毕业设计（论文）-GIS 局部放电定位方法的研究.doc

北方民族大学学士学位论文 论文题目: GIS 局部放电定位方法的研究 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 专 业: 电气工程及自动化 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 2010年5月21日 论文答辩时间: 2010年5月29日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要 随着社会高速的发展，对电能质量的要求越来越高，同时对设备安全运行的要求也相应提高。GIS(气体绝缘封闭式组合电器)以其体积小，可靠性高等优点受到电力系统的欢迎。GIS从设计的出发点、是设计成不需维护的设备，然而，一旦GIS发生故障，其修复时间将更长，对电力系统的危害也更大。局部放电是GIS中绝缘老化的一个最为重要的因素，目前已使用的在现场检测有检测放电产生的光，超声波，电流，电磁波等等，由于方法本身的缺陷或者检测后的处理问题加上现场强烈的干扰，使得检测精度不高。针对这种情况，本文采用紧贴在绝缘支撑物表面安装的外部天线检测GIS中局部放电产生的电磁波信号。重点对利用两天线的时间差进行局放点定位展开研究。试验证实，利用时间差可对局部放电源进行较为精确的定位。文章首先介绍了局部放电危害以及目前的检测方法，接着介绍了检测系统的结构和试验方法，利用实验数据对放电点的定位，在比较的基础上得出最终论。关键词: 局部放电 , GIS(气体绝缘封闭式组合电器), 在线监测, 时延估计1ABSTRACTHigher and higher quality electrical power supply is needed with the development of the society. So GIS has more and more applications in the power system due to its characteristics advantage,such as small volume,high quality,etc.Essentially,GIS is designed not to need maintenance. However in case of an insulation breakdown,it takes a longer time for its restoration and the breakdown causes more serious damage to system operationAs is known to all.partial discharge is a symptom of an insulation breakdown occurring in GIS.So it is very important.At present,signals of light.supersonic wave.current and electromagnetic wave which are emitted from GIS can be utilized to determine whether PD occurs.however, The solve this problem,this paper proposes a noncontact detection method by using anatennas fitted closely on the outer circumference of the insulation space to receive signals of electromagnetic wave emitted. We emphasizes particularly on the research of using the time delay bewteensignal from two antennas to locate the PD in GIS. Experiments proved that the time delay between the signals can be use to find correctly the location of defects in GIS. This paper :The first part introduces basic knowledge such as PDs principle and detection methods used now . The second part introduces the system for detecting and our experiment.and the last part analyze the data to locate the defectsand gets the conclusion.Key words: PD GIS ,on-line monitor , time delay estimation.I 目 录第1章 绪论11.1 简介11. 