一種基於行波的GIL放電故障定位方法和裝置與流程
2024-02-06 00:32:15
本發明涉及超、特高壓輸變電設備狀態監測技術領域，並且更具體地，涉及一種基於行波的GIL放電故障定位方法及裝置。
背景技術：
GIL具有傳輸容量大、損耗小、不受環境影響、運行可靠性高、節省佔地等顯著優點，是一種具有廣泛應用前景的新型輸電設備。GIL內部主要是金屬導體和絕緣氣體，不存在斷路器、隔離開關等可動設備，其內部故障通常為絕緣失效導致的絕緣擊穿或對地閃絡故障，影響系統安全穩定運行。針對GIL內部放電的監測和定位，能夠及時發現故障並予以排查，為設備搶修提供精確指導，是GIL工程應用中的關鍵技術。
當前，GIL工程應用尚不普遍，與之類似的超、特高壓GIS設備在現場普遍會配備故障定位裝置。放電監測和定位的方法主要有人工監測、光學法、聲學法、特高頻法等，其中，聲學法中的超聲法和特高頻法在工程現場應用較多。
常規的人工監測依靠人的聽覺判斷配合現場設備耐壓試驗進行，對現場人員的經驗要求比較高，並只能判斷出故障範圍，不能實現精確定位。
光學法利用光電倍增器檢測放電發生時伴隨的發光，實現放電故障的檢測和定位。但不具備對故障的定位能力。此外，該方法所需要的裝置數量很大，成本過高。
聲學法通過加速度傳感器或聲發射傳感器檢測放電時伴隨的聲響或外殼振動，利用各測點之間的信號時間差來實現定位。為避免幹擾，一般選擇超聲頻段進行檢測，即常見的超聲定位法。一般認為，聲學檢測法不受電磁幹擾，適於現場應用。但是，限於超聲波傳播速度低、衰減大，其定位精度不高。此外，超聲定位裝置有效監測範圍較小，在變電站應用時難以使用經濟數量的傳感器獲得全範圍覆蓋。
特高頻（Ultra-high Frequency，UHF）法利用內置或外置特高頻傳感器檢測局部放電產生的特高頻電磁波信號，抗幹擾能力強、監測靈敏度高。利用不同測點之間的時間差可以實現放電故障的定位。特高頻法一般針對電氣設備內部的局部放電，由於放電產生的高頻電磁波在傳播過程中衰減很大，傳播路徑複雜導致信號畸變，其對放電的定位比較困難。此外，特高頻法需使用高採樣率的數字示波器和高精度特高頻天線，成本較高。
基於行波的GIL放電故障定位法，此方法由西門子公司提出，利用安裝在每相GIL兩端的陡波傳感器，將信號傳遞給該側GPS同步單元，通過兩端GPS輸出的秒脈衝信號計算時間差，進而得到故障定位結果。此方法原理簡單，裝置可靠，但是受限於目前技術水平，定位結果不夠準確，定位算法需要進一步改善，提高GIL故障定位結果的可靠性。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明著眼於GIL內部短時強烈的電弧放電故障，通過對放電行波信號的有效測量，利用放電行波信號在頻域的衰減情況計算出第一故障範圍，利用放電行波信號的上升時延變化和絕緣子理論響應時間計算出第二故障範圍，根據同步秒脈衝信號，利用雙端時差算法計算出第三故障範圍，對三個故障範圍進行對比分析，求取共同包括的故障點範圍，實現故障點的準確定位。
本發明實現故障定位只需在GIL兩端安裝陡波傳感器就可以實現準確定位，在現有技術的基礎上對GIL定位方法進行了大幅改善，同時利用最少的設備和最簡單的方法，準確地定位故障點所在位置，從而使得作業人員可以針對故障所在的位置進行快速修理，減小故障排查範圍，縮短系統故障恢復時間。
本發明中，所述放電故障定位方法包括4個部分：
1）利用放電行波信號在頻域的衰減情況計算出第一故障範圍。
計算獲得放電行波信號在GIL中傳播情況下電磁波衰減與距離的關係曲線，當現場發生放電故障時，對GIL任意一端安裝的陡波傳感器接收到的波形信號進行傅立葉變換，並得到該放電行波在傳播過程中的衰減程度，並將現場得到的放電行波衰減情況與電磁波衰減和距離的關係曲線對比，獲得故障點位置。考慮電磁波衰減與距離的關係曲線存在一定的不確定度，所以通過上述計算獲得的故障點不是一個點而是一個範圍，即第一故障範圍。
