基于特高频信号的变压器局部放电在线定位系统

摘要

本发明公开了一种基于特高频信号的变压器局部放电在线定位系统包括特高频接收天线，特高频接收天线通过同轴电缆与带通滤波器相连，带通滤波器与放大器相连，放大器连接数字示波器，数字示波器与工控机相连，在工控机内设有监测系统处理模块，用于监测、实时显示、计算局部放电位置及保存历史数据。本发明的系统可进行实时在线局放监测，定位精度高，成本相对低廉，调试方便，计算速度快。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力工程技术领域的监测系统，具体是一种对电力变 压器内部局部放电进行在线监测的仪器。

背景技术

随着社会经济的不断发展，国家对能源的需求越来越大，其中很大 一部分是电力能源，电力供应安全成为保障经济发展及满足能源需求的 关键因素，而电网运行中，变压器是实现能源传输和转换的最直接、最 重要的设备，如何使其安全可靠地运行成为电力领域越来越受关注的问 题。

变压器故障中绝大部分会伴随有局部放电现象，目前主要有脉冲电 流法，声测法，油中溶解气体分析法及特高频(UHF)法等。其中UHF 法最先应用于GIS装置的局放测量，然后被推广到变压器的局放监测。 UHF法通过传感电力设备内部局放所产生的特高频电磁信号 (300MHz～3GHz)，实现局部放电的监测和定位，并实现抗干扰，提高 监测系统的信噪比和检测灵敏度。

目前已有的特高频局部放电定位系统是基于三角几何定位法实现 的，由于该方法需要求解三个球面方程，求解过程比较困难，求解时间 比较长，甚至会出现解不出的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种变压器局部放电的定位系 统，在无需变压器断电的情况下实时监测有无特高频信号，出现异常时 自动记录特高频信号及可疑的局部放电位置，并报警。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于特高频信号的变压器局部放电在线定位系统，其特征在于： 包括特高频接收天线，特高频接收天线通过同轴电缆与带通滤波器相连， 带通滤波器与放大器相连，放大器连接数字示波器，数字示波器与工控 机相连，在工控机内设有监测系统处理模块，用于监测、实时显示、计 算局部放电位置及保存历史数据。

所述的特高频接收天线设置有3个，是自制宽频带天线，带宽为 300MHz～1500MHz，在工作频带内，驻波比小于2，并有两个谐振点。

所述的带通滤波器是无源微带滤波器，下限截止频率为300MHz，上 限截止频率为3000MHz。

所述的放大器带宽为10～1200MHz，平均增益为27dB，输入和输出 阻抗均为50Ω。

所述的数字示波器带宽为0～1000MHz，采样率为5GS/s。

变压器局部放电的定位系统的定位方法，其特征在于：包括以下步 骤：

1)完成系统的电气连接扫描，包括检查示波器与工控机网络IP地址 的设置是否一致，以及示波器与工控机之间的物理连接，以保证信号传 输的连贯性与完整性，如果IP地址不一致或示波器与工控机之间无物理 连接，则报警；

2)输入待测变压器的三维物理尺寸以及网格单元尺寸，为步骤8)进 行的逐点搜索算法提供参数；

3)设置三个特高频天线的位置，以三维坐标表示，以便进行局部放电 的定位；

4)根据背景噪声大小设定示波器的触发阈值，一般阈值设置为背景 噪声幅值1.5倍左右；

5)开始监测特高频信号；

6)如果特高频信号没有超过阈值，即示波器并未触发，则回到步骤 5)，继续监测特高频信号；

7)如果特高频信号超过阈值，示波器触发，并将三个通道记录的数据 通过网线传输至工控机，利用能量最小值算法计算出信号到达各路天线 的时间，根据到达时间顺序，并计算出相应的时间差；(能量最小值算法 最先由C.U.Grosse and H.Reinhardt等人在“Schallemissionsquellen  automatischLokalisieren-Entwicklung eines Algorithmus”一文中提及这种算 法，之后国内在高文胜等人发表题为“采用特高频检测技术的局部放电 源定位方法”的论文中首次提及中文译名)

8)采用逐点搜索法，即逐一计算信号从变压器内各网格单元顶点至三 个天线的时间差，找出与步骤7)得出的时间差最接近的网格单元顶点， 将此网格单元顶点做为局部放电的位置。

本发明的积极效果是：本发明的变压器局部放电在线定位系统，基 于监测局部放电产生的特高频信号传播至各接收天线的时间差，并采 用逐点搜索法来实现局部放电的定位，能够根据变压器实际大小及接收 天线的安装位置等具体参数改变软件设置，并实时在线监测变压器内部 的局部放电，并自动计算出局部放电的位置，计算速度快，精确度高。

