专利名称：Gis局部放电的声电联合检测系统和定位方法
技术领域：
本发明涉及局部放电检测，特别是一种GIS局部放电的声电联合检测系统和定位方法。
背景技术：
局部放电检测是早期发现变电站气体绝缘开关(Gas Insulated Switchgear-以下简称为GIS)局部放电的有效手段。常用的局部放电检测方法主要是基于电量的检测法，其在GIS局部放电检测中均有应用。耦合电容法可标定放电量大小，检测灵敏度最高，应用技术成熟，但此方法检测信号干扰源多，且不适合现场带电检测。高频电流法在现场安装方便，对某些类型的放电也有很好的检测效果，但是该方法检测频带内的干扰也很多。超高频法通过提高检测频带下限能够有效地避开现场电晕等干扰，检测灵敏度较高，并可用于定位。但因其检测频率高，对检测系统硬件的带宽及采样速率等有很高的要求。有研究者通过混频与包络检波等方法进行降频处理，实现了局部放电超高频信号低速采集与检测，但降频后因采集信号信息的丢失，不能应用于GIS局部放电的定位。超声波法能够避免电气方面的干扰，可用于精确定位，但其衰减快，有效检测范围小，在现场应用中检测工作量很大。基于超高频和超声波等信号的声电联合检测方法，可综合两类检测方法的特点，扬长避短，更好地实现GIS局部放电检测。该方法还可利用GIS局部放电所激发的超高频信号到达不同位置超高频传感器的信号幅值大小或者时差来实现局部放电的初步定位，利用超高频信号与超声信号的时差， 或者超声信号之间的时差来实现局部放电的精确定位。目前基于声电联合方法开发有很多便携式GIS局放检测系统，此类系统如果采用降频处理，因采样率低，不能用于局放定位。如果用于定位，因超高频信号要求的采样频率很高，一般采用超高速示波器作为系统硬件平台，这样受其板载存储空间的限制，连续采样的长度有限，无法获得足够多的局部放电脉冲信号用于放电的幅值相位分布图谱分析，因此不能进行放电诊断。另一方面，根据不同的检测原理，GIS现场带电检测系统采用不同的检测量，如高频电流，超声波或者超高频信号。对这些不同量的数据采集，因其频带分布不同，检测系统对采样率的要求不同。如果要同时检测上述信号，系统需要兼容高低速不同采样率，这样增加了系统配置的复杂性。目前还没有可同时应用于声电信号检测，并可实现局部放电幅值相位分布图谱分析与局部放电源定位的局部放电检测系统的报道。

发明内容
本发明的目的在于提供一种GIS局部放电声电联合检测系统和定位方法，本系统将高速采集装置、低速采集装置集成于一体，通过局部放电脉冲信号本身作为触发源，同步触发信号的高速采集和低速采集，以实现对GIS局部放电的超高频、高频电流和超声波信号的同步电声联合检测。通过对三种信号的综合分析，可有效排除现场干扰，提高局部放电检测的准确性。通过计算所检测的局部放电超高频脉冲信号与超声波脉冲信号本身或两者之间的时差还可实现局部放电源的定位。本发明的技术解决方案如下一种GIS局部放电声电联合检测系统，其特点在于该系统包括超高速数据处理模块、低速数据处理模块和控制分析模块所述的超高速数据处理模块包括超高频信号处理电路、高频电流处理电路，所述的超高频信号处理电路的超高频信号传感器组经超高频信号限幅器和放大器与超高速同步数据采集卡的输入端相连，所述的高频电流处理电路的高频电流传感器经高频电流信号放大器与所述的多路超高速同步数据采集卡的输入端相连；所述的低速数据处理模块包括超声信号处理电路和工频信号处理电力，所述的超声信号处理电路的超声信号传感器组经超声信号放大器与多路低速数据采集卡的输入端相连，所述的工频信号处理电路的工频信号传感器经工频信号滤波器与所述的多路低速数据采集卡的输入端相连；所述的多路超高速同步数据采集卡和所述的多路低速数据采集卡触发信号接口由高频屏蔽线相连接；所述的多路超高速同步数据采集卡和所述的多路低速数据采集卡安装在同一 PXI (PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)机架中，通过机架中的数据总线连接，并通过PCI Express接口与所述的控制分析模块相连接，所述的控制分析模块对所述的多路超高速同步数据采集卡和所述的多路低速数据采集卡进行控制，并对其采集的数据进行处理分析、存储和显示所述的超高频信号传感器的检测频带为200MHz 1500MHz，所述的高频电流传感器的检测频带为IMHz 40MHz，所述的超声信号传感器的谐振中心频率为150kHz，所述的工频信号传感器耦合局部放电试品所加的工频电压信号。