一种局部放电测量方法与流程

本发明属于电气设备局部放电检测技术领域，特别涉及一种利用电气设备金属壳体上的缝隙作为传感接收天线的局部放电测量方法。

背景技术：

近年来，高压开关柜、变压器、气体绝缘封闭式组合电器(gis)等高压电气设备在电力系统中的使用日益广泛。高压电气设备运行时，其内部会因电气绝缘缺陷而发生局部放电(pd)现象，局放现象严重时会导致绝缘击穿，成为设备故障的主要因素。因此，对高压电气设备进行局部放电检测是保障设备正常运行的重要手段。

当设备内部发生局部放电现象时，会伴随产生一系列的物理与化学现象，如电脉冲、超声波、电磁波、光、热及一些新的化学物质。其中，由局放所产生的电磁波因可提取的有效信息量大而成为目前局放检测的主要研究对象。局放产生的电磁波在设备金属壳体内部按照电磁波传播规律传播，电磁波信号从源点处向四周传播，会在设备金属壳体内部发生反射、折射、吸收，直至衰落，在设备金属壳体存在缝隙的位置，电磁波信号还会经由壳体缝隙传输至设备金属壳体外部。

局放检测中最常见的uhf法(ultrahighfrequency，特高频)正是利用了电磁波的传播特点，通过在电气设备金属壳体缝隙处外面设置传感器(外置传感器)或在电气设备金属壳体内部设置传感器(内置传感器)，利用传感器对局放产生的电磁波进行探测，并将检测到的信号传输至检测仪器，进而完成对局部放电信号的检测与识别。但在实际应用中发现，内置传感器安装在电气设备金属壳体内部检测局放信号，虽然具有灵敏度高、信号检测全面的优点，但一方面由于传感器位于设备内部，离内部的高压线路很近，因此无法避免高压给传感器测量带来的不良影响，另一方面安装传感器也会影响高压设备绝缘性能，给设备的运行带来了不稳定因素。外置传感器安装在电气设备金属壳体缝隙处外面来检测局放信号，虽然减小了传感器的安装对高压设备绝缘性能的影响，但受缝隙结构的滤波影响，局部放电所产生的电磁波信号只有部分泄露到了缝隙的外面，外置传感器不能够获取局部放电信号的全部信息，降低了检测灵敏度，不利于局部放电的检测和局部放电信号的识别。因此，如何能既不影响电气设备的绝缘性能，又能够对局部放电所产生的电磁波进行较为全面检测是业内需要解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用电气设备金属壳体上的缝隙作为传感接收天线的局部放电检测方法，可以在不影响电气设备绝缘性能的情况下，对局部放电所产生的电磁波进行较为全面的测量。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种局部放电测量方法，包括以下步骤：

步骤一、选择电气设备金属壳体表面已有的缝隙作为传感接收天线；

步骤二、在缝隙的边沿设置馈电点，在馈电点处连接同轴传输线，形成缝隙天线；

步骤三、将同轴传输线的另一端与局放信号检测电路相连，局放信号检测电路与显示处理设备相连，将由缝隙天线接收到的信号传输至所述局放信号检测电路，对局放信号进行检测，所述局放信号检测电路输出信号至所述显示处理设备。

进一步的，通过仿真分析的方式确定馈电点的位置。

进一步的，馈电点位置的确定方法如下：基于所选择的缝隙，利用电磁仿真软件建立该缝隙作为传感接收天线的仿真模型，以缝隙长边的中心点作为馈电点的初始位置；将馈电点与缝隙长边的中心点之间的距离设为仿真扫描的距离参数，馈电点的初始位置与缝隙长边的端部之间的距离设为仿真扫描的最大距离；在仿真软件中只改变距离参数，其他参数不变，以固定步进从0开始对距离参数逐一扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，获得与不同距离参数对应的天线仿真模型的回波损耗值；在所获得的回波损耗值中，找出其中的最小值，根据该回波损耗最小值对应的距离参数确定缝隙的最佳馈电点。