2 GIS局部放电在线监测综述21.2.1 GIS绝缘结构特21.2.2 局部放电的特点和信号传播特性31.2.3 GIS局部放电在线检测方法51.3 GIS在线监测的意义81.4 本文主要工作9第2章 实验方法和干扰分析及抑制102.1局部放电机理102.2 实验设备及原理图102.2.1 微带贴片天线（MPA）设计与分析102.2.2 实验方法112.3干扰的分析与抑制132.3.1 干扰的主要来源132.3.2 抑制干扰的主要方法142.4 数字信号处理142.4.1 小波变换去噪142.4.2 小波去噪基本原理152.4.3 利用小波变换原理提取局部放电脉冲信号152.5 本章结论15第3章 时间差的计算与放电源的定位173.1 定位方法及步骤173.2 时间差的计算183.2.1 互相关函数法183.2.2 互相关函数的改进单脉冲相应法193.3 能量比法对时间差的计算213.3.1 平方积分法213.3.2 能量比法223.4 两天线时间差法定位243.4.1 定位原理243.4.2 实验结论263.5 本章小结27第4章 MatLAB仿真结果284.1 MatLAB仿真284.2 本章结论30第5章 结论与展望31致 谢33参考文献34附录1：英文原文35附录4：中文译文43I 北方民族大学学士学位论文 GIS 局部放电定位方法的研究第1章 绪论1.1 简介123 气体绝缘组合电器（Gas Insulated Substation,简称GIS）即就是SF6全封闭组合电器，是70年代初期出现的一种先进的高压电器配电装置。它是将变电站中除变电器外的电气设备，包括断路器、隔离开关、接地（快速）开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线（三相或单相）连接管和过度元件（SF6电缆头、SF6空气套管、SF6油套管）等全部封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以0.34MPa0.4MPa的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。它的绝缘介质具有优异的灭弧和绝缘性能。同时，SF6的化学性能稳定且无毒性。经过多年的实践，如今在高压、超高压及特高压领域，SF6气体几乎成为断路器和GIS的唯一绝缘和灭弧介质。因为与常规的电器相比，GIS具有体积小、技术性能优良、占地面积小、基本不受外界气候因素的影响，无火灾危险、检修周期长、运行安全可靠等特点。自20世纪六十年代问世以来，GIS迅速发展，在输变电系统中占据着重要的地位。因此GIS近年来在许多大型重要电站得到普遍应用。 由全封闭组合电器组成的气体绝缘变电站与常规敞开式户外变电站相比有以下优点：（1） 占地面积和空间显著降低，且随电压的增加而显著减少。（2） 不受外界环境条件（例如污染）的影响，运行安全可靠。（3） SF6断路器开断性能好，检修周期长。（4） 安装方便，GIS一般都在工厂装配后以整体形式或分成若干部分运往现场，故可缩短现场安装工作量和工程建设周期。（5） SF6气体的耐压强度比空气高得多，而且它无臭，不易燃。尽管气体绝缘组合电器具有如此多的优点，且一般故障率只有常规设备的20%40%。但GIS也有其本身固有缺点，由于GIS是全封闭组合电力设备，所以一旦出现事故，造成的后果比分离式敞开设备严重的多，其故障修复相当的复杂，有时候需要两星期甚至更长的时间才能修复。还有因此而大面积的停电，常涉及非故障元件。因此，GIS的运行检测十分重要，不仅仅需要认真进行常规预防性试验，而且应该重点研究GIS的在线监测技术，及时发现各种可能的异常或故障预兆并进行处理。 在我国目前在线监测技术并不是十分成熟，并且监测系统的研制费用高，风险大，周期长。GIS绝缘早期故障的主要形式是局部放电，局部放电既是设备绝缘的劣化征兆，又是造成绝缘劣化的重要原因，因此监测局部放电能够有效的发现GIS内部绝缘缺陷，尤其是潜伏性和突发性故障。对局部放电进行有效的在线监测对于电力设备的安全稳定运行起到关紧性的意义。在比较低的工频电压下局放检测可以发现GIS的缺陷且不必使其发生破坏性放电，因此局部放电测量是GIS现场试验中最常使用的方法之一。由于价格昂贵以及故障监测与诊断技术本身尚需完善提高当前虽有一些GIS局部放电监测诊断装置已投入运行，却远未推广，从而使此项研究开发工作仍在为热点。