一种高压电气设备在线诊断系统和方法与流程

1.本发明涉及高压电气绝缘性能运维技术领域，特别是涉及一种高压电气设备在线诊断系统和方法。


背景技术：

2.高压电气设备的绝缘材料因受电老化、热老化、机械老化、环境老化，而使其绝缘强度逐渐下降而最终击穿，不及时处理将发展为短路故障，并严重损坏设备，甚至扩大为恶性事故。为此，引起了业界对电气绝缘的高度重视。传统方法主要通过高压电气设备的绝缘性能试验来检测。目前成熟应用的均为离线试验和检测，如：绝缘试验、介损试验、直流耐压试验、交流耐压试验、离线局放试验等。也有部分电源设备，为了尽可能为在线设备实现绝缘故障保护，通过测量漏电流或安装漏电流保护、接地保护、短路保护等对设备绝缘故障进行尽可能的保护，但这种保护和测量对于电气绝缘故障都是宏观的、稳定的严重绝缘故障，无法对绝缘老化的前期异常有任何反应。等到绝缘损坏到保护动作的程度，其结果是设备严重损坏，不能通过简单处理继续运行，生产系统基本上发展为事故了。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对现有在线高压电气设备的绝缘保护不能实现灵敏、有效的绝缘检测以及离线试验不能实时监测设备健康状态的问题，提供一种高压电气设备在线诊断系统和方法，该系统和方法实现灵敏、有效的绝缘检测以及实时监测设备健康状态。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种高压电气设备在线诊断系统，包括信号采集系统、信号处理系统和信号评价系统；
6.所述信号采集系统用于实时采集高压电气设备局部放电信号并形成信号包文件；所述信号处理系统用于识别、读取和处理信号包文件中的故障特征信号文件，形成数据文件；
7.所述信号评价系统用于对数据文件进行进一步分析计算，得到高压电气设备局部放电参数，并将高压电气设备局部放电参数与高压电气设备的历史局部放电参数进行比较，判断高压电气设备绝缘性能的健康状态，得出评价结果。
8.进一步地，所述高压电气设备局部放电信号为高压电气设备绝缘特征波形。
9.进一步地，所述高压电气设备绝缘特征波形为高压电气设备电压的基波波形和局放放电脉冲波形的叠加。
10.进一步地，所述高压电气设备的局部放电脉冲波形包括耦合电容器测得的局部放电电压波形、电流互感器测得的的局部放电电流波形或振动探头测得的局部放电振动波形，所述耦合电容器、电流互感器和振动探头均设置在高压电气设备进线端子、母线或开关处。
11.进一步地，所述信号处理系统处理信号包文件中的故障特征信号文件包括数字显
示、波形显示、fft分析、小波分析、基波频谱分析、分贝分析、存储、采样率调整。
12.进一步地，所述信号处理系统通过调用matlab软件小波分析高压电气设备的局放放电脉冲波形，得到净化的局部放电脉冲波形；以及以高压电气设备电压的基波波形为比较基准，叠加净化的局部放电脉冲波形。
13.进一步地，所述高压电气设备的故障特征信号包括高压电气设备的局部放电脉冲信号、高压电气设备电源基础电压的相位和高压电气设备脉冲信号的间断时间。
14.进一步地，所述信号评价系统用于将高压电气设备局部放电的起始电压ui和熄灭电压ue与高压电气设备的历史参数进行比较，判断高压电气设备绝缘性能的健康状态，得出评价结果。
15.进一步地，所述评价结果根据高压电气设备局部放电的起始电压ui和熄灭电压ue的相位间断时间t占电压周波时间百分比来评价绝缘的健康状况等级。
