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专利名称：基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关柜局部放电暂态对地电压系统，特别是涉及一种通过在线 TEV局部放电检测，可随时监测运行的开关柜内局部放电水平的变化状态，并通过无线网络传输至上位机，进而从多个角度描述开关柜局部放电特征的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统。
背景技术：
电力是生产发展和社会变革最重要的技术基础，随着我国经济的飞速发展，电力行业、供电及用电企业自动化建设和改造在不断发展完善，电力设备的电压等级也在不断提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。开关柜是电力系统中非常重要的电气设备，现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对开关柜的可靠性也提出了更高的要求。开关柜的运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。开关柜发生故障，直接的危害是被电器设备所保护的线路、设备受损， 电量损失；间接的危害则是造成用户大面积停电。为确保供电的可靠性，电力部门采取定期试验和检修的办法来保证开关柜正常运行。然而，定期检修增加了电力设备的运行费用和停电时间，甚至于增加了设备的故障率，并且在检修的间隔还是有故障发生。因此，迫切需要对开关柜实行状态检修，对设备运行状况进行实时和定时的在线监测，根据设备的运行状态和绝缘的劣化程度，确定检修时间和措施，减少停电时间和事故的发生，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。同时，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对开关柜的运行状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。要进行状态检修对设备实行在线检测，必须对故障的类型特点进行分析，从而确定监测的项目。由于开关柜是多个电气设备的组合，其内部涉及电、磁、温度等多种物理现象，故障的表现形式和产生机理千差万别，因此要对开关柜进行在线监测并做出较准确的故障判断乃至故障预测，必须了解开关柜的工作特性和故障特点。开关柜具有元件、状态的多样性以及故障的随机性和模糊性。元件的多样性，导致了故障形式的多样性，开关柜内存在多个电气元件，不同的元件有不同的故障表现。例如，对于母线，其故障表现为连接处的接触电阻过大，从而引起异常升温；对于绝缘拉杆，其故障表现为绝缘性能下降。故障形式的多样性给传感器的选择带来了困难，所选传感器的类型、性能、数量和安装部位将直接关系到诊断的可信度。开关柜状态的多样性是指在不同的应用场合，开关柜的工作状态有很大差别。例如对于其中的断路器而言，有些断路器需要频繁接通与分断，而有些断路器则在投运后几乎不动作；有些在寿命期限内要多次开断短路电流，而有的则一次都不用开断。这种工作状态上的差异性给断路器的在线监测和故障诊断带来了困难。例如，通过断路器动触头的行程曲线，可以获知断路器操动机构的运行情况，但如果断路器投运后，长期不执行分断关合动作，则无法获取行程曲线。开关柜故障发生的随机性和模糊性反映在开关柜的状态变量与故障特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系电气设备的故障不仅取决于设备的当前状态，还跟它的历史状态有关系，即同一种故障可能是由不相关的多种原因造成的，而同一种原因又可能造成不同的故障；对于同样的状态参数，故障可能发生也可能不发生，故障的严重程度也会有差别。综合考虑开关柜的上述工作特性和故障特点，开关柜状态检修主要监测的项目有温度监测、电量监测、振动监测、局部放电(PD-Partial Discgarge)监测等。其中的温度监测、电量检测和振动监测以发展到具有应用推广、功能比较全面的阶段。国外自50年代以来，围绕局部放电监测技术已经展开了大量的研究工作，已成功地将多种技术应用于变压器的局部放电检测中，它们是中性点耦合监测、射频监测、PDA监测等。而国内在局放在线监测方面的研究起步较晚，发展也较慢。到目前虽已有多套局部放电在线监测系统投入使用，但理论仍很不完善，还有很多亟待解决的难题。开关柜内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良，都会使安全运行受到威胁。根据1989 1992年间全国电力系统6 IOkV开关柜事故统计，绝缘和载流引起的故障占总数的40. 2%，其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的79. 0%。 而由于隔离插头接触不良造成的事故占载流事故总数的71. 1%。