基于发射光谱法的电力设备局部放电多点在线监测系统

摘要

一种基于发射光谱法的电力设备局部放电多点在线监测系统，其N个光纤探头(1)对应采集多气室或多台设备局部放电产生的光信号，每根光纤(2)将光信号经由光纤连接器(3)传递至光纤耦合器(4)，光纤耦合器(4)将光信号分束给M个检测通道，每个检测通道的光信号经过窄带滤光片(5)进行特征谱段信号提取以及干扰谱段信号滤除并传递至光纤集束器(6)对应编号的输入端口，光纤集束器(6)对光信号集束处理并传递至高精度光谱分析仪(7)，高精度光谱分析仪(7)将采集到光谱信息分析处理并传输给计算机(8)，计算机(8)根据监测到的光谱信息控制光纤集束器(6)每个输入端口的连通或关断，实现局部放电多点在线监测及故障定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种局部放电多点在线监测系统。

背景技术

随着工业发展和社会进步，电力系统正在向着大容量、特高压方向发展，国民对系统运行可靠性也提出了越来越高的要求。以气体绝缘变压器、管道母线、高压开关为代表的各类气体绝缘电力设备是电力系统中重要的组成部分，经过长期的绝缘老化，电力设备发生击穿、闪络等绝缘故障的概率显著增大，严重威胁到电力系统的安全稳定运行。局部放电是各类绝缘故障的先兆和表现形式，也是电力设备绝缘缺陷的最主要判据和诊断对象。

电力设备在发生局部放电时，通常会产生电流脉冲、电磁辐射、超声波，以及化学分解产生新物质。根据局部放电产生的不同物理化学过程，其检测方法主要包括脉冲电流法、射频法、超高频法、超声波检测法，以及化学检测法。其中，脉冲电流法是国家标准GB/T7354-2003《局部放电测量》中推荐的局部放电检测方法；射频法是利用射频传感器检测局部放电，并激发出高频电磁信号，经过后续电路处理得到局部放电量。脉冲电流法和射频法均是直接通过检测电气参量来判断放电情况，由于抗电磁干扰能力差，不适用于电力设备的现场带电检测。此外，超高频法和超声波检测法凭借抗电磁干扰能力强、可对局部放电源进行定位等优势，也逐渐被用于电力设备局部放电检测当中，如专利CN201610844556.8通过对超高频放电信号时域分布特征参数的分析处理，提出了一种变压器局部放电故障类型的识别方法。然而，超高频法和超声波检测法无法对局部放电量进行标定，而且测量结果极易受到电力设备机械振动的干扰，因此在实际工程应用中也受到限制。此外，化学检测法具有灵敏度高、不受电磁干扰等优点，也被提出用于局部放电诊断当中，如专利CN201710715991.5通过检测和分析局部放电所致SF6分解产物，提出了干式套管绝缘缺陷诊断方法。然而，由于气体分解产物组分及含量会随着绝缘介质种类、绝缘缺陷类型、环境温湿度的改变而呈现出显著差异性，因此化学检测判据对于不同运行环境、不同类型的电力设备不具备通用性。

随着光学传感技术的发展，光学检测法凭借抗电磁干扰能力强、检测精度高、在线带电检测等显著优势而被逐渐应用于气体绝缘电力设备的局部放电检测当中。如专利CN201910760124.2设计的一种电-热-力多场耦合下的局部放电声光电联合测量平台，利用超声波传感器、光电倍增管和特高频传感器同时实现了对沿面放电的声、光、电信号的有效测量及对比分析，在一定程度上验证了光学检测法的可行性。目前气体绝缘电力设备主要以空气或SF6绝缘为主，由于空气中局部放电致发射光谱强度处于可测范围，对于空气绝缘的高压电力设备，可以采用现有技术完成光学在线监测。然而，SF6气体的电负性较强，尤其是在气压较高的SF6气体绝缘设备内部发生的局部放电时，产生的微弱光信号难以采用现有的光学检测技术进行采集或分析。因此，无论是为了实现光学检测法在SF6气体绝缘电力设备当中的应用，还是为了更早期监测到空气绝缘电力设备内部的局部放电故障，都需要进一步提高光学检测系统的检测灵敏度，一个有效的方案就是采用窄带滤光片完成干扰光信号的滤除和特征光谱信号的提取，并最终采用高精度光谱分析仪进一步提高光谱检测精度及分析结果的准确性。然而，由于高精度光谱分析仪的造价较高，其单台研制成本在30万以上，若对每台气体绝缘电力设备单独配备一个高精度光学检测系统，则检测方案不符合经济性原则，因此目前采用高精度光谱分析仪进行光谱信息分析仅限于实验室研究，未在电力领域内大范围推广使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种电力设备局部放电多点在线监测系统。本发明基于发射光谱法，能够在线监测出气体绝缘电力设备内部的局部放电，为电力设备的绝缘缺陷诊断分析及故障早期预警提供可靠性依据。

