了检测局部放电位置的精度，减少了超声波传播的时延误差；本发明不仅能够实时捕捉、存储干式变压器局部放电波形，通过对局部放电波形进行分析，为干式变压器的设备事故原因分析提供可靠数据，而且其硬件结构简单，工作可靠。

附图说明

图1为本发明提供的一种干式变压器局部放电在线监测装置的结构示意图；

图2为本发明提供的局部放电定位的示意图；

图3为本发明提供的一种干式变压器局部放电在线监测装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高定位的精度和灵敏度，减少超声波传播的时延误差，本发明实施例提供了一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法，详见下文描述：

一种干式变压器局部放电在线监测装置，参见图1，包括：分别在干式变压器1上设置有第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4、第四超声波传感器5和超高频传感器6，

第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4、第四超声波传感器5分别采集局部放电信号中的超声波信号，并传输至信号处理单元7；超高频传感器6采集局部放电信号中的超高频信号，并传输至信号处理单元7；信号处理单元7接收四路超声波信号和一路超高频信号，并分别对四路超声波信号和一路超高频信号进行放大和滤波处理，将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号传输至数据采集卡8；数据采集卡8将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储，当达到触发要求时，四路超声波数字信号或四路超声波数字信号与一路超高频信号传输至计算机9，计算机9进行计算实现对局部放电位置的定位。

其中，干式变压器1产生局部放电信号主要原因有以下几种：干式变压器1在制造过程中可能会在绝缘树脂内部出现气泡等；干式变压器1内部存在悬浮电位，杂质等。该在线监测装置能够长期在线运行实时采样、能够捕捉、存储干式变压器1局部放电的波形、通过波形进行定位，为干式变压器1的设备事故原因分析提供数据。

具体实现时，第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4、第四超声波传感器5和超高频传感器6安装在干式变压器1的外壳上。数据采集卡8通过总线插槽与计算机9连接。

一种干式变压器局部放电在线监测装置的控制方法，参见图2和图3，该方法包括以下步骤：

101：数据采集卡8将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储；

102：当四路超声波信号中的任意一路信号满足定位触发要求时，计算机9采用第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4和第四超声波传感器5进行定位，获取第一局部放电位置；本方法不考虑局部放电信号在传播过程中的折反射以及噪声的加入，将局部放电信号简化成图2所示。参见图2，P(x,y,z)表示局部放电点，S₁，S₂，S₃，S₄分别表示超声波传感器的位置坐标，S₀（x’，y’,z’）表示超高频传感器的位置坐标，图中S_i（x_i,y_i,z_i）(i=1,2,3,4)表示已知变量，图中的坐标量是根据干式变压器1所建立的空间设定的。其中，该步骤具体为：

设各超声波传感器到局部放电位置的距离为L_i(i=1,2,3,4)可用下列式子表示：

$L_i^2={(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2---\left(1\right)$

L_i=v(t+Δt_i)    (2)

式中v为超声波信号在干式变压器1中的传播速度；t为信号到达任一超声波传感器第一个峰值所需时间；△t_i为信号到达任意两路超声波传感器的时延，通过读取各超声波传感器波形到达第一峰值时的时间差来确定。设F_i（x,y,z,t）为各项残差即：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i(x,y,z,t)={(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2-v^2{(t+\mathrm{\Δ}{t}_i)}^2---\left(3\right)$

设(x^*,y^*,z^*,t^*)为第一局部放电位置，使得

${\left|\right|F_i(x^{*},y^{*},z^{*},t^{*})\left|\right|}^2=\min \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{\left|\right|(x,y,z,t)\left|\right|}^2---\left(4\right)$

则通过方程(4)求解的(x^*,y^*,z^*,t^*)即为第一局部放电位置。

通过步骤102中的触发方式，利用局部放电信号中的超高频信号和超声波信号的传播途径和规律的不同特点，提高了监测灵敏度。

103：当采用超高频传感器获得的超高频数字信号作为触发信号，计算机9采用第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4和第四超声波传感器5获得的超声波信号及4路超声波信号与超高频传感器的时间差进行定位，获取第二局部放电位置；

其中，由于超高频传感器6良好地抗干扰特性，因此第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4和第四超声波传感器5的时延容易读取。

其中，该步骤具体为：读取第一超声波传感器2、第二超声波传感器3、第三超声波传感器4、第四超声波传感器5同时到达最大峰值的第一时间，读取超高频传感器6到达最大峰值的第二时间，获取第一时间和第二时间的差作为时延量△t_i；设各超声波传感器到局部放电源的距离为L_i(i=1,2,3,4)可用下列式子表示：

$L_i^2={(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2---\left(1\right)$

令

f_i(x,y,z,t)=（x-x_i）²+(y-y_i)²+(z-z_i)²-v²(t+△t_i)²=0    (5)

设f＝（f₁,f₂,f₃,f₄）^T解向量为M=(x,y,z,t)^T，得

f(M)=0    （6）

设第二局部放电位置的坐标为(x^*,y^*,z^*,t^*)^T，将(6)在第一局部放电位置周围展开成一阶泰勒公式形式：

$f\left(M\right)=f\left(M^0\right)+\underset{i=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\∂/\∂X_{i}f\left(M_0\right)(M_i-M_i^0)---\left(7\right)$