可见，由绝缘和接触不良导致的故障所占比率是很高的，宜采取适当的方法进行监测。在上述情况下，很多绝缘缺陷在逐步发展，最终形成介质击穿，在事故潜伏期都会出现局部放电不断发展和增强的现象， 故通过对开关柜PD信号的在线监测，进行故障诊断，对防止事故的发生和实现状态检修具有重要意义。从技术上讲，目前国内研制的局部放电在线监测系统可以分为窄带和宽带系统。窄带系统只对局放后期严重的火花放电比较敏感，并且不能区分放电信号的来源。宽带系统，带宽越宽采集的局放信息越丰富，但对系统的要求也越高一方面要求有较高的采样率和数字处能力，另一方面干扰的鉴别也是关键。现有的局放监测系统，无论采用哪一种方法，都不能实现开关柜内局放源精确定位。现行的局部放电测量与评定标准只是对电气设备的总体评估，其测量值受局放源在设备内的位置影响很大。只有在已知局放位置的条件下，设备绝缘的总体评估才具有更高的可信度和实际价值，因而局放源的准确定位非常重要，对局部放电定位方法的研究具有重要的科学意义和实用价值。目前，局放源的定位方法主要有电气定位法、超声波定位法和射频超声波联合定位法。这些方法都有一定的优点，但在理论上仍无法解决多点定位问题。此外，现有的局放定位方法，无论是电气定位法，还是超声波定位法和射频超声波联合定位法，均需要将各传感器提供的信号通过相应的有线电缆传输至数据处理中心。使用这种有线传感器存在诸多缺点①由于开关柜内需要定位的监测点数较多，需要在开关柜内安装多个传感器，大量电缆引出非常困难，不但增加了布线成本，还有可能造成开关柜绝缘损坏；②随着时间的推移，开关柜内的部分传感器不可避免的会发生老化或出现故障， 这会导致监测参数的损失；③一般监测系统设计完后，增加、调整传感器比较困难，传感器配置的改变有可能需要修改系统软件源程序。有线传感器的这些缺点限制了开关柜状态监测的发展。TEV，又叫做暂态对地电压，于1974年由Dr John Reeves首先提出。当非闭合的金属屏蔽内部发生局部放电时，放电会产生大量的高频电磁波脉冲，由于高频电磁波的传播特性，将沿着金属屏蔽的内表面向四周传播，当电磁波传播至金属屏蔽的缝隙处时，便由缝隙传出，最终经接地线传入地电极。在此高频电磁信号通过金属屏蔽的表面时，将在表面上激发出一个瞬时的电压值，这个电压即为暂态对地电压(TEV)。通过研究发现，这种电压信号与金属屏蔽内局部放电的强弱以及，放电的位置有着直接的联系。因此，可以通过对于此TEV信号的检测来判断开关柜内是否存在局部放电。GPRS是通用分组无线服务(General Packet Radio Service)的缩写，是在GSM 全球移动通信系统网络基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。随着中国移动GPRS网络建设的日趋成熟，地区的覆盖率超过90%， GPRS信号基本上达到了无盲区覆盖。GPRS属于分组交换技术，具有实时在线、按流量计费、 快捷登陆、传输速率高、支持IP协议和X. 25协议等特点。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够即利用TEV传感器及其无线传感器网络技术，对开关柜内局部放电进行在线监测和定位的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统。本发明所采用的技术方案是一种基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，包括依次串接的信号采集单元、信号传输单元、数据采集及分析单元和人机界面，其中，信号采集单元用以获取局部放电信号，包括依次串接的暂态对地电压传感器、滤波电路、放大电路以及模数转换电路，所述的模数转换电路的输出端连接信号传输单元；信号传输单元进行远距离传输，包括有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置信号的GPRS接收装置，所述的GPRS发射装置的信号输入端连接信号采集单元的模数转换电路， 所述的GPRS接收装置的输出端连接数据采集及分析单元；数据采集及分析单元用于采集局部放电数据并进行分析、判断和存储，采用计算机或高速DSP芯片作为主处理器；人机界面用于显示整个系统的检测结果。所述的暂态对地电压传感器设置有多个，其中每相邻的两传感器的间距大于等于 60cmo所述的模数转换电路采用高频A/D转换芯片。所述的暂态对地电压传感器外部采用金属屏蔽。所述的数据采集及分析单元还设置有网络通信端口。本发明的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，具有如下特点。(1)暂态对地电压(TEV)传感器直接安置于接地的开关柜外壳上，解决目前局部放电在线监测中所用传感器灵敏度低、干扰严重的缺点；能在开关柜外壳上安置为数众多的传感器，并将这些传感器组成网络，各个传感器节点互相协作共同完成多位置的数据采集任务，实现开关柜内多部位的局部放电监测和定位信息采集。O) TEV传感器与处理终端之间采用无线传输方式，与高电压设备之间有很好的隔离，使设备和测量人员的安全可以得到保证；同时，不存在在线结果与离线结果的等效性问题。