附图说明

图1为本发明的变压器局部放电的定位系统结构图；

图2为本发明的变压器局部放电的定位系统硬件结构图；

图3为本发明的变压器局部放电的定位系统定位过程流程图；

图4为本发明所采用的逐点搜索法示意图；

图5为本发明所用天线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述：本实施例在本发明技 术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的系统结构包括待测变压器，三个特高频天 线，信号调理装置，示波器，工控机，同轴电缆，高速网线。系统的硬 件结构图如图2所示。将三个UHF特高频天线分别插入变压器三个油阀 至能较好地发挥天线性能的位置，插入深度不宜过大，也不宜过小，深 度过大会影响变压器本身的绝缘性能，即可能引发变压器高压部分对天 线的放电问题，深度过小会影响天线的接收性能。如果由于油阀位置不 好或油阀直径太小而影响天线性能，也可以考虑在变压器油箱壁上开孔。 天线输出端通过SMA接头与50Ω同轴电缆相连，电缆的另一头通过SMA 接头接至信号调理装置输入端，其输出端与示波器输入通道相连，最后 用8芯双绞线通过RJ-45网线接口接至工控机。

本实施例中，如图5所示，UHF天线为自制天线，制作材料主要为 铝和聚四氟乙烯，具有较好地宽频带全向接收性能，符合接收局部放电 所致UHF信号的要求。

本实施例中，所采用的信号调理装置的箱体材料为铁合金，尺寸为 330×250×150mm。

本实施例中，信号调理装置中所采用的带通滤波器为自制无缘微带 滤波器，基板厚度为0.4mm，基板的相对介电常数为2.5，外观尺寸为 130×65mm。

本实施例中，信号调理装置中所采用的宽带放大器为Mini-Circuits 系列ZFL-1200G+放大器。

本实施例中，所采用的示波器为Tektronix DPO4104数字示波器。

本实施例中，所采用的工控机为研华AWS-8259工控机。

如图3所示，本实施例的变压器局部放电的定位系统的定位流程由 以下步骤组成：

1)完成系统的电气连接扫描，以保证信号传输的连贯性与完整性，包 括检查示波器及工控机网络IP地址的设置是否一致，以及示波器与工控 机之间的物理连接，如果IP地址不一致或两者之间无物理连接，则报警；

2)输入待测变压器的三维物理尺寸以及网格单元尺寸，为步骤8)进 行的逐点搜索算法提供参数；

3)设置三个特高频天线的位置，以三维坐标表示，以便进行局部放电 的定位；

4)根据背景噪声及实际监测的特高频信号幅值设定示波器的触发阈 值，开始时可以设较小的阈值，之后根据监测系统的运行情况，在示波 器上逐渐调整至最佳的阈值；

5)系统运行，开始监测特高频信号；

6)如果信号没有超过阈值，即示波器并未触发，则回到步骤5)，继 续监测特高频信号；

7)如果信号超过阈值，示波器触发，并将三个通道记录的数据通过网 线传输至工控机，系统用能量最小值算法计算出信号到达各路天线的时 间，根据到达时间顺序，并计算出相应的时间差；

8)采用逐点搜索法，逐一计算信号从变压器内各网格单元顶点至三个 天线的时间差，找出与步骤7)得出的时间差最接近的网格单元顶点，做 为局部放电的位置，该系统精度为8cm。

如图4所示，本实施例的逐点搜索法如下所述：

天线一，天线二，天线三分别置于变压器的三个不同位置，P₀点发 生了局部放电现象，黑色虚线表示局部放电产生的UHF信号从P₀点至各 天线的传播路径。

根据前述步骤2所述，用户根据实际需要，输入网格单元尺寸之后， 系统自动将变压器分割成许多网格单元，对每个小网格单元的顶点编号， 并分别计算其至各天线的距离，并除以UHF信号在变压器油中的传播速 度，得出UHF信号由该顶点传播至各天线的时间t₁，t₂，t₃，并排序(假 设t₁＞t₂＞t₃)，继而算出各时间差。图4中以其中的一个网格单元的顶点P_ijk为例，红色虚线表示UHF信号从P_ijk点至各天线的传播路径，根据以上分 析，UHF信号到达各天线的时间差如下：

Δt₁＝t₁-t₂

Δt₂＝t₂-t₃

Δt₃＝t₁-t₃

如果Δt₁，Δt₂，Δt₃与上述步骤7得出的UHF信号到达各天线的 时间差最接近，则认为该点是局部放电的位置。

本实施例的优点：

1.所采用的UHF天线性能优良，成本低廉，体积小巧。

2.系统能同时采集多路信号，信噪比高，示波器信号采样率高，相 对同等性能的高速信号采集卡而言，成本低廉，调试方便，定位精度高， 如果实际情况对定位精度要求不高，还可更改定位精度。

3.所采用的逐点搜索法可以配合示波器设置，根据实际情况调节定 位精度，与传统的几何定位法相比，算法的计算效率高，计算时间短， 且不会出现无解的情况。

以上所述为本发明的优选实施方式，在不脱离本发明的基本原理的 情况下，所做的修改和润饰，也为本发明的保护范围。