基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究(1)

的重要原因， IEC 及各个国家对局部放电都制定了 相应的测量与评定标准，建立了多种描述其对绝缘 损害程度的参数，如视在放电电荷量、放电能量等。 但这只是对电气设备绝缘的总体评估，其测量值受 局部放电源在设备内的位置影响很大。只有在已知 局部放电位置的条件下，设备绝缘的总体评估才具 有更高的可信度和实际价值，因而局部放电的准确 定位非常重要，对局部放电定位方法的研究具有重 要的科学意义和实际价值。 目前， 局部放电的定位方法主要有电气定位法[1]、 超声波定位法和射频超声波联合定位法[2]。电气定 位法是根据局部放电在设备内的电气传播特性建立 的，这方面国内外已有较多研究[3]。如对变压器内 的局部放电的定位，该方法主要在电气上建立级联 的仿真模型和传递函数，由于这种方法检测的是通 过“路”传播的信号，因而对绕组内多局放源在极 短时间内相继或同时发生，将很难从时域乃至频域 上分开。另外该方法考虑的是电气而非几何邻近， 这也将造成定位精度的下降。超声波定位法的关键 参数是局放产生的超声波到达传感器的直接传播时 间或到各传感器的时延差，这方面国内外均有较多 研究 [4]。超声波法对变压器内多局放点由于难以分 别提取时延和模式，因而实际定位精度不高甚至可 能得出错误的位置，不宜应用于在线监测和定位。 西门子公司利用射频和超声波的复合探头对局放作 联合检测，并用 3 个复合探头对局放定位，原理上 和超声波 3 点定位法一致，不过各探头的时延以射 频接收为基准，减少了计算时延时的误差，有一定 优点，但仍无法解决多点定位问题。 本文根据相控阵接收原理，提出了基于超高频 和超声波相控接收原理的局部放电定位法（以下简 称本定位法）,并对该方法进行了仿真研究。结果表 明，本定位法能有效地对油中局部放电进行几何位 置的定位，而且对于多个空间位置不同的局部放电 源，其产生的最大信号所处的对应于空间角度的波 束阵列位置不同，相对于采样起始点的时间基准和 时间间隔也不同，因而本定位法也可解决多局放点 的定位问题。另外，本定位法使用的相控阵技术是 一种空域探测，和设备没有电的连接关系，因而这 种定位法更直观、直接和快速。
2004 年 1 月 第 19 卷第 1 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SO2004
基于超高频和超声波相控接收原理的 油中局部放电定位法仿真研究
罗勇芬
1
李彦明
1
刘丽春
西安 710032 ）
国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 50377034 ） 。 收 稿 日 期 2003- 06- 09 改 稿 日 期 2003- 10- 30
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电 工 技 术 学 报
2004 年 1 月
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引言
局部放电是电力设备绝缘劣化和电力系统事故
2
2.1
原理
相控阵基本原理 [5,6] 为便于理解起见， 先以相控均匀直线阵来说明，
2. Xi’an Thermal Power Research Institute Abstract
A new partial discharge（ PD） location method based on UHF and ultrasonic phased
array receiving theory is presented. The plane sensor is consisted of two phased receiving arrays, which respectively receive UHF and ultrasonic signals emitted by partial discharge. Regarding the time point of signal detected by the UHF phased receiving array as time benchmark, the time delay of ultrasonic signals received by acoustic phased receiving array can be obtained and the distance between PD source and the sensor can be calculated, then the PD dimensional position can be found out using the azimuth and elevation angle at which the phased receiving arrays scan. Because PD sources of different space positions lead to different space angles of beam combination representing corresponding maximum PD signal, and to different time benchmark compared to the same sampling initial point and different time delay, the locating of multiple PD sources can be reached. Several examples of PD in oil are simulated using this novel location method and the results indicate the method can locate the PD in oil and solve the location of multiple PD sources. Keywords ： Partial discharge, phased receiving array theory, location method, simulation
