变压器局部放电故障源的定位方法

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变压器局部放电故障源的定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及变压器运行维护领域，具体而言，涉及一种用于变压器局部放电故障\n源的定位方法。\n背景技术\n[0002] 电力变压器是电力系统的枢纽设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全\n与稳定。对实际故障的统计分析表明，绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因，而局部放电是造成绝缘故障的重要原因。\n[0003] 准确的局部放电故障定位不仅对局部放电危害程度的评估有重要作用，而且是实\n现变压器状态检修的基本前提之一，可以为变压器状态检修提供科学的指导，以便维护人\n员有针对地进行设备维修，此外，还有利于迅速排查故障和提高维修水平，同时也对改进变压器的结构设计、提高制造工艺水平具有指导意义。\n[0004] 超宽带射频定位法是一种变压器局部放电定位方法，该方法通过四阵元天线阵列\n检测局部放电源辐射射频电磁波信号，在四路同步信号波形中提取信号的相对时延参量，\n根据最短光程原理设计合理的定位算法完成对放电源空间位置的计算，从而实现对变压器\n局部放电源所处三维几何空间的定位。\n[0005] 相关技术中采用时间差方法完成对放电源空间位置的计算。图1示出了相关技术\n的时间差方法的原理示意图。该方法根据测量到的时延参量S1、S2、S3建立两个双曲面方\n程，并求解方程得到两个双曲面之间的交点PD，该交点即为定位计算结果。\n[0006] 在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中的时间差方法对变压器实测过程中\n产生的参量误差较敏感，即使是微小的参量误差，也极有可能导致方法失效或者定位误差\n较大。\n发明内容\n[0007] 本发明旨在提供一种用于变压器局部放电故障源的定位方法，能够解决现有技术\n中的时间差方法对变压器实测过程中产生的参量误差较敏感，即使是微小的参量误差，也\n极有可能导致方法失效或者定位误差过大的问题。\n[0008] 在本发明的实施例中，提供了一种变压器局部放电源的定位方法，包括以下步\n骤：\n[0009] 通过多个传感模块在变压器内部检测局部放电源产生的射频信号，并记录检测到\n多个射频信号的起始时刻；\n[0010] 根据多个起始时刻确定射频信号的实测时延参量；\n[0011] 设置射频信号的波速参量；\n[0012] 根据实测时延参量及波速参量，利用空间网格剖分方法搜索得到局部放电源位\n置。\n[0013] 本实施例通过采用多个传感模块对变压器内部的局部放电源进行检测，得到射频\n信号的实测时延参量，设置好射频信号的波速参量后，进而利用空间网格剖分方法搜索得\n到局部放电源位置，降低了对时延和波速参量精度的要求，提高了定位精度，克服了现有技术中的时间差方法对变压器实测过程中产生的参量误差较敏感，即使是微小的参量误差，\n也极有可能导致方法失效或者定位误差过大的问题。\n附图说明\n[0014] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发\n明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：\n[0015] 图1示出了根据本发明一个实施例的变压器局部放电源的定位方法流程图；\n[0016] 图2示出了根据本发明一个优选实施例的网格剖分示意图；\n[0017] 图3示出了根据图2实施例的网格搜索示意图；\n[0018] 图4示出了根据本发明一个实施例的采用变压器局部放电源定位方法的系统示\n意图；\n[0019] 图5示出了根据本发明一个实施例的采用四阵元传感器阵列采集四路同步射频\n信号的波形图；\n[0020] 图6示出了根据本发明一个实施例的采用Labview方法程序界面的部分截图；\n[0021] 图7示出了根据图6实施例的三维空间定位截图。\n具体实施方式\n[0022] 下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。\n[0023] 图1示出了根据本发明一个实施例的变压器局部放电源的定位方法流程图，包括\n以下步骤：\n[0024] S102，通过多个传感模块在变压器内部检测局部放电源产生的射频信号，并记录\n检测到多个射频信号的起始时刻；\n[0025] S104，根据多个起始时刻确定射频信号的实测时延参量；\n[0026] S106，设置射频信号的波速参量；\n[0027] S108，根据实测时延参量及波速参量，利用空间网格剖分方法搜索得到局部放电\n源位置。\n[0028] 本实施例通过采用多个传感模块对变压器内部的局部放电源进行检测，得到射频\n信号的实测时延参量，设置好射频信号的波速参量后，进而利用空间网格剖分方法搜索得\n到局部放电源位置，降低了对时延和波速参量精度的要求，提高了定位精度，克服了现有技术中的时间差方法对变压器实测过程中产生的参量误差较敏感，即使是微小的参量误差，\n也极有可能导致方法失效或者定位误差过大的问题。