因此从电力系统的发展来看，对GIS进行在线检测的研究是十分必要的，这将有利于GIS电站的远程监控，实现其状态维修，是十分有意义的。1. 2 GIS局部放电在线监测综述1.2.1 GIS绝缘结构特3GIS设备可分为户外型与户内型两大类，总体结构较为相似，采用SF6气体或SF6混合气体作为主绝缘。由于这种气体在制造过程中不可避免地存在水分和氧气等杂质，在开断电弧高温下800K1000K时就开始分解出SF4和F，很容易发生一系列的化学反应而产生酸性有害物物质，容于侵蚀含硅的物质，因此在有电弧存在的SF电器的气室不能使用含硅的绝缘件，GIS内输电母线用环氧盆式绝缘子作为支撑绝缘。GIS有单相封闭式和三相封闭式两种不同结构，其中三相封闭式比单相封闭式的总体尺寸小、部件少、安装周期短，但是额定电压等级比较高时制造比较困难。所以通常只对110KV及以下的电压等级采用全三相封闭式结构，对220KV级除断路器以外的其他元件采用三相封闭式结构，对330KV及以上等级则一般采用单相封闭式结构。 (a) (b)（a）结构布线图 （b）主接线 图1-1 GIS的内部结构图 对于运行中的GIS绝缘件表面覆盖有SF6电弧分解物，在气体中含水分很少时，这些分解物是绝缘的。因此设备在完成短路开断试验后，只要内部气体为受潮，一般都能忍受住产品规定的高压实验：如果在SF6气体含水分较多时，受潮的固体分解物呈半导体特性，会使绝缘子表面的绝缘电阻下降，就可能引起局部放电，将会进一步劣化绝缘状态。SF6气体被电弧或放电分解后生成许多低氟化物，大多数在极短时间内复合成SF气体。SF电弧分解物通常没有剧毒的S2F10。基本上具有很高的耐电强度，对气体间的耐电强度没有什么影响，即便是在气体分解物浓度达到30%时耐电强度也没有什么变化。不过这些气体分解物对材料有腐蚀作用，尤其是SF4，会与含有SiO2填充剂的绝缘材料产生化学反应，使SiO2使变成粉状的SiF4，如果SF6中有水分，SF4与水反应生成腐蚀性更强的HF, HF与SiO2反应不但会强烈的侵蚀了绝缘材料，而且又析出水分，形成一个“酸腐蚀水”的恶性循环。伴随绝缘的劣化，设备的局部放电频率与强度也会不断上升，这时局部放电的发展将危及GIS内绝缘安全。1.2.2 局部放电的特点和信号传播特性56GIS内场强很高，当设备内部由于制造工艺或者运行的原因存在下述缺陷时会产生局部放电，放电机理如图：交接面缺陷外壳绝缘内部缺陷放电表面电晕放电导电微粒放电绝缘子导电杆图1-1 GIS内局放机理示意图GIS的内部故障以绝缘故障的比例为多，且后果严重。绝缘故障产生的原因可以有以下几种： (1) 固体绝缘材料如环氧树脂的浇铸件内部缺陷损伤造成。(2) 由于制造工艺不良、滑动部分磨损、触头烧损和安装不慎等因素在GIS 内部残留的金属屑末（或称导电微粒）引起的放电。 (3) 高压道题导体表面的突出物（由于偶然因素遗留在导体表面造成的高场 强点）引起的电晕放电。 (4) 由于触头接触不良，金属屏蔽罩固定处接触不良造成浮电位而引发重复的火花放电。 由于GIS内部存在上述缺陷，所以容易发生局部放电，一般来说放电的类型可以分成以下几类： 根据放电类型的识别有助于判断局部放电危害程度，不同类型缺陷将会使运行GIS发生故障的概率以及放电特征有所不同：（1）约占故障总数的20%是由于GIS设备内存在自由颗粒和异物所产生的。自由颗粒和异物主要来自两个方面，一个GIS设备安装过程中残留下来并在交流耐压实验过程未能完全去除的。二是GIS在运行后因元件磨损或振动等原因而产生的。由于GIS中自由导电微粒有积累电荷能力，静电力在交流电压作用下可以使导电微粒在GIS筒内跳动，如直立旋转、舞动运动等，这种运动与放电的出现在很大程度上是时随机的，这一过程与所加电压大小和微粒的特性有关。一旦有跳动的微粒接近或运动至GIS中高场强区时，伴随产生的局部放电有可能形成导电通道，造成局部击穿，因此，金属颗粒放电对GIS的危害相对较大。金属颗粒放电常伴有金属微振动，其放电类型可以结合超声波振动测量进行判断。（2）接触不良导致的故障约占总故障的29%，这一类缺陷包括屏蔽罩等导体的接触不良。故障常常发生在运行以后，常规实验难以发现。在对运行GIS进行局部放电检测中可以发现，接触不良导致所产生的UHF的幅值较大。（3）GIS内的电晕放电导致的故障约占5%，主要原因是GIS中高压导体表面存在毛刺等尖端，一般情况下，UFH信号的幅值较小。（4）约占10%故障是由于绝缘子存在缺陷导致的。绝缘子缺陷主要是其内存在微小气隙，在运行电压下产生气隙放电，其UHF信号的幅值一般较小。目前，在我国放电类型识别的研究仍处于试验室研究阶段，难点在于各种缺陷类型的超高频信号特征不十分明显。