1.本发明涉及传感器部署的技术领域，尤其涉及一种适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法。
背景技术：2.开关柜在长期运行中，由于各种原因造成开关柜在安装和投运后的过程中出现电缆搭接处故障、母线故障、出头故障、操作机构故障、避雷器故障灯，从而给电网的可靠运行带来了隐患，直接影响设备的安全稳定运行。
3.高压电气设备发生局部放电时，放电量往往先聚集在与接地点相邻的接地金属部位，形成对地电流在设备表面金属上传播。对于内部放电，放电量聚集在接地屏蔽的内表面，屏蔽连续时在设备外部无法检测到放电信号，但屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接、电缆绝缘终端等部位不连续，局部放电的高频信号会由此传输到设备屏蔽外壳。因此，局部放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传出，并沿着设备金属箱体外表面继续传播，同时对地产生一定的暂态电压脉冲信号，称为暂态对地电压。基于上述原理的地电波(tev)局部放电检测方法作为一种非侵入式检测手段，对于开关柜内部是否存在放电性绝缘故障，具有灵敏度高、成本低、安装方便等优势，十分适合高压开关柜的带电检测。
4.目前地电波(tev)局部放电检测方法的主要应用方式是定期的带电巡检，不仅会消耗大量的人力物力，还会因为检测人员水平和经验的不足而导致漏判误判。同时由于对开关柜内部局部放电位置与严重程度尚未进行深入研究，分布式传感器节点部署位置并未有实际方案。
技术实现要素：5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明提供了一种适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法，能够有效减少事故发生，提高设备及电网的稳定性。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，基于麦克斯韦微分方程计算开关柜内局部放电电磁信号的传播特性；根据开关柜的结构和材料参数建立开关柜仿真模型，通过所述开关柜仿真模型对开关柜内电场强度的分布、tev分布式传感器信号幅值的影响因素进行仿真分析；根据仿真分析结果设置局放源与tev分布式传感器的部署点，比较在相同局放源下各部署点的局放源电压幅值与方差，确定tev分布式传感器的部署位置。
9.作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：传播特性包括，利用麦克斯韦微分方程计算开关柜内局部放电电磁信号的传播特
性，得到均匀介质中电磁场的波动方程：
[0010][0011]
通过引入标量势和矢量电势a(x,y,z,t)，分析均匀介质中电磁场的波动方程得到达朗贝尔方程，并且基于电荷的均匀分布的空间v的作用，以及空间电荷和电流密度在时变场的无源区域均为零，得到达朗贝尔方程的解为：
[0012][0013]
其中，e为电场强度，h为磁场强度，ε为介质的介电常数，μ为介质的磁导率，t为时间，γ为传播距离；局部放电电所产生的高频电磁波沿r方向进行，v为传播速度，为电荷密度，为电流密度。
[0014]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：包括，开关柜的柜体大小为800*1500*2300mm，距离开关柜底板800mm和1600mm处分别设置厚度为2mm的金属挡板，将该开关柜从上到下依次分为继电器仪表室、手车室和电缆室，在距离前柜门处660mm处设一个2mm厚金属挡板，以固定、支撑断路器和绝缘子。
[0015]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：包括，在开关柜的手车室和电缆室中间侧边处设置400*600mm的环氧树脂窗口，在开关柜的后门距离地面800mm处设有一个半径为150mm高仿爆玻璃观察窗；开关柜侧面呈l形状。
[0016]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：包括，开关柜仿真模型中各元件的参数分别设置为：外壳：相对介电常数为1，电导率为1.1
×
106s/m；铜母线：相对介电常数为1，电导率为5.7
×
107s/m；电流互感器材料：相对介电常数为3.6，电导率为1
×
10-8
s/m；断路器瓷瓶：相对介电常数为5.7，电导率为1
×
10-8
s/m。
[0017]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：开关柜内电场强度的分布包括，监测开关柜内部的yz平面内部的场强变化，电磁波在经过缝隙时，一部分向空气传播，另一部分沿着开关柜表面传播，形成暂态的地电压，且在边界处电场强度最大。
