一种用于变压器局部放电定位的检测系统和检测方法
【专利摘要】本发明提供一种用于变压器局部放电定位的检测系统，包括Rogowski线圈射频传感器、滤波放大器、超声波相控阵传感器、电荷放大器、同步采集器和计算机，所述Rogowski线圈射频传感器将所检测到的射频电流发送至所述滤波放大器进行滤波、放大，之后发送给所述同步采集器；所述超声波相控阵传感器的每一个阵元将检测到的超声波信号发送至所述电荷放大器进行放大，之后发送给所述同步采集器；所述同步采集器将接收到的经滤波放大后的射频电流信号和经放大后的超声波信号发送至所述计算机，所述计算机对变压器局部放电源进行定位。本发明可有效提高检测系统的性能，避免引起超声波检测法的定位误差，提高定位精度。
【专利说明】
一种用于变压器局部放电定位的检测系统和检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及高电压设备检测技术领域，特别涉及一种用于变压器局部放电定位的 检测系统和检测方法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一，其性能直接影响了电力系统的安 全运行状况。由于电力变压器的绝缘结构通常采用绝缘性能良好的油浸式复合绝缘，随着 电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力变压器绝缘劣化的重要原因。 对电力变压器这样的大型设备的局部放电，不仅要监测其实在放电量，以诊断其故障的严 重程度，而且希望监测出放电的部位，以利于有针对性地进行维修并节省维修的时间和费 用。
[0003] 现有的变压器局部放电的定位是根据局部放电过程中产生的电脉冲、电磁波、声、 光、热和放电导致绝缘材料分解气体等现象，相应的定位方法有电气定位法、超高频电磁波 定位法、超声波定位法、光定位法、热定位和DGA(Disso 1 ved Gas Analysis)定位等。但是， 这些定位方法，要么需要停止变压器运行，要么需要改变变压器的运行方式，因此操作起来 存在麻烦、低效或定位精度不高等问题。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种克服上述问题或至少部分地解决上 述问题的一种用于变压器局部放电定位的检测系统和检测方法。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种用于变压器局部放电定位的检测系统，所述检 测系统包括Rogowski线圈射频传感器、滤波放大器、超声波相控阵传感器、电荷放大器、同 步采集器和计算机，所述Rogowski线圈射频传感器将所检测到的射频电流发送至所述滤波 放大器进行滤波、放大，之后发送给所述同步采集器;所述超声波相控阵传感器的每一个阵 元将检测到的超声波信号发送至所述电荷放大器进行放大，之后发送给所述同步采集器； 所述同步采集器将接收到的经滤波放大后的射频电流信号和经放大后的超声波信号发送 至所述计算机，所述计算机对变压器局部放电源进行定位。
[0006] 进一步的，所述Rogowski线圈射频传感器11在所述变压器中性点与地的连线上， 用于接收射频电流信号，以获取的射频电流信号作为基准信号。
[0007] 进一步的，所述超声波相控阵传感器的接收阵为平面方阵阵元结构，贴在所述变 压器油箱外壳上，接收由局部放电产生的超声波信号。
[0008] 进一步的，所述超声波相控阵接收阵取为4X4阵元的方阵，阵元间隔取为1mm。
[0009] 进一步的，所述超声波相控阵传感器的阵元间距是超声波在所述变压器油中传播 时的半波长。
[0010] 进一步的，所述超声波相控阵传感器由压电平面阵元、声匹配层、外壳和电极引线 组成，阵元材料采用压敏陶瓷，所述声匹配层采用硅橡胶填充，所述外壳采用不锈钢材料。
[0011] 进一步的，所述超声波相控阵传感器统计触发后每个阵元接收到的超声信号的时 延，然后对各时延进行加权平均，得到平均时延，再乘以油中超声波的传播速度，即可得到 局放源与超声传感器的空间距离。
[0012] 进一步的，所述计算机对变压器局部放电源进行定位的方法为:首先对方型阵列 进行虚拟扩展，扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行估计，然后根据伪峰的大小和 位置随虚拟阵列扩展系数的增加而改变的原理，对谱值进行加权平均，从而得到阵列信号 准确的方位角和俯仰角信息，然后以局部放电产生的电脉冲信号为基准，可得到超声波在 变压器中的传播时延，从而定位。
