（电机与电器专业论文）发电机局部放电监测中数字抗干扰的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机局部放电监测中数 字抗干扰的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纽越 日 期：立巫：丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垒些逸 导师签名： 日期： 日期： 华北电力大学硕十学能论文 第一章绪论 1 1 大型电力设备绝缘在线监测简介 2 0 世纪5 0 年代以来，由于大机组、大电网所组成的电力系统的形成与发展， 伴随着电力用户对供电可靠性日益高涨的呼声，以及电力市场相应的经济制约，世 界各国的电力生产、管理和研究部门对发展配电系统各种类型的电力设备元件进行 了大量的试验和研究，以期解决设备运行可靠性的问题【i l 。高压电气设备的运行可 靠性很大程度上取决于其绝缘的可靠性，而绝缘的可靠性则取决于设备的绝缘结 构、制造工艺和运行维护工作，通常维护包括检测和检修两方面的工作。长期以来， 国内对运行设备的绝缘检测采用定期停电进行预防性试验，此方法已积累了丰富的 经验，并形成了一套绝缘预防新试验规程。 绝缘老化主要由电热机械和环境因子引起的，要对绝缘状态作出准确评价必须 采用各种监测方法，以追踪探测这些因子何时达到有害程度。当耵绝缘诊断的主要 形式还是用离线方式，传统的各种电气监测和试验方法仍然是绝缘诊断的主容。其 中非破坏性试验项目主要有：绝缘电阻( 吸收比) 、极性因子、泄漏电流测试、介质 损耗试验、离线局部放电试验等等。根据这些试验所得到的参量来评价系统的绝缘 状态。 但是随着电力工业的迅速发展，电网容量的增大，设备数量的急剧增加，传统 的测试方法愈来愈显示出许多不足【2 l ： 设备必须停电，有时停电申请难以批准； 试验周期长，试验工作量大： 试验电压低，所得的数据有时不能真实反映出设备的绝缘状态； 高压设备的绝缘劣化是一个累积和发展的过程，在很多情况下预示无法发现 潜在的缺陷。 在这种情况下，积极探索和开发电气设备的带电测试和在线监测技术，研究和 应用快捷准确的绝缘诊断方法十分必要。现代先进的传感器、电子技术和计算机技 术为绝缘的状态监测提供了很好的技术条件。 目前已应用的在线监测装置有：变压器气体分析；发电机工况在线监测分析： 光纤红外技术监测变压器内部温度变化；变压器、发电机、c t 、电缆、g 1 s 等局 部放电在线监测。在各类中大型电机绝缘在线监测方面，加拿大的一些单位已经 傲了相当多的工作【”l 。 国内带电测试和在线监测发展较为迅速，已研制出变电站绝缘在线监测装置； 1 华北电力大学硕七学位论文 变压器局部放电和油中色谱分析；避雷器泄漏电流；设备红外测温等。在数据的分 析和诊断中采用了模糊逻辑、人工神经网络、专家系统等。我国一些电力实验研究 所和高校开展了变电站设备绝缘在线监测研究，取得了一定进展。武汉高压研究所 开发出的变压器局部放电自动监测系统，已在湖南常德等变电站成功记录了运行变 压器过载及闪络前的局部放电过程【5 j 。上海工大、上海科大开发了火花射频监测装 置 6 7 1 ，西安交通大学和清华大学等科研单位也研究开发了多种大型电力设备的局 部放电在线监测装置i s , 9 , 1 0 。 但总的说来，目前国内的带电测试和在线监测仍然处于发展初期，许多技术尚 处于起步阶段，深入研究设备的结构及故障特征，将设备的各种工况参数有机地结 合起来进行设备的故障分析与识别，提高诊断的精度和可信度，设计诊断系统，是 推行设备维修从事故后维修、预防性定期维修向预测性维修过渡，促进设备的现代 化管理的必要手段；应用在线监测技术可以识别设备的早期故障，及时采取措施防 止重大事故的发生，延长设备的正常运行周期，提高维修质量，减少备件储备，缩 短维修时间；从而提高设备运行的可靠性和安全性，减少国家财产的损失。 1 2 发电机局部放电在线监测及抗干扰的意义 大型发电机是电力工业生产的重要设备。随着电力工业的发展和技术进步，发 电机正朝着大容量、高电压的方向发展。发电机单机容量的提高，为提高发电机效 率、降低成本、减轻电能生产对环境的影响提供了可能。但同时也对发电机的安全、 可靠运行提出了更高的要求。大容量的发电机一旦发生故障，将会造成停电事故， 甚至危及电力系统的稳定运行。