开关柜局部放电监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种开关柜局部放电监测系统。具体涉及在运行的开关柜附近，使用超声波法监测局部放电，可判据超声波到达时刻。


背景技术：

2.电气设备在制造、安装或者运行过程中不可避免的产生一些绝缘缺陷，如气隙、杂质等，这些绝缘缺陷在高场强作用下会导致电介质内部电场分布不均，在缺陷部位的场强较高，使该部分发生未贯穿的缺陷，即局部放电。局部放电的存在会导致绝缘介质发生绝缘劣化，若不加以处理控制，最终会造成电气设备绝缘击穿。
3.由于开关柜内部结构紧凑、零件繁多、绝缘距离小，往往更容易发生局部放电。开关柜中引起局部放电缺陷的主要因素包括：绝缘件表面污秽、受潮和凝露；高压母排连接处、隔离触头、电缆搭接处接触不良；导体、柜体内表面上有金属突出物等。数据表明，因局部放电而引发的开关柜内部电气设备的绝缘劣化故障占开关柜故障总数的66％。为了预防此类故障，需要对开关柜的绝缘状态进行监测。
4.在目前常用的局部放电监测方法中，超高频法设备造价昂贵；脉冲电流法与暂态地电压法会受到一定电磁干扰；气相色谱法只能适用于密闭环境；红外热像法只能测量泄漏电流较大时的局部放电并且容易受到环境影响。
5.中国专利申请号202110726934.3，公开了一种基于多重判据的超声波到达时刻自动获取方法，但该专利其中放大电路集成在超声波传感器上，集成在一起，其性能稳定受到影响；超声波传感器和放大电路(放大装置)没有公开固定装置，需要一种合适的、使用方便的固定装置。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种开关柜局部放电监测系统，该系统结构简单、使用方便。
7.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：开关柜局部放电监测系统，其特征在于：包括超声波传感器、放大电路、示波器和固定装置；固定装置包括放大电路安装箱、l形支架、磁铁、固定卡，l形支架由横杆和竖杆构成一体结构，l形支架的横杆的左端部设有磁铁安装孔，磁铁固定安装在磁铁安装孔内；放大电路安装箱的一侧面上设有门，放大电路安装箱上设有进线孔和出线孔，放大电路安装箱的底面与l形支架的竖杆的上端固定，固定卡的下端固定在放大电路安装箱的顶面上；
8.超声波传感器安装在固定卡上，超声波传感器的探测口朝向左侧，放大电路安装在放大电路安装箱内，超声波传感器与开关柜的距离为1-500mm；超声波传感器的输出端由第一数据线与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端由第二数据线与示波器的输入端相连；
9.放大电路由第一反相运算放大器、电容、第二反相运算放大器组成；第一反相运算
放大器的输出端与电容的一端相连，电容的另一端与第二反相运算放大器的输入端相连；第一反相运算放大器的输入端与超声波传感器的输出端相连，第二反相运算放大器的输出端与示波器的输入端相连。
10.所述固定卡由左弧形夹片、螺栓和右弧形夹片组成，螺栓由螺杆和螺母组成，左弧形夹片的下端、右弧形夹片的下端均与放大电路安装箱的顶面固定，左弧形夹片位于右弧形夹片的左侧，左弧形夹片的上端部、右弧形夹片的上端部均开有螺杆通过孔，超声波传感器位于左弧形夹片与右弧形夹片之间，螺杆的右端部穿过左弧形夹片的上端部、右弧形夹片的上端部的螺杆通过孔后旋上螺母。
11.所述第一反相运算放大器由第一运算放大器、第一电阻、第二电阻组成；第一电阻的一端为输入端，第一电阻的另一端与第一运算放大器的同相输入端相连，第一运算放大器的反相输入端接地；第一运算放大器的同相输入端与输出端并联一个第二电阻，第一运算放大器的输出端与电容的一端相连；第一电阻的电阻为2.2kω，第二电阻的电阻为82kω；
12.所述第二反相运算放大器由第二运算放大器、第三电阻、第四电阻组成；第三电阻的一端与电容的另一端相连，第三电阻的另一端与第二运算放大器的同相输入端相连，第二运算放大器的反相输入端接地；第二运算放大器的同相输入端与输出端并联一个第四电阻，第二运算放大器的输出端与示波器的输入端相连；第三电阻的电阻为2.2kω，第四电阻的电阻为100kω。
13.采用放大电路与超声波传感器分置，不会相互影响，其性能稳定好。采用磁铁式的固定装置，可吸附在开关柜局上，使用方便，结构简单。
14.本实用新型的有益效果是：该系统结构简单、使用方便，能够判据超声波到达时刻。
附图说明
15.图1a是本实用新型开关柜局部放电监测系统的结构示意图。
16.图1b是本实用新型开关柜局部放电监测系统的固定装置的结构示意图。
17.图1c是图1b中固定卡的右视图。