[0013] 进一步的，所述计算机对变压器局部放电源进行定位的方法包括如下步骤：
[0014] 选取位于超声波阵列传感器几何中心的超声波传感器放大后的超声波信号，作为 选定的超声波信号，阵元位于X、Y轴上且等间距排列，P点为局部放电位置，Θ和Φ:分别代表来 波方向的方位角和俯仰角，对方型超声波阵列进行虚拟扩展，加入扩展系数η(大于1的整 数），使阵元间距变为半波长的η倍；
[0015] 对每个虚拟阵列采集的阵列信号构造子空间矩阵Λ = ⑴xf⑷];
[0016] 求解所构造的子空间矩阵；
[0017] 通过所构造的子空间矩阵，由谱函f
进行谱峰搜索，得到 谱估计值；
[0018] 根据真实谱峰的大小和位置保持不变，而伪峰的大小和位置会随虚拟阵列扩展系 数的增加而改变的原理，对各个谱值进行加权平均，从而得到阵列信号准确的方位角Θ和俯 仰角Φ信息；
[0019] 在（Θ，:Φ)方向上分别对射频电流信号和超声波信号进行波束合成，得到超声波阵 列的输出y (t)和Rogowski线圈射频传感器的输出y 1 (t)，两个包络峰值之间的时间差即为 超声波到达传感器的时延τ;
[0020] 根据超声波在油中的传播速度ν，从而可以确定局部放电源和传感器之间的距离 *1 = νΧτ。结合叭^和丨，将放电源的柱坐标转换为笛卡尔坐标，即可完成变压器中局部放 电源的定位。
[0021] 根据本发明的另一方面，还提供一种用于变压器局部放电定位的检测方法，所述 方法包括：
[0022] 对局部放电部位进行射频电流信号采集及超声阵列信号采集，经滤波放大后，对 方型阵列进行虚拟扩展，对扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行方向估计，从而得 到阵列信号准确的方位角和俯仰角信息；另一方面，以局部放电产生的射频电流信号为基 准，统计触发后每个阵元接收到的超声波在变压器中的传播时延，然后对各时延进行加权 平均，得到平均时延，再乘以油中超声波的传播速度，即可得到局放源与超声传感器的空间 距离，根据计算的距离、方位角和俯仰角确定局部放电源的具体位置，从而精确定位。
[0023] 本发明通过比较射频电流信号和超声波信号的时域波形，确定射频电流信号和超 声波信号的时序关系，通过估算变压器局部放电源与超声波传感器阵列单元所在平面的方 位角和俯仰角，获得变压器局部放电源的位置。这种联合射频电流信号和超声波信号的方 法，无需停止变压器运行，也无需改变变压器的运行方式，可以有效提高检测系统的性能， 避免引起超声波检测法的定位误差，提尚定位精度。
【附图说明】
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0025] 图1为本发明一种实施例的一种用于变压器局部放电定位的检测系统的结构示意 图。
[0026] 图2为本发明另一种实施例的一种用于变压器局部放电定位的检测方法的流程示 意图。
[0027 ]图3为本发明一种实施例的Rogowsk i线圈电流传感器的结构示意图。
[0028] 图4为本发明一种实施例的超声波相控阵传感器阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面将参照附图更详细的描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明 的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例 所限制。相反，提供这些实施例是为了能更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完 整的传达给本领域的技术人员。
[0030] 如图1所示，本发明提供一种用于变压器局部放电定位的检测系统，采用Rogowski 线圈（罗氏线圈)射频传感器与超声波相控阵传感器联合检测的结构，具体的：
[0031] 检测系统包括Rogowski线圈射频传感器11、滤波放大器12、超声波相控阵传感器 13、电荷放大器14、同步采集器15和计算机16,其中，Rogowski线圈射频传感器11的输出端 与滤波放大器12的输入端相连，Rogowski线圈射频传感器将所检测到的射频电流发送至滤 波放大器;超声波相控阵传感器13的每个阵元的输出端与电荷放大器14的输入端相连，超 声波相控阵传感器每一个阵元将检测到的超声波信号发送至电荷放大器;滤波放大器12的 输出端和电荷放大器14的输出端分别与同步采集器15的输入端相连，同步采集器15的输出 端与计算机16相连。