2）利用放電行波信號的上升時延變化和絕緣子理論響應時間計算出第二故障範圍。
獲得放電行波經過一個絕緣子的響應時間，當現場發生放電故障時，通過公式計算出故障點放電產生的放電行波向GIL兩端傳播，到達各端陡波傳感器時經過的絕緣子個數n1和n2，通過n1和n2確定第二故障範圍，結合絕緣子之間的間距，確定第二故障範圍，其中為放電行波信號的上升時間，為陡波傳感器所測得的信號波形上升時間，為示波器帶寬限制導致的上升沿時間延遲。
3）根據所述同步秒脈衝信號，利用雙端時差算法計算出第三故障範圍。
本發明中，通過公式
計算出故障點的第三故障範圍，其中，x為故障點與GIL一端傳感器的距離，Vt為根據所述同步脈衝信號確定的放點行波到達兩端測量點經過誤差校準的時間差，L為GIL的長度，v為放電行波在GIL中的傳播速度。
4）綜合評估
對得到的三個故障範圍進行對比分析，若無交集，則重新獲取故障點放電產生的放電行波信號並執行後續步驟。
配合本發明所需要的GIL定位裝置包括：
至少一對陡波傳感器，每對陡波傳感器分別安裝在每相GIL兩端的外殼預留安裝手孔處，用於接收故障點放電產生的且傳播至GIL兩端的放電行波信號；
數據採集單元，包括放置在GIL輸電系統兩端的第一採集子單元和第二採集子單元，用於存儲陡波傳感器接收到的放電行波信號和GPS同步單元發出的秒脈衝信號，並將所述放電行波信號和秒脈衝信號發送給定位處理單元；
GPS同步單元，包括第一同步單元和第二同步單元，其中第一同步單元與第一數據採集單元相連，第二同步單元與第二數據採集單元相連，用於提供給數據採集單元雙端同步秒脈衝信號；以及
定位處理單元，根據接收到的GIL輸電系統兩端的放電行波信號和秒脈衝信號對故障點進行定位，包括：
利用放電行波信號在頻域的衰減情況計算出第一故障範圍；
利用放電行波信號的上升時延變化和絕緣子理論響應時間計算出第二故障範圍；
根據所述同步秒脈衝信號，利用雙端時差算法計算出第三故障範圍；
對三個故障範圍進行對比分析，求取共同包括的故障點範圍，實現故障點的準確定位。
優選地，所述GIL輸電系統內部布置有多回GIL線路，且每回GIL線路均包括三相GIL，每相GIL均安裝有一對陡波傳感器。
優選地，所述系統之間的信號傳輸方式為光纖傳播方式或通過串口轉GPRS的通訊方式。
優選地，所述光纖傳播方式通過光端機進行將陡波傳感器發送的電信號轉換為光信號發送給數據採集單元。
附圖說明
通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：
圖1為根據本發明優選實施例的基於行波的GIL放電故障定位方法流程圖；
圖2為根據本發明優選實施例的不同頻率分量在傳輸不同距離後的衰減情況；
圖3為根據本發明優選實施例的基於行波的GIL故障定位裝置的工作原理圖；以及
圖4為根據本發明優選實施例的陡波傳感器的結構圖。
具體實施方式
現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，並且不局限於此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，並且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的範圍。對於表示在附圖中的示例性實施方式中的術語並不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。
除非另有說明，此處使用的術語（包括科技術語）對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過於正式的意義。