事故的涉及面大、修理周期长、费用高、经济损失 巨大。因此，大型发电机的安全、可靠运行已成为电力系统的头等大事。电气绝 缘水平的下降乃至损坏是引起发电机故障的重要原因，据统计，发电机损坏事故中 有5 0 是由定子绕组绝缘损坏引起的l i u 2 。因此各国运行和制造单位对大型发电 机的绝缘状况的评估工作都高度重视，并建立了相应的经验评估体系。 目前，国内外大型发电机的在线监测技术已经形成了以下的特点：从巡回测量 到连续监测，从单参数监测到多参数监测。其中局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，p d ) 的在线监测是非常重要的方向。这是因为局部放电与绝缘的劣化和击穿有密切的关 系，局部放电是绝缘劣化的征兆，同时，局部放电又能对发电机绝缘起到加速劣化 的作用。对于绝缘老化来说，不管由何种因子引起，都会在系统内引发局部放电现 象，设备的局部放电水平不仅能够有效反映其绝缘结构的劣化程度，而且过量局放 的产生还会造成绝缘性能的进一步恶化。因此发电机局部放电在线监测已成为发电 机绝缘系统状态诊断的主流策略之一。通过测量发电机中局部放电的情况，可确定 是否存在着绕组端部污染、槽楔松动、绝缘剥离和表面护层损坏等情况，从而采取 2 华北电力人学硕十学位论文 相应的措施并为电机的寿命预测提供依据。另外，局部放电监测是发电机众多在线 监测方法中灵敏度最高的一种方法【l ”。 在局部放电在线监测中关键技术是抗干扰技术。局部放电信号属于弱信号，很 容易被淹没在现场强烈的电磁干扰中。因此，在现场应用上，不论是传感器提取信 号还是进行信号传输，抗干扰一直穿贯其中，成为局部放电信号监测的关键所在。 国内不少单位研制的局部放电检测装置普遍采用脉冲电流方法获得放电信号，但实 际应用效果往往不够理想，一个重要原因就是现场噪声干扰太大，以至很难获取真 正的局部放电信号。因此，有效地削弱和抑制干扰是使局部放电监测装置真j 下得到 广泛应用，进而使局部放电成为预测绝缘好坏的有效而快捷手段的重要保证。 1 3 抗干扰的国内外现状 1 3 1 干扰的分类 局部放电测量中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干扰和宽带干扰 两种，而按其时域波形特征通常可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪三类 【l4 1 。 连续的周期性干扰是主要干扰，主要包括： ( 1 ) 电力系统载波通讯和高频保护信号引起的干扰； ( 2 ) 无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和 频带宽度。 白噪包括各种随机噪声，如电机绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信 号线路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。理 论上，白噪干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上；而在实际应用中，若其 频谱在较宽频段上为连续平缓的，即可认为是白噪声。 脉冲型干扰信号包括： ( 1 ) 供电线路或高压端的电晕放电； ( 2 ) 电网中的开关、可控硅整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰； ( 3 ) 电力系统中其他非检测设备放电引起的干扰； ( 4 ) 试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰； ( 5 ) 浮动电位物体放电引起的干扰； ( 6 ) 设备的本机噪声和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短 的尖冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相 似的时域和频域特征。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 去除连续的周期性干扰的现状 l 、模拟滤波法 此方法对于消除工频及其谐波、载波通信、无线电广播等窄带干扰比较有效。 