本发明复用单台高精度光谱分析仪对多个气室或多台电力设备的局部放电进行周期性在线监测及故障定位，在提高故障监测效率的基础上，极大地降低了监测系统的研发成本。本发明具备较高的检测灵敏度，适用于对空气或SF6气体绝缘电力设备内部局部放电产生的微弱光辐射信号进行在线监测，其监测结果基本不受电力设备运行现场的电磁、声波或机械振动的干扰，而且在整个监测过程中不会对电力设备的正常运行造成影响。

本发明基于发射光谱法的电力设备局部放电多点在线监测系统包括：光纤探头、光纤、光纤连接器、光纤耦合器、窄带滤光片、光纤集束器、高精度光谱分析仪，以及计算机。

待监测的多台电力设备或气室分别编号为1至N，N的取值范围为1～10；所述的光纤探头、光纤、光纤连接器、光纤耦合器的编号也是由1至N，N的取值范围为1～10；所述的光纤探头、光纤、光纤连接器、光纤耦合器的编号与对应待测电力设备或气室的编号一一对应；N个所述的光纤探头分别采集对应编号的电力设备或气室局部放电产生的光辐射信号，每个光纤探头的末端连接对应编号的光纤一端，每根光纤的另一端连接对应编号的光纤连接器输入端，每个光纤连接器的输出端连接对应编号的光纤耦合器输入端，每个光纤耦合器将光信号分束给M个检测通道，M的取值根据具体待监测电力设备或气室局部放电的特征谱段数量而确定。所述的每个检测通道的光信号经过窄带滤光片进行特征谱段信号的提取，以及干扰谱段信号的滤除，光纤耦合器的输出端位于窄带滤光片的正前方并处于同一水平高度，每个窄带滤光片的输出端与光纤集束器对应编号的输入端口连接，光纤集束器对光信号进行集束处理，光纤集束器的输出端与高精度光谱分析仪的输入端连接，高精度光谱分析仪将采集到光谱波长、相对光强等信息进行分析处理并传输给计算机，计算机根据监测到的光谱信息对光纤集束器发送数字信号指令，控制光纤集束器每个输入端口的连通或关断，实现局部放电多点在线监测及故障定位功能。

所述的M个窄带滤光片分别提取具有反映局部放电信息功能的M个特征光谱段，滤除其他干扰局部放电诊断的光谱段，仅将特征谱段的光信号传输至光纤集束器进行光信号集束处理，大幅提高局部放电致微弱光信号被计算机监测到的概率。所述的检测通道与窄带滤光片的数量均与待提取的特征光谱段数量相等。所述的干扰信号滤除方法以及高精度光谱分析仪的引入，不但有助于实现光学检测法在SF6气体绝缘电力设备局部放电检测当中的应用，还使空气绝缘电力设备局部放电的光学检测灵敏度得到进一步提升。

所述的局部放电多点在线监测及故障定位功能通过控制光纤集束器的输入端口工作模式实现。所述的光纤集束器具有N×M个输入端口，光纤集束器的输入端口分别编号为[1-1,1-2···1-M,2-1,2-2···2-M···N-1,N-2···N-M]。所述的计算机向光纤集束器发送数字信号指令，控制光纤集束器每隔T时间周期切换一次光纤集束器的输入端口开闭方式，在T时间周期内令光纤集束器编号为1-1～1-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断；在T～2T时间周期内令光纤集束器编号2-1～2-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断，以此类推，实现局部放电多点在线监测功能。k为1～N取值范围内的一个常数，一旦在时间周期[(k-1)×T]～k×T内在计算机上检测到局部放电光谱信息，则局部放电故障发生于编号为k的光纤探头对应探测位置，此时立即通过计算机以数字信号的形式向光纤集束器发送指令，控制编号为k-1～k-M的光纤集束器输入端口保持通畅，其余所有输入端口保持关断，利用计算机检测到的光谱信息进行局部放电故障类型、发展程度的判断，随后对编号为k的监测气室或电力设备进行现场维修，以防局部放电进一步发展导致击穿、闪络等绝缘事故；所述的局部放电多点在线监测系统在每一次局部放电故障排除后，重新回到发生局部放电故障之前的周期性在线监测工作模式；所述的局部放电多点在线监测方法实现了复用一台高精度光谱分析仪对多气室或多台电力设备局部放电的在线监测，在提高故障监测效率及灵敏度的基础上，极大地降低了监测系统的研发成本。