\n[0029] 优选地，上述多个传感模块为四阵元传感器阵列，采用四阵元传感器阵列可以得\n到较好的实测时延参量，较适合本实施例。\n[0030] 优选地，利用空间网格剖分方法搜索得到局部放电源的位置具体包括：\n[0031] 利用空间网格剖分方法对变压器占据的空间区域进行搜索得到放电源所在的第\n一网格单元；\n[0032] 利用空间网格剖分方法对第一网格单元进行搜索得到放电源所在的位置。\n[0033] 由于电力变压器内部的定位空间较大，通过两次空间网格剖分搜索，提高了定位\n搜索的效率和准确度。\n[0034] 图2示出了根据本发明一个优选实施例的网格剖分示意图；图3示出了根据图2\n实施例的网格搜索示意图。\n[0035] 优选地，利用空间网格剖分方法对变压器占据的空间区域进行搜索得到放电源所\n在的第一网格单元具体包括：\n[0036] 将空间区域离散为多个网格单元；\n[0037] 以每个网格单元的中心作为射频信号发射源，由中心与多个传感模块之间的距离\n及波速参量，求得每个网格单元的多个来波时刻；\n[0038] 对每个所述网格单元，根据多个来波时刻确定网格单元的时延参量；\n[0039] 将与实测时延参量最接近的时延参量所属的网格单元作为第一网格单元。\n[0040] 空间网格剖分搜索方法(简称网格搜索方法)，以电磁波传播的最短光程原理为\n基础，以三个相对时延值及波速作为参量。首先建立三维定位空间(X，Y，Z三个维度)，以一定边长的小型正方体为基准划分定位空间，即通过将X，Y，Z三个坐标轴分别离散成一定长度的线段实现对整体空间的网格剖分，以实测四路同步射频信号的时延值作为搜索参量，\n在剖分出的空间网格中逐一搜索放电源位置。\n[0041] 优选地，上述网格单元为边长为第一边长的正方体。\n[0042] 优选地，上述第一边长的取值范围为10-20cm。\n[0043] 例如，根据实际情况设定定位空间大小，将整个定位空间划分为[N1，N2，N3，...，Nn]共计n个20cm×20cm的空间立方体网格，如附图2(图中S1-S4为定位传感器阵元)所\n示，事先确定各传感器的位置坐标，利用各空间网格与各传感之间的距离根据最短光程原\n理分别求取各传感器的第一来波时刻，分别设为tL1，tL2，tL3，tL4，求取三个第一时延值即：tL12＝tL2-tL1，tL13＝tL3-tL1，tL14＝tL4-tL1。对剖分的各空间网格进行编号，分别设为1，2，3......n号空间网格，各空间网格对应的第一时延值分别为：[t1L12，t1L13，t1L14]，[t2L12，t2L13，t3L14]......[tnL12，tnL13，tnL14]，设实测时延值为ts12，ts13，ts14，将每个网格对应的第一时延值与实测时延值进行比较，求取：[(|t1L12-tS12|+|t1L13-tS13|+|t1L14-tS14|)，(|t2L12-tS12|+|t2L13-tS13|+|t2L14-tS14|)，......，|tnL12-tS12|+|tnL13-tS13|+|tnL14-tS14|]区间中的最小值，假设在上述过程中求取的最小值为(|tiL12-tS12|+|tiL13-tS13|+|tiL14-tS14|)，则说明实际放电源距离第i个空间网格最为接近，可将第i个空间网格近似看做放电源的所在位置的局部空间，如附图3所示，求取第i个网格对应的空间坐标作为初步的搜\n索结果输出，将此区域作为第二次网格剖分搜索空间进行第二轮的细化网格剖分搜索。\n[0044] 优选地，利用空间网格剖分方法对第一网格单元进行搜索得到放电源所在的位置\n具体包括：\n[0045] 将第一网格单元离散为多个第二网格单元；\n[0046] 以每个第二网格单元的中心作为射频信号发射源，由第二网格单元的中心与多个\n传感模块之间的距离及波速参量，求得每个第二网格单元的多个第二来波时刻；\n[0047] 根据多个第二来波时刻确定每个第二网格单元的第二时延参量；\n[0048] 将实测时延参量与多个第二网格单元的第二时延参量逐一进行比较，得到局部放\n电源的位置。\n[0049] 优选地，上述第二网格单元为边长为第二边长的正方体。\n[0050] 优选地，上述第二边长的取值范围为小于或等于1cm。\n[0051] 将网格边长设定为1cm或更小，除网格边长及搜索空间设置不同外，其基本原理\n与第一次计算过程完全一致，最终给出包含放电源的小网格作为定位结果。\n[0052] 由于电力变压器内部定位空间较大，为提高搜索效率及搜索准确度，设计两次网\n格剖分及搜索过程，分别称之为初步剖分搜索过程及细化剖分搜索过程。初步剖分搜索过\n程可将定位空间剖分为较大体积的空间网格，空间网格边长一般设定为10cm-20cm，在已知传感器位置坐标的基础上，假定空间中每个网格作为信号发射源，根据最短光程原理求取\n各网格对应的第一相对时延值，其中与实测时延值最为接近的第一时延值对应网格所指示\n的区域即为真实的信号辐射源所在空间。将初步剖分搜索结果指定的空间进行细化剖分搜\n索，设定剖分网格边长为5cm或更小，进行第二轮网格剖分搜索计算，过程及方法与第一次完全一致，即可在小范围内较为准确的锁定实测信号所对应的放电源位置。