[0018]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：tev分布式传感器信号幅值的影响因素包括局放源脉宽、局放幅值和检测距离；局放源脉宽：分别将脉宽为1ns，2ns、3.5ns、5ns、10ns、15ns，幅值为1a的高斯脉冲电流作为局放源先后固定在开关柜的电缆室内，从而获得不同局放源脉宽与tev分布式传感器信号幅
值的关系；局放幅值：设脉冲宽度为10ns，分别将脉冲幅值为2a、3a、4a、5a的高斯电流脉冲作为局放源先后固定在开关柜内，在开关柜外表面上设置tev分布式传感器的探测单元检测暂态地电波信号，从而获得不同局放幅值与tev分布式传感器信号幅值的关系；检测距离：在(600，430，140)处设置高斯脉冲作为局放源，脉冲幅值为1a，脉冲宽度为10ns，在与局放源中心相距100mm连续设置六个阻值为50ω的探针作为局部放电检测点，对测量到的电压幅值进行归一化处理，得出检测点信号相对强度，从而获得不同检测距离与tev分布式传感器信号幅值的关系。
[0019]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：包括，在比较相同局放源下各部署点的局放源电压幅值和方差之前需进行参数设定，即局放源选取幅值为1a、脉冲宽度为10ns的高斯脉冲，开关柜的检测阻抗设置为50欧，而后进行仿真。
[0020]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：包括，对仿真数据进行归一化处理；根据归一化后的仿真数据获得部署点的局放源电压幅值和方差。
[0021]
作为本发明所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的一种优选方案，其中：归一化处理包括，将得到的每种放电类型的电压值除以该放电类型在各个检测点的最大值。
[0022]
本发明的有益效果：本发明根据某一类型开关柜的结构尺寸和材料参数进行精确建模，通过仿真计算与实验验证，确定开关柜局部放电传感器的部署位置，在尽量保证成本的基础上，实现了开关柜局部放电的监测，具有很高的应用价值。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0024]
图1为本发明第一个实施例所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的开关柜仿真模型结构示意图；
[0025]
图2为本发明第二个实施例所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的尖板放电实测与仿真曲线示意图；
[0026]
图3为本发明第二个实施例所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的气隙放电实测与仿真曲线示意图；
[0027]
图4为本发明第二个实施例所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的沿面放电实测与仿真曲线示意图；
[0028]
图5为本发明第二个实施例所述的适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法的悬浮放电实测与仿真曲线示意图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对
本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0030]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0031]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0032]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0033]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035]
实施例1
[0036]
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种适用于开关柜局部放电监测的传感器部署方法，包括：
[0037]
s1：基于麦克斯韦微分方程计算开关柜内局部放电电磁信号的传播特性。
[0038]
当开关柜发生局部放电时，通常看作为某一点的脉冲线电流源，其向外辐射的电磁信号频率最高可达吉赫兹(ghz)，并以球面波的方式向四周辐射并在各种介质中传播，满足麦克斯韦微分方程，因此，本实施例基于此计算开关柜内电磁信号传播特性，局部放电产生电磁波后向周围空间均匀辐射和扩散。
[0039]
具体的，利用麦克斯韦微分方程计算开关柜内局部放电电磁信号的传播特性，得到均匀介质中电磁场的波动方程：
[0040][0041]
