一种配网架空线及沿线设备局部放电带电检测装置及方法

1.本发明属于电力设备检测技术领域，特别是涉及一种配网架空线及沿线设备局部放电带电检测装置及方法。


背景技术：

2.在我国城市的主城区、郊区及广大的农村地区，目前架空线广泛应用于中压配电网中。这些线路许多穿行于城市的道路旁或农田间的树林覆盖区域。线路与树枝的摩擦接触、沿线绝缘子、避雷器、断路器等设备的老化、突然的雷击等因素均可能导致架空线或沿线设备中产生局部放电现象，这些放电会降低线路的绝缘水平，如果不及时进行处理，最终可能发展成为永久故障，导致供电的中断，甚至可能会造成人身伤亡和森林大火。
3.目前，我国的电网公司主要采用超声巡检的方式对架空线及沿线设备上的局部放电缺陷进行查找，相比于传统的人眼巡视，取得了显著的应用效果，然而，在多年的超声巡检过程中，相关技术问题也逐渐凸显，超声检测目前面临两个突出问题：检测效率低下和对沿线设备内部放电灵敏度低。进行超声检测时，检测人员不得不沿着架空线路行走，对每一级杆塔从多个角度开展超声测试，这十分耗时耗力，尤其是当农村或丛林中没有人行道路时，线路的超声局部放电检测几乎无法开展。此外，当局部放电产生在沿线设备的内部时，例如断路器、变压器内部放电，因为超声信号在穿过固体介质到气体介质的分界面上会产生极大的衰减，导致其超声检测灵敏度低下，经常出现漏检的情况。针对这些问题，电力公司一直在寻求高效的解决方案，有研究人员提出采用无人机搭载超声检测装置进行架空线路巡线，但由于无人机的旋翼噪声干扰，严重影响了超声检测的灵敏度，使得该技术并未在架空线路局部放电检测领域中取得进一步应用。鉴于以上工业现状，目前如何提高架局部放电检测效率和覆盖范围是相关技术部门以及电力企业在配网架空线路状态评估中亟待解决的重要课题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种配网架空线及沿线设备局部放电带电检测装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种配网架空线及沿线设备局部放电带电检测装置，包括：
6.主端检测单元、从端检测单元及主控电脑；主端检测单元、从端检测单元分别与主控电脑之间相互连接；
7.主端检测单元，基于时钟校准指令进行时钟校准，时钟校准后，发送第一同步脉冲信号，接收第二同步脉冲信号，并基于采集时间指令，采集第一局部放电信息；
8.从端检测单元，基于时钟校准指令进行时钟校准，时钟校准后，接收第一同步脉冲信号，发送第二同步脉冲信号，并基于采集时间指令，采集第二局部放电信息；
9.主控电脑，发送时钟校准指令，接收到第一同步脉冲信号和第二同步脉冲信号后，
发送采集时间指令，并在采集时间指令发送后接收第一局部放电信息和第二局部放电信息，并基于第一同步脉冲信号和第二同步脉冲信号进行时钟同步，并基于所述时钟同步结果，根据第一局部放电信息和第二局部放电信息计算得到局部放电位置。
10.可选的，所述主端检测单元包括：
11.主端同步脉冲发射模块、主端局部放电传感器模块、主端绝缘手杆、主端通讯光纤和主端检测主机；主端同步脉冲发射模块和主端局部放电传感器模块分别通过主端通讯光纤与主端检测主机相连；主端同步脉冲发射模块和主端局部放电传感器模块均连接有主端绝缘手杆，用于将所述主端同步脉冲发射模块和所述主端局部放电传感器模块带电架设到架空线上；
12.主端同步脉冲发射模块，用于发送第一同步脉冲信号；
13.主端局部放电传感器模块，用于接收第二同步脉冲信号及第一局部放电信号；
14.主端绝缘手杆，用于带电架设所述主端局部放电传感器模块及所述主端同步脉冲发射模块；
15.主端通讯光纤，用于将所述第二同步脉冲信号和所述第一局部放电信号传输到主端检测主机中；
16.主端检测主机，用于控制所述主端同步脉冲发射模块发射所述第一同步脉冲信号，并将所述第二同步脉冲信号和所述第一局部放电信号发送到所述主控电脑。
17.可选的，所述从端检测单元包括：
18.从端同步脉冲发射模块、从端局部放电传感器模块、从端绝缘手杆、从端通讯光纤和从端检测主机；从端同步脉冲发射模块和从端局部放电传感器模块分别通过从端通讯光纤与从端检测主机相连；从端同步脉冲发射模块和从端局部放电传感器模块均连接有从端绝缘手杆，用于将所述从端同步脉冲发射模块和所述从端局部放电传感器模块带电架设到架空线上；
19.从端同步脉冲发射模块，用于发送第二同步脉冲信号；