16.进一步地，所述高压电气设备绝缘性能的健康状态包括初始阶段、稳定阶段、开始局放阶段、明显局放阶段和绝缘失效阶段，所述明显局放阶段的局放电量数根据不同的绝缘材料设定不同的绝缘失效报警区间。
17.进一步地，所述高压电气设备的局部放电脉冲波形的起始电压ui和熄灭电压ue通过监测脉冲在绕组工频电压曲线上的时刻来计算局部放电脉冲在每一个周波的熄灭时间来获得的。
18.进一步地，对于有现成衡量标准的参数，基于现成的评价标准；对于没有现成衡量标准的参数，在进行评价时，依据设备本身的对应历史参数变化趋势来确定基准数据库，对于首次投运时利用离线检测结果来整定基本的建议报警值和停运检修值，后续则可以运用人工智能深度学习来完善和改进建议报警值和停运检修值。
19.一种高压电气设备在线诊断方法，包括如下步骤：
20.1、采集高压电气设备局部放电信号并形成信号包文件；
21.2、识别、读取和处理信号包文件中的故障特征信号文件，形成数据文件，建立数据库；
22.3、对数据库文件进行进一步分析计算，得到高压电气设备局部放电参数，并将高压电气设备局部放电参数与高压电气设备的历史局部放电参数进行比较，判断高压电气设备绝缘性能的健康状态，得出评价结果。
23.本发明的高压电气设备在线诊断系统和方法，以高压电气设备在线局放监测和诊断为基础，立足于不对现有系统和设备的结构产生影响为出发点，实现高压电气设备绝缘性能远程诊断和预测性维修的目标，很好地解决了目前离线试验与在线保护无法解决的问题，从而确保设备的绝缘状态可知可控。
附图说明
24.图1为绝缘局部放电等效电路图；
25.图2为局部放电电压与最大电量关系曲线图；
26.图3为高压电气设备的局部放电脉冲波形采集方式示意图；
27.图4为matlab软件小波分析后的高压电气设备的局放放电脉冲波形示意图；
28.图5为高压电气设备的局部放电趋势图。
29.图1中，c1为正常绝缘垂直面的等效电容；cv为与空气泡垂直面的等效电容，ca为空气泡的电容。
30.图3中实线标出的是耦合电容器测得局部放电电压波形的回路，虚线标出的是振动探头测得的局部放电振动波形的回路，点划线标出的是电流互感器测得的局部放电电流波形的回路。
31.图4中t为局放熄灭电压ue与起始电压ui在基波电压波形相位的时间间隔。
32.图5中，1为初始阶段；2为稳定阶段；3为开始局放阶段；4为明显局放阶段；5为绝缘失效阶段。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地描述。
34.参见图1，高压电气设备内部绝缘材料若存在空气泡,由于空气的绝缘强度比真空要低，随着电压升高，空气泡最早被击穿，导致高压电气设备内部放电。随着绝缘材料在各种老化因素的刺激下，绝缘强度会逐步降低，放电部位会逐步扩大，最后发展为绝缘击穿。因此，及早地监测高压电气设备局部放电量和放电位置，并及时地维修并处理，从而避免事故的发生。但开始发生放电时,其放电量很小，难以测量及定位。
35.实际生产中，由于不同绝缘介质，介电常数不同，绝缘强度也不一样。对于同一垂直线上，正常绝缘强度下并不会出现电压击穿，一旦混入绝缘强度较低的材质后，由于其分担的电压减小，致使同一垂直线上总体绝缘强度降低，从而在绝缘强度薄弱处出现电压击穿现象，即局部放电。
36.此外，由于交流电压的幅值呈波形变化，在绝缘强度下降不太严重的情况下，就会出现局部放电呈间歇性脉冲放电的过程，在电压波峰和波谷附近最先发生，回到零点附近局部放电又会停止。
37.高压电气设备绝缘状态通常用以下几个特征量来表示：
①
局部放电量、放电位置；
②
介质损耗因数(tgδ)；
③
泄漏电流；
④