所述的超高速数据处理模块将局部放电脉冲信号本身作为触发信号，该触发信号通过超高速数据采集卡的触发信号输出端口经高频同轴屏蔽信号线同步输出至所述的低速数据采集卡，同时作为低速数据采集的触发信号。所述的控制分析模块为一台具有基于LabVIEW虚拟仪器平台开发的系统软件的计算机，所述的软件包括系统配置模块、数据采集模块与数据处理模块三部分所述的系统配置模块主要是通过人机交互界面为操作者提供系统配置参数的选择与输入途径最先需要配置的是检测模式，系统提供超高频检测、高频电流检测、超声检测以及三者的多种组合形式供选择；检测模式确定之后，计算机将自动或手动配置相关参数，包括采样率、采样长度、触发水平、采样幅值范围、相位校准偏移；所述的数据采集模块主要根据系统配置模块设定的参数完成数据采集和存储功能数据采集过程中，系统实时显示采样的原始波形和数据，并监控数据采集状态；数据保存可以根据需要选择原始波形数据或计算后的PRPD图谱数据；所述的数据处理模块主要对所采集的局部放电原始波形数据进行时域，频域、幅值与相位分布分析并显示相关结果，为局部放电诊断提供依据。一种利用所述的GIS局部放电声电联合检测系统进行局部放电源的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤
①、根据待测的变电站气体绝缘开关的环境情况和检测模式，合理布设所述的GIS 局部放电声电联合检测系统的超高频信号传感器、高频电流传感器和超声信号传感器，做好系统其他部件设置和电路的连接；②、系统启动后，所述的系统软件默认进入系统配置模块，通过系统参数配置界面，以人机交互的方式供操作者选择检测模式，系统提供超高频检测、高频电流检测、超声检测以及三者的多种组合形式供选择；检测模式确定之后，系统将自动配置或以人机交互的方式手动调整采样参数，主要包括采样率、采样长度、触发水平、采样幅值范围、相位校准偏移，系统配置完成；③系统配置完成后，点击数据采集键启动数据采样所述的控制分析模块启动相应的传感器进行同步测量，所述的多路超高速同步数据采集卡的输出端和所述的多路低速数据采集卡通过系统数据总线和PCI Express接口分别将所采集的波形数据传入所述的控制分析模块；④、所述的数据分析处理模块对所采集的局部放电原始波形数据进行时域，频域分析和局部放电幅值与相位分布分析，并将所得的局部放电幅值相位分布图谱实时显示在界面中，为局部放电源的诊断和定位提供依据。所述的超高速数据采集，采用快速帧采集技术，系统将局部放电脉冲波形作为一个采样帧，在整个采样时间上，仅采集含有局部放电脉冲的波形片段，而丢弃大量的其他非局部放电脉冲波形数据。所述的局部放电的判断方法是当所述的GIS局部放电声电联合检测系统正常工作开始后，所述的控制分析模块通过超高速数据处理模块、低速数据处理模块同时接收到所述的超高频信号传感器、高频电流传感器、超声信号传感器耦合的超高频信号、高频电流信号和超声信号中两种及以上的信号，即可直接判断待测变电站气体绝缘开关存在局部放 H1^ ο所述的局部放电源的定位方法，是基于本系统的多路超高频信号的幅值或者时差、超高频与超声波信号时差或者多路超声波信号时差进行定位的，所述的时差基于能量积累法求得的，所述的局部放电源的定位包括初步定位和精确定位。所述的初步定位方法包括①通过信号幅值判断当系统检测到局部放电信号之后，通过比较多路超高频信号的幅值可初步判断局部放电源离幅值较大的传感器较近；②通过计算超高频信号时差判断通过比较超高频信号幅值，判断了局部放电的大致位置之后，通过计算局部放电信号传播到不同超高频传感器的时差，可在米级精度范围内初步定位局部放电源的位置。所述的局部放电源的精确定位方法是根据本发明系统进行的局部放电初步定位的结果，将超声波传感器布置于局部放电源附近检测超声波信号，根据超声信号与超高频信号的时差进行进一步的精确定位。