从j o h n s o n 等人早期的槽部放电监测到以后的g c a 等装置，再到p a m o s 系统和 e b i n d e r 等人开发的定子绕组放电监测系统【l ”，都采用无源的或有源的、高通的或 是带通的模拟滤波器。但是其带宽和中心频率的选择依识别的干扰信号而定，窄带 提取抗干扰性强，能抑制带通以外的干扰，但也容易造成信号某些频率成分的雀失： 宽带提取可测得信号的频率成分比较丰富，但是不利于抑制干扰，因此选择带宽很 重要。最大缺点是必须根据干扰频带的先验知识确定滤波器的通频带，没有数字滤 波方便，通用性差。 2 、频域分析法 由于局部放电信号是宽带信号，而连续的周期性干扰信号是窄带信号，两者经 过f f t 变换后有很大差别。局放信号是连续的波形，干扰信号是离散的谱线且幅值 远远大于局放信号。利用这个特点，有阈值直线法、阈值曲线法【1 “，将干扰成分臂 零，但是该方法丢失信号的能量过多，不利于提取局放信号的特征。 3 、傅立叶级数法【1 7 1 由于连续的周期性干扰多为高频正弦信号，因此傅立叶级数容易获得。应用计 算傅立叶级数得到噪声的参数后，得到模拟噪声，再从信号中减去获得的模拟噪声。 该方法相对于单纯频域方法获得了较好的效果，只是步骤较为繁琐。 4 、应用神经网络【1 q m a x n e t 网络f ”1 是利用振幅谱中干扰的幅值普遍高于局放信号，通过横向比较 使得最大值输出，而其他值鹭零，获得干扰信号的频率并将其挖除，反复迭代至满意 为止。该方法有较强的自适应能力，可根据干扰信号和调制信号位置自动确定要挖 除的频率成分，但是由于频率成分出现较大的跳跃性，可能会出现振荡和波形失真。 5 、自适应滤波1 2 0 , 2 1 , 2 2 自适应滤波特点是只需要很少或完全不需要任何关于噪声和信号的先验统计 特性知识，直接利用有限个观测数据来估计噪声分量，通过计算，自动调节滤波器 参数，以满足某种最佳准则的要求。但是由于时延收敛因子等多种因子的选择对结 果影响较大且有时会不收敛，因此该方法调节困难。 6 、二阶级联无限冲击响应( i i r ) 格型滤波器胪3 - 2 6 1 该方法先计算输入信号的自相关系数，并计算干扰和局放信号的功率谱，再求 出周期性干扰的谐振频率，估算各谱波函数，最后用数字陷波滤波法去除干扰，输 4 华北电力大学硕十学位论文 出的就是去除周期性干扰后的自相关函数。该滤波器具有对周期性干扰抑制比高、 对局放脉冲波形畸变最小、对脉冲干扰稳定性好以及处理时间少等优点。但这种滤 波器对于多谐波成分的周期型干扰存在参数调整困难、滤波时间长、占用内存大等 问题。 7 、小波变换提取放电信号【2 7 1 局部放电信号经过小波变换后分布在整个尺度空间，而连续的周期性干扰信号 只分布在有限的尺度空间上，针对这个特点运用小波变换来去除连续的周期性干 扰。目前利用不同的小波函数如二次小波、离散小波、小波包等有多种方法。但是 如何确定使用最优小波函数和去噪算法目前还没有很好的方法。 8 、数学形态学数字滤波 2 8 1 构造自适应组合形态滤波器，根据干扰信号和局放信号波形的几何结构特性不 同来去除干扰。需要预先定义的结构元素对信号进行匹配和修正。 1 3 3 去除白噪声干扰的现状 l 、模极大值法【2 9 1 白噪和信号的小波变换系数的模极大值沿尺度具有不同的传递特性，因而可根 据这种差别来滤除白噪。然而这种方法在具体的实现过程中需要进行十几次交错投 影，不仅计算速度慢，而且算法也不够稳定。另外，模极大值点的确定具有很大的 主观性和随机性，因而实际应用并不多。 2 、阈值法划 基于小波变换门限值的去噪方法，该方法对去除白噪和载波干扰都比较有效， 而且容易实现，运算量小。然而在这一算法的具体应用过程中，需要考虑小波分解 和重构算法、小波函数、分解尺度以及门限值的选择等问题，选择不当将极大地影 响去噪的效果。文献 3 0 在对局部放电信号和白噪的小波分解特性进行分析的基础 上，从尽可能减小去噪对局部放电脉冲畸变的角度出发，对阈值法作了改进。改进 算法更有效地提取局部放电的脉冲波形。 3 、空域相关法 3 1 1 空域相关滤波算法表明，信号的突变点在不同尺度的同一位置都有较大的峰值 出现，噪声能量却随着尺度的增大而减小。因此，可以耿相邻尺度的小波系数直接 相乘进行相关计算，使得在锐化信号边缘与其他重要特征的同时抑制噪声，而且能 够提高信号主要边缘的定位精度，更好的刻画真实信号。