18.图2是本实用新型放大电路的原理图。
19.图3是本实用新型示例超声波信号波形图。
20.图4是本实用新型超声波到达时刻获取结果图。
21.图5是本实用新型基于多重判据的超声波到达时刻自动获取方法的流程图。
22.图1中：1-开关柜，2-超声波传感器，3-放大电路，4-示波器，5-放大电路安装箱，6-l形支架，7-磁铁，8-固定卡，9-门，10-第二数据线，11-左弧形夹片，12-螺栓，13-右弧形夹片，14-第一运算放大器，15-第二运算放大器。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。
24.如图1a、图1b、图1c、图2所示，开关柜局部放电监测系统，包括超声波传感器2、放大电路(放大装置)3、示波器4、固定装置，系统结构图如图1所示；固定装置包括放大电路安
装箱5、l形支架6、磁铁(或称：吸铁石)7、固定卡8，l形支架6由横杆和竖杆构成一体结构，l形支架6的横杆的左端部设有磁铁安装孔，磁铁7固定安装在磁铁安装孔内(使用时由磁铁7将固定装置吸在开关柜的柜体上)；放大电路安装箱5的一侧面(如：右侧面)上设有门9(用于安装放大电路)，放大电路安装箱5上设有进线孔和出线孔，放大电路安装箱5的底面与l形支架6的竖杆的上端固定，固定卡8的下端固定在放大电路安装箱5的顶面(上端面)上；
25.超声波传感器2安装在固定卡8上，超声波传感器的探测口(探测头)朝向左侧(为描述方便，图1的左边为左，右边为右，使用时，超声波传感器2位于开关柜1的外侧，超声波传感器的探测口朝向开关柜1)，放大电路(放大装置)3安装在放大电路安装箱5内，超声波传感器与开关柜的距离为1-500mm；超声波传感器2的输出端由第一数据线与放大电路(放大装置)3的输入端相连(第一数据线穿过进线孔)，放大电路3的输出端由第二数据线10与示波器4的输入端相连(第二数据线穿过出线孔)。
26.所述固定卡8由左弧形夹片11、螺栓12和右弧形夹片13组成，螺栓12由螺杆和螺母组成，左弧形夹片11的下端、右弧形夹片13的下端均与放大电路安装箱5的顶面固定，左弧形夹片11位于右弧形夹片13的左侧，左弧形夹片11的上端部、右弧形夹片13的上端部均开有螺杆通过孔，超声波传感器2位于左弧形夹片11与右弧形夹片13之间，螺杆的右端部穿过左弧形夹片11的上端部、右弧形夹片13的上端部的螺杆通过孔后旋上螺母(左弧形夹片11与右弧形夹片13将超声波传感器2夹紧)。采用此结构，通过松紧螺母，可将超声波传感器2左右移动，调整超声波传感器与开关柜的距离。
27.其中放大电路的电路原理图如图2所示。超声波信号被超声波传感器接收后转换为电压信号，再经过放大后输入示波器进行显示并实现数据存储。根据本

技术实现要素：
中介绍的步骤及图5所展示的基于多重判据的超声波到达时刻自动获取方法的流程处理超声波信号，即可自动获取超声波到达时刻，便于后续实现放电源定位。
28.(1)、超声波传感器设计指标
29.a.工作频率
30.局部放电产生超声波的频率范围为20khz-200khz，可选用带宽在此范围内的传感器(超声波传感器的频率范围为20khz-200khz)。
31.b.放置位置
32.考虑超声波的有效传播距离，为保证足够的灵敏度，超声波传感器与开关柜的距离不应超过500mm(超声波传感器与开关柜的距离为1-500mm)。
33.(2)、放大电路设计指标
34.a.放大倍数
35.放大电路原理图如图2所示，采用两级放大，放大倍数为1694.21倍。放大电路由第一反相运算放大器(或称：反相闭环放大器)、电容、第二反相运算放大器(或称：反相闭环放大器)组成，第一反相运算放大器的输出端与电容的一端相连，电容的另一端与第二反相运算放大器的输入端相连；第一反相运算放大器的输入端a与超声波传感器2的输出端相连，第二反相运算放大器的输出端o与示波器4的输入端相连。
36.所述第一反相运算放大器由第一运算放大器14、第一电阻r1、第二电阻r2组成；第一电阻r1的一端为输入端a，第一电阻r1的另一端与第一运算放大器14的同相输入端相连，第一运算放大器14的反相输入端接地；第一运算放大器14的同相输入端与输出端并联一个
第二电阻r2，第一运算放大器14的输出端与电容的一端相连。第一电阻r1的电阻为2.2kω，第二电阻r2的电阻为82kω。
37.所述第二反相运算放大器由第二运算放大器15、第三电阻r3、第四电阻r4组成；第三电阻r3的一端与电容的另一端相连，第三电阻r3的另一端与第二运算放大器15的同相输入端相连，第二运算放大器15的反相输入端接地；第二运算放大器15的同相输入端与输出端并联一个第四电阻r4，第二运算放大器15的输出端o与示波器4的输入端相连。第三电阻r3的电阻为2.2kω，第四电阻r4的电阻为100kω。