(3)无线传感器网络节点允许有一定的故障率，一旦有传感器失效，网络将自动重新组网，从而使监测系统能够不间断地工作。(4)网络节点有一定的计算能力和存储能力。可以对数据进行预处理，这是传统传感器网络无法实现的。一方面可减少传输的数据量，节省节点能量，延长网络寿命；另一方面，传输给数据处理中心的数据量大大减少。(5)网络的部分节点可以移动，拓扑结构具有动态性。由于传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，或者部分传感器节点的移动，以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，这些都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快，无线传感器网络可通过协议来适应网络拓扑结构的这种动态性。(6)上位机分析软件功能强大，包含数据库和分析模块，可查阅历史信息并从各个角度分析局部放电特征，并进行模式识别。(7)完全数字化显示，界面更直观、简洁，功能全面。(8)与现有检测技术相比，本发明检测安全、迅速、准确，便于工作人员操作诊断， 采用T暂态对地电压法可以在不停电状态下实现对开关柜内局部放电强弱的检测，通过将采集结果无线传输至数据分析单元可以实现对众多开关柜状态的同时检测，做到放电故障的及时发现以及排除。


图1是本发明的系统结构示意图2是本发明的传感器外观示意。
其中
1 信号采集单元2 信号传输单元
3 数据采集及分析单元4 人机界面
11暂态对地电压传感器12 滤波电路
13放大电路14 模数转换电路
15金属屏蔽21 =GPRS发射装置
22=GPRS接收装置31 数据采集
32数据分析33 网络通信
41数据存储42 显示
43参数设定44 报警
具体实施例方式下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统是如何实现的。本发明的主要目的在于通过在线TEV局部放电检测，实现实时检测运行的开关柜内局部放电水平的状态变化，从多个角度描述开关柜局部放电特征，研究开关柜内部绝缘部分的介电性能。本发明的目的可以通过以下措施来达到提供一种基于无线网络的开关柜局部放电TEV检测系统，即一种基于新兴的ZigBee技术的无线局放检测系统，并利用成熟的GPRS网络实现开关柜局部放电的实时、动态监测。图1为本发明的系统结构示意图，如图1所示，本发明的基于无线网络的开关柜局
6部放电暂态对地电压检测系统，可用于IOkV及以上电压等级开关柜局部放电检测。包括 依次串接的信号采集单元1、信号传输单元2、数据采集及分析单元3和人机界面4。其中，信号采集单元1用以获取局部放电信号，包括依次串接的暂态对地电压(TEV)传感器11、滤波电路12、放大电路13以及模数转换电路14，所述的模数转换电路14的输出端连接信号传输单元2 ；所述的暂态对地电压传感器11设置有多个，其中每相邻的两传感器的间距大于等于60cm。所述的暂态对地电压传感器11如图2所示，采用电容传感器，信号由两侧电极引出两条导线16、17，并在外部采用金属屏蔽15，以避免外部干扰。所述的模数转换电路14采用型号为AD9481的高频A/D转换芯片。当开关柜内发生局部放电时，在开关柜外壳上会产生相应的TEV信号，此TEV电压信号会由TEV传感器探测到并送入滤波放大电路，此处需过滤掉的干扰信号为工频干扰以及外界的信号如FM无线电信号等，信号经滤波后进入放大电路进行无畸变的放大，然后传输至模数转换电路转换为数字信号，由于TEV信号的高频特性，故需要使用高频A/D转换芯片。本单元采用η路探头同时进行检测，便于掌握各开关柜的局部放电情况。采用高通电路将频带设定在几兆赫兹至几十兆赫兹，有效的避开干扰信号，用以获取局部放电信号。信号传输单元2进行远距离传输，包括有GPRS发射装置21和接收GPRS发射装置 21信号的GPRS接收装置22，所述的GPRS发射装置21的信号输入端连接信号采集单元1 的模数转换电路14，所述的GPRS接收装置22的输出端连接数据采集及分析单元3 ；测量到的信号转换为数字信号后输入GPRS发射装置，经GPRS网络进行传播，远距离传输至GPRS接收装置，然后进入下一级处理电路，即数据采集及分析单元3。数据采集及分析单元3用于采集局部放电数据并进行分析、存储，并且对开关柜内的局部放电状态做出判断，将分析的结果传送到后续单元。采用计算机或高速DSP芯片作为主处理器；具体方法是利用高速DSP芯片作为主处理器，接收到前一级的数字信号后， 对接收信号的幅值进行测量并且计算TEV脉冲个数。以所测量的TEV信号值的大小以及脉冲数为依据来判断开关柜内局部放电的强弱。所述的数据采集及分析单元3还设置有网络通信端口 33，必要时可对监测结果进行网络传输，实现远程控制和诊断，及时了解被测开关柜的局部放电情况。人机界面4用于显示整个系统的检测结果。直观的显示整个系统的检测结果，包括局部放电是否存在、局部放电信号强弱等，并为运行人员提供参考。