1种提高变压器UHF局部放电信号时延精度的统计方法

通过测量变压器局放信号到达UHF传感器阵列各个阵元的时间延迟来进行PD定位在理论上是可以实现的。电磁波在空气中的传播速率是30 cm/ns,所以解决UHF信号被UHF传感器阵列检测到的时间延迟问题是实现PD精确定位的1个关键。本文提出了1种数学方法:互相关—移位—平均算法,这种算法可以通过增加信噪比和降低随机PD带来的分散性来提高UHF信号时延估计的精度。通过对试验数据的验证,显示这种方法在一些情况下可以将时延精度提高到数十个ps,同时将PD定位精度提高到几个厘变。     

基于平面相交法的敞开式变电站多源局部放电定位方法

目前基于特高频(UHF)天线阵列的敞开式变电站局部放电(以下简称局放)检测与定位方法获得应用,但定位距离误差偏大,且未提供有效的多放电源时的定位方法。为此提出了基于平面相交法的敞开式变电站多源局放定位方法:采用插值互相关法计算天线信号之间的时差,对互相关函数进行插值以提高采集系统采样率较低时的时差精度;引入平面相交法求解时差方程,并统计获得多次局放信号定位结果中概率密度最高的位置,将其作为最终的定位结果。当存在多个放电源时,使用K均值算法对天线阵列的时差向量进行聚类,实现多源UHF信号的分离。之后,建立了变电站局放检测与定位实验系统,对前述算法的定位精度进行了测试。结果表明,对尺寸为4 m×2 m的菱形天线阵,当局放源与距离4 m的天线对的法线夹角45°且距天线阵列中心距离10 m时,定位误差均1 m,多数情况下20 cm;在存在多个放电源时,该方法的定位精度与单个放电源时接近。     

基于超高频电磁波的变电站局部放电空间定位

局部放电的测量和诊断已成为评估高压电力设备运行状态的重要方法之一。但目前的局部放电监测主要以单个设备监测为主,测试仪器程序多,成本高,维护工程大。可利用4个天线组成天线阵列接收超高频(UHF)电磁波,并定义三维坐标系对变电站范围内的放电源进行全站的局放定位。重点研究了基于能量积累法计算信号起始时刻和基于信号时延序列实现放电源准确定位算法的原理,并给出了求解基于时差的以局放源位置为未知数的非线性方程组的Newton算法和网络搜索法。实验室测试和现场测试验证了基于射频天线阵列实现变电站范围内局部放电定位的有效性,提出的定位算法可以自适应求解基于时差序列的非线性方程组,既保证了求解的速度,又能解决方程的收敛问题,满足变电站全站局部放电定位准确度的要求。     

基于矩形超高频天线阵列的局放源方向定位的研究

高压设备随着绝缘水平下降会发生局部放电现象(PD),放电信号由波长不等的电磁波构成,可能会传播到设备外面的空气中。文中采用由4个盘锥天线构成的矩形天线阵列来接收空气中辐射的超高频局部放电信号,因矩形天线阵列可在测量时移动,可通过移动实现局放的检测定位。文中重点研究了利用信号首峰确定各路信号其实时刻和基于各个天线接收信号的时间到达的不同(TDOA)的方向定位算法。通过实验验证了基于矩形天线阵列的方向定位算法的正确有效性。     

可视局放UHF空间定位系统及时延估计实现

文中介绍的可视局放UHF空间定位系统利用4个位于不同高度云台上的UHF天线阵列,检测局放中的UHF信号,基于时延估计和空间几何解算实现放电信号准确定位,并通过摄像对局放点进行可视化。首先分析了局部放电UHF电磁波的辐射及其定位原理,阐述了可视局放UHF空间定位系统组成,重点研究了结合阀值法和过零点插值的时延估计方法。最后通过测试验证系统的有效性。     

基于电磁波信号传播衰减模型的变电站局部放电定位方法

分析了局部放电辐射电磁波的空间传播衰减特性,及电磁波接收天线的灵敏度系数,并以此为理论基础,提出了一种新的基于天线阵列和电磁波衰减模型的局部放电定位方法,实现变电站全站的局部放电源定位。该方法在变电站空间建立三维坐标系,推导出天线接收到电磁波信号的峰值与局放源及天线位置之间的关系,从而构建关于局部放电位置的计算模型。该方法只需要检测信号峰值,而不需要计算信号的时延序列,可以大大简化数据采集和处理系统要求。论文分别对电磁波仿真软件得到局部放电信号,及实验室模拟局部放电测试得到的电磁波信号进行分析处理,利用该方法计算局部放电源位置,验证了方法的准确性和可行性。     