放电谱图法4有助于放电类型的识别，该方法首先对各种放电产生的UHF信号进行检波，通过计算机处理获得检波信号的二维、三维谱图 ，根据放电检波信号的相位、幅值以及脉冲次数等参数判断放电的类型。1.2.3 GIS局部放电在线检测方法235 GIS设备中的局部放电会在GIS设备外壳上产生流动的电磁波，使接地线上有高频放电脉冲电流流过，从而导致外壳对地呈现高频电压并向周围空间传播。局部放电还会使通道气体压力骤增，在GIS设备气体中产生纵波或超声波，并在金属外壳上出现各种声波，主要有纵波、横波和表面波等。GIS设备中的局部放电也可导致SF6气体分解或发光。根据这些物理和化学变化的特征，将有助于GIS设备局部放电的检测。因此，局部放电的在线监测方法可分为电的方法和非电的方法，其中电的方法包括化学、机械、光学的方法，主要有以下几种:。 (1) 化学的检测法。化学的检测法根据用变色指示剂检测SF6因局部放电分解产生的气体。当GIS内部产生局部放电时，会引起SF6气体分解，产生多种活泼气体。用化学分析法分解出来的气体进行检查，就会测出GIS内部发生的局部放电。这种方法优点在于试验设备体积小、重量轻，携带方便，易于操作，不受电气机械噪音的影响。 (2) 机械的方法。机械检测法就是用压电式加速度计检测由于局部放电使金属容器壁产生的振动，或采用超声波探头或微音器拾取放电产生的超声波。在高压电气设备中，早已有人对超声波检测局部放电的方法进行过大量的研究，由于振动波要经过多种物质(金属、绝缘体、气体)传播，在加上不同物质的传播速度和衰减程度各异，要通过换算和经验识别，所以要精确测定局部放电定量并定位是困难的。并且最小检测灵敏度受噪音的影响较大， (3) 光学方法。由于局部放电会产生光辐射，故可以用一种安装在GIS内部的光传感器进行测量。常用检测器包括一只传感器和一台控制单元。把传感器装在金属外壳的窗口上，以便检测GIS内部局部放电产生的光信号，测量到的信号通过电缆送到控制单元进行处理。使用这种方法时，需要在GIS的密封外壳上开窗，但这种方法却不会受到背景干扰的影响。虽然非电的方法各自有其特点，但总的来说，检测灵敏度还不够高，所以工业应用前景并不乐观。常规的电气检测方法主要有以下几种: （1）外复电极法 在GIS外壳上敷上绝缘薄膜和金属电极，外壳与金属电极形成的小电容作为拾取信号的耦合器，局部放电引起的脉冲信号通过小电容耦合到监测阻抗上，经过放大后被监测出来，小电容和监测阻抗对低频信号还起到隔离作用。另一种观点则认为GIS内的局部放电将在导电杆及外壳上产生流动波。由于肌肤效应，在开始阶段流动波只能在外壳内壁流动，只有当流动波达到外壳不连续处（如盆式绝缘子）时，才能泄露到外壳外表面。通过电容测量到的信号是泄露出的流动波所产生的电压差。 这种方法由于监测阻抗一端接电容，另一端接地，形成一个大环路，易受外界电磁波干扰。改进的方法是将两个电容传感器分别置于绝缘子两侧，信号取自绝缘子两侧。在此情况下，信号电路环绕的空间面积很小，电磁烦扰显著减弱，改进后的监测频带也从0.1MHZ1MHZ提高为20MHz40MHZ,现场的监测灵敏度从改进前的500pC提高为100pC200pC。原英国Roblnson公司曾根据这个原理研制了TEV-646便携式放电定位器，配一对电容传感器，带宽15MHz80MHz，定位准确度为200mm300mm,重量仅为5kg. (2) 内部电极法 该方法是将GIS法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极与外壳形成电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。当采用两个电容传感器时即可定位。定位原理系采用信号到达两个传感器的时间差确定。据称定位准确度可达100mm，局部放电的监测灵敏度可达70pC.另一种内电极法是在盆式绝缘子内的靠近接地端子处先埋设一个电极，我国华通开关的GIS盆式绝缘子即预埋有内电极此方法灵敏度高，当采取抗干扰措施时，可监测出5pC的局部放电。放电量的标定需在停电离线条件下，参照国家标准GB/T7354-2000有关规定进行。 (3)接地电流传感器也称为电磁结合法(罗柯夫斯基线圈检测)上述方法的改进形式是在GIS设备的接地线上加装脉冲电流传感器。由于现场GIS设备通常是多处接地，很难从外壳接地线上检测脉冲电流，所以该方法的应用具有很大的局限性。 此外还有GlS内绝缘异常的光学、化学诊断和SF6气体泄漏诊断方法等等。上述这些方法在实验室检测GIS设备内部的局部放电时，灵敏度可高达几十pC，甚至十几pC。不过在运行现场常常受电磁干扰和机械噪声的严重影响，以至于测量灵敏度将大大降低甚至无法检测，因此，目前上述局部放电测量方法在现场的应用受到极大限制。 为了克服常规的GIS内部的局部放电监测方法面临的困难，通过采用外部天线接收GSI内局部放电时发出的电磁波来检测局部放电，在近年得到了迅速发展。