电晕电流的测量装置及用其进行多点电晕电流定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种电晕电流的定位方法和装置，属于电力系统运行监测及量测技术领域。利用隧穿磁阻磁场传感器具有的高灵敏度、宽频带、抗干扰能力强等特点及对磁场方向的敏感性，制作了双轴磁场传感测量装置，采用传感器阵列的形式实现了对恶劣电磁环境中电晕电流周围磁场的测量，并通过测量磁场值提出了对电晕放电点的定位方法，最后得到电晕放电点的近似区域及近似放电点。本发明方法及装置基于隧穿磁阻磁场传感器的测量优势，针对高频电晕放电电流产生的磁场信号进行测量，兼顾电晕电流特点，实现了电晕放电点的准确定位。本发明解决了无法对设备绝缘缺陷产生的电晕电流进行精确定位的问题，极大地提升了极端电磁环境下磁场及电流测量的稳定性及精度，提高了电网的稳定性运行及绝缘水平。
【专利说明】
电晕电流的测量装置及用其进行多点电晕电流定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多点电晕电流的测量装置及用其进行多点电晕电流定位方法，属 于电力系统运行监测及量测技术领域。
【背景技术】
[0002] 大量资料表明，导致高压电力设备故障的主要原因是绝缘性能的劣化和失效，因 此高压电力设备的绝大多数故障最终归结为绝缘性故障。局部放电是造成绝缘劣化的主要 原因，也是绝缘劣化的重要表征。电晕放电作为局部放电的一种主要形式，是包括无线电干 扰、可听噪声在内的电磁环境问题的主要来源，目前已成为高压输电关键技术问题之一。因 此检测设备局部放电及电晕放电，能够对设备绝缘状态进行有效评估，预警可能出现的绝 缘故障，提高设备安全运行水平。局部放电过程中可以产生声、光、电等多种物理现象，通过 对不同物理现象的检测可以实现对局部放电的测量，比较常用局部放电测量方法有紫外成 像法、特高频法、脉冲电流法、超声波法等，电晕放电是局部放电的一种形式，其放电脉冲的 频率较低，放电强度较弱，采用局部放电常用的紫外成像法及特高频法由于带宽及分辨率 的限制，加之变电站及设备现场电磁环境异常复杂，对电晕放电监测/检测结果仍然存在较 大误差。针对电晕放电的测量及定位，成为保障电力设备安全稳定运行的亟需解决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电晕电流的测量装置及用 其进行多点电晕电流定位方法，通过测量电晕电流在周围空间产生的高频矢量磁场，根据 矢量磁场与电晕电流间的关系，实现对多个点对地放电电晕电流及对应点电极的定位，采 用非接触式的方法解决绝缘设备的放电定位问题。
[0004] 本发明提出的一种电晕电流的测量装置，其特征在于，该装置包括:基于隧穿磁阻 效应的磁场传感器单元、信号处理及电源单元、信号输出单元三部分;所述基于隧穿磁阻效 应的磁场传感器单元，采用由两个单轴隧穿磁阻传感器以正交排列方式组成的可测双轴矢 量磁场的磁场传感器，所述磁场传感器单元的两个单轴传感器用于分别测量各自敏感轴方 向上的磁场，将两个磁场测量结果进行矢量合成，从而得到所测双轴磁场值;所述磁场传感 器单元的测量信号输出至所述信号处理及电源单元，所述信号处理及电源单元用于对两个 单轴传感器输出信号进行差分及放大处理，并提供传感器工作所需电源;所述信号处理及 电源单元的电压信号输出至所述信号输出单元，所述信号输出单元用于将输出信号传输至 外部的信号采集装置。
[0005] 本发明还提出采用上述装置进行多点电晕电流定位方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤：