变压器局部放电超宽带射频定位技术的试验分析

超宽带射频定位技术结合局部放电射频信号超宽带检测与天线阵列技术并以最短光程原理为基础,是变压器局部放电定位的新方法。为探索该技术在实际中的应用,研制了频带2～8GHz的新型平面等角螺旋天线作为定位传感器,其放电射频信号的耦合输出波形平均上升时间约150ps,单个脉冲振荡时间约200ps,从而限定时延测量误差200ps;提出了空间网格搜索定位算法,避免传统的解析算法容易由于时延测量值及波速参量的微小误差而导致定位结果发散或误差偏大的缺点。利用新型定位传感器及空间网格搜索定位算法在220kV真实变压器上开展局部放电超宽带射频定位研究并建立了一套能够有效应用的定位系统,对设定故障源的检测灵敏度≥100pC,波速约19.8cm/ns时定位精度最高,平均定位误差约30cm。     

GIS局部放电特高频信号时延的分数阶希尔伯特估计算法

时延估计是GIS特高频局部放电检测基于时差定位的基础,是决定故障定位精度的关键。文中阐述了分数阶希尔伯特变换用于时延估计的理论基础,提出了基于分数阶希尔伯特变换的GIS特高频局部放电时延估计方法,并给出了时延估计算法的数值实现步骤。针对某220 kV GIS设备特高频局部放电巡检过程中在开关气室发现的异常局部放电信号,现场利用高速示波器采集开关气室两侧盆式绝缘子浇筑孔处泄露的特高频电磁波信号。根据文中提出的时延估计算法计算两路特高频电磁波信号时延,准确计算出放电源的空间位置,距盆式绝缘子浇筑孔1.25 m,该间隔开关气室解体后测量放电源距浇筑孔1.3 m。利用分数阶希尔伯特算法的局部放电放电源定位误差明显低于双谱时延估计算法和插值相关法时延估计算法,从而表明了该算法具有较好的有效性和实用性。     

变压器局部放电检测用特高频传感器的结构参数对其幅频特性的影响

传感器是变压器特高频局放检测中的关键设备之一,阿基米德螺旋天线和平面等角螺旋天线是目前常用的特高频传感器,采用扫频法在吉赫横电磁波室内测量了一系列结构参数不同的这两种螺旋天线的幅频特性,并在空旷场地测量了它们的驻波比。测试结果表明:天线内外径尺寸对其幅频特性的影响比较明显;测试天线的驻波比小于2,能满足工程测试的要求;变压器局放检测应选用宽频带特高频传感器;平面等角螺旋天线适合应用于局放检测,阿基米德螺旋天线适合用于局放时延定位研究。     

基于电磁波阵列信号处理和波达方向分析的变电站局部放电定位

局部放电(partial discharge,PD)检测是绝缘检测与诊断最有效的方法之一。基于L型天线阵列信号处理,及旋转不变技术(estimating signal parameter via rotational invariance techniques,ESPRIT)求取信号波达方向(direction of arrival,DOA)的思想,提出了一种变电站局部放电定位方法,可以实现局部放电源的平面定位。该算法不需要计算信号的时延序列,故可以降低对采集系统采样率的要求,且其通过求解2个波达方向上的直线交点,即求解二元一次方程组,得到局部放电源的平面坐标,避免了求解非线性方程组。给出了算法的理论基础和实现步骤,并分别对电磁波仿真软件得到局部放电信号,及变电站现场实测的局部放电辐射电磁波信号进行分析处理。结果表明,利用该算法得到局部放电源位置的平面定位误差<30cm,满足变电站全站局部放电源的定位精度要求,验证了算法的准确性和可行性。     

Partial discharge location in power transformers using wideband RF detection

This paper presents a method for partial discharge (PD) source location in power transformers based on detecting electromagnetic (EM) radiation emitted from PD. The key problem of PD location by EM waves is the difficulty in getting the accurate time arrivals of the signals from the source to multiple sensors. Several measures are taken to improve the time arrival resolution. Firstly, a measuring frequency band (1 GHz-5 GHz) within RF band is proposed to accurately pick up the fast rise time of the signals. Secondly, an antenna array with diamond-shaped configuration is designed to improve the correlation coefficient of the waveforms from multiple sensors. Thirdly, two antenna arrays are proposed to eliminate the influences of the EM wave scattering caused by the iron core. Fourthly, an algorithm is proposed to increase the signal to noise ratio and to measure the time arrivals automatically through cross-correlation and averaging operation. Lastly, a hyperboloid-genetic algorithm is developed to search the PD source. Experiments on a single-phase transformer model were conducted in the laboratory. The tested results proved the validity of the proposed method and showed that the location error in 16 cm, mostly is about several cm     