所述的N个光纤探头分别布置于多个气室或多台电力设备内部的待监测部位，实时监测局部放电产生的光辐射信号；所述的光纤探头固定在光纤支架中心位置，紧固螺栓将光纤支架固定在电力设备或气室外壳的内壁上；所述的光纤探头前端安装有光信号放大器，增强对微弱局部放电信号的采集效果；在每一个待测部位的邻近电力设备外壳处安装一个绝缘盖板，绝缘盖板的正面朝向对应的局部放电待测部位，绝缘盖板安装在电力设备外壳的外侧，绝缘盖板的表面与电力设备外壳的安装面平行；所述光纤连接器镶嵌在绝缘盖板的中心位置，在绝缘盖板上沿圆周均布多个内螺纹孔，绝缘盖板的其中一面嵌套有密封胶圈，利用紧固螺栓与密封胶圈配合使绝缘盖板与电力设备外壳之间紧密接触。所述的光纤连接器在电力设备正式投入运行前完成安装，在待监测气室或电力设备正常运行期间，可通过接通或断开位于设备外壳处的光纤连接器输出端与光纤耦合器输入端之间的接线即可完成局部放电监测对象的更换，便于进行现场操作。

本发明装置的工作原理和过程如下：

对待监测的多台电力设备或气室分别编号为1至N，N的取值范围为1～10。所述的光纤探头、光纤、光纤连接器、光纤耦合器的编号也是由1至N，N的取值范围为1～10。所述的光纤探头、光纤、光纤连接器、光纤耦合器的编号与对应待测电力设备或气室的编号一一对应。N个光纤探头分别安装在多个气室或多台电力设备内部易发生局部放电的位置，用于采集局部放电产生的光辐射信号，每根光纤将光纤探头采集到的光信号传递至对应编号的光纤连接器输入端，每个光纤连接器的输出端连接对应编号的光纤耦合器，每个光纤耦合器将光信号分束给M个检测通道，每个检测通道的光信号经过窄带滤光片后仅保留特征谱段的光信号，滤除掉干扰谱段的光信号，经过窄带滤光片处理的光信号传递至光纤集束器对应编号的输入端口，光纤集束器对光信号进行集束处理并传递至高精度光谱分析仪，高精度光谱分析仪将采集到光谱波长、相对光强等信息进行分析处理，并传输给计算机，计算机向光纤集束器发送数字信号指令，控制光纤集束器每隔T时间周期切换一次输入端口的开闭方式，在T时间周期内令光纤集束器编号为1-1～1-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断；在T～2T时间周期内令光纤集束器编号为2-1～2-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断，以此类推，实现局部放电多点在线监测功能。k为1～N取值范围内的一个常数，一旦在时间周期[(k-1)×T]～k×T内在计算机上检测到局部放电光谱信息，则局部放电故障发生于编号为k的光纤探头对应探测位置，此时立即通过计算机以数字信号的形式向光纤集束器发送指令，控制编号为k-1～k-M的光纤集束器输入端口保持通畅，其余所有输入端口保持关断，利用计算机检测到的光谱信息进行局部放电故障类型、发展程度的判断，随后对编号为k的电力设备或气室进行现场维修，以防局部放电进一步发展导致击穿、闪络等绝缘事故。在每一次局部放电故障排除后，利用计算机控制光纤集束器重新回到发现局部放电故障之前的周期性在线监测工作模式。

本发明复用单台高精度光谱分析仪对多个气室或多台电力设备的局部放电进行周期性在线监测及故障定位，在提高故障监测效率的基础上，极大地降低了监测系统的研发成本。本发明具备较高的检测灵敏度，适用于对空气或SF6气体绝缘电力设备内部局部放电产生的微弱光辐射信号进行在线监测，其监测结果基本不受电力设备运行现场的电磁、声波或机械振动的干扰，而且在整个监测过程中不会对电力设备的正常运行造成影响。

本发明所提出的电力设备局部放电多点在线监测系统，适用于气体绝缘电力变压器、管道母线、高压开关等各类气体绝缘电力设备的局部放电在线监测，具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1为局部放电多点在线监测系统的原理图，图中：1光纤探头，2光纤，3光纤连接器，4光纤耦合器，5窄带滤光片，6光纤集束器，7高精度光谱分析仪，8计算机；