[0006] 1)将多个电晕电流测量装置组成阵列形式排布在被测电晕放电区域周围；
[0007] 2)当电晕放电的脉冲频率保持稳定时，阵列中的各电晕电流测量装置对电晕放电 周围区域的空间高频矢量磁场进行测量，得到多组放电情况下电晕电流在周围空间辐射磁 场的波形作为计算数据；
[0008] 3)设置电晕电流测量装置选择输出电压的阈值，判断各组计算数据的电压值是否 大于阈值，将电晕电流测量装置测得的双轴矢量磁场的任一峰值输出大于此阈值的计算数 据作为该测量装置的输出结果用于计算；
[0009] 4)采用小波去噪方法对该测量装置的输出的测量波形进行去噪处理，并对阵列中 各装置的磁场峰值测量结果进行平均，得到电晕放电在周围空间产生的高频矢量磁场值； [0010] 5)通过阵列中多个测量装置的磁场传感器单元测量结果得到的磁场Hdlscharge的方 向，计算得到每个电晕放电点的位置；
[0011] 6)将所述阵列中各电晕电流测量装置对同一组电晕放电的测量结果进行处理得 到放电区域，取放电区域的重心作为计算得到的放电点，完成多个电晕放电的定位测量。
[0012] 本发明的原理:空间局部放电产生的高频电流脉冲信号在流散过程中，将在其周 围的近场空间中形成高频电磁脉冲信号，并且信号强度和空间局部放电位置存在强相关 性。通过检测放电设备近场空间中的高频电磁脉冲信号，进行信号特征量的提取和识别，可 以实现设备局部放电的有效检测。
[0013] 本发明的特点及有益效果是：
[0014] 本发明充分考虑到电晕放电电流的微小量程、宽带宽及测量时背景噪声较大的特 点，利用隧穿磁阻传感器的高灵敏度、宽频带、本征噪声较小、抗电磁干扰能力强、存在单向 的测量敏感轴的优势，实现对高频矢量磁场的准确测量。对进行信号去噪后的磁场测量结 果进行相应定位计算，得到对应的高频电流源的位置。隧穿磁阻传感器的安装位置可以更 加灵活、不受限制，同时传感器对外界磁场角度也具有敏感性，因此可以通过多组隧穿磁阻 磁场传感器在空间局放设备空间位置上的合理布置和配合，利用信号强度与空间局放位置 的强相关性，实现设备内部多个局部放电的精确定位。该结果可以基本确定多个电晕放电 点，即设备发生绝缘缺陷的位置。
[0015] 本发明提供了基于磁测量的在极端电磁环境中进行磁场及电流测量的新方法，解 决了无法对设备绝缘缺陷产生的电晕电流进行精确定位的问题，极大地提升了极端电磁环 境下磁场及电流测量的稳定性及精度，提高了电网的稳定性运行及绝缘水平。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的电晕电流的测量装置示意图。
[0017] 图2是本发明中采用的点极与板电极之间电晕电流的基本形式，当点电极周围的 电场为极不均匀场时，电晕电流产生于点电极与板电极之间。
[0018] 图3是本发明方法的总体流程框图
[0019] 图4是本方法的每个电晕放电点位置的定位算法示意图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提出的一种电晕电流的测量装置及用其进行多点电晕电流定位方法，结合 附图及实施例说明如下：
[0021] 本发明提出一种电晕电流的测量装置，如图（1)所示，该装置包括基于隧穿磁阻效 应的磁场传感器单元、信号处理及电源单元、信号输出单元三部分;所述基于隧穿磁阻效应 的磁场传感器单元，采用由两个单轴隧穿磁阻传感器以正交排列方式组成的可测双轴矢量 磁场的磁场传感器，所述磁场传感器单元的两个单轴传感器用于分别测量各自敏感轴方向 上的磁场，将两个磁场测量结果进行矢量合成，从而得到所测双轴磁场值;所述磁场传感器 单元的测量信号输出至所述信号处理及电源单元，用于对两个单轴传感器输出信号进行差 分及放大处理，并提供传感器工作所需电源，所述信号及电源单元由带宽大于30MHz的差分 运算放大器AD8044及电压参考源芯片LM7805、LM7905组成;所述信号处理及电源单元的电 压信号输出至所述信号输出单元，装置的输出信号通过电晕电流测量装置的SMA 口输出至 BNC线，并将信号传输至外部的信号采集装置，所述信号采集装置可以是示波器或采集卡， 不属于本装置的部件。