这种方法是基于:在高压力的SF6中，局部放电发生在很小的范围内，因此具有极快击穿时间的特征。这种具有快速上升时沿的局部放电脉冲包含有从直流到超过1GHz的频率成份。GIS的同轴结构本身是一个良好的波导，较高频率的电磁波可在其内部有效地传播，一部分电磁波将通过母线绝缘支撑物中间所夹的法兰圈向外传播，可由外部天线接收电磁波信号检测。其中一种方法是在GIS周围安置数个双锥形天线(频带20一20oMHz)，将所接收的信号经过数字示波器同时采样，并由计算机读取处理。实验表明这种方法检测GIS的局部放电是十分有效的。但由于天线安装位置距电磁波的泄漏位置(绝缘支撑物的法兰圈)较远，高频电磁波在空气中传播衰减很快，影响了测量的精度。因此，本文采用紧贴在绝缘子外表面安装的长方形开口天线，提高了检测的灵敏度。并且在GIS不停电的情况下可以简单的安装和回收天线，和其它外部天线相比简单经济，适用于GIS的在线检测。1.3 GIS在线监测的意义46 GIS在运行过程中不可避免地会产生绝缘缺陷，在运行中受到电、磁、热和机械应力等因素的作用，绝缘状态会劣化，最终导致丧失绝缘的功能出现事故，造成的后果比分离式敞开设备严重得多，故障修复更为复杂，需要更长的时间才能修复，所以GIS的运行检测十分重要，进一步发展GIS的在线监测技术，及时发现各种可能的绝缘异常或故障预兆,及时进行处理。 绝缘系统中的绝缘缺陷通常可以分成两大类:一类是集中性缺陷，指缺陷集中于绝缘的某一个或某几个部分。它又可分为贯穿性缺陷和非贯穿性缺陷，这类缺陷的发展速度较快，因而具有较大的危险性;另一类是分布性缺陷，指由于过热、动力负荷及长时间过电压的作用导致的电气设备整体绝缘.性能下降，它是一种普遍性的劣化，是缓慢演变而发展的，绝缘内部有了这两类缺陷后。它的特性就要发生一定的变化。这些缺陷如果不及时发现，就可能导致设备发生故障，甚至引发突发性的电力事故，造成巨大的直接和间接经济损失。至今，我国电力部门执行的是定期维修制，且是属于离线试验，为保证电力系统的可靠运行起了不可低估的作用，然而，其不足之处也很明显: 由于定期维修对故障的针对性不强，会造成人力物力的浪费;由于预防性试验是定期进行，故障可能在两次试验间隔期间内; 停电后设备试验状态与运行工况状态不一致，影响判断准确性; 由于停电试验，对电力用户会产生一定的影响; 维修现场条件的限制，使维修后的设备的某些指标难以达到规定要求，甚至由于维修不当或条件的限制造成设备的损伤。由于GIS特有的全封闭结构导致外部测量其内部放电信号有一定的难度，研究新型在线智慧诊断技术显得非常迫切。运用在线智慧诊断技术可随时监察GIS的绝缘劣化进程、及时回馈设备运行状态的信息，提高故障判断的工作效率，大大缩短排除故障的时间，减少维护人员的劳动强度，同时减少因停电造成的损失，将定期维修制变为视情维修，为实现变电站的无人值班创造条件。 1.4 本文主要工作 利用GIS内部放电所产生的电磁波信号可通过母线绝缘支撑物向外泄漏这个特点，可通过紧贴在放电设备绝缘支撑物外表面安装的天线接收其电磁波信号。在放电源不变的情况下，根据信号到达各个天线的时间差对放电源进行定位。由于所要测量的时差在ns级，这不仅会因测量记录环节引入误差， 基于以上分析，本文针对通过时间差法定位的具体问题，作了下面的工作。 1. 获得用于进行时延计算和放电点定位的高信噪比信号。 2. 重点对利用两路天线信号的时间差进行局放点定位展开研究。 3. 利用求取的两天线时间差对放电源进行定位。第2章 实验方法和干扰分析及抑制2.1局部放电机理25 通常用电子碰撞电离理论和流注放电理论来描述绝缘系统内部发生局部放电的机理: 1)电子碰撞电离理论: 自由电子在电场中被加速并与气体中性分子碰撞，如果电子的动能足够高，将会使中性分子激发出电子，形成新的自由电子和正离子，新的自由电子和原来的自由电子在电场下继续加速，并和其它的中性分子碰撞，又会激发出新的自由电子。这样自由电子数将会成倍的增长，形成电子雪崩当满足自持放电条件 (ead一l)时( 为正离子引起的次级电子发射系数，a是体积电离系数，d是电子运动距离)，就发生持续的局部放电。 2)流注放电理论: 在气隙放电中，除了电子碰撞电离外，光致电离对放电的发展起了主要作用。在电场足够高的情况下，先是电子碰撞电离而形成电子雪崩，称为雪崩。在电子雪崩中，电子集中在尖端部位崩头。加强了崩头到阳极附近的场强。正离子集中在崩尾，加强了崩尾到阴极附近的场强。在电子崩地中部电场很弱，为等离子区。当电子、离子浓度很高时，就会产生复合而放出光子，光子进入电子崩地两端高场强中，就会迅速激发中性分子电离，放出电子并产生二次电子雪崩。二次电子雪崩和初始电子雪崩汇合，很快扩大等离子区，当等离子区贯穿两个电极时，就出现气体放电。沿着狭窄的等离子通道放电，形成流注放电。