图2为局部放电的特征谱段光信号提取及干扰谱段信号滤除过程的示意图；

图3为局部放电多点在线监测及故障定位方法的流程图；

图4a、图4b为光纤探头、光纤连接器在电力设备内部安装方式的示意图，其中图4a为光纤探头及光纤连接器安装位置的总体示意图，图4b为绝缘盖板结构及其在电力设备外壳上固定方法的示意图，图中：9电力设备外壳，10光纤支架，11紧固螺栓，12光信号放大器，13绝缘盖板，14密封胶圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明局部放电多点在线监测系统包括光纤探头1、光纤2、光纤连接器3、光纤耦合器4、窄带滤光片5、光纤集束器6、高精度光谱分析仪7，以及计算机8。对待监测的多台电力设备或气室分别编号为1至N，N的取值范围为1～10。所述的光纤探头1、光纤2、光纤连接器3、光纤耦合器4的编号也是由1至N，N的取值范围为1～10。所述的光纤探头1、光纤2、光纤连接器3、光纤耦合器4的编号与对应待测电力设备或气室的编号一一对应。N个所述的光纤探头1分别采集对应编号的电力设备或气室局部放电产生的光辐射信号，每个光纤探头1的末端连接对应编号的光纤2的一端，每根光纤2的另一端连接对应编号的光纤连接器3的输入端，每个光纤连接器3的输出端连接对应编号的光纤耦合器4的输入端，每个光纤耦合器4将光信号分束给M个检测通道，M的取值根据具体待监测电力设备或气室局部放电的特征谱段数量而确定。所述的每个检测通道的光信号经过窄带滤光片5进行特征谱段信号的提取以及干扰谱段信号的滤除，光纤耦合器4的输出端位于窄带滤光片5的正前方并处于同一水平高度，每个窄带滤光片5的输出端与光纤集束器6对应编号的输入端口连接，光纤集束器6对光信号进行集束处理，光纤集束器6的输出端与高精度光谱分析仪7的输入端连接，高精度光谱分析仪7将采集到光谱波长、相对光强等信息进行分析处理并传输给计算机8，计算机8根据监测到的光谱信息对光纤集束器6发送数字信号指令，控制光纤集束器6每个输入端口的连通或关断，实现局部放电多点在线监测及故障定位功能。

如图2所示，所述的M个窄带滤光片5分别提取具有反映局部放电信息功能的M个特征光谱段，滤除其他干扰局部放电诊断的光谱段，仅将特征谱段的光信号传输至光纤集束器6进行光信号集束处理，可以大幅提高局部放电所致微弱光信号被计算机8监测到的概率。所述的检测通道与窄带滤光片5的数量均与待提取的特征光谱段数量相等。所述的干扰信号滤除方法以及高精度光谱分析仪7的引入不但有助于实现光学检测法在SF6气体绝缘电力设备局部放电检测当中的应用，还使空气绝缘电力设备局部放电的光学检测灵敏度得到进一步提升。

如图3所示，所述的局部放电多点在线监测及故障定位功能通过控制光纤集束器6的输入端口工作模式实现。所述的光纤集束器6具有N×M个输入端口，光纤集束器6的输入端口分别编号为[1-1,1-2···1-M,2-1,2-2···2-M···N-1,N-2···N-M]。所述的计算机8向光纤集束器6发送数字信号指令，控制光纤集束器6每隔T时间周期切换一次输入端口的开闭方式，在T时间周期内令光纤集束器6编号为1-1～1-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断；在T～2T时间周期内令光纤集束器7编号为2-1～2-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断，以此类推，实现局部放电多点在线监测功能。k为1～N取值范围内的一个常数，一旦在时间周期[(k-1)×T]～k×T内在计算机上检测到局部放电光谱信息，则局部放电故障发生于编号为k的光纤探头1对应探测位置，此时立即通过计算机8以数字信号的形式向光纤集束器6发送指令，控制光纤集束器6编号为k-1～k-M的输入端口保持通畅，其余所有输入端口保持关断，利用计算机8检测到的光谱信息进行局部放电故障类型、发展程度的判断，随后对编号为k的电力设备或气室进行现场维修，以防局部放电进一步发展导致击穿、闪络等绝缘事故。所述的局部放电多点在线监测系统在每一次局部放电故障排除后，重新回到发生局部放电故障之前的周期性在线监测工作模式。所述的局部放电多点在线监测方法实现了复用一台高精度光谱分析仪7对多气室或多台电力设备局部放电的在线监测，在提高故障监测效率及灵敏度的基础上，极大地降低了监测系统的研发成本。