[0022] 本发明提出采用所述电晕电流测量装置进行多点电晕电流定位的方法，主要针对 电气设备中所出现的电晕脉冲放电进行定位计算，在本发明方法的实施例中，采用点电极 对板电极放电的形式对设备中的电晕脉冲放电进行模拟，说明电晕电流定位的实现方法。 本实施例的实验场景如图（2)所示，表示一个点电极1对板电极3的放电形式，当在点电极1 上施加高电压时，点电极1周围的电场将会呈现极不均匀的形式，电晕电流2产生于点电极1 与板电极3之间。针对所述场景的多点电晕电流定位的方法流程如图3所示，包括以下步骤：
[0023] 1)将多个电晕电流测量装置组成阵列形式排布在被测电晕放电区域周围；采用多 个基于隧穿磁阻效应的电晕电流测量装置组成阵列形式对多点对地电晕放电周围的空间 磁场进行测量，以减小电晕放电随机性造成的测量误差。在实际应用中一般阵列的长度不 能超过20cm，在本实施例中，每个阵列由五个电晕电流测量装置成等间距直线排布组成，阵 列中每个电晕电流测量装置的间距为5cm。在实际确定测量装置的间距时，可首先定性判断 检测区域的电晕放电强度，若电晕放电点相对于本实施例多且密集，同时放电区域大于本 实施例中的放电区域，则可减少电晕电流测量装置的间距在2-4cm之间，同时使用两个以上 的阵列形式进行测量，否则可增加电晕电流测量装置的间距在6-8cm之间，同时只采用一个 阵列进行测量。五个电晕电流测量装置的信号处理及电源单元和信号输出单元独立工作。 测量过程中，所述阵列排布在板电极3以外，并处于板电极3的水平面以上及点电极2水平面 以下的位置，即阵列排布在电晕放电周围区域，以减小电晕放电对电晕电流测量装置绝缘 性能的影响，消除测量装置对电晕放电的干扰；
[0024] 2)阵列中的各电晕电流测量装置对电晕放电周围区域的空间高频矢量磁场进行 测量，得到多组放电情况下电晕电流在周围空间辐射磁场的波形；当电晕放电的脉冲频率 保持稳定时，对电晕放电脉冲进行测量;本实施例中点电极对板电极采用同一放电脉冲进 行触发，得到同一时刻下阵列中各电晕电流测量装置的输出波形，作为一组放电的结果。对 放电脉冲进行多次触发，得到多组放电的波形作为计算数据；
[0025] 3)为避免在较小输出情况下由背景噪声造成的较大的计算误差，设置电晕电流测 量装置选择输出电压的阈值，本实施例的阈值取为10mV，判断各组计算数据的电压值是否 大于阈值，将测量装置双轴输出均小于等于阈值的计算数据舍弃，将电晕电流测量装置测 得的双轴矢量磁场的任一峰值输出大于此阈值的一组计算数据作为该测量装置的输出结 果用于计算；
[0026] 4)对所述电晕电流测量装置采用小波去噪方法对其输出的测量波形进行去噪处 理，并对阵列中各装置的磁场峰值测量结果进行平均，得到电晕放电在周围空间产生的高 频矢量磁场值;本方法实施例采用小波去噪的方法对阵列各电晕电流测量装置的原始测量 信号进行去噪处理，所选小波为db4,小波级数根据实际测量中的采样率进行选择，考虑到 电晕电流的主要频率分量在30MHz以下，因此小波去噪时的最后一级空间频率范围至少应 大于30MHz。采用小波去噪后的信号峰值作为测量装置所测磁场脉冲的响应值，将阵列中各 单轴传感器的同一次电晕放电下处理得到的多组电晕放电脉冲响应值进行平均(本发明为 在所测电晕电流周围磁场较小的情况下进行，忽略单轴传感器交叉敏感轴灵敏度的影响）， 直接以电晕电流测量装置得到的双轴输出电压作为双轴磁场值；