由于光致电离的放电速度比电子碰撞的速度快，所以流注放电比单靠电子撞电离的放电速度要快，通常流注发展的过程为10-8秒。2.2 实验设备及原理图 2.2.1 微带贴片天线（MPA）设计与分析8 （1）超高频外置天线的选择 为了使传感器比较好的耦合到发生局部放电时所激发的电磁信号，须满足以下要求：1）较好的接受信号的同时抑制干扰：2）带宽和中心频率要适合：3）驻波比要小于2，并且具有较高的增益和灵敏度：4）整个天线接收系统阻抗要匹配，且现场安装要方便。因此要能有效地检测GIS局部放电超高频的信号，应在线元天线、行波天线及阵列天线中选择。考虑到现场的安装和实际的尺寸以及微带天线（属线元天线的一种）具有的优点（剖面薄、体积小、重量轻、：具有平面机构、馈电网络可与天线几个结构一起制成：便于获得圆极化等），所以选用微带天线，而它的主要缺点（频带较窄）可以通过一定的方法克服。 （2） 微带贴片天线的结构与工作原理天线开口绝缘支撑长方形天线同轴电缆GIS管道本文涉及的微带贴片天线由矩形金属、介质板、金属底板、和馈线四部分构成，如下图所示： 图2-1 微带贴片天线结构示意图微带贴片天线是有矩形金属贴片粘贴在避免有导体接地板的介质板上形成的。介质板选用介电常数较低的聚苯乙烯材料，其介电常数为2.62.。天线利用金属贴片和金属底板之间的缝隙接地电磁波，并转化为高频电流，用同轴探针作为馈线进行馈电，通过50欧姆同轴射频电缆把信号进给检测设备。2.2.2 实验方法9 所研制的GIS在线检测系统在某电力试验研究所一段长5m、110KV的模拟故障GIS上进行了相关实验。该装置由3个盆式绝缘子、2段同轴体和高压套管组成，内部的SF6气体压力位0.2MPa,这样的实验装置可以真实反映运行中的局部放电特性。模拟故障GIS的放电回路如图1所示（图中单位为mm），矩形开口天线1与天线2外置与GIS金属法兰与盆式绝缘子表面，用于接收缝隙处泄露出来的电磁波，高压进线悬空。在图中箭头指示位置，设置了一颗金属螺母和管壁形成针-版电极。信号由数字示波器采集，波形文件通过GPIB上传至计算机存盘处理，采样频率为2.5GHZ，采集长度为10KByte. 图2-2 GIS模拟装置示意图信号检测回路如图所示： 图2-3信号接收回路 实验中传感器是独立于GIS的,可以移动和便携，所以检测时不需要拆动GIS的任何部件。虽然通过盆式绝缘子缝隙传播出来的超高频信号相对较弱，但由于GIS上众多的盆式绝缘子提供了众多的可检位置，使放电信号的传播距离比较小，避免了信号长距离传播所产生的衰减。示波器和计算机的通用数据接口采用GPIB标准，测量系统采用的GPIB转接卡有一套自己的库函数，与示波器的指令相配合，在计算机上远程采用和传输数据。2.3干扰的分析与抑制512 在实验室中，用某些方法检测GIS内部的局部放电时，灵敏度可高达即使皮库甚至十皮库以下。但在运行现场，由于电磁干扰和机械噪声严重而使灵敏度显著降低，为此需对存在的各种干扰进行分析和抑制。由于现场环境中的电磁干扰信号可能比变压器内部局部放电脉冲电流信号还强，在对局部放电进行在线监测时，局部放电信号完全可能被电磁干扰信号淹没甚至无法监测。因此，大型变压器局部放电在线监测的关键技术之一是如何在强电磁干扰环境中有效地检测出局部放电信号。对于电磁干扰的抑制，通常从空域(如采用接地、隔离、屏蔽等)和时域(如采用模拟和数字滤波等)同时采取措施，但往往无法抑制电晕放电、电弧放电等随机脉冲干扰信号。对此，人们进行了大量的研究.2.3.1 干扰的主要来源6 现场的各种干扰根据其时域特征的不同，可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪声三类;而脉冲型干扰又可进一步分为周期型脉冲干扰和随机脉冲干扰。而干扰的主要来源有: (l)电力设备的载波通讯和高频保护信号:连续型的周期性干扰. (2)无线电广播的干扰:连续的周期型干扰.(3)线路或其它邻近设备的各种放电干扰:如高压线路的电晕放电干扰，普遍存在于变电站。SF6气体的绝缘强度比较高，GIS中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，相比之下，空气中的电晕放电等干扰的辐射频率一般在150MHz以内。且高频段在空气中衰减很快。 (4)白噪声:包括各种随机噪声，如绕组热噪声、地网噪声、配电线路以及变压器、继电保护号线路中由于祸合进入的各种噪声等。 天线接收到的信号中包括局放信号及各种干扰。各种干扰信号，严重地影响了监测的灵敏度和可靠性。在现场离线试验时，干扰水平要比实验室有良好屏蔽时高出1-2个数量级，在线检测时常常更严重。因此离线及在线检测电力设备局部放电的一个关键环节就是干扰的抑制和消除。