GIS局部放电特高频信号时延的分数阶希尔伯特估计算法

时延估计是GIS特高频局部放电检测基于时差定位的基础,是决定故障定位精度的关键。文中阐述了分数阶希尔伯特变换用于时延估计的理论基础,提出了基于分数阶希尔伯特变换的GIS特高频局部放电时延估计方法,并给出了时延估计算法的数值实现步骤。针对某220 kV GIS设备特高频局部放电巡检过程中在开关气室发现的异常局部放电信号,现场利用高速示波器采集开关气室两侧盆式绝缘子浇筑孔处泄露的特高频电磁波信号。根据文中提出的时延估计算法计算两路特高频电磁波信号时延,准确计算出放电源的空间位置,距盆式绝缘子浇筑孔1.25 m,该间隔开关气室解体后测量放电源距浇筑孔1.3 m。利用分数阶希尔伯特算法的局部放电放电源定位误差明显低于双谱时延估计算法和插值相关法时延估计算法,从而表明了该算法具有较好的有效性和实用性。     

变压器升高座内部套管局部放电特高频信号传播特征

油纸电容式套管是广泛应用的变压器出线套管形式之一。目前,运行人员主要依据预防性试验对套管绝缘状态进行评估,无法对运行中的套管局部放电进行检测和识别。在仿真研究升高座内部套管局部放电特高频信号传播特征的基础上,提出了基于特高频法的变压器升高座内套管局部放电非接触式带电检测与定位方法。首先仿真研究了套管升高座内部局部放电激发电磁波信号的传播路径和传播特性,明确了升高座内部特高频信号通过套管外侧油道传播至外部空间;然后,搭建了套管试验平台,开展了套管顶部悬浮放电和套管升高座内部均压环附近悬浮放电试验,验证了套管外部特高频检测局部放电的可行性;最后,通过4通道特高频天线阵列对放电源进行定位试验,证明了升高座内部局部放电特高频信号的辐射途径。结果表明,该方法可以实现升高座内部的套管局部放电的非接触式不停电检测,对提高变压器出线套管维护水平具有重要意义。     

特高频法检测GIS局部放电的试验研究

介绍了特高频法检测 GIS内局部放电的模拟试验方法。试验表明特高频法可有效地消除电晕干扰 ,检测的放电信号随 GIS内放电间隙的增大而减小 ,随传感器与放电间隙距离增大而减小。特高频电磁波信号传播时间差可对 GIS内局部放电进行初步定位。     

基于电磁波信号传播衰减模型的变电站局部放电定位方法

分析了局部放电辐射电磁波的空间传播衰减特性,及电磁波接收天线的灵敏度系数,并以此为理论基础,提出了一种新的基于天线阵列和电磁波衰减模型的局部放电定位方法,实现变电站全站的局部放电源定位。该方法在变电站空间建立三维坐标系,推导出天线接收到电磁波信号的峰值与局放源及天线位置之间的关系,从而构建关于局部放电位置的计算模型。该方法只需要检测信号峰值,而不需要计算信号的时延序列,可以大大简化数据采集和处理系统要求。论文分别对电磁波仿真软件得到局部放电信号,及实验室模拟局部放电测试得到的电磁波信号进行分析处理,利用该方法计算局部放电源位置,验证了方法的准确性和可行性。     

基于EMD优化双谱的开关柜局部放电特高频信号时延计算方法研究

局部放电特高频信号的时延估计是对开关柜放电缺陷进行精确定位的基础,提出了一种基于经验模分解优化双谱的开关柜局部放电特高频信号时延计算方法。首先根据实验室的开关柜尺寸,采用Xfdtd软件立开关柜的模型,对其进行特高频电磁波传播仿真计算,在不同检测点获取局部放电特高频信号。然后在实室搭建开关柜局部放电特高频检测试验平台,在不同位置获取局部放电特高频信号。最后针对局部放电特高仿真和实测信号,采用所提的改进双谱法以及现有3种常用方法对不同信号的时延进行计算。结果表明所提法更适用于实际开关柜局部放电缺陷的精确定位。     