与现有技术相比，本发明的优点如下本发明是基于虚拟仪器技术的便携式GIS局部放电声电联合检测系统，与现有技术相比具有以下四方面的创新点一、本发明基于虚拟仪器技术，成本比较低，且软件开发周期短，结构灵活，有很强的扩展性。二、本发明可同时检测局部放电的超高频信号、高频电流信号及超声波信号，通过对这三类声电信号进行对比分析，如果两种及两种以上信号同时存在便可直接判断存在局部放电信号，这样大大提高了检测结果的有效性和可靠性。三、本发明集成超高速数据采集装置和低速数据采集装置于一体，超高速数据采集装置以局部放电脉冲信号为触发信号，同时将该信号路由至低速数据采集卡，实现高低速数据的采集同步启动。可同时实现局部放电检测与局部放电源定位功能。四、本发明采用快速帧采集技术，在整个采样时间上，仅采集含有局部放电脉冲的波形片段，而丢弃大量的其他非局部放电脉冲波形数据，可实现局部放电脉冲信号的连续触发，同时在保证采集高速的前提下，实现数据的小容量存储处理。


图1为系统硬件结构示意图。
图2超高速及低速数据采集卡数据采集同步启动示意图。
图3超高频初步定位示意图。
图4系统软件结构与功能图。
图5超声定位仿真应用。
图6系统检测出的实验室模拟放电PRPD图谱。
图7系统数据处理模块界面及实验室模拟放电(含噪声、干扰)检测结果。
图8变电站GIS局部放电超高频及高频电流检测波形。
图9 GIS超高频局部放电检测系统现场检测数据及处理。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。根据GIS局部放电声电联合检测方法中同步检测局部放电超高频信号，高频电流信号及超声波信号的需要，本发明GIS局部放电声电联合检测系统的结构如图1所示。一种GIS局部放电声电联合检测系统，包括超高速数据处理模块、低速数据处理模块和控制分析模块。超高速数据处理模块通过超高速同步数据采集卡，可高速采集最多4路经过限幅器限幅与放大器放大后的超高频局部放电脉冲信号或者高频电流信号；低速数据处理模块通过低速数据采集卡，最多可采集8路经过放大器放大的局部放电超声波信号或者工频同步信号。高、低速数据采集卡通过高频屏蔽线连接触发信号，并以高速数据采集卡输出的触发信号作为低速数据采集卡的采集启动信号，实现高低速数据采集卡采样的同步启动，二者均安放在PXI系统机架中，通过虚拟仪器技术受控制分析模块的控制。数据采集卡采集到的局部放电数据通过PCI Express接口(PXI-ExpressCard 8360)传送至控制分析模块实现数据的分析、存储和显示。超高速数据处理模块超高速数据处理模块负责局部放电超高频信号及高频电流信号的耦合及采集。局部放电超高频信号，通过检测频带为200MHz 1500MHz的超高频传感器耦合。传感器放置于GIS腔体隔断处盆式绝缘子外侧，并使用防静电松紧带固定。所检测的超高频信号经过限幅器限幅与放大器放大与后通过高频同轴电缆连接至高速数据采集卡，最长连接距离为 15米。高频电流传感器检测频带为IMHz 40MHz，采用环形开口形式，可直接套装于GIS 接地线或GIS腔体隔断处盆式绝缘子外侧的金属连接条上，以耦合接地电流或其所置检测点的高频脉冲电流信号成分。耦合的局部放电高频脉冲电流信号在接入高速数据采集卡之前也通过滤波器和放大器进行了滤波与放大的调理过程。该调理电路与超高频信号调理电路集成在一起，使用锂电池供电，以减少因电气连接而引入的干扰。多路同步超高速数据采集卡为NI-5154，以最高可达2GS/s的采样速率以及IGHz 的模拟带宽对连接的信号采用下述的快速帧技术进行采集。快速帧技术即采集卡将一个局部放电脉冲片段定义为一帧，采集时以局部放电脉冲信号本身作为触发源，触发后仅对所触发的局部放电脉冲帧进行采集，而丢弃其他非脉冲部分的数据。帧长度默认为ι μ S，也根据实际脉冲长度修改，比如40 μ S。因为局部放电脉冲信号在整个数据采集时间轴上所占比例一般不到1 %，快速数据帧技术可实现局部放电脉冲的连续触发，高速采集及小容量存储处理。低速数据处理模块低速数据处理模块负责局部放电超声波信号与工频信号的耦合及采集。超声波信号通过谐振中心频率为150kHz的外置谐振式传感器耦合，检测时使用超声耦合剂将传感器直接粘置于GIS腔体外表面，耦合的超声波信号通过放大及通带频率为80kHz 200kHz 的带通滤波后送入低速数据采集卡。