20.从端局部放电传感器模块，用于接收第一同步脉冲信号以及第二局部放电信号；
21.从端绝缘手杆，用于带电架设所述从端局部放电传感器模块及所述从端同步脉冲发射模块；
22.从端通讯光纤，用于将所述第一同步脉冲信号和所述第二局部放电信号传输到从端检测主机中；
23.从端检测主机，用于控制所述从端同步脉冲发射模块发射所述第二同步脉冲信号，并将所述第一同步脉冲信号和所述第二局部放电信号发送到主控电脑。
24.可选的，所述主端检测主机和从端检测主机均基于时钟同步指令接收 gps授时信号，并基于所述gps授时信号对所述主端检测单元及所述从端检测单元的内部时钟进行更新以实现所述主端检测单元和所述从端检测单元的时间校准。
25.另一方面，为了实现上述目的，本发明提供了一种配网架空线及沿线设备局部放电带电检测方法，包括以下步骤：
26.通过主端检测单元获取第二同步脉冲信号和第一局部放电信号；
27.通过从端检测单元获取第一同步脉冲信号和第二局部放电信号；
28.通过主控电脑对所述第二同步脉冲信号和所述第一同步脉冲信号进行分析，得到
时间数据，其中时间数据包括第一同步脉冲信号及第二同步脉冲信号的起始时间数据及接收时间数据；
29.基于时间数据，计算得到传播时间，基于所述传播时间对时间数据进行同步处理，得到参考零点，并基于参考零点，根据第一局部放电信号和第二局部放电信号计算局部放电的位置。
30.可选的，所述传播时间的计算过程包括：
31.基于第一同步脉冲信号的起始时间及第二同步脉冲信号的接收时间进行计算，得到传播总时间，基于第一同步脉冲信号的接收时间及第二同步脉冲信号的起始时间进行计算得到间隔时间，
32.基于传播总时间及间隔时间进行计算得到往返时间；根据往返时间进行计算得到传播时间。
33.可选的，所述参考零点包括第一参考零点和第二参考零点，其中所述第一参考零点为所述第一同步脉冲信号的起始时间，所述第二参考零点为所述第二同步脉冲信号的起始时间与传播时间的差值。
34.可选的，所述局部放电的位置的计算过程包括：
35.基于第一参考零点与所述第一局部放电信号的起始时间计算得到主端局部信号时间间隔，基于第二参考零点与所述第二局部放电信号的起始时间计算得到从端局部信号时间间隔，基于主端局部信号时间间隔与从端局部信号时间间隔计算得到主从端局部信号时间间隔，基于主从端局部信号时间间隔计算得到局部放电位置与主端检测单元之间的距离，基于局部放电位置与主端检测单元之间的距离得到局部放电的位置。
36.可选的，所述主从端局部信号时间间隔计算的过程包括：
37.基于传播时间和传播速度进行计算得到架空线总长度；
38.基于主从端局部信号时间间隔及架空线总长度计算得到得到局部放电位置与主端检测单元之间的距离；所述传播速度为第一同步脉冲及第二同步脉冲在架空线上的传播速度。
39.本发明技术效果：
40.本发明提出了一种配网架空线及沿线设备局部放电带电检测装置及方法，主端检测单元和从端检测单元基于时钟校准指令，接收gps授时信号，主控电脑根据第一同步脉冲信号和第二同步脉冲信号，对主端检测单元和从端检测单元进行时钟同步，即本发明利用基于脉冲注入和gps混合同步方式，能够具有比传统gps同步方式(《200ns)更高的同步精度(《20ns), 从而提供更加准确的局部放电定位结果和设备工作可靠性；本发明通过主端检测单元和从端检测单元采集局部放电信号，主控电脑对第一局部放电信息和第二局部放电信息进行分析计算，即本发明采用的双端定位方法，可有效避免局部放电在架空线路各个分支点处的反射导致的局部放电定位误差或定位错误，提高定位结果的准确度。
附图说明
41.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
42.图1为本发明实施例中的系统组成示意图；
43.图2为本发明实施例中的双端定位原理图；
44.图3为本发明实施例中的脉冲注入和gps混合同步原理图；
45.图4为本发明实施例中的基于脉冲注入和gps混合同步的双端检测波形示意图；
46.图5为本发明实施例中的局部放电传感器模块组成示意图；
47.图6为本发明实施例中的局部放电传感器模块内部结构示意图；
48.图7为本发明实施例中的同步脉冲发射模块组成示意图；
49.图8为本发明实施例中的同步脉冲发射模块内部结构示意图；
50.图9为本发明实施例中的检测主机内部结构示意图；
51.图10为本发明实施例中的系统检测及定位理念示意图；