粒子群优化算法在电气设备特高频局部放电源定位中的应用

带电检测是判断高压电气设备内部绝缘性能的重要手段之一,特高频局部放电检测技术可以实现由绝缘缺陷引起其内部局部放电源放电类型的诊断及定位。采用粒子群优化算法求解不同时间段局部放电源所在位置,建立三维空间模型,采用粒子群优化算法优化定位初值,降低电气设备特高频局部放电定位精度对到达时间差法时延的依懒性。试验证明带电检测过程中对特高频局部放电定位采用粒子群优化算法求解与优化可以将外界环境对到达时间差算法的时延干扰降至最低,提高定位精度与定位速率,适用于高压电气设备内部局部放电的带电检测。     

变压器局部放电UHF信号传播特性的仿真分析

特高频(UHF)技术通过检测局部放电辐射电磁波信号来实现对设备局部放电的检测,抗干扰能力强,检测灵敏度高,是一种基于空间电磁场耦合的局部放电测试技术,能够实现真正意义上的局部放电在线检测,因此在变压器局部放电检测领域取得了日益广泛的关注及研究。由于变压器内部结构复杂,各种金属结构件都会对辐射电磁波的传播产生影响,因此变压器局部放电UHF检测技术有必要研究变压器内部电磁波的传播规律。为此在对变压器内部结构进行合理简化的基础上完成了变压器典型结构的计算机建模,以高斯电流元模拟局部放电源,合理设置各类仿真参数,利用时域有限差分法(FDTD)对特高频电磁波在变压器内部的传播特性进行了仿真分析。仿真结果给出辐射电磁波信号在铁心绕组之间的传播特点,铁心对电磁波传播造成的衰减和畸变作用,并通过时域及频域波形的对比给出不同脉宽、不同幅值电磁波信号在铁心绕组结构中传播的特点。     

基于多传感器的变压器特高频局部放电定位方法研究

研究了基于多传感器的变压器特高频局部放电定位关键技术——时延估计方法和定位算法,阐述了时延估计方法、原理以及实现流程,并对定位算法进行了说明。结果表明:基于最小均方算法(LMS)的自适应时延估计法具有较高的精度,模拟退火算法计算出的放电源位置与真实放电源的位置距离最近,两者相结合能够判断放电信号的来源,并实现放电源的定位。     

基于空间谱估计的多局部放电源分辨和定位

提出基于空间谱估计的变压器局部放电源定位方法.利用电磁矢量传感器检测局部放电特高频(UHF)信号,该传感器是一个六元天线阵,能同时检测入射UHF信号的6个电磁场分量.对传感器输出数据进行窄带滤波,应用信息论的最小描述长度准则或平滑秩序列法估计局部放电源数,并应用空间谱估计理论中的多重信号分类算法实现多局部放电源的分辨和定位。通过仿真和实验研究,证明了单个电磁矢量传感器可以分辨并定向追踪3个局部放电源.     

多局部放电源的电/电磁波和声信号时序分析

局部放电既产生瞬态的电/电磁波信号,也辐射声波,为了解决设备内多局部放电源的存在给诊断所带来的困难,通过对局部放电辐射的电脉冲、电磁波和声波检测信号的分析,忽略脉冲信号的幅度特性和持续时间,仅考虑脉冲接收的起始时间点,构成对应的布尔量时间序列,以分别代表局部放电的电/电磁波和声波的布尔量时间序列,为两个坐标轴建立直角双时间坐标系。理论分析认为,任何一个局部放电源的电/电磁波和声波的布尔量时间序列在该坐标系下构成一条45°直线,不同局部放电源因时延的不同形成的直线位置不同。实验研究工频下不同位置的3个局部放电模型的放电时序关系及由它们的电/电磁波和声波布尔量时间序列建立的直角坐标系的结果表明,该法有可能识别多局部放电源,重构各局部放电源的放电时序关系,藉此研究各放电源的相间局部放电谱图及其放电模式变迁,并获得用于局部放电定位的关键参数超声波传输时延。该法物理意义明确、应用简单。     