工频信号主要为采集的局部放电脉冲信号提供相位参考，其通过电压传感器从变电站配电箱或PT 二次侧取电获得，传感的电压信号经过低通滤波及相关调整后接入低速数据采集卡NI-6133，最高采样率2. 5MS/s。高、低速数据处理模块的同步如图2所示，高速数据处理模块将局部放电脉冲信号本身作为触发信号，该触发信号通过超高速数据采集卡的触发信号输出端口同步输出，该触发信号经高频同轴屏蔽信号线连接至低速数据采集卡作为低速数据采集的触发信号，线缆接头采用 SMA(SubMiniature version Α)接头。从而实现高低速数据采集的同步启动。由此计算出的低速数据采集卡所采样的工频信号初始相位角，便可标定为触发该次采样的局部放电脉冲信号所在工频信号的相位角位置。局部放电脉冲信号所在工频信号的相位角位置计算过程如下所示1、计算采样工频信号的初始相位角0。，以及采样工频信号的实时频率f，记录每个局部放电脉冲出现的瞬时时刻t” t0为触发工频信号采样局部放电脉冲出现的瞬时时刻。2、利用公式⑴计算接着出现的局部放电脉冲的相位角
权利要求
1.一种便携式GIS局部放电声电联合检测装置，其特征在于该装置硬件包括超高速数据处理模块、低速数据处理模块和控制分析模块所述的超高速数据处理模块包括超高频信号处理电路、高频电流处理电路，所述的超高频信号处理电路的超高频信号传感器组经超高频信号限幅器和放大器与超高速同步数据采集卡的输入端相连，所述的高频电流处理电路的高频电流传感器经高频电流信号放大器与所述的多路超高速同步数据采集卡的输入端相连；所述的低速数据处理模块包括超声信号处理电路和工频信号处理电路，所述的超声信号处理电路的超声信号传感器组经超声信号放大器与多路低速数据采集卡的输入端相连， 所述的工频信号处理电路的工频信号传感器经工频信号滤波器与所述的多路低速数据采集卡的输入端相连；所述的多路超高速同步数据采集卡和所述的多路低速数据采集卡触发信号接口由高频屏蔽线相连接；所述的多路超高速同步数据采集卡和所述的多路低速数据采集卡安装在同一 PXI机架中，通过机架中的数据总线连接，并经PCI Express接口与所述的控制分析模块相连接， 所述的控制分析模块对所述的多路超高速同步数据采集卡和所述的多路低速数据采集卡进行控制，并对其采集的数据进行处理分析、存储和显示。
2.根据权利要求1所述的便携式GIS局部放电声电联合检测装置，其特征在于所述的超高频信号传感器的检测频带为200MHz 1500MHz，所述的高频电流传感器的检测频带为 IMHz 40MHz，所述的超声波信号传感器的谐振中心频率为150kHz，所述的工频信号传感器耦合局部放电试品所加的工频电压信号。
3.根据权利要求1所述的便携式GIS局部放电声电联合检测装置，其特征在于所述的超高速数据处理模块将局部放电脉冲信号本身作为触发信号，该触发信号通过超高速数据采集卡的触发信号端口输出，经高频同轴屏蔽信号线同步输出至所述的低速数据采集卡， 同时作为低速数据采集的触发信号。
4.根据权利要求1所述的便携式GIS局部放电声电联合检测装置，其特征在于所述的控制分析模块为一台具有基于LabVIEW虚拟仪器平台开发的系统软件的计算机，所述的软件包括系统配置模块、数据采集模块与数据处理模块三部分所述的系统配置模块主要是通过人机交互界面为操作者提供系统配置参数的选择与输入途径最先需要配置的是检测模式，系统提供超高频检测、高频电流检测、超声检测以及三者的多种组合形式供选择；检测模式确定之后，计算机将自动或手动配置相关参数，包括采样率、采样长度、触发水平、采样幅值范围、相位校准偏移；所述的数据采集模块主要根据系统配置模块设定的参数完成数据采集和存储功能数据采集过程中，系统实时显示采样的原始波形和数据，并监控数据采集状态；数据保存可以根据需要选择原始波形数据或计算后的PRPD图谱数据；所述的数据处理模块主要对所采集的局部放电原始波形数据进行时域，频域、幅值与相位分布分析并显示相关结果，为局部放电诊断提供依据。