设备电容变化量。
38.电气设备固体绝缘材料，发生局部放电一般是在介质绝缘不均的位置。由于局部电场强度过大而击穿，在故障早期，表现为局部击穿，不会导致整个绝缘结构击穿。这种放电表现为持续时间小于1μs的脉冲，一般局部放电的频率在30mz左右(具体频率与绝缘材料有关)。在相同工作电压下，绝缘强度越薄弱放电越早且越严重。
39.绝缘故障的在线诊断正是通过监测局部放电的强弱来诊断绝缘健康程度的。
40.参见图2，绝缘层内部老化降级时，可以通过传统的离线局部放电试验(电晕试验)来检测。其评价标准为：最大放电量qm曲线呈电压增大而缓慢增加。对于同一个电气设备来说，在相同电源电压下，同样的时间间隔内，局部放电脉冲个数越多，放电脉冲幅值越大，放电电量qm就越大。局部放电的起始电压vi直接反映绝缘材料的绝缘强度，曲线的斜率ki与绝缘材料劣化程度有关，最大放电量qm与绝缘材料的电容有关。为局部最大放电量qm对应的电压。但这种方式在离线局放试验中实现较容易，可对于在线局放检测技术中，则不太适合。
41.在线局放试验中，典型的局放故障特征为：起始电压ui的幅值随绝缘劣化的严重程度而降低，熄灭电压ue的幅值也会随绝缘劣化的严重程度而降低。但是，由于局部放电信
号为超高频的小信号，很容易受到外部噪声的干扰，在检测与识别时，较为困难。因此，尽管绝缘离线诊断理论较为成熟，而绝缘在线诊断一直难以推广和应用。
42.本发明提供一种高压电气设备在线诊断系统，包括信号采集系统，故障特征信号的提起和分析系统，以及状态评价和预测系统；
43.所述信号采集系统用于实时采集高压电气设备局部放电信号并形成信号包文件；所述信号处理系统用于识别、读取和处理信号包文件中的故障特征信号文件，形成数据文件，建立数据库；
44.所述信号评价系统用于对数据库文件进行进一步分析计算，得到高压电气设备局部放电参数，并将高压电气设备局部放电参数与高压电气设备的历史局部放电参数进行比较，判断高压电气设备绝缘性能的健康状态，得出评价结果。
45.进一步地，所述高压电气设备局部放电信号为高压电气设备绝缘特征波形。
46.进一步地，所述高压电气设备绝缘特征波形为高压电气设备电压的基波波形和局放放电脉冲波形的叠加。
47.鉴于局部放电信号的特殊性，所述高压电气设备局部放电信号通过高频、高饱和响应能力、高分辨和高灵敏度的传感器采集。
48.进一步地，参见图3，所述高压电气设备的局部放电脉冲波形包括耦合电容器测得的局部放电电压波形、电流互感器测得的局部放电电流波形或振动探头测得的局部放电振动波形。进入信号采集系统的回路包括以下三个回路：实线标出的是耦合电容器测得局部放电电压波形的回路，虚线标出的是振动探头测得的局部放电振动波形的回路，点划线标出的是电流互感器测得的局部放电电流波形的回路。
49.经过耦合电容器测得的局部放电电压波形、电流互感器测得的局部放电电流波形和振动探头测得的局部放电振动波形直接滤波不加小波分析，得出的局部放电脉冲波形将因白噪声的存在，出现比较杂乱但又包含一定规律特性的波形。耦合电容器测得的局部放电电压波形直接滤波不加小波分析，得出的局部放电脉冲波形将因白噪声的存在，出现比较杂乱但又包含一定规律特性的波形。
50.进一步地，所述信号处理系统处理信号包文件中的故障特征信号文件包括数字显示、波形显示、fft分析、小波分析、基波频谱分析、分贝分析、存储、采样率调整。
51.进一步地，参见图4，所述信号处理系统通过调用matlab软件小波分析高压电气设备的局放放电脉冲波形，得到更加干净整齐的波形；以及以高压电气设备电压的基波波形为比较基准，叠加净化的局部放电脉冲波形。