进一步的，所述缝隙为设置于所述电气设备金属壳体上的散热孔或通风孔或测试孔或检修孔或制作工艺孔。

由以上技术方案可知，本发明方法利用电气设备金属壳体自身具有的缝隙结构作为传感接收天线，在缝隙的边沿设置一对馈电点(测量点)形成缝隙接收天线，通过缝隙接收天线接收设备内部的局放信号。由于有大量局部放电所产生的电磁波耦合到设备金属壳体的缝隙上，以电气设备金属壳体缝隙作为传感接收天线，既可以具备内置传感器的优点，全面检测到电气设备内部局部放电产生的电磁波信号，保持检测灵敏度，又可以回避其缺点，不影响电气设备自身的绝缘性能；同时也有效克服了外置传感器受缝隙滤波影响而不能较全面检测局放信号的问题。本发明方法无需额外设置传感器，也不用考虑传感器的安装位置，不受设备的种类、运行状态的限制，只要设备金属壳体表面上存在缝隙，就可以作为接收传感器，实现对高压电气设备的在线或非在线局放检测，简化了局部放电的检测过程。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的原理示意图；

图3为确定最佳馈电点位置的流程图；

图4为简化仿真模型示意图；

图4a为图4中a部分的局部放大示意图；

图5为仿真实验中缝长为50mm、60mm、70mm、缝宽为1mm的缝隙结构在最佳馈电位置(测量位置)条件下的s11参数图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

高压开关柜、高压断路器、高压配电柜、变压器、气体绝缘封闭式组合电器(gis)等高压电气设备由于功率大、产热多，因此在设备金属壳体的表面都必须设置散热通风渠道(如各种形状的孔隙)，以降低设备内部的环境温度，来保证设备的正常运转。此外，在这些设备的金属壳体表面还会设置用于测试、调试用途的孔隙结构，以方便维护人员对设备进行周期性的检查，及时排查故障。同时，为了满足减震、可拆卸等工艺需求，一些设备的壳体表面还会留有一些工艺缝隙。

根据缝隙天线的原理可知，当一个足够大的导体平面上开有缝隙时，在缝隙的边沿选取合适位置进行馈电(测量)，即可构成一个可以接收电磁波信号的缝隙接收天线。高压电气设备金属壳体表面存在的缝隙结构相对于整个设备的金属壳体来说，可以视为是在足够大的导体平面上开设了缝隙，此时，如果在设备金属壳体已有缝隙的边沿进行馈电(测量)，就可将设备本身的缝隙结构当作一个缝隙接收天线。

本发明的基本思路是：利用高压电气设备金属壳体上的已有的缝隙结构作为接收设备内部局放信号的接收天线，来进行局放信号的测量。由于直接利用了设备金属壳体上的缝隙作为接收传感器(接收天线)，无需额外安装传感器天线，从而可以达到既不影响设备的绝缘性能，又能够对局部放电所产生的电磁波进行较为全面测量的效果。

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参照图1和图2，本发明方法包括以下步骤：

步骤一、在电气设备金属壳体的表面选择已有的缝隙结构作为传感接收天线，用于接收来自壳体内部的局放电磁波信号，设备金属壳体的缝隙结构包括但不限于散热孔、通风孔、设备测试孔、设备检修孔以及制作工艺所留下的其它孔隙结构，孔隙结构的尺寸和形状不限；

步骤二、在缝隙边沿的边沿设置馈电点，在馈电点处连接同轴传输线，形成缝隙天线；可通过仿真分析的方式来确定缝隙的最佳馈电点(测量点)，即基于所选择的缝隙，利用电磁仿真软件，如ansyshfss软件，建立该缝隙作为传感接收天线的仿真模型，通过仿真分析确定最佳馈电点的位置，仿真分析的具体步骤参照后面的描述；此外，也可通过实际测量(回波损耗)的方式来确定缝隙的最佳馈电点；

步骤三、将同轴传输线的另一端与局放信号检测电路相连，局放信号检测电路与显示处理设备相连，本实施例的局放信号检测电路采用ad公司的型号为eval-ad8312的检测模块，显示处理设备为lecroy公司wavesurfer10型示波器，由缝隙天线接收到的信号传输至局放信号检测电路，对局放信号进行检测，局放信号检测电路同时将信号输出至显示处理设备，即可对局放信号进行观察。