\n[0053] 图4示出了根据本发明一个实施例的采用变压器局部放电源定位方法的系统示\n意图，该方法是一种通过空间电磁波耦合测量的定位技术，其特有的测量机理使其能够克\n服传统定位方法的缺点，如检测灵敏度低、难以在线应用等，取得更加理想的定位效果。超宽带射频定位技术从系统组成方面能够分为硬件测量系统和软件计算系统。硬件测量系统\n主要由信号检测系统、信号调理系统、信号传输系统以及数字采样系统等组成，主要实现局部放电射频电磁波信号的检测及数字化采样，从放电射频信号中提取定位计算所需参量。\n软件部分主要由定位数学方法、数据文件读取及保存等功能模块组成，其核心是定位计算\n方法。定位数学方法的设计必须与定位测量系统相匹配，直接关系到对硬件测量数据处理\n的有效性以及最终计算结果是否准确，也是定位技术是否能够取得实际应用的关键因素之\n一。\n[0054] 在本发明的实施例中，由于通过对空间进行网格离散，因此不可避免的引入离散\n误差，在精确获取时延参量的情况下定位精度没有时间差方法高，但是其与时间差方法相\n比最大的优点在于对时延值及波速参量的要求不是十分苛刻，允许各参量存在一定的误\n差，目前的研究结果表明，三个实测时延参量的累计误差限定在3ns范围内，均能获得较为准确的定位结果，同时通过网格大小的合理选取，方法带来的离散误差也可限定在较小的\n区域内，满足变压器局部放电定位精度的要求，在本领域中，通常认为电力变压器局部放电故障定位误差限定在30cm范围内，定位结果有效。而常用的时间差算法由于算法自身结构\n的限制，在一些特殊位置处通常会因为单项时延值存在微量误差(小于1ns)而导致算法\n发散或计算误差过大，由于电力变压器内部结构非常复杂，电磁波的传播受到铁心、绕组、引线、夹件等金属结构以及油纸绝缘结构的综合作用，测量到的射频电磁波信号不可避免\n的发生畸变，从而导致信号时延产生误差，同时电磁波波速也很难精确获取，因此当定位参量存在一定误差时，定位算法是否能够完成有效定位是衡量定位算法结构可行性的重要因\n素。\n[0055] 网格搜索方法是一种“区域”定位而非“点”定位，由于方法本身已将空间离散，因此计算结果实际是空间网格的编号，依据该编号还原网格位置后，体现的是单个网格所在\n的区域，并以该区域作为最接近局部放电源位置的一个小空间，在计算出结果后，应对计算结果所在空间进行搜寻，如果计算结果与实际位置偏差在一定范围内，则能够在计算结果\n限定的区域内找到实际的局部放电源所在位置，搜寻空间大小取决于网格剖分的大小，并\n与网格尺寸成正比。\n[0056] 例如，在本发明的一个优选实施例中，对局部放电源进行定位的步骤如下：\n[0057] (1)在四路实测同步信号波形中测量时延参量\n[0058] 图5示出了根据本发明一个实施例的采用四阵元传感器阵列采集四路同步射频\n信号的波形图，在图5中t1-t4为各路信号的起始时刻，在每路波形中读取信号起始时刻，\n分别设为t1，t2，t3，t4，分别做差值求取四路信号之间的相对时延值，设t12＝t2-t1，t13＝t3-t1，t14＝t4-t1，以此作为相对时延的实测值。\n[0059] (2)合理设定波速值\n[0060] 电力变压器箱体内部辐射电磁波的传播路径主要为油纸混合结构，油纸混合结构\n中多以油道结构为主，大量实测结果表明波速值设定为19.8cm/ns时定位精度较高，可将\n此值作为波速选取的参考值。\n[0061] (3)编写方法程序\n[0062] 选择合理的计算机编程软件，如matlab，Labview软件等，根据前述的方法原理设计计算机程序流程，编写定位方法程序。目前已用Labview专业编程软件开发出空间网格\n剖分搜索方法程序，图6示出了根据本发明一个实施例的采用Labview方法程序界面的部\n分截图。\n[0063] (4)定位计算\n[0064] 合理设定网格剖分尺寸及搜索起始位置，将步骤(1)中测量的时延值以及步骤\n(2)中给出的波速参考值带入计算机程序，完成定位计算，并在三维空间中显示定位结果，图7示出了根据图6实施例的三维空间定位截图。\n[0065] 上述实施例中的应用于超宽带射频定位技术的新型定位方法-空间网格剖分搜\n索方法，能够有效克服时间差方法的不足，方法自身的结构特点降低了其对时延及波速参\n量精度的要求，当时延及波速误差限定在一定范围内时均能够进行有效地定位计算，参量\n误差对计算结果的影响远低于时间差方法，因此该方法在真实变压器测量环境中的适用性\n高于时间差定位方法。\n[0066] 显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用\n的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成\n的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们\n中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的\n硬件和软件结合。\n[0067] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技\n术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。