圖1為根據本發明優選實施例的基於放電陡波測量的GIL故障定位方法的方法流程圖。如圖1所示，基於放電陡波測量的GIL故障定位方法100從步驟101開始。在步驟101中，利用安裝在GIL兩端的陡波傳感器分別獲取故障點放電產生的放電行波信號。
優選地，在步驟102中，故障點放電產生的放電行波信號傳輸至GIL兩端的GPS同步單元時，會觸發兩端的GPS同步單元分別產生一個秒脈衝信號，同時獲取所述兩個秒脈衝信號。
優選地，在步驟103中，當現場發生放電故障時，對GIL任意一端安裝的陡波傳感器接收到的波形信號進行傅立葉變換，通過與放電頻譜的對比獲得該放電行波在傳播過程中的衰減程度，並將現場得到的放電行波衰減情況與電磁波衰減和距離的關係曲線對比，如圖2所示，考慮電磁波衰減與距離的關係曲線存在一定的不確定度，所以通過上述計算獲得的故障點不是一個點而是一個範圍，即第一故障範圍。
優選地，在步驟104中，當現場發生放電故障時，通過公式計算出故障點放電產生的放電行波向GIL兩端傳播，到達各端陡波傳感器時經過的絕緣子個數n1和n2，通過n1和n2並結合兩個絕緣子之間的間距，進一步確定故障點的範圍，即第二故障範圍。其中為放電行波信號的上升時間，為陡波傳感器所測得的信號波形上升時間，放電行波經過一個絕緣子的響應時間，為示波器帶寬限制導致的上升沿時間延遲。應當了解的是，GIL電路外安裝有多個絕緣子，具體數量和絕緣子之間的間距以實際施工情況為準，故進行第二故障範圍計算時，以實際電路中絕緣子之間間隔為準。
優選地，在步驟105中，利用同步脈衝信號結合雙端時差算法計算出第三故障範圍。其中，所述第三故障範圍通過如下方法計算：
利用所述同步脈衝信號確定的放電行波信號到達兩端測量點經過誤差校準的時間差Vt，結合GIL的長度L和放電行波在GIL中的傳播速度v，通過公式
計算出第三故障範圍，其中，x為故障點與GIL一端傳感器的距離。應當了解的是，放電行波信號到達兩端測量點經過誤差校準的時間差Vt是一個時間段，其計算方法為，故障點放電產生的放電行波信號傳輸至GIL兩端的GPS同步單元時，會觸發兩端的GPS同步單元分別產生一個秒脈衝信號，獲取所述兩個秒脈衝信號後做差，將做差後的結果再加減兩端GPS同步單元之間的時間誤差校準結果，得到所述Vt，例如，放電行波到達兩端GPS同步單元的時間做差後結果為100ns，假設兩端GPS同步單元之間的時間誤差校準結果為10ns，則Vt為100±10ns，即90ns-110ns。
優選地，在步驟106中，對三個故障範圍進行對比分析，分析三個故障範圍交集得到故障點準確位置；若無交集，則重新獲取故障點放電產生的放電行波信號並執行後續步驟，最終實現GIL故障點的準確定位。
圖2為根據本發明優選實施例的不同頻率分量在GIL中傳輸不同距離後的衰減情況。利用波形處理算法對得到的放電行波信號進行處理，得到所述波形信號相應的衰減曲線，圖2中的曲線為經過測量得出的不同頻率分量的傳輸1km、2km、3km、4km、5km和6km之後的幅值衰減程度曲線，將放電行波信號與圖2中已知的6條線進行對比，通過幅值衰減的程度可大致對比出故障點的位置在Skm和（S+1）km以內。
圖3為根據本發明優選實施例的基於行波的GIL故障定位系統的裝置原理圖。如圖3所示，GIL輸電系統內每相GIL30的長度均為L，所述L也是安裝在GIL30兩端的一對陡波傳感器3011和3012之間的間距，故障點與GIL30左端的陡波傳感器之間的距離為x，故障點放電產生的放電行波信號沿GIL30分別向兩端傳播，陡波傳感器3011和3012分別在不同時間接收到放電行波信號。所述陡波傳感器3011或3012接收到放電行波信號後，將所述放電行波信號發送到數據處理單元。
優選地，所述數據處理單元包括第一數據採集單元3021和第二數據採集單元3022，均用於存儲陡波傳感器接收到的放電行波信號以及獲取GPS同步單元發出的秒脈衝信號，並將所述放電行波信號和秒脈衝信號發送給定位處理單元，其中陡波傳感器3011與第一數據採集單元3021連接，陡波傳感器3012與第二數據採集單元3022連接。