[0027] 5)通过多个磁场传感器单元测量结果得到的磁场Hdlscharge的方向，即可计算得到 每个电晕放电点位置的定位;本实施例的定位算法如图（3)所示。根据麦克斯韦方程组，理 论上电晕电流产生磁场应垂直于测量点及放电点的连线，对每一个电晕电流测量装置4沿 测量点及放电点的切向，如图中Hdischarge所不。Hdischarge的两个分量Hx和Hy分别由磁场传感器 单元的两个正交轴上的传感器测量得到。图中P夹角为的夹角，可直接通过电 晕电流测量装置的双轴输出电压得到，即：
[0028] φ= arclan ^ Κ. ? ?7ν j ；
[0029] 6)综合各点的计算结果得到多个电晕放电点的放电区域:将所述阵列中各电晕电 流测量装置对同一组电晕放电的测量结果进行处理（即把多点电晕定位计算转化为单点计 算，实现计算的简化）；综合多个电晕电流测量装置的测量得到的放电区域（由于测量中可 能存在误差，所有电晕电流测量装置的测量结果可能并不能恰好通过放电点，而是通过计 算得到多个放电区域），取放电区域的重心作为计算得到的放电点，完成多个电晕放电的定 位测量。
[0030] 步骤(5)中，一般情况下可根据电晕电流测量装置测量结果得到一个多边形区域， 此多边形区域包含了阵列中的各个测量装置计算得到的径向线，若形成多边形区域不能包 含所有的径向线，则选择包含最多条径向线的区域作为求解得到的放电区域，并取该区域 的重心作为计算得到的电晕放电点。
[0031] 本发明实施例中的点电极对板电极的电晕放电形式是电气设备电晕放电的基本 模型，因此本发明所述装置及方法对实际电气设备中的电晕放电定位同样适用。
【主权项】
1. 一种电晕电流的测量装置，其特征在于，该装置包括:基于隧穿磁阻效应的磁场传感 器单元、信号处理及电源单元、信号输出单元三部分;所述基于隧穿磁阻效应的磁场传感器 单元，采用由两个单轴隧穿磁阻传感器以正交排列方式组成的可测双轴矢量磁场的磁场传 感器，所述磁场传感器单元的两个单轴传感器用于分别测量各自敏感轴方向上的磁场，将 两个磁场测量结果进行矢量合成，从而得到所测双轴磁场值;所述磁场传感器单元的测量 信号输出至所述信号处理及电源单元，所述信号处理及电源单元用于对两个单轴传感器输 出信号进行差分及放大处理，并提供传感器工作所需电源;所述信号处理及电源单元的电 压信号输出至所述信号输出单元，所述信号输出单元用于将输出信号传输至外部的信号采 集装置。2. -种采用如权利要求1所述装置进行多点电晕电流定位方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤： 1) 将多个电晕电流测量装置组成阵列形式排布在被测电晕放电区域周围； 2) 当电晕放电的脉冲频率保持稳定时，阵列中的各电晕电流测量装置对电晕放电周围 区域的空间高频矢量磁场进行测量，得到多组放电情况下电晕电流在周围空间辐射磁场的 波形作为计算数据； 3) 设置电晕电流测量装置选择输出电压的阈值，判断各组计算数据的电压值是否大于 阈值，将电晕电流测量装置测得的双轴矢量磁场的任一峰值输出大于此阈值的计算数据作 为该测量装置的输出结果用于计算； 4) 采用小波去噪方法对该测量装置的输出的测量波形进行去噪处理，并对阵列中各装 置的磁场峰值测量结果进行平均，得到电晕放电在周围空间产生的高频矢量磁场值； 5) 通过阵列中多个测量装置的磁场传感器单元测量结果得到的磁场Hdlscharge的方向， 计算得到每个电晕放电点位置的定位； 6) 将所述阵列中各电晕电流测量装置对同一组电晕放电的测量结果进行处理得到的 放电区域，取放电区域的重心作为计算得到的放电点，完成多个电晕放电的定位测量。