2.3.2 抑制干扰的主要方法 现场的多种干扰源，除电晕干扰之外，频率较低，试验采用的模拟高通滤波器(20MHz)，对于电磁干扰信号的抑制一般采用屏蔽、监测系统一点接地、差动放大、选用信噪比较高的监测频带（采用带通滤波器）及软件进行信号处理（例如时域平均技术）等措施。抑制机械噪声可选用合适的监测频带以及时域平均技术等。可以有效的滤除大部分干扰信号。同时采用数字滤波方法，可以有效的区分放电波形与电晕干扰。2.4 数字信号处理采集的局部放电信号中还存在着部分噪声干扰，因此在分析局部放电脉冲之前需要进一步去除局部放电脉冲中的噪声干扰，尽可能真实复现局部放电信号。对于伴随放电信号进入采集系统中的低频噪声，可通过合理设置模拟高通滤波器的通频带来滤除;而对于高频电磁干扰，则必须在计算机中运用数字信号处理方法对信号进行处理，否则会对后面进行的时延计算和放电点定位造成很大误差. 2.4.1 小波变换去噪9 （1） 小波分析是一种对信号的精细分析方法,它利用具有一定频率的基本小波和信号进行卷积(滤波),并通过变换基本小波的频率可以将信号划分为不同频率的块信号进行分析。这里使用的基小波是Gabor基小波中的一种,其定义如下: （2.1） 在实际的检测过程中如果出现外界的干扰经过小波变换处理，通过时-频分析很容易发现干扰的位置以及所处的频段,在计算时延时波形选取中应该去除这部分频段的信号。同时小波变换成功的滤除了干扰信号。2.4.2 小波去噪基本原理 有用信号通常表现为低频信号，而噪声信号多为高频信号。通过对信号的多层次分解，将分解得到小波系数进行阀值处理后，再进行信号的重构，可达到去除信号中的噪声干扰，保留信号中的低频分量，即真实信号的目的，其基本实现步骤如下：1)选择合适的小波函数和分解层次，对混有噪声的信号进行小波分解。2)小波系数的阀值量化，由于信号中噪声部分含在高频部分，而有用信号一般处在低频部分，因此必须选择合适的阀值进行量化处理。在对信号进行量化处理时，一般有软、硬阀值两种方法。硬阀值处理是把信号变换的绝对值与阀值比较，小于或等于阀值变为零，大于阀值的点保持不变；软阀值处理是比较后小于或等于阀值的点变为零，而大于阀值的点变为该点与阀值的差。3)经过步骤2)的小波系数阀值量化后，仅剩下最大尺度上的尺度系数，再进行信号重构，即可得到去噪后的信号。2.4.3 利用小波变换原理提取局部放电脉冲信号从检测点看，局部放电信号大致可分为指数衰减脉冲、高斯脉冲和三角脉冲。频率范围为几十KHz到几百兆Hz，包含丰富的频率信息。本文中首先运用小波分辨率滤波器组，由粗及精地逐步分解信息，从而对信号由个时频域的综合人事：然后在选取十大昂的中心频率。通过小波变换滤除干扰。提取特定频段的局放信号，用于进一步对信号进行时延计算和定位。2.5 本章结论 从上面的试验干扰分析可以看出，影响检测的主要干扰信号为电晕干扰。在外部有电晕干扰的情况下，可利用电晕信号在频域上较窄的特点，采用数字滤波方法处理，有效的区分放电波形与电晕干扰。小波变换的方法具有良好的时频局部化性质，对信号的奇异性分析和非平稳信号的检测克服了传统方法的不足。本章将小波分析应用于GIS的局放信号处理，通过小波变换能够有效的滤除干扰，提取清晰的放电波形。从上述的处理过程可以得出以下两点结论:1. GIS中的局部放电激发的电磁波信号在频域中有较宽的频带，影响检测的主要干扰信号为电晕干扰，采用小波变换处理可以很好的去处噪声干扰。2. 利用小波变换，能有效抑制包括电晕产生的高频电磁波在内的各类干扰，提取特定频段的局部放电信号，用于进一步对信号进行时延计算和定位。第3章 时间差的计算与放电源的定位3.1 定位方法及步骤3614 对于体积庞大的GIS装置，仅仅检测其内部是否有局部放电存在是远远不够的，如何利用在线检测的方法实现局部放电点的定位是目前GIS局部放电研究的热点和重点，依靠外部天线采集局放信号的定位方法可采用以下步骤:1. 信号峰值比较法利用超高频电磁波信号在传播过程中的衰减，将外部可移动传感器分别放在各个盆式绝缘子处，根据不同的测量点所产生的信号幅值不同，比较各传感器接收信号的幅值，通过比较各测量点的测量结果确定放电点的具体位置，信号幅值偏大的传感器靠近局部放电源的位置。 2. 信号先后比较法当多个盆式绝缘子处的放电信号幅值无明显差别时，可以根据信号先后的比较进行放电源定位。把A、B两个传感器分开放置在邻近的盆式绝缘子上，如果总是传感器A的信号先于传感器B到，则表明放电源在传感器A的附近;改变传感器B的位置，将传感器B移至A左右两侧的盆式绝缘子逐渐缩小测量点距放电点的距离，观察信号到达的先后，最终确定局部放电源所在气室的位置。3. 平分面法 当GIS设备所占空间范围比较大时，一般可采用平分面法，该方法首先采用传感器A，B探头同时进行测量，通过改变两个传感器的具体位置使其时间差为零。此时，两个探头之间的平面为放电点所在平面。