38.b.供电电源
39.使用交流220v转直流5v电源为放大电路供电。
40.(3)、示波器设计指标
41.本实用新型选取型号为tds2024c的示波器，具有四个通道，每个通道采样速率最高可达2gs/s，满足超声波测量要求。
42.一种基于多重判据的超声波到达时刻自动获取方法，包括如下步骤{以图3所示的超声波信号x1(n)波形图为例}：
43.1)准备开关柜局部放电监测系统，如上所述；
44.2)滤除直流分量：目的是便于计算噪声最大振幅和选取阈值。设滤除直流分量后的信号为x2(n)，则有
[0045][0046]
式中，x2(n)为滤除直流分量后的信号，n为采样点数量(图4中)，在本示例中n＝2500；x1(n)为超声波信号。
[0047]
3)滤除目标信号得到噪声信号x0(n)。由于本示例中目标信号频率约为33.8khz，故采用33khz～35khz带阻滤波滤除目标信号。
[0048]
4)计算图4中的时间范围内，噪声最大振幅a。由于背景噪声振幅会受温度、风速、其他设备工况等因素的影响而具有时变性，因此计算目标信号到达时刻附近的噪声最大振幅可靠性更高。噪声最大振幅a的计算方式为
[0049][0050]
式中，a为噪声最大振幅，n为采样序号，x0(n)为噪声信号，n为采样点数量。
[0051]
5)设定阈值b作为第一判据。若检验点n0接收的声波信号x(n0)大于设定阈值b，则使用下一判据进行判断，反之则认为不是目标信号而是噪声信号。此判据主要目的是排除噪声幅值的干扰。设定阈值b的计算方式为
[0052]
b＝ka
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0053]
式中，b为设定阈值，a为噪声最大振幅，k为可靠性系数，k越大，表示此时的声信号为目标信号的可能性越高，但距离目标信号到达时刻也越远。综合考虑以上因素，本实用新型选取k＝1.1为基准点，k≥1.1时，此时的声信号为目标信号；k《1.1时，此时的声信号为噪声信号；
[0054]
6)基于小波阈值去噪的方法来滤除信号x2(n)中的噪声，得到待处理信号x(n)。由
于噪声会在目标信号波形中产生毛刺，导致单个点的值出现异常，影响极值的选取，因此需要滤除噪声，使信号平滑。
[0055]
7)使用极值作为第二判据。选取检验点n0之后的两个相邻极值点信号频率n1,n2进行判断，若这两个极值异号且绝对值均大于设定阈值b，则使用下一判据进行判断，反之则认为不是目标信号而是噪声信号。由于去噪过程不能完全去除所有噪声，所以需要使用此判据来排除残留噪声毛刺的干扰。
[0056]
8)使用频率作为第三判据。第二判据中两个相邻极值点信号频率n1,n2之间的时间间隔即为周期的一半，据此可计算出信号频率f，若此频率在目标信号频率附近的某个范围内(小于目标信号频率100hz至大于目标信号频率100hz之间)，则认为此时声信号为目标信号，反之则认为是噪声信号。本示例中选取可通过此判据的频率范围为33khz～35khz。信号频率f计算方式为
[0057][0058]
式中，f为信号频率，fs为采样频率，在本示例中fs＝5mhz，n1,n2为两个相邻极值点信号频率。
[0059]
9)检验上一极值点。实际超声波信号到达时，其振幅总是先增大后减小，则在进行阈值判断时，有可能忽略了目标信号实际到达时刻。因此，在确定当前检验点n0为目标信号以后，需要检验上一极值点n-1
与n1之间的时间间隔，若此时间间隔满足式(4)中的要求，则继续检验n-2
；反之则认为n0为超声波到达时刻。依次类推直至检验的极值点时间间隔不满足式(4)中的要求，认为最后一个通过检验的极值点为超声波到达时刻。
[0060]
经上述步骤处理图3所示超声波信号，获取到达时刻如图4所示。图4中，e点为实际超声波到达时刻，本例中为238.8μs；f点为自动获取的超声波到达时刻，本例中为245.2μs；g点为一般标准下人工获取的超声波到达时刻，本例中为250.0μs。则从图中可以看出，本实用新型提出的超声波到达时刻的自动获取方法能减小到达时刻误差，提高超声波定位准确度。
[0061]
通过上述分析，可得本实用新型提出的基于多重判据的超声波到达时刻自动获取方法的流程图如图5所示。
[0062]
通过该方法，配合使用超声波局部放电检测方法，可以实现对开关柜中部件局部放电的位置与强度进行实时获取，并由此分析开关柜中部件的绝缘状态，从而达到预防绝缘故障的目的。能够有效降低超声波到达时刻获取误差，提高定位准确度，具有有效判断局部放电源位置、降低检修成本、预防停电事故、提高供电可靠性的特点。