GIS中局部放电与超高频电磁波关系的仿真研究

GIS内部由于存在各种绝缘缺陷而发生局部放电时,会激发起数百MHz至数GHz的超高频(UHF)电磁波在GIS腔体内传播。笔者根据电磁波在同轴波导中的传播理论,运用有限差分时域(FDTD)算法,对局部放电脉冲波形与其激发UHF电磁波之间的关系进行了仿真分析。首先研究了局部放电量与电磁波电场强度的关系,指出在一定的局放脉冲电流变化率下局放量的变化对电磁波电场强度的影响较小;然后研究了局放脉冲电流变化率与电磁波电场强度的关系,指出在局放量一定时二者近似呈线性关系;最后研究了局放脉冲电流变化率对电磁波中高次模成分的影响,运用变异系数对高次模成分在电磁波中所占比例大小进行分析,指出高次模成分所占比例随局放脉冲电流变化率的增大而增大。     

基于匹配滤波法的超高频局部放电信号检测

在强电磁干扰环境下准确获取局部放电信号是目前研究的难点。超高频局部放电过程的频散现象会影响波形匹配法消除干扰的效果,因此文中基于频谱最优匹配原则构造滤波器,以使超高频局部放电信号的能量得到增强,从而获得最大的信噪比。文中还采用改进的粒子群算法提高了优化计算的速度和可靠性。实验和分析结果均表明,在强干扰背景下,频谱最优匹配滤波法对白噪干扰和周期性窄带干扰均有较好的消噪效果,并可保持超高频局部放电脉冲的波形、幅值和极性信息。     

Consideration of radiated electromagnetic waves from partial discharge based on half‐wave dipole antenna model

Partial discharge (PD) may take place due to residual defects like metallic particles in SF₆ gas‐insulated power apparatus such as GIS. However, the signal of PD occurring in SF₆ gas is very weak and susceptible to external noise in air. Moreover, because of the complicated mechanism of PD, the radiation property of electromagnetic waves from PD has not as yet been clarified. Therefore, it is hard to distinguish the PD signal in SF₆ gas from external noise. From the above points of view, we have been investigating the radiation mechanism of electromagnetic waves from PD. We measured the polarization characteristics of electromagnetic waves radiated from PD in comparison with those of half‐wave dipole antennas. The polarization characteristics of PD were explained by the theory of half‐wave dipole antenna, rather than that of an infinitesimal dipole antenna. Moreover, we compared the power spectrum for PD measured using a biconical antenna with that received from the half‐wave dipole antenna or infinitesimal dipole. It was found that the power spectrum for PD also corresponded to that for the half‐wave dipole antenna with a length of 50 cm. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 126(4): 40–47, 1999     

局部放电光测法的研究现状与发展

笔者概述了光测法在局部放电各种研究领域中的应用现状,包括局部放电光谱分析、局部放电光脉冲检测、局部放电定位、绝缘老化机理、局部放电电磁波传播特性的试验方法以及试验结果,最后提出了高压电器设备局部放电光测法研究目前存在的问题及发展方向。     

GIS局部放电超高频检测法有关问题的仿真研究

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)中的局部放电在腔体中产生超高频(ultra high frequency,UHF)电磁波信号。为研究GIS局部放电源与UHF信号的关系,利用时域有限差分法计算局部放电产生的UHF信号;通过改变放电源和探头的参数,研究了局部放电产生的UHF信号的特性。仿真分析结果表明:UHF信号的幅值与局部放电脉冲幅值成线性关系;UHF信号与放电源的径向位置、放电通道长度、放电脉冲波形以及放电源与探头的夹角有关。单纯 UHF信号很难解释局部放电量的大小,但UHF信号可在一定程度上反映出GIS的绝缘状态。     