5.一种利用所述的GIS局部放电声电联合检测系统进行局部放电源的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤①、根据待测的变电站气体绝缘开关的环境情况和检测模式，合理布设所述的GIS局部放电声电联合检测系统的超高频信号传感器、高频电流传感器、超声信号传感器，做好系统其他部件设置和电路的连接；②、系统启动后，所述的系统软件默认进入系统配置模块，该系统配置模块通过系统参数配置界面，以人机交互的方式供操作者选择检测模式，系统提供超高频检测、高频电流检测、超声检测以及三者的多种组合形式供选择；检测模式确定之后，系统将自动配置或以人机交互的方式手动调整采样参数，主要包括采样率、采样长度、触发水平、采样幅值范围、相位校准偏移，系统配置完成；③系统配置完成后，点击数据采集键启动数据采样所述的控制分析模块启动相应的传感器进行同步测量，所述的多路超高速同步数据采集卡的输出端和所述的多路低速数据采集卡的输出端通过系统数据总线和PCI Express接口分别将所采集的波形数据传入所述的控制分析模块；④、所述的数据分析处理模块对所采集的局部放电原始波形数据进行时域，频域分析和局部放电幅值与相位分布分析，并将所得的局部放电幅值相位分布图谱实时显示在界面中，为局部放电源的诊断和定位提供依据。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于所述的超高速数据采集，采用快速帧采集技术，将局放脉冲波形作为一个采样帧，在整个采样时间上，仅采集含有局部放电脉冲的波形片段，而丢弃大量的其他非局部放电脉冲波形数据。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于所述的局部放电源的诊断方法是当所述的GIS局部放电声电联合检测系统正常工作开始后，所述的计算机通过超高速数据处理模块、低速数据处理模块同时接收到所述的超高频信号传感器、高频电流传感器、超声信号传感器的高频脉冲信号、高频电流信号和超声信号中两种及以上的信号，即可直接判断待测变电站气体绝缘开关存在局部放电。
8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于所述的局部放电源的定位方法，是基于本系统的多路超高频信号的幅值或者时差、超高频与超声波信号时差或者多路超声波信号时差进行定位的，所述的时差基于能量积累法求得的，所述的局部放电源的定位包括初步定位和精确定位。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于所述的初步定位方法包括①通过信号幅值判断当系统检测到局部放电信号之后，通过比较多路超高频信号的幅值可初步判断局部放电源离幅值较大的传感器较近；②通过计算超高频信号时差判断通过比较超高频信号幅值，判断了局部放电的大致位置之后，通过计算局部放电信号传播到不同超高频传感器的时差，可在米级精度范围内初步定位局部放电源的位置。
10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于所述的局部放电源的精确定位方法是根据权利要求9所述的初步定位的结果，将超声波传感器布置于局部放电源附近检测超声波信号，根据超声信号与超高频信号的时差进行进一步的定位。
全文摘要
一种GIS局部放电声电联合检测系统和定位方法，本系统将高速采集装置、低速采集装置集成于一体，通过局部放电脉冲信号本身作为触发源，同步触发信号的高速采集和低速采集，以实现对GIS局部放电的超高频信号、高频电流信号和超声波信号的同步电声联合检测。本发明通过对超高频信号、高频电流信号和超声波信号三种信号的综合分析，可有效排除现场干扰，提高局部放电检测的准确性。通过计算所检测的局部放电超高频脉冲信号与超声波脉冲信号本身或两者之间的时差可实现对局部放电源的精确定位。
文档编号G01R31/12GK102435922SQ20111033004
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者侯慧娟, 刘亚东, 叶海峰, 司良奇, 张天辰, 李清, 江秀臣, 王鸿杰, 盛戈皞, 胡岳, 黄兴泉 申请人:上海交通大学, 河南电力试验研究院