52.图11为本发明实施例中的现场布置示意图；
53.图12为本发明实施例中的检测结果示意图；
54.图13为本发明实施例中的缺陷实物图。
具体实施方式
55.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
56.本发明专利一种适用于配网架空线及沿线设备中局部放电带电检测方法及装置的实施方案如下：
57.如图1所示，本发明提供的架空线局部放电带电检测装置主要由两个检测单元(主端检测单元与从端检测单元)和一台主控电脑组成，每个检测单元主要由局部放电传感器模块、同步脉冲发射模块、通讯光纤、绝缘手杆和检测主机五部分组成。采用高频电流互感器作为局部放电感性耦合传感器即局部放电传感器模块；通过同步脉冲发射模块产生幅值远高于局部放电信号的同步脉冲信号，并与gps的pps输出进行配合，可实现两个检测单元的时钟精准且可靠的同步；使用绝缘手杆可将局部放电传感器模块和同步脉冲发射模块带电安装在正在运行架空线路上，并通过光纤将局部放电检测信号传输到检测主机，实现高压侧和低压侧可靠隔离；检测主机主要包括光电转换模块、同步脉冲触发器，数据采集模块、微处理器模块、4g通讯模块和gps模块，主要完成同步、数据采集、分析、上传等功能。主控电脑的功能则是控制两个检测单元开展局部放电检测，并将两个检测单元的局部放电检测数据汇集到一起，进行局部放电强度和位置评估。
58.本发明采用双端行波法实现架空线路上的局部放电精确定位，当局部放电出现在架空线路或沿线设备中时，会耦合到架空线路导体上，并沿着架空线路向两端传播(将向主端检测单元传播的局部放电信号命名为第一局部放电信息，将向从端检测单元传播的局部放电信号命名为第二局部放电信息)，因此，在架空线两端(分别命名为主端和从端)安装同步化的检测单元，通过计算局部放电信号到达两个检测单元的时间差就能定位局部放电源的位置，基本原理如图2所示，局部放电距离主端的位置可通过下式计算：
[0059][0060]
其中l
pd
为局部放电位置与主端检测单元的距离，l
ab
为待测架空线路的长度，ta为局部放电信号到达主端检测单元的时间，tb为局部放电信号到达从端检测单元的时间，v为
局部放电信号在架空线路上传播的速度即传播速度。这种双端行波定位方法的优点是定位精度高，且不受架空线路各个分支节点的反射波的影响。
[0061]
对于双端定位方法，其中一项关键的技术就是如何实现双端检测系统的时钟同步，本发明提出采用一种脉冲注入和gps混合同步方式，通过gps 触发两端检测系统进行数据采集，然后通过注入脉冲信号对gps进行校准，以实现双端系统时钟可靠和精准同步。基本工作流程如下所叙述(参考图 3和图4)：
[0062]
第一步：主控电脑发送时钟校准指令，主端检测单元和从端检测单元根据该指令接收gps授时信号，根据该信号对主端检测单元和从端检测单元的内部时钟进行更新，完成时钟校准，此时，主端检测单元与从端检测单元之间的时钟误差小于200μs；时钟校准指令还包含一个时间点信息(例如12：00：00)根据该时间点信息，两个检测单元该时间点处开启一个100μs的时间窗，使能脉冲同步。
[0063]
第二步：主端检测单元的微处理器控制同步触发器发射一个同步脉冲即第一同步脉冲信号，并耦合到架空线路上。
[0064]
第三步：主端检测单元发射的第一同步脉冲信号会沿着架空线路向从端传播。
[0065]
第四步：从端检测单元的局部放电传感器模块能够检测到这个脉冲，并能够触发从端检测主机中的同步脉冲触发器。
[0066]
第五步：从端同步脉冲触发器触发同步脉冲发射器发射另一个同步脉冲即第二同步脉冲信号，并耦合到架空线路上。
[0067]
第六步：从端检测单元发射的第二同步脉冲信号会沿着架空线路向主端检测单元传播。
[0068]
第七步：主端检测单元的局部放电传感器模块能够检测到从端检测单元发射的第二同步脉冲信号。
[0069]
第八步：100μs时间窗结束后，两个检测主机采集局部放电数据。
[0070]
经过上述脉冲同步过程，根据双端检测单元采集的信号数据(如图4 所示)可以得到高频脉冲信号在被测架空线路上的传播时间t，计算公式如下：
[0071][0072]
其中，t1为第一脉冲信号的发射时间即起始时间，t2为从端检测单元接收到第一脉冲信号的时间即接收时间，t3为第二脉冲信号的起始时间， t4为第二脉冲信号的接收时间。
[0073]