2
（ 1. 西安交通大学电气工程学院 2. 西安热工研究院 摘要 西安
710049
提出一种基于超高频和超声波相控接收阵的局部放电定位法。该方法以分别检测局部
放电产生的超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器，以超高频相控接收阵检测到的局 部放电超高频电磁波信号作为时间基准，由此得出接收到的超声波信号的时延，进而计算出放电 点与传感器间的距离；再根据相控阵扫描的方位角和仰角，与算出的距离一起就可得出局部放电 源的几何位置。多个空间位置不同的局部放电，其产生的最大信号所处的对应于空间角度的波束 阵列的位置不同，相对于同一采样起始点的时间基准不同，而且时间间隔也不同，因此还可实现 多局放源的定位。对这一设想进行仿真研究，结果表明该方法能对油中局部放电进行较精确的定 位，并可较好地解决多局放点定位问题。 关键词： 局部放电 相控接收原理 定位法 仿真 中图分类号： TM855
Simulation of PD Location Method in Oil Based on UHF and Ultrasonic Phased Array Receiving Theory
Luo Yongfen 1 Li Yanming 1 Liu Lichun 2 710049 China China ） Xi’an 710032 （ 1. Xi’an Jiaotong University Xi’an
如图 1 所示。 A 是 N 个相同的阵元组成的相控均匀 直线阵，相邻阵元间隔 d 。
图1 Fig.1 相控均匀直线阵等延迟波束偏转
Wave-bind deflexion of phased equality line array
阵元发射波信号时，在远场点 P(r ,θ ) 的辐射场 为各阵元辐射场的叠加。取阵元 1 在 P 点产生的辐 射场 E1 = E0 e j(ω t − kr ) （ k = 2π 为波数） ，则第 N 个 λ 阵元在 P(r ,θ ) 点的辐射场为 E N = E0 e j [ω t − kr + k ( N −1) d sin θ ] = E1e j [( N −1) kd sin θ ] 显然，在 P(r ,θ ) 点的合成辐射场为 E (r , θ ) = E1[1 + e jkd sin θ ] + L + e j( N −1) kdsin θ kdsinθ N −1 ) (1) j kdsin θ sin( N 2 2 = E1e kdsinθ sin 2 若考虑对相邻阵元激励附加 β 等相位差的延 迟，则相控均匀直线阵的归一化方向函数 [4] 为 ϕ sin ( N ) 2 Fa (θ ) = (2) ϕ N sin ( ) 2 式中 ϕ = kd sin θ + β ，其中 kd sin θ 是相邻阵元的波 程差 ∆r = d sin θ 所引起的相位差， 为空间相差，β 为 相邻阵元的阵内相位差，即加入的相位延迟。 要求主瓣最大值方向为 θ M ，则取 β = −kd sin θ M 即可。当相移 β = 0 时，主瓣在阵的正前方；当加入
第 19 卷第 1 期
罗勇芬 等
基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究
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相移 β = kd sinθ 0 时，主波束由线阵的正前方偏转到 θ 0 方向。也就是说，通过相位补偿技术，不需要机 械转动相控阵，就可以按照预定的偏转角度控制主波 束的偏转。由互易性，同一天线在同样条件下，接收 的电参数和发射的对应电参数是一致的，即通过相位 补偿可接收预定的偏转角度方向上的目标信息。 2.2 定位的基本原理 直线阵不能改进天线在垂直于阵直线的平面内的 方向性。如果要在方位角ϕ 和仰角 θ 两个方向上同时实 现天线波速的相控阵扫描，就要采用平面相控阵。N× N 个阵元对局部放电源 P 的接收信号的空间相位差可表 示成矩阵，对 N×N 个阵元接收信号的附加阵内相位差 也可表示成矩阵。改变阵内相位矩阵，天线传感器方向 α = kd cosθ sin ϕ 对应的 θ 、 ϕ方 图就按与 β = kd sin θ 、 向扫描，亦即通过近似连续改变平面阵的阵内水平和垂 直相位差，就可实现空间坐标上的电控扫描，获取空间 上的目标信息。 用单一的超高频或超声波相控接收阵传感器只 能确定某个方向上有无局放源，还需知道局放源与 传感器间的距离才能达到对局放源定位的目的。因 此需要超高频和超声波信号及对应的相控接收阵。 本定位法将局部放电看作超高频和超声波的发 射源，用检测超高频和超声波信号的相控接收阵构 成平面传感器， 以接收到的超高频信号为时间基准， 进而得到同一方向的超声波传输时延，这样即可计 算出局部放电点与传感器间的距离；再根据相控阵 扫描的方位角和仰角即可得出放电点的空间几何位 置。超高频相控接收阵由于传感器尺寸的限制，阵 元数不多，它除了获取时间基准外，还可对局部放 电作粗略定向，而文献 [2]的射频传感器接收处理的 仍是“路”信号，分离不出方向；而超声波相控接 收阵可对局部放电较精确的定向。