为了验证电气设备金属壳体表面的缝隙结构能否作为天线来使用，发明人考察了电气设备金属壳体表面的缝隙结构的天线中心频率是否落在局部放电信号的uhf频段(0.5～3ghz)范围内。由于整个设备金属壳体表面相对缝隙来说可视为无限大平面，根据电磁波理论，以足够大平面上(平面尺寸大于缝隙天线中心频率的四分之一波长即可)的缝隙为例建立简化仿真模型即可满足要求。如图4和图4a所示，发明人使用ansyshfss软件建立了一个设备金属壳体的简化模型，参考实际设备上缝隙的尺寸及常见形状，如狭长缝隙，所建立的金属薄片的仿真模型的尺寸参数如下：金属薄片长m＝40cm，宽n＝20cm，厚度d＝1mm，在金属薄片上开设一狭长缝隙，缝长l及缝宽w可根据实际所选择的缝隙大小来设定。本实施例的天线模型的尺寸参数为：缝宽w＝1mm，缝长l分别为50mm、60mm、70mm。在缝隙的两长边上设置一对馈电点，馈电端口的阻抗z0＝50ω。在缝隙的相应位置馈电后，得到缝隙天线的回波损耗(以下简称s11参数)，根据回波损耗判断缝隙天线的中心频率是否落在局部放电信号的uhf频段(0.5～3ghz)范围内，如果是则可以作为缝隙接收天线来使用。

下面结合图3对最佳馈电点的确定方法进行说明，如图3所示，最佳馈电点仿真分析的方法如下：

以缝隙两长边的中心点作为馈电点的初始位置，将馈电点与缝隙长边的中心点之间的距离设为仿真扫描的距离参数，馈电点的初始位置与缝隙长边的端部之间的距离设为仿真扫描的最大距离，距离参数可为0mm～缝长l的一半；

利用ansyshfss的optimetrics功能，只改变距离参数大小，其他参数不变，以固定步进从0开始对距离参数逐一扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，获得不同距离参数下的天线模型的回波损耗值(以下简称s11参数)，即以固定步进移动馈电点，使馈电点从初始位置开始向缝隙长边的端部移动，每移动一个位置就获得一回波损耗值，本实施例的固定步进为1mm，依次令距离参数为0、1、2、3……，进行仿真扫描，直至距离参数等于仿真扫描的最大距离，扫描完成；

根据所获得的回波损耗值，找出其中的最小值，与该s11参数最小值对应的距离参数即为天线的最佳馈电点所在位置。

例如，天线模型的缝长l＝50mm时，当距离参数为19mm时，缝隙接收天线的s11参数图如图5中“l＝50mm”曲线所示，天线的中心频率为3ghz，落在局部放电信号的uhf频段(0.5～3ghz)范围内，带宽为0.28ghz，可很好地视为缝隙接收天线，用于接收局放信号。天线中心频率上的s11值为-28.81db，小于-10db，且为与不同距离参数(0mm～25mm)对应的s11的最小值，则与缝隙长边的中心点之间的距离为19mm的位置处为最佳馈电点。

天线模型的缝长l＝60mm时，采用相同的方法可确定与缝隙长边的中心点之间的距离为22mm的位置处为最佳馈电点。当距离参数为22mm时，缝隙接收天线的s11参数图如图5中“l＝60mm”曲线所示，天线的中心频率为2.52ghz，落在局部放电信号的uhf频段(0.5～3ghz)范围内，带宽为0.25ghz，可很好地视为缝隙接收天线，用于接收局放信号。天线中心频率上的s11值为-34.13db，小于-10db，天线特性良好。

天线模型的缝长l＝70mm时，采用相同的方法可确定与缝隙长边的中心点之间的距离为25mm的位置处为最佳馈电点。当距离参数为25mm时，缝隙接收天线的s11参数图如图5中“l＝70mm”曲线所示，天线的中心频率为2.18ghz，落在局部放电信号的uhf频段(0.5～3ghz)范围内，带宽为0.21ghz，可很好地视为缝隙接收天线，用于接收局放信号。天线中心频率上的s11值为-38.34db，小于-10db，天线特性良好。

上述缝长l＝50mm、60mm、70mm的狭长缝隙仅为仿例。实际应用中，可选更多长度的缝隙。只要满足在相应条件下，缝隙接收天线的中心频率落在局部放电信号的uhf频段(0.5～3ghz)范围内，且性能良好，即可作为传感接收天线，用于接收局放信号。

以上仿真结果说明了本发明方法用于检测设备内部局放信号的可行性，即利用高压电气设备的金属壳体表面的已有缝隙作为接收传感器，并通过选择不同长度的缝隙并在最佳馈电点处连接同轴传输线，可以实现不借助额外的传感器就能进行局放信号检测的目的。当缝隙结构接收到局放电磁波后，将信号传输至后续局放信号检测电路，即可对接收到的局放信号进行处理、测量等操作；再通过将局放检测检测电路与显示处理设备(如示波器)相连，便可完成局部放电信号的检测与识别。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。