进一步的，通过引入标量势和矢量电势a(x,y,z,t)，分析均匀介质中电磁场的波动方程得到达朗贝尔方程，并且基于电荷的均匀分布的空间v的作用，以及空间电荷和电流密度在时变场的无源区域均为零，得到朗贝尔方程的解为：
[0042][0043]
其中，e为电场强度，h为磁场强度，ε为介质的介电常数，μ为介质的磁导率，t为时间，γ为传播距离；局部放电电所产生的高频电磁波沿r方向进行，v为传播速度，为电荷密度，为电流密度。
[0044]
从而说明电磁波产生之后向周围空间均匀辐射和扩散。
[0045]
s2：根据开关柜的结构和材料参数建立开关柜仿真模型，通过开关柜仿真模型对开关柜内电场强度的分布、tev分布式传感器信号幅值的影响因素进行仿真分析。
[0046]
(1)建立开关柜仿真模型
[0047]
参照图1，开关柜的柜体大小为800*1500*2300mm，距离开关柜底板800mm和1600mm处分别设置厚度为2mm的金属挡板，将该开关柜从上到下依次分为继电器仪表室、手车室和电缆室，在距离前柜门处660mm处设一个2mm厚金属挡板，以固定、支撑断路器和绝缘子。
[0048]
在开关柜的手车室和电缆室中间侧边处设置400*600mm的环氧树脂窗口，在开关柜的后门距离地面800mm处设有一个半径为150mm高仿爆玻璃观察窗；开关柜侧面呈l形状。
[0049]
整个开关柜的后半部分又分为母线室和电缆室，其中，开关柜仿真模型中各元件的参数分别设置为：
[0050]
外壳：相对介电常数为1，电导率为1.1
×
106s/m；
[0051]
铜母线：相对介电常数为1，电导率为5.7
×
107s/m；
[0052]
电流互感器材料：相对介电常数为3.6，电导率为1
×
10-8
s/m；
[0053]
断路器瓷瓶：相对介电常数为5.7，电导率为1
×
10-8
s/m。
[0054]
(2)仿真分析
[0055]
对开关柜内部的yz平面内部的场强变化进行监测，从yz平面图中场强的变化可以看出，在刚开始的时候，缝隙处的场强逐渐增大，在经过一段时间后，电磁波穿过开关柜缝隙向外部传播，在时间为7.1ns时，缝隙处场强比柜体中央表面大25db左右；说明电磁波在经过缝隙时，一部分向空气传播，另一部分沿着开关柜表面传播，形成了暂态的地电压，且在边界处场强最大。
[0056]
进一步的，对tev分布式传感器信号幅值的影响因素进行分析，其中，tev分布式传感器信号幅值的影响因素包括局放源脉宽、局放幅值和检测距离，具体的：
[0057]
局放源脉宽：分别将脉宽为1ns，2ns、3.5ns、5ns、10ns、15ns，幅值为1a的高斯脉冲电流作为局放源先后固定在开关柜的电缆室内，从而获得不同局放源脉宽与tev分布式传感器信号幅值的关系，发现检测点的tev分布式传感器幅值随着电源脉冲宽度的增加而呈指数衰减，tev分布式传感器的脉冲宽度也随着电源的脉宽增加而增大。
[0058]
局放幅值：设脉冲宽度为10ns，分别将脉冲幅值为2a、3a、4a、5a的高斯电流脉冲作为局放源先后固定在开关柜内，在开关柜外表面上设置tev分布式传感器的探测单元检测暂态地电波信号，从而获得不同局放幅值与tev分布式传感器信号幅值的关系，发现局放源
的幅值越高，tev分布式传感器检测到的局部放电信号幅值越强。
[0059]
检测距离：在(600，430，140)处设置高斯脉冲作为局放源，脉冲幅值为1a，脉冲宽度为10ns，在与局放源中心相距100mm连续设置六个阻值为50ω的探针作为局部放电检测点，对测量到的电压幅值进行归一化处理，得出检测点信号相对强度，从而获得不同检测距离与tev分布式传感器信号幅值的关系，发现随着检测距离由100mm增加到600mm时，tev分布式传感器采集的局部放电信号脉冲宽度稳定之后不变，而局部放电信号的幅值随着检测距离的增大由47.72uv逐渐减少到2.11uv，显然局放信号的幅值随着局放源与tev分布式传感器之间的检测距离增大而呈现逐渐衰减趋势。
[0060]
s3：根据仿真分析结果设置局放源与tev分布式传感器的部署点，比较在相同局放源下各部署点的局放源电压幅值与方差，确定tev分布式传感器的部署位置。
[0061]
根据仿真分析结果设置局放源与tev分布式传感器的部署点(放电点与监测点)，
[0062]
表1：放电点和监测点坐标。
[0063][0064]
在比较相同局放源下各部署点的局放源电压幅值和方差之前需进行参数设定，即局放源选取幅值为1a、脉冲宽度为10ns的高斯脉冲，开关柜的检测阻抗设置为50欧，而后进行仿真。
[0065]
进一步的，对仿真数据进行归一化处理，即将得到的每种放电类型的电压值除以该放电类型在各个检测点的最大值。
[0066]
根据归一化后的仿真数据获得部署点的局放源电压幅值和方差。
[0067]
较佳的是，归一化后的幅值可反映该检测点的电压幅值检测灵敏程度，方差反映检测结果的波动性，有利于确保后期对局放源信号的特征提取与模式识别的准确性。
[0068]
根据归一化结果(表2)，由于放电位置的不同，开关柜外表面各个点的检测情况不一样，这与开关柜内部的结构有关，也与电磁波的折反射有关。
[0069]