超宽带射频技术对变压器多局部放电源的定位

电力变压器局部放电故障大多是在很短时间间隔内相继出现多个放电源,因此对于多放电源的有效定位是定位技术成功的关键,为解决多点局部放电源的定位问题,采用基于最短光程原理的超宽带射频定位技术,用4阵元传感器阵列检测局部放电源激发的电磁辐射波,获取3个相对时延作为计算参量,利用时间差算法实现对局部放电源空间几何位置进行搜索定位,在实验室环境下进行了空间多点模拟局部放电源的定位试验,多放电源的定位误差控制在10cm以内。此外,还介绍了最近在现场真实设备上进行局部放电定位的探索研究,为该技术向实用化方向的发展做出了有益的尝试。     

基于阵列时延库的变压器局放超声阵列定位研究

针对电力变压器局部放电超声阵列检测法存在定位精度的问题,建立了一种阵列时延库,该时延库建立的基本思想是以阵列传感器中心阵元为原点,将变压器模型在三维空间以1 cm间距等分成若干网格,在每一个网格交点处假设放电源并求出放电源点到阵列传感器各阵元的时延组建成库,通过基于遗传算法的空间搜索,匹配阵列时延库中与真实阵列时延相似度最高的放电源点作为局放源位置,大量实验研究表明该方法的误差在4 cm之内,定位效果理想,证明了该方法的可行性。     

变压器中局部放电超高频信号传播的仿真研究

利用仿真软件建立变压器结构模型,对局部放电辐射的电磁波在箱体内的传播情况进行了仿真,并研究了变压器铁心、箱体缝隙对局部放电信号传播的影响。仿真结果表明,铁心和缝隙对电磁波的传播有衰减作用,在各个边角处会出现电磁波的最大幅值,在这些位置安装传感器有较好的检测效果。     

基于ICA的变压器局部放电超声信号直达波分离研究

针对变压器局部放电超声波检测法存在的定位精度问题,分析了其主要原因在于时延选取的误差,而时延选取误差的主要原因是由于变压器局放超声信号传播规律极其复杂,通过超声传感器接收到的信号是直达波和非直达波以及各种噪声的混合叠加,只有正确分离提取出直达波的时延,才能提高定位精度。为此,本文提出了一种基于独立分量分析(ICA)的变压器局放超声信号直达波分离方法,通过单独分析直达波信号、非直达波信号以及噪声信号各自的主分量特征,运用ICA从混合信号中分离提取出直达波信号并选取时延。仿真和实验结果证明了该方法的可行性。     

用于局部放电信号定位的多样本能量相关搜索提取时间差算法

提出一种应用多样本非平稳信号的能量相关搜索提取时间差算法,阐明该算法的原理,给出具体计算公式和步骤,对实验室获得的大量变压器局部放电超高频信号数据样本,经过“相关–移位–叠加”数学变换,得到具有统计意义的能量累积曲线,再利用相关搜索原理准确计算出多传感器信号间的时间差,有效解决了多信号间时间差难以准确获取和用单样本数据对局放源定位的结果分散性大的问题,其定位时间误差在皮秒级,距离误差在厘米级。     

基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究

提出一种基于超高频和超声波相控接收阵的局部放电定位法。该方法以分别检测局部放电产生的超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器,以超高频相控接收阵检测到的局部放电超高频电磁波信号作为时间基准,由此得出接收到的超声波信号的时延,进而计算出放电点与传感器间的距离;再根据相控阵扫描的方位角和仰角,与算出的距离一起就可得出局部放电源的几何位置。多个空间位置不同的局部放电,其产生的最大信号所处的对应于空间角度的波束阵列的位置不同,相对于同一采样起始点的时间基准不同,而且时间间隔也不同,因此还可实现多局放源的定位。对这一设想进行仿真研究,结果表明该方法能对油中局部放电进行较精确的定位,并可较好地解决多局放点定位问题。     

变压器特高频、超声波侵入式PD联合检测技术

最新颁布的IEC TS 62478-2016《高电压技术-电磁和声学法测量局部放电》国际标准,指出了现有的外置式超声波法测量PD主要存在:设备外壳对声波的衰减和不同介质声阻抗引起的传输多路径问题。笔者基于变压器放油阀结构,将特高频(UHF)天线和压电陶瓷声发射(AE)传感器进行一体化设计,再考虑电磁波和超声波信号耦合、防变压器油渗漏两个主要问题的基础上,加工研制了能够同时耦合UHF、AE信号的侵入式PD复合传感器。110 kV变压器内置尖端放电下与外置式压电陶瓷AE传感器的对比试验表明:所设计的UHF、AE侵入式PD复合传感器能够有效探测到油中微弱放电产生的具有特定时间差Δt的电磁波和超声波信号,这为变压器PD检测提供了一种全新的"声-电"即UHF、AE联合检测技术。