定义主端检测单元发射的第一同步脉冲的起始时间为参考时间零点 (t1)即第一参考零点，那么从端检测单元采集到的局部放电信号数据的参考零点可计算为(t
2-t)即第二参考零点，因此两端检测单元的检测数据被准确同步。参考公式(1)，局部放电位置可按下式计算
[0074][0075]
其中，l
pd
为局部放电部位与主端检测单元之间的距离，l
ab
为架空线总长度，ta为局部放电信号到达主端检测单元的时间，tb为局部放电信号到达从端检测单元的时间。
[0076]
架空线总长度l
ab
可通过下式进行计算：
[0077]
l
ab
＝t
·
v＝[(t
4-t1)-(t
3-t2)]
·vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0078]
其中，t为第一同步脉冲信号从主端传播到从端的时间即传播时间，v 为第一同步脉冲信号的传播速度。
[0079]
当被测架空线的长度信息缺乏的时候，通过同步脉冲估算被测架空线的长度将为现场局部放电定位应用中提供极大的便利，提供更加精准的局部放电定位结果。
[0080]
如图5和图6所示，每个检测单元包含三个完全一样的局部放电传感器模块(采用感性耦合的方式)，分别用于检测架空线三相线路的局部放电，每个局部放电传感器模块由高频电流互感器、仪表放大器、电光转换器和电池组成，高频电流互感器的灵敏度为5mv/ma，带宽为200khz-60mhz, 仪表放大器的放大倍数为4倍，带宽不小于100khz-100mhz,电光转换器带宽不小于dc-125mhz，电池采用8.4v锂电池。
[0081]
如图7和图8所示,同步脉冲发射模块主要由脉冲注入线圈、脉冲发射器、光电转换器和电池组成。脉冲注入线圈采用磁导率不小于2000的材料作为磁芯，匝数不超过10匝，脉冲发射器可产生幅值不低于50v，且脉宽不小于200ns的脉冲信号，电光转换器带宽不小于dc-125mhz，电池采用 8.4v锂电池。
[0082]
如图9所示，每个检测主机主要由光电(电光)转换模块、同步脉冲触发器、数据采集模块、微处理器模块、4g通讯模块和gps模块组成。光电(电光)转换模块带宽不小于dc-125mhz，同步脉冲触发器采用阈值触发原理，可以被高幅值的同步脉冲被动触发，也可以被微处理器主动触发，数据采集模块的采样率不小于50ms/s,采样位数不小于8位，微处理器模块采用fpga+arm架构，并行处理能力大于1gbyte,gps模块能够通过串口实时输出时间戳，且具有pps脉冲输出功能。需要说明的是，因为三相架空线路有着几乎对称的结构且三相架空线路的局部放电传感器的数据采用的是一个数据采集器同时采集，因此在每个检测单元中，只需要一个同步发射装置即可。
[0083]
本发明的检测装置可采用登电杆和乘坐绝缘陡臂车的安装形式，能在带电运行的架空线路上安全的安装布置，符合带电操作要求。如图10所示，为该检测方法和装置的应用效果示意图，能够开展几公里架空线路及沿线设备的局部放电检测，并能精确定位放到局部放电的具体位置，显著提高缺陷查找效率，为架空线路运维提供明确指导。
[0084]
本发明在一条真实的2125米长的三相架空线路上的一个应用案例。图 11展示了发明的装置在待测架空线路上的布置情况，两个检测单元(主端和从端)分别安装在架空线路的两端，红、黄、绿三相局部放电传感器分别安装在三相架空线路上，同步传感器安装在架空线的中间相上。检测结果如图12所示，双端检测系统能够准确地检测到同步脉冲和局部放电信号，证明了提出的同步方式的可行性和传感方式的有效性。根据同步脉冲之间的时间差(参考公式2)，可计算到同步脉冲从主端到从端的传播时间为7.864μs，成功完成双端检测单元的同步；定位结果显示，在距离主端282.7m处出现了明显的局部放电现象。整个测试过程在20分钟内完成，相比于传统的基于视觉或超声的巡视(大约需要几个小时)，效率显著提高。最后，为了确认局部放电的具体类型，在定位结果附近进行了查验，发现在距离主端大约280m的位置有一明明显的树枝搭接缺陷，如图13所示，如不进行及时处理，很可能发展成为接地故障，导致停电事故。因此，电网的运维人员立即修剪了该处树枝，并再次用本发明装置进行了复测，发现局部放电信号消失，证实了本发明装置检测到的就是该处缺陷。通过上述现场案例，证明了本发明的方法和装置的有效性。
[0085]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。