表2：各检测点(q1～q4)电压幅值。
[0070] abcdefghijklq10.1180.1870.1030.0360.0750.1360.9540.3581.0000.2060.7680.05q20.3050.1440.0900.2650.6790.0700.7280.2750.9360.1311.0000.228q30.3040.1420.0900.2610.7440.0701.00.2710.9850.1280.9240.222q40.3060.1460.0900.2600.7440.0700.8880.2710.8240.1291.0000.225均值0.2580.1550.0930.2010.5610.0870.8920.2940.9610.1490.9730.181方差0.0940.0220.0070.1310.3250.0880.1190.0430.0370.380.1090.113
[0071]
从电压幅值的检测性能上看，位于后柜门左侧底边e点、前柜门左侧底边g、左侧中央i和左侧顶边k点检测效果良好；从检测结果的波动性来看，位于后柜门中间的d点和顶部的e点，前柜门顶部的k点以及h点方差值大，说明这几个点的波形变化明显，检测时传感器安装在这些位置时，传感器可以很好的检测出某一类型，却不能检测出所有的类型；为了确定tev分布式传感器最佳的安装位置，选择幅值和方差作为评判标准，要求检测点的各个放电类型的幅值较大，同时检测点的各个模型的波动性性要小，即要求幅值较大，方差尽可能小；g点和k点的检测电压幅值都很高，但是方差也很大；b点、c点和i点的方差都比较小，但是检测电缆终端尖板放电的电压幅值比较小，而实际开关柜在运行的过程中，电缆放电发生的情况最多，因此综合考虑之后，本实施例选择前柜门左侧中央l点作为最佳的tev分布式传感器安装位置。
[0072]
实施例2
[0073]
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例对选取的tev分布式传感器的部署位置进行实验验证，以验证本方法所具有的真实效果。
[0074]
首先，设置不同放电缺陷模型，并依次放入指定位置，每放入一种放电缺陷模型，接通电源缓慢提升电压，当示波器开始出现稳定的局部放电脉冲时，tev分布式传感器开始采集数据，每隔五分钟采集一组，记录每次采集数据的最大幅值，采集间隔为10s/次，一共采集100组数据，然后取平均值和归一化幅值。
[0075]
(1)电缆尖板放电的验证。
[0076]
将局部放电传感器放置在与开关柜仿真模型相对应的检测点e、g、i、k的位置上，b相电缆终端放置尖板放电模型，计算不同检测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值，实测与仿真结果如图2所示。
[0077]
(2)电流互感器内部气隙放电(q2)的实验验证。
[0078]
将局部放电传感器放置在与开关柜仿真模型相对应的检测点e、g、i、k的位置上，b相电流互感器放置气隙放电模型；计算不同检测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值，
实测与仿真结果如图3所示。
[0079]
(3)断路器支撑绝缘子沿面放电(q3)的实验验证。
[0080]
将局部放电传感器放置在与开关柜仿真模型相对应的检测点e、g、i、k的位置上，b相断路器支撑绝缘子下方表面附近放置沿面模型，同样也记录不同检测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值，实测与仿真结果如图4所示。
[0081]
(4)断路器悬浮放电的实验验证。
[0082]
将局部放电传感器放置在与开关柜仿真模型相对应的检测点e、g、i、k的位置上，b相断路器上方放置悬浮模型，计算不同检测位置的波形幅值平均值及其归一化幅值，实测与仿真结果如图5所示。
[0083]
由图2-5可见，k点的归一化的和是最大的，而且它的方差是最小的，说明波动性不强烈，可以稳定的检测出各个类型的放电，因此选择i作为本开关柜局部放电信号的tev传感器的最佳安装地点，即前柜门左侧中央，与仿真验证结果一致。
[0084]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0085]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0086]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0087]
如在本技术所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例
如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
[0088]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