52.进一步地，所述高压电气设备的故障特征信号包括高压电气设备的局部放电脉冲信号、高压电气设备电源基础电压的相位和高压电气设备脉冲信号的间断时间。
53.结合上文理论分析可知，电气绝缘故障在外加电压升高到一定值时开始产生局部放电，而且随着电压的升高或绝缘的恶化，局部放电的加剧，放电功率越大。放电功率公式如下：
[0054][0055]
式中，t
ref
为参考时间间隔；qi为单个视在电荷；p为在选定的参考时间间隔t
ref
内的单个视在电荷qi馈入试品两端间的平均脉冲功率；ui为单个视在电荷qi对应的放电瞬时
ti的试验电压瞬时值；i为自然数。
[0056]
普通高压交流电机绝缘综合判断标准如下表1：
[0057]
表1普通高压交流电机绝缘综合判断标准
[0058][0059]
实际生产运行中，不易在线实测放电功率，本发明对于绝缘的局放特性可以通过基波与局部放电的脉冲波形的成分或位置来识别绝缘强度的劣化程度。
[0060]
进一步地，所述信号评价系统用于将高压电气设备局部放电的脉冲位置与高压电气设备的历史参数进行比较，判断高压电气设备绝缘性能的健康状态，得出评价结果。
[0061]
例如，在电源电压稳定且局部放电未严重击穿的情况下，脉冲数量与电源基波局部放电的时间的关系是确定的，这样可以通过监测局部放电脉冲的起始电压ui和熄灭电压ue来监测局部放电的严重程度。这个诊断结果，更能准确地评估设备绝缘劣化严重的程度。这里给出的绝缘强度只能是一个相对值，必须要基于设备的相关历史参数给出精确的评价。
[0062]
进一步地，所述高压电气设备的局部放电脉冲波形的起始电压ui和熄灭电压ue通过监测脉冲在绕组工频电压曲线上的时刻来计算局部放电脉冲在每一个周波的熄灭时间来获得的。
[0063]
进一步地，对于有现成衡量标准的参数，基于现成的评价标准；对于没有现成衡量标准的参数，这些参数基本上可以定义为设备特性参数，在进行评价时，还需要依据设备本身的对应历史参数变化趋势来确定基准数据库，对于首次投运时还必须充分利用离线检测结果来整定基本的建议报警值和停运检修值，后续则可以运用人工智能深度学习来完善和改进建议报警值和停运检修值这些关键敏感参数，从而对电机健康状态的评价更为精准、有效。
[0064]
进一步地，所述评价结果根据高压电气设备局部放电的起始电压ui和熄灭电压ue的相位间断时间t占电压周波时间百分比来评价绝缘的健康状况等级。由于绝缘材料不同，此评价标准会弱有差异，一般需要与压力参数进行比对，一般绝缘材料此百分比按照25％～30％来控制，大于25％～30％为合格。
[0065]
参见图5，所述高压电气设备绝缘性能的健康状态用局放电量产生量划分为初始阶段1、稳定阶段2、开始局放阶段3、明显局放阶段4和绝缘失效阶段5共5个阶段。其中，明显
局放阶段的局放电量数将因不同的绝缘材料设定不同的绝缘失效报警区间。
[0066]
本发明还提供一种高压电气设备在线诊断方法，包括如下步骤：
[0067]
1、采集高压电气设备局部放电信号并形成信号包文件；
[0068]
2、识别、读取和处理信号包文件中的故障特征信号文件，形成数据文件，建立数据库；
[0069]
3、对数据库文件进行进一步分析计算，得到高压电气设备局部放电参数，并将高压电气设备局部放电参数与高压电气设备的历史局部放电参数进行比较，判断高压电气设备绝缘性能的健康状态，得出评价结果。
[0070]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。