[0032] Rogowski线圈射频传感器11安装在变压器中性点与地的连线上，用于接收射频电 流信号，以获取的射频电流信号作为基准信号。由于射频电流信号可以认为与局部放电现 象同时发生，因此相对于超声信号，可以认为接收到的射频电流信号的时刻即为局部放电 发生的时刻，并以此时刻触发超声阵列信号的采集。本发明采用Rogowski线圈射频传感器， 此类型传感器测试频带较宽（1MHz~30MHz)，能定量检测放电强度。
[0033] 滤波放大器12和Rogowski线圈射频传感器11相连，用于接收Rogowski线圈射频传 感器11发送的射频电流信号，并对射频电流信号进行滤波处理，消除干扰信号，再将滤波处 理后的射频电流信号进行发大，并发送至同步采集器15。
[0034]超声波相控阵传感器13的接收阵设计为平面方阵阵元结构，贴在变压器油箱外壳 上，接收由局部放电产生的超声波信号。比如，如图4所示，超声波相控阵接收阵取为4 X 4阵 元的方阵，阵元间隔取为1_，或者超声波阵列传感器阵元间距是超声波在变压器油中传播 时的半波长。超声波相控阵传感器13由压电平面阵元、声匹配层、外壳、电极引线等几部分 组成，阵元材料采用压敏陶瓷，声匹配层采用硅橡胶填充，外壳选用不锈钢材料。超声波相 控阵传感器13的每个阵元输出均连接有电荷放大器14。超声波相控阵方法定位精度较高， 并且能对同时发生的多个局部放电源进行定位。超声波相控阵传感器13统计触发后每个阵 元接收到的超声信号的时延，然后对各时延进行加权平均，得到平均时延，再乘以油中超声 波的传播速度，即可得到局放源与超声传感器的空间距离。
[0035]电荷放大器14和超声波相控阵传感器13相连，将每一个传感器阵元检测到的超声 波信号进行放大处理后，发送至同步采集器15。
[0036]同步采集器15可为多通道高速数据同步采集器，用于接收滤波放大器12发送的经 滤波放大后的射频电流信号以及电荷放大器14发送的经放大后的超声波信号，并将接收到 的经滤波放大后的射频电流信号和经放大后的超声波信号发送至计算机16。
[0037] 计算机16用于接收并存储经滤波放大处理后的射频电流信号和放大后的超声波 信号，并根据以上两种信号对变压器局部放电源进行定位，采用的定位方法为:首先对方型 阵列进行虚拟扩展，扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行估计，然后根据伪峰的大 小和位置随虚拟阵列扩展系数的增加而改变的原理，对谱值进行加权平均，从而得到阵列 信号准确的方位角和俯仰角信息，然后以局部放电产生的电脉冲信号为基准，可得到超声 波在变压器中的传播时延，从而定位。具体的，利用图1所示的变压器局部放电定位系统进 行变压器局部放电定位的过程是：
[0038] 选取位于超声波阵列传感器几何中心的超声波传感器放大后的超声波信号，作为 选定的超声波信号，阵元位于X、Y轴上且等间距排列，P点为局部放电位置，Θ和Φ分别代表来 波方向的方位角和俯仰角。
[0039] 步骤1，对方型超声波阵列进行虚拟扩展，加入扩展系数η(η为大于1的整数），使阵 元间距变为半波长的η倍。
[0040] 步骤2,对每个虚拟阵列采集的阵列信号构造子空间矩阵《 = ⑴
[0041] 考虑K个远场信号入射到某阵列上，采集数据向量表示为：
[0042] X(t)=A(0)S(t)+N(t) (1)
[0043] 式中，S(t)为信号数据向量，5(〇 = (81(〇,82(〇，"_，％(〇,4(〇为噪声数据向 量，
[0044] N(t) = (nn(t)，n2i(t)，···，ηΜ?(?)，ni2(t)，···，nMN(t))T;A为信号的阵列流型矩阵，A = (ai，a2，···，ak); ?为信息参数，包含信号的方位角Θ与俯仰角Φ信息。
[0045] 由X(t)的第1至Κ行和第Κ+1至ΜΧΝ行构造如下子空间协方差矩阵：
[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] 步骤3,求解所构造的子空间矩阵。
[0049] 将阵列流型矩阵A按行划分为Α= (Ακ,Αμν-κ)τ，且假设nu(t) = (nii(t)，rm(t)，…， nia(t) )T，nd(t) = (η(κ+ι)(?)，···，nMi(t)，ni2(t)，···，nMN(t) )T，贝lj
[0050]
[0051] 步骤4,通过所构造的子空间矩阵，由谱函数= 进行谱峰搜 索，得到谱估计值。
[0052]步骤5,根据真实谱峰的大小和位置保持不变，而伪峰的大小和位置会随虚拟阵列 扩展系数的增加而改变的原理，对各个谱值进行加权平均：
[0053]
(4) ? ?=Ι