如图4a和图4b所示，所述的N个光纤探头1分别布置于多个气室或多台电力设备内部的待监测部位，实时监测局部放电产生的光辐射信号。所述的光纤探头1固定在光纤支架10的中心位置，紧固螺栓11将光纤支架10固定在电力设备或气室外壳9的内壁上；所述的光纤探头1前端安装光信号放大器12，增强对微弱局部放电信号的采集效果；在每一个待测部位的邻近电力设备外壳9处安装一个绝缘盖板13，绝缘盖板13的正面朝向对应的局部放电待测部位，绝缘盖板13安装在电力设备外壳9的外侧，绝缘盖板13的表面与电力设备外壳9的安装面平行；所述光纤连接器3镶嵌在绝缘盖板13的中心位置，在绝缘盖板13上沿圆周均布多个内螺纹孔，绝缘盖板13的其中一面嵌套有密封胶圈14，利用紧固螺栓11与密封胶圈14配合使绝缘盖板13与电力设备外壳9之间紧密接触。所述的光纤连接器3应在电力设备正式投入运行前完成安装，在待监测气室或电力设备正常运行期间，可通过接通或断开位于设备外壳9处的光纤连接器3输出端与光纤耦合器4输入端之间的接线即可完成局部放电监测对象的更换，便于进行现场操作。

本发明装置的工作过程如下：

待监测的多台电力设备或气室分别编号为1至N，N的取值范围为1～10。所述的光纤探头1、光纤2、光纤连接器3、光纤耦合器4的编号也是由1至N，N的取值范围为1～10。所述的光纤探头1、光纤2、光纤连接器3、光纤耦合器4的编号与对应待测电力设备或气室的编号一一对应。N个光纤探头1分别安装在多个气室或多台电力设备内部易发生局部放电的位置，用于采集局部放电产生的光辐射信号，每根光纤2将光纤探头1采集到的光信号传递至对应编号的光纤连接器3输入端，每个光纤连接器3的输出端连接对应编号的光纤耦合器4，每个光纤耦合器4将光信号分束给M个检测通道，M的取值根据具体待监测电力设备或气室局部放电的特征谱段数量而确定。每个检测通道的光信号经过窄带滤光片5后仅保留特征谱段的光信号，滤除掉干扰谱段的光信号，经过窄带滤光片5处理的光信号传递至光纤集束器6对应编号的输入端口，光纤集束器6对光信号进行集束处理并传递至高精度光谱分析仪7，高精度光谱分析仪7将采集到光谱波长、相对光强等信息进行分析处理并传输给计算机8，计算机8向光纤集束器6发送数字信号指令，控制光纤集束器6每隔T时间周期切换一次输入端口的开闭方式，在T时间周期内令光纤集束器6编号为1-1～1-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断；在T～2T时间周期内令光纤集束器6编号为2-1～2-M的输入端口保持通畅，令其余编号的输入端口关断，以此类推，实现局部放电多点在线监测功能。k为1～N取值范围内的一个常数，一旦在时间周期[(k-1)×T]～k×T内在计算机8上检测到局部放电光谱信息，则局部放电故障发生于编号为k的光纤探头1对应探测位置，此时立即通过计算机8以数字信号的形式向光纤集束器6发送指令，控制光纤集束器6编号为k-1～k-M的输入端口保持通畅，其余所有输入端口保持关断，利用计算机8检测到的光谱信息进行局部放电故障类型、发展程度的判断，随后对编号为k的监测气室或电力设备进行现场维修，以防局部放电进一步发展导致击穿、闪络等绝缘事故。在每一次局部放电故障排除后，利用计算机控制光纤集束器重新回到发现局部放电故障之前的周期性在线监测工作模式。

本发明复用单台高精度光谱分析仪对多个气室或多台电力设备的局部放电进行周期性在线监测及故障定位，在提高故障监测效率的基础上，极大地降低了监测系统的研发成本。本发明具备较高的检测灵敏度，适用于对空气或SF6气体绝缘电力设备内部局部放电产生的微弱光辐射信号进行在线监测，其监测结果基本不受电力设备运行现场的电磁、声波或机械振动的干扰，而且在整个监测过程中不会对电力设备的正常运行造成影响。

本发明所提出的电力设备局部放电多点在线监测系统，适用于气体绝缘电力变压器、管道母线、高压开关等各类气体绝缘电力设备的局部放电在线监测，具有广泛的工程应用前景。