優選地，所述GPS同步單元包括第一同步單元3031以及第二同步單元3032，用於提供準確同步秒脈衝信號。其中第一同步單元3031與第一數據採集單元3021相連，當放電行波信號傳送到第一同步單元3031時，第一同步單元3031會產生一個秒脈衝信號並發送給第一數據採集單元3021。與此同時，第二同步單元3032與第二數據採集單元3022相連，當放電行波信號傳送到第二同步單元3032時，第二同步單元3032會產生一個秒脈衝信號並發送給第二數據採集單元3022。應當了解的是，所述第一同步單元3031和第二同步單元3032同時輸出秒脈衝信號，只是在進行測量時，因故障點放電產生的放電行波信號傳輸至GIL兩端的時間不同，第一數據採集單元3021獲取的秒脈衝信號與第二數據採集單元3022獲取的秒脈衝信號產生時間差，再結合第一同步單元3031和第二同步單元3032之間的時間誤差，所述定位處理單元304根據所述同步秒脈衝信號，利用雙端定位算法，確定第三故障範圍。
優選地，定位處理單元304利用放電行波信號在頻域的衰減情況對故障點的位置範圍進行計算，具體計算方法為，通過對GIL30某一端安裝的陡波傳感器接收到的波形信號進行傅立葉變換，得到所述波形信號的在傳輸過程中的衰減曲線，將現場得到的放電行波衰減情況與電磁波衰減和距離的關係曲線對比，並根據所述衰減曲線結合不確定度得到第一故障範圍。
優選地，定位處理單元304還利用放電行波信號的上升時延變化和絕緣子理論響應時間計算出第二故障範圍，通過公式計算出故障點放電產生的放電行波向GIL30兩端傳播到達各端陡波傳感器時經過的絕緣子個數n1和n2，並通過n1和n2確定故障點的位置範圍，並結合絕緣子之間的間距，進一步確定故障點的範圍，即第二故障範圍。其中為放電行波信號的上升時間，為經過一個絕緣子的響應時間，為陡波傳感器所測得的信號波形上升時間，為示波器帶寬限制導致的上升沿時間延遲。
優選地，GIL輸電系統由多回GIL線路組成，每回GIL線路均由三相GIL組成，每相GIL均安裝有一對陡波傳感器。所以在實際應用中，陡波傳感器可能存在很多對，但是數據採集單元只分為第一數據採集單元3021和第二數據採集單元3022，第一數據採集單元3021與GIL30一側的所有陡波傳感器相連，第二數據採集單元3022與GIL30另一側的所有陡波傳感器，且第一數據採集單元3021和第二數據採集單元3022均與定位處理單元304連接。
圖4為根據本發明優選實施例的陡波傳感器的結構圖。如圖4所示，陡波傳感器安裝在GIL30的終端管道的預留安裝手孔31處，其中每相GIL均有兩個安裝手孔31，分別預留在GIL30的終端管道兩端。
所述陡波傳感器主要由內置電極401、環氧澆注體402和外殼403組成。其中，內置電極401與傳感器外殼403之間為絕緣介質環氧澆注體402。優選地，GIL30與內置電極401之間的分布電容404為高壓電容，低壓臂集中電容405為貼片電容，所述貼片電容連接在外殼403和本端的數據採集單元之間。
已經通過參考少量實施方式描述了本發明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發明以上公開的其他的實施例等同地落在本發明的範圍內。
通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考「一個/所述/該[裝置、組件等]」都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這裡公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。