Frequency characteristics of electromagnetic wave radiated from GISapertures

Partial discharge (PD) measurement using electromagnetic wave by antennas is a promising technique to diagnose the insulation performance of SF₆ GIS. In order to establish high sensitive diagnosis technique of GIS insulation, frequency characteristics of electromagnetic wave, which are determined by GIS apertures such as insulating spacers and bushings, should be clarified. In this paper, we measured the electromagnetic wave radiated from different GIS apertures and also analyzed it using transient analysis program “PSpice.” Comparing the measurements with the theoretical analyzes, we investigated the relationship between the GIS aperture configuration and the radiated electromagnetic wave spectrum from the aperture. We also discussed how the aperture condition contributed to the radiation characteristics of electromagnetic wave. Finally, we concluded that the electromagnetic wave radiated from GIS aperture was based on different radiation mechanism in frequency     

Recent trend of the partial discharge measurement technique using the UHF electromagnetic wave detection method

The ultra high frequency (UHF) electromagnetic wave detection method has been widely studied and used in partial discharge (PD) measurement and as a diagnostic technique for insulation performance in gas‐insulated switchgears (GIS) and transformers. The UHF method has advantages such as high sensitivity, wide detection range and reduced external disturbances. On the other hand, there are still some issues to be solved in the UHF methods, such as a clear understanding of the propagation characteristics of electromagnetic waves arising from the structure of the equipment, optimization of antenna design, calibration of charge, etc. This article deals with the present status and future trend of the technology of this promising UHF method of PD measurement, together with recent activities and results from our laboratory. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

针-板局部放电辐射电磁波频率特性的实验研究

高压设备局部放电时会辐射出具有一定频率的电磁波。设计了一种典型的针-板电极放电实验模型,搭建一局部放电试验装置,用以模拟高压设备局部放电,对辐射出的电磁波频率特性进行研究。结果表明,在50 MHz-1 GHz测试频率范围内,这种局部放电能够辐射出能量较强的电磁波信号,并且连续分布于整个测试频段(包括超高频段0.3-1 GHz);通过比较屏蔽装置内外测得的放电频谱,证实辐射出的电磁波可通过开孔处耦合到设备外部,并能被检测,特征也基本不变。这些特性为高压设备局部放电非接触式超高频检测技术和此种放电类型的识别提供了实验依据。     

GIS中电磁波传播特性的仿真研究

为研究UHF信号在GIS中的传播特性,采用时域有限差分法进行了仿真建模和计算。GIS内部的局部放电会在腔体中激励超高频(UHF)电磁波信号,UHF法是通过对局部放电时产生的超高频电磁波信号进行检测,获得局部放电信号的有关信息以实现对设备的绝缘状态诊断和评估。UHF法抗干扰能力较强、灵敏度高。仿真结果表明,UHF信号在GIS内传播时呈现明显的时延特性,有利于局放源的定位;UHF信号的强弱和检测点与局放源的夹角Φ有关,Φ=0°和180°时信号的能量最大;局放脉冲越陡,在GIS腔体中激励的高次模波分量越大。     

A novel technique for detecting electromagnetic wave caused bypartial discharge in GIS

For the insulation diagnosis of GIS, it is necessary to detect partial discharge (PD) under noisy condition and to specify the direction of electromagnetic wave radiation due to PD. We proposed “phase gate control method” for discriminating the electromagnetic wave caused by PD in SF₆ gas from external noises. The proposed method enabled us to discriminate PD of about 100 pC in SF₆ gas from external noises of more than 10000 pC in air. We also compared polarization characteristics of electromagnetic wave radiated from PD with those from a half-wave dipole antenna, and could estimate the radiation length of electromagnetic wave caused by PD. The results derived in this paper contribute to the insulation diagnosis of GIS on-site