[0054] 从而得到阵列信号准确的方位角Θ和俯仰角φ信息。
[0055] 步骤6,在（θ，φ)方向上分别对射频电流信号和超声波信号进行波束合成，得到超 声波阵列的输出y (t)和Rogowski线圈射频传感器的输出yi(t)，两个包络峰值之间的时间 差即为超声波到达传感器的时延τ。
[0056] 步骤7,根据超声波在油中的传播速度ν，从而可以确定局部放电源和传感器之间 的距离为1 = νΧτ。结合Θ、Φ和1，可将放电源的柱坐标转换为笛卡尔坐标，即可完成变压器 中局部放电源的定位。
[0057]根据本发明的另一方面，如图2所示，还提供一种用于变压器局部放电定位的检测 方法，该检测方法基于上述检测原理，因此不再赘述，所述方法包括：
[0058] 对局部放电部位进行射频电流信号采集及超声阵列信号采集，经滤波放大后，对 方型阵列进行虚拟扩展，对扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行方向估计，从而得 到阵列信号准确的方位角和俯仰角信息；另一方面，以局部放电产生的射频电流信号为基 准，统计触发后每个阵元接收到的超声波在变压器中的传播时延τ，然后对各时延进行加权 平均，得到平均时延，再乘以油中超声波的传播速度，即可得到局放源与超声传感器的空间 距离，根据计算的距离、方位角和俯仰角确定局部放电源的具体位置，从而精确定位。
[0059] 本方法采用外部测量的方式，无需停止变压器运行，也无需改变变压器的运行方 式，可以有效提尚检测系统的性能，避免引起超声波检测法的定位误差，提尚定位精度。
[0060] 如图3所示，罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定 律，当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的 磁场，强度为Η，由安培环路定律得：
[0061 ]阳· dl = I(t)
[0062] *B=yH，e(t)=dC>/dt，<t>=Ni'B*dS，e(t)=M*di/dtJ*:
[0063] 其截面为矩形时，互感系数Μ和自感系数L分别为：
[0064] M=yONhln(b/a)/2JT
[0065] L=yON'2hln(b/a)/2Ji
[0066] 上式中，Η为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ0为真空磁导率，N 为线圈匝数，e(t)为线圈两端的感应电压，a，b分别为线圈横截面的内外径，h为截面高度。 [0067]由此可见，线圈一定时，Μ为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比。也就是说，罗氏 线圈的输出电压与被测电流的微分成正比，只要将其输出经过的积分器，即可得到与一次 电流成正比的输出电压。
[0068]本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或 系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根 据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术 人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0069]以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。 同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所 揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。
【主权项】
1. 一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于：所述检测系统包括 Rogowski线圈射频传感器、滤波放大器、超声波相控阵传感器、电荷放大器、同步采集器和 计算机，所述Rogowski线圈射频传感器将所检测到的射频电流发送至所述滤波放大器进行 滤波、放大，之后发送给所述同步采集器;所述超声波相控阵传感器的每一个阵元将检测到 的超声波信号发送至所述电荷放大器进行放大，之后发送给所述同步采集器;所述同步采 集器将接收到的经滤波放大后的射频电流信号和经放大后的超声波信号发送至所述计算 机，所述计算机对变压器局部放电源进行定位。2. 