3. 如权利要求1所述的电晕电流定位方法，其特征在于，所述步骤(5)中得到的多边形 区域，该多边形区域包含了阵列中的各个测量装置计算得到的径向线，若形成多边形区域 不能包含所有的径向线，则选择包含最多条径向线的区域作为求解得到的放电区域，并取 该区域的重心作为计算得到的电晕放电点。 通过所述基于隧穿磁阻效应的磁场测量装置，采用阵列形式对多点对地电晕放电周围 的空间磁场进行测量，记录多组放电情况下传感装置阵列测量得到的磁场峰值。测量过程 中，所述传感器阵列排布在多点对地放电的周围区域，为减小电晕放电对测量装置绝缘性 能的影响，消除测量装置对电晕放电的干扰，测量装置应排布在放电区域或板电极以外。当 电晕放电的脉冲频率保持稳定时，对电晕放电脉冲进行测量，对同一放电脉冲进行触发，得 到同一时刻下传感器阵列的多组输出波形。为减小电晕放电随机性造成的测量误差，以两 点放电定位的测量为例，所述每个阵列中至少采用五个双轴传感器，同时每个阵列排布下 测量至少五组电晕放电脉冲。 (1)距离放电点较远的传感器对于放电磁场的响应较小，为避免在较小输出情况下由 背景噪声造成的较大的计算误差，需要对磁场响应大的传感器输出进行选择。设置传感器 输出的选择阈值，在双轴传感器的任一输出均大于此阈值的情况下，使用此组传感器的输 出结果进行计算。 (2) 对所述磁场测量装置阵列的测量波形进行去噪处理，对阵列中各装置的磁场峰值 测量结果进行平均，得到电晕放电在周围空间产生的高频矢量磁场值。采用小波去噪的方 法对各传感器的原始测量信号进行去噪处理，本方法中所选去噪小波为db4,小波级数根据 实际测量中的采样率进行选择，考虑到电晕电流的主要频率分量在30MHz以下，因此小波去 噪时的最后一级空间频率范围至少应大于30MHz。在之后的计算中，采用小波去噪后的信号 峰值作为传感器所测磁场脉冲的响应值，将所述传感器阵列中各单轴传感器的多组电晕放 电脉冲响应值进行平均，在所测电晕电流周围磁场较小的情况下，忽略单轴传感器交叉敏 感轴灵敏度的影响，直接以两个单轴传感器的磁场合成结果作为双轴磁场值。 (3) 将电晕电流模型简化为线电流模型，根据麦克斯韦方程组，理论上电晕电流产生磁 场应垂直于测量点及放电点的连线，即沿测量点及放电点的切向，通过测量结果得到的磁 场方向及对应径向，即可计算得到放电点的位置。 (4) 将所述传感器阵列中各双轴传感器对同一组电晕放电的测量结果进行处理，得到 同一阵列形式下双轴传感器测得多个放电点所在位置，综合多个双轴传感器的测量结果， 由于测量中可能存在误差，所有双轴传感器的测量结果可能并不能恰好通过放电点，而是 通过计算得到多个放电区域，取放电区域的重心作为计算得到的放电点，完成多个电晕放 电的定位测量。
【文档编号】G01R19/165GK106093733SQ201610621133
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月30日 公开号201610621133.X, CN 106093733 A, CN 106093733A, CN 201610621133, CN-A-106093733, CN106093733 A, CN106093733A, CN201610621133, CN201610621133.X
【发明人】胡军, 赵根, 何金良, 欧阳勇, 王善祥, 毕建刚, 常文治, 庄池杰, 张波, 曾嵘, 余占清
【申请人】清华大学, 中国电力科学研究院