重复上述操作可以依次得到另外两个放电点平面。三个放电点平面的焦点即为放电点的具体位置。 4. 时间差计算法 时间差计算法主要用于多放电点的定位。一般采用多探头和多通道数字示波器同时进行测量，所以对气室中局部放电源的定位，可以采用信号时间差计算法，时间差计算法的基本原理是分别计算各探头获得的放电信号时间差并根据电磁波的传播速度，计算局部放电源的位置。这也是本章主要研究的内容。时间差法的定位原理较为简单，不过电磁波的传播速度高达0.3m/ns，在极其微小的时间差内距将造成很大计算误差。判定时间差的方法主要有:最大峰值法，时域初始过零点法(闭值法)，互功率相位谱法，互相关法等。各种方法适用于不同的信号特点，各有优劣。其中时域初始过零点法只有在没有噪声干扰或者噪声很小的情况下才能估计信号间的时间延迟。由于GIS中存在支撑绝缘子造成其特性阻抗及波阻抗不连续，每节GIS及每个连接腔可视为微波同轴谐振腔，导致局放波形十分复杂。根据实测放电原始波形可知，如果纳秒级的放电信号引起的振荡波形，持续时间超过1微秒，信号的峰值就会出现在振荡过程中，所以采用峰值法直接判定两路信号峰值间的时延将会产生很大的误差。针对以上问题，本文提出采用基于波形相似性的单位脉冲响应法和基于能量变化检测波形前沿的能量比法来求取时间差，取得了较好的效果。3.2 时间差的计算3.2.1 互相关函数法1114 相关函数分析有自相关和互相关两种。自相关函数表示波形与自身差一个时间值的相似程度，互相关函数表示两个信号波形相差时间时的相似程度。设为放电源产生的电磁波信号，天线1和天线2分别接收到的是两个经过不同路径的含有噪声的信号和。假定传输函数为非频变的，即为常数，则可以定义和为： （3.1）常数、和分别表示相对吸收系数和相对时延。假定两个外界噪声项和互不相关，而其它们与也互不相关，定义，信号的互相关函数，由下列公式确定： （3.2）其中与噪声项和是无关的。对于来说，它是，和的函数，并且在当处，由于信号与自身的相关性为1，有取得最大值。于是，时间差可以用上式所定义的互相关函数来估计，相关峰值位置即是两路信号的时间差。3.2.2 互相关函数的改进单脉冲相应法3.2.2.1 单脉冲相应法3在实际的GIS管路中，两路信号由于不同传播路径的影响和连接腔对电磁波信号的谐振效应而存在畸变，大大削弱了信号之间的相关性。对于两路信号间纳秒级的相对时延，由于受设备采样率及放电信号带宽的限制，相关峰会产生展宽，在背景噪声相关函数)叠加之后，很难得到清晰的相关峰，甚至出现伪峰，严重影响时延估计的可靠性。为解决这类实际应用中的问题，希望相关峰值在，处能够尽可能地尖，以便最精确地确定，原本应用于声呐系统定位的单位脉冲响应法哪在改进相关峰值的收敛度上有非常明显的效果。经过理论推理可得：如果，可以得到一个函数（单位脉冲信号）的结果，即： （3.3）由此可以看出，计算单位脉冲响应函数可以有效的改进互相关峰值的确定。3.2.2.2应用于GIS局放信号时间差求取的实际考虑 一、信号畸变的影响及处理方法 受GIS中管壁和绝缘支撑的影响，局放脉冲激发的电磁波在GIS中传播时就会发生多次折、反射和谐振现象，导致波形的畸变。在到达天线的局放信号中包含有直达波和复合路径波。实际上每一路天线所测量到的信号，都是一组多路径传播信号与噪声信号的叠加，其中直达波的路径最短，衰减最小。复合路径波的叠加会造成相关峰值的模糊，并且，复合路径波与直达波之间的时延会在互相关函数中产生新的峰值，单位脉冲响应函数计算并不能消除这些峰值，只是锐化了每一个相关峰值，使之可以清晰的被区分出来。 为减少复合路径波的影响，本文采用了时域开窗法对算法进行改进，以窗口函数来提取直达波成份。时域开窗分硬件和软件两类。硬件方法主要有差动平衡法和脉冲极性鉴别法，用于变压器和大型电机的局放检测。二者都是利用在两个测量点间外来脉冲同极性、而内部局放脉冲则表现出反极性这一特征，来抑制外部干扰脉冲。但在实际应用中，由于进入的两种脉冲干扰的来源和途径不同，导致两路脉冲干扰在相位、幅值和波形上都有很大的差别，也会导致测得的两路脉冲不符合对干扰极性相同、对局放极性相反的规律，无法有效地抑制干扰。我国有人提出多端调节 定向耦合差动平衡法：首先通过多端调节抑制相间干扰，再通过差动平衡处理抑制本相干扰。这一改进虽然有一定的效果，但并不能从根本上弥补其缺陷。3.2.2.3 时延计算结果及误差比较3 对于设置的固定放电点，为了验证各路信号间时延的可重复性，所以重复进行三组试验，实验过程:第一次给试验变压器升压到47kV产生局放信号后，测量信号的时间差;降压到0kV后，隔十分钟，再升压，测量放电信号的时间差;再降压，在隔十分钟后第三次加压，测量信号。在三次放升压过程中产生的放电电压基本相同，时间差的测量具有可重复性。实验过程中示波器采样频率为2.5GHz，采样长度为10KHz。 此实验中采用