如权利要求1所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于：所述 Rogowski线圈射频传感器11在所述变压器中性点与地的连线上，用于接收射频电流信号， W获取的射频电流信号作为基准信号。3. 如权利要求1所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述超 声波相控阵传感器的接收阵为平面方阵阵元结构，贴在所述变压器油箱外壳上，接收由局 部放电产生的超声波信号。4. 如权利要求3所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述超 声波相控阵接收阵取为4 X 4阵元的方阵，阵元间隔取为1mm。5. 如权利要求3所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述超 声波相控阵传感器的阵元间距是超声波在所述变压器油中传播时的半波长。6. 如权利要求1所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述超 声波相控阵传感器由压电平面阵元、声匹配层、外壳和电极引线组成，阵元材料采用压敏陶 瓷，所述声匹配层采用娃橡胶填充，所述外壳采用不诱钢材料。7. 如权利要求1所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述超 声波相控阵传感器统计触发后每个阵元接收到的超声信号的时延，然后对各时延进行加权 平均，得到平均时延，再乘W油中超声波的传播速度，即可得到局放源与超声传感器的空间 距离。8. 如权利要求1所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述计 算机对变压器局部放电源进行定位的方法为:首先对方型阵列进行虚拟扩展，扩展后的虚 拟阵列利用空间谱估计算法进行估计，然后根据伪峰的大小和位置随虚拟阵列扩展系数的 增加而改变的原理，对谱值进行加权平均，从而得到阵列信号准确的方位角和俯仰角信息， 然后W局部放电产生的电脉冲信号为基准，可得到超声波在变压器中的传播时延，从而定 位。9. 如权利要求1所述的一种用于变压器局部放电定位的检测系统，其特征在于:所述计 算机对变压器局部放电源进行定位的方法包括如下步骤： 选取位于超声波阵列传感器几何中屯、的超声波传感器放大后的超声波信号，作为选定 的超声波信号，阵元位于Χ、Υ轴上且等间距排列，P点为局部放电位置，Θ和Φ分别代表来波方 向的方位角和俯仰角，对方型超声波阵列进行虚拟扩展，加入扩展系数η(大于1的整数），使 阵元间距变为半波长的η倍； 对每个虚拟阵列采集的阵列信号构造子空间矩阵化皆Wl· 求解所构造的子空间矩阵； 通过所构造的子空间矩阵，由谱函数巧e) = i/[?f(/-w/H)。,]进行谱峰捜索，得到谱估 计值； 根据真实谱峰的大小和位置保持不变，而伪峰的大小和位置会随虚拟阵列扩展系数的 增加而改变的原理，对各个谱值进行加权平均，从而得到阵列信号准确的方位角Θ和俯仰角 啤?目息； 在炒，φ)方向上分别对射频电流信号和超声波信号进行波束合成，得到超声波阵列的输 出y(t)和Rogowski线圈射频传感器的输出yi(t)，两个包络峰值之间的时间差即为超声波 到达传感器的时延τ; 根据超声波在油中的传播速度V，从而可W确定局部放电源和传感器之间的距离为1 = νΧτ。结合θ、φ和1，将放电源的柱坐标转换为笛卡尔坐标，即可完成变压器中局部放电源的 定位。10.-种用于变压器局部放电定位的检测方法，所述方法包括： 对局部放电部位进行射频电流信号采集及超声阵列信号采集，经滤波放大后，对方型 阵列进行虚拟扩展，对扩展后的虚拟阵列利用空间谱估计算法进行方向估计，从而得到阵 列信号准确的方位角和俯仰角信息；另一方面，W局部放电产生的射频电流信号为基准，统 计触发后每个阵元接收到的超声波在变压器中的传播时延，然后对各时延进行加权平均， 得到平均时延，再乘W油中超声波的传播速度，即可得到局放源与超声传感器的空间距离， 根据计算的距离、方位角和俯仰角确定局部放电源的具体位置，从而精确定位。
【文档编号】G01R31/12GK105974281SQ201610302660
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】袁帅, 王永强, 阎春雨, 毕建刚, 杨宁, 王峰, 谢军, 常文治
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 华北电力大学（保定）, 国网河北省电力公司