工作人员通过此界面实现对于局部放电系统的相关设定、操作。具体方法是采用高亮度LED屏将DSP输出的结果值直观的显示出来，显示的数据为脉冲电压相对幅值(dB为单位)、测量周期内脉冲个数等；人机界面设有按钮，可以对设备进行控制，包括测量、清零功能。电源采用内置锂电池供电，避免采用外部电源引起的信号干扰。本发明的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，具体的使用环境及其方法如下。1、使用环境海拔高度SlOOOm.工作温度_20°C-40°C工作湿度0-90 %，无凝露无火灾、爆炸危险，严重污秽化学腐蚀、剧烈振动、强电磁干扰及雷击场所被测设备要良好接地存储温度0-50°C2、使用方法(1)局部放电检测。本发明利用TEV传感器贴在接地的开关柜外壳上进行检测，当开关柜内发生局部放电时，TEV传感器采集开关柜表面的TEV信号，再经滤波放大电路进行处理，得出初始信号，初始信号经过模数转换变为数字信号，并转送给GPRS模块，通过GPRS 网络将数据传送到远程监控中心；另一方面监控中心也可以使用主动方式发送TEV局部放电采集命令给GPRS模块。监控中心提供基于VB开发的开关柜TEV部放电监测、分析软件， 软件集成了数据配置、数据采集、数据监控及后台管理功能。数据传输至监控中心之后，经过分析、统计计算出局部放电的特征量，辨别局部放电的特性分别绘制多种表达不同局部放电特征的局部放电量的相位分布图，放电量分布图，放电次数的相位分布图以及它们的暂态变化，并进行模式识别。(2)局部放电点定位。当使用本发明进行局部放电定位时，对于传感器的位置要求两传感器的间距不得小于60cm。具体使用方法为将传感器网络置于开关柜表面，通过终端显示的传感器TEV信号值进行比较，TEV信号值较高的传感器距离放电点的位置越近，当两传感器显示的TEV信号值相同时，则说明放电点在两传感器之间。可以通过此方法定位出开关柜内局部放电点的位置，为检修提供参考。
8
权利要求
1.一种基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，其特征在于，包括 依次串接的信号采集单元(1)、信号传输单元O)、数据采集及分析单元C3)和人机界面 (4)，其中，信号采集单元(1)用以获取局部放电信号，包括依次串接的暂态对地电压传感器 (11)、滤波电路(12)、放大电路(13)以及模数转换电路(14)，所述的模数转换电路(14)的输出端连接信号传输单元O)；信号传输单元( 进行远距离传输，包括有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置 (21)信号的GPRS接收装置(22)，所述的GPRS发射装置Ql)的信号输入端连接信号采集单元(1)的模数转换电路(14)，所述的GPRS接收装置0 的输出端连接数据采集及分析单元⑶；数据采集及分析单元C3)用于采集局部放电数据并进行分析、判断和存储，采用计算机或高速DSP芯片作为主处理器；人机界面(4)用于显示整个系统的检测结果。
2.根据权利要求1所述的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，其特征在于，所述的暂态对地电压传感器(11)设置有多个，其中每相邻的两传感器的间距大于等于60cm。
3.根据权利要求1所述的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，其特征在于，所述的模数转换电路(14)采用高频A/D转换芯片。
4.根据权利要求1所述的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，其特征在于，所述的暂态对地电压传感器(11)外部采用金属屏蔽。
5.根据权利要求1所述的基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统，其特征在于，所述的数据采集及分析单元C3)还设置有网络通信端口(33)。
全文摘要
一种基于无线网络的开关柜局部放电暂态对地电压检测系统信号采集单元有依次串接的暂态对地电压传感器、滤波电路、放大电路以及模数转换电路，模数转换电路的输出端连接信号传输单元；信号传输单元有GPRS发射装置和接收GPRS发射装置信号的GPRS接收装置，GPRS发射装置的信号输入端连接信号采集单元的模数转换电路，GPRS接收装置的输出端连接数据采集及分析单元；数据采集及分析单元采用计算机或高速DSP芯片作为主处理器；人机界面用于显示整个系统的检测结果。本发明传感器灵敏度高、抗干扰，检测安全、迅速、准确，便于工作人员操作诊断，可实现开关柜内多部位的局部放电监测和定位信息采集。做到放电故障的及时发现以及排除。
文档编号G01R31/12GK102508128SQ20111032589
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者刘勇, 杜伯学, 田霖, 郭亚光, 韩涛, 马宗乐, 高宇 申请人:天津大学