可得出迭代公式：

M^k+1=M^k-J^-1×f(M^k)k=0，1,2    （8）

J表示雅克比矩阵，即

将第一局部放电位置作为初值进行迭代运算，当迭代结果满足局放定位误差约束条件δ和相邻两次迭代误差的模小于定位精度约束ε时，输出第二局部放电位置。

其中，局放定位误差约束条件δ和定位精度约束ε根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，具体实现时，当超高频数字信号或四路超声波信号中的任意一路信号的累积量达到一定程度时，才能实现触发，计算机9开始定位。

104：计算机9对第一局部放电位置和第二局部放电位置取平均值，输出局部放电位置。

其中，该步骤通过对第一局部放电位置和第二局部放电位置的x坐标、y坐标和z坐标分别取平均值，输出局部放电位置。

其中，为了方便对干式变压器1进行维修，本方法还包括：将处理后的数据与数据库中存储的各种典型放电特征相对比，判断出局部放电类型，根据局部放电类型对干式变压器1进行检修。

其中，局部放电类型判断的功能是根据获得的局放放电波形的各种参数(例如：频率、幅值与放电次数等)，形成特征向量A，将特征向量A与数据库中已存储的各种典型放电特征进行比较，并结合现场实际情况，判别局部放电类型，给出局部放电故障的维护和防护建议。

综上所述，本发明实施例提供了一种干式变压器局部放电在线监测装置及其定位方法，本发明实施例通过四路超声波传感器和一路超高频传感器的结合使用，提高了定位的精度；并且通过两种定位方式提高了检测局部放电位置的精度，减少了超声波传播的时延误差；本发明实施例不仅能够实时捕捉、存储干式变压器局部放电波形，通过对局部放电波形进行分析，为干式变压器的设备事故原因分析提供可靠数据，而且其硬件结构简单，工作可靠。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种干式变压器局部放电在线监测装置，其特征在于，包括：分别在干式变压器上设置有第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器和超高频传感器，

所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器分别采集局部放电信号中的超声波信号，并传输至信号处理单元；所述超高频传感器采集局部放电信号中的超高频信号，并传输至所述信号处理单元；所述信号处理单元接收四路超声波信号和一路超高频信号，并分别对所述四路超声波信号和一路超高频信号进行放大和滤波处理，将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号传输至数据采集卡；所述数据采集卡将所述处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储，当达到定位触发要求时，所述四路超声波数字信号或所述四路超声波数字信号与所述一路超高频信号传输至计算机，所述计算机进行计算实现对局部放电位置的定位。

2.一种干式变压器局部放电在线监测装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)数据采集卡将处理后的四路超声波信号和一路超高频信号分别转换为四路超声波数字信号和一路超高频数字信号并存储；

(2)当四路超声波信号中的任意一路信号满足定位触发要求时，计算机采用第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器进行定位，获取第一局部放电位置；

(3)当采用超高频传感器获得的超高频信号满足触发要求时，所述计算机采用所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器和所述第四超声波传感器获得的超声波信号及4路超声波信号与超高频传感器的时间差进行定位，获取第二局部放电位置；

(4)所述计算机对所述第一局部放电位置和所述第二局部放电位置取平均值，输出局部放电位置。

3.根据权利要求2所述的一种干式变压器局部放电在线监测装置的控制方法，其特征在于，所述计算机采用第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器进行定位，获取第一局部放电位置具体为：

P(x,y,z)表示局部放电点，S₁，S₂，S₃，S₄分别表示超声波传感器的位置坐标，S₀（x’，y’,z’）表示所述超高频传感器的位置坐标，

设各超声波传感器到所述局部放电位置的距离为L_i(i=1,2,3,4)

$L_i^2={(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2;$ L_i=v(t+Δt_i)

v为超声波信号在所述干式变压器中的传播速度；t为测量到的超声波信号到达触发超声波传感器第一个峰值所需时间；△t_i为信号到达任意两路超声波传感器的时延，设F_i（x,y,z,t）为各项残差，（x^*,y^*,z^*,t^*)为所述第一局部放电位置，通过求解 ${\left|\right|F_i(x^{*},y^{*},z^{*},t^{*})\left|\right|}^2=\min \underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{\left|\right|(x,y,z,t)\left|\right|}^2$ 获取所述第一局部放电位置。

4.根据权利要求3所述的一种干式变压器局部放电在线监测装置的控制方法，其特征在于，所述所述计算机采用所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器和所述第四超声波传感器获得的超声波信号及4路超声波信号与超高频传感器的时间差进行定位，获取第二局部放电位置具体为：

读取所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器、所述第三超声波传感器、所述第四超声波传感器同时到达最大峰值的第一时间，读取所述超高频传感器到达最大峰值的第二时间，获取所述第一时间和所述第二时间的差作为时延量△t_i；通过一阶泰勒公式和雅克比矩阵，并将所述第一局部放电位置作为初值进行迭代运算，当迭代结果满足局放定位误差约束条件δ和相邻两次迭代误差的模小于定位精度约束ε时，输出所述第二局部放电位置。

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