但是计算量较大，需要通 过迭代，并且用到了阈值滤波的一些思想。 5 华北电力大学硕十学位论文 1 4 论文内容 局部放电在线监测是一个热点问题，但是其中一些关键问题还没有很好的解 决。抗干扰问题一直是局部放电在线监测的难题。针对这种情况，本课题主要内容 有： 1 、研究发电机局部放电的机理 从局部放电的原理入手，详细论述了局部放电产生的原因，描述了最简单局部 放电产生的三电容模型，并分析发电机主要的四种放电类型，为局部放电测量做好 理论准备。分析脉冲电流法的原理、测量方法和该方法在发电机局部放电监测中的 应用 2 、制作局部放电监测的数据采集系统 根据脉冲电流法的测量原理，研制一套基于虚拟仪器技术的数据采集系统。采 集系统分为硬件和软件两部分。硬件包括：检测阻抗、耦合电容、放大器、数掘采 集卡和计算机系统。软件是基于l a b v i e w 平台开发的，配合完成数据采集卡的参数 设置、采集数据和保存数据等任务。 3 、针对连续的周期性噪声的去噪方法研究 窄带周期性干扰是局放在线监测中较常见的干扰之一。在针对此类干扰的众多 的滤波算法中，经典f f t 频域阂值法是较为快速、有效手段之一，但其本身也有相 当的局限性。本文将引入独立分量分析理论，从噪声和信号是不同的信源出发，分 解噪声和信号，达到去噪目的。 4 、针对白噪声的去噪方法研究 小波变换由于在时频域上都有较好的分辩力和信号特征提取的能力，特别适用 于处理局部放电这类脉冲信号，己被广泛应用于局部放电在线监测的去噪算法中。 模值之和法综合了阈值法和模极大值法的优点，计算简便，去噪效果明显，但是该 方法对于尺度差异阈值并没有明确确定方法。本文将在确定尺度差异阈值方面对该 法进行改进，以期达到更好的去噪效果 6 华北电力人学硕十学1 1 ：7 ：论文 第二章局部放电原理与监测方法 2 1 局部放电产生机理 在电气设备的绝缘系统中，各部分的电场强度往往是不相等的，当局部区域的 电场强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但是放电并没有贯 穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有击穿，仍然保持绝缘性能，这种 现象称为局部放电。发生在绝缘体内的称为内部局部放电；发生在绝缘体表面的称 为表面局部放电，发生在导体边缘而周围都是气体的，可称之为电晕。 当绝缘体中局部区域的电场强度达到击穿场强时，该区域就发生放电。在实际 的绝缘系统中。有的是由复合材料构成的，如液体与固体、气体与固体等复合绝缘 系统。在这样的绝缘系统中，不同材料中的电场强度不同，而且击穿场强也不同， 这就可能在某种材料中首先出现局部放电。有的绝缘系统虽然是由单一的材料做 成，但由于在制造中残留或在使用中绝缘老化而产生的气泡、裂纹或其他杂质，这 些绝缘的缺陷往往会首先发生放电。其中最常发生的是气泡的放电，因为气体的介 电常数很小，在交流电场中，电场强度是与介电常数成反比的，所以气泡中的电场 强度要比周围介质中高得多，而气体击穿场强一般都比液体或固体低得多，因而很 容易在气泡中首先出现放电。这在固体绝缘中，如干式互感器、电机、胶纸套管以 及塑料电缆等等，尤为严重。 基本的气体放电机理有电子碰撞电离放电和流注放电两类。在大气中的放电， 当电极的距离比较大，气压比较高时，就可能出现流注放电。在绝缘体内部的气隙， 一般都是很薄的，通常都是电子碰撞电离放电，但由于绝缘体的表面电阻很高，放 电产生的空间电荷积累在气隙两端的介质表面上，使电场集中，从而可能产生流注 放电。 气体放电可分为脉冲型( 火花型) 放电和非脉冲型( 辉光型) 放电两种基本形 式。在一般情况下，局部放电都属于脉冲型放电，这种放电可以在一定的外电压的 相位上观察到单个分离的脉冲。在低气压小气隙中有可能出现辉光放电，这种放电 观察不到单个分离脉冲，但可以观察到发出的辉光，也可以检测到低频放电电流。 局部放电是一种复杂的物理过程，有电、声、光、热等效应，还会产生各种生 成物。从电性方面分析：产生放电时，在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能 量损失，最引入注意的是反映到试品施加电压的两端，有微弱的脉冲电压出现。这 个脉冲信号可以通过一个简单的模型和等效电路来说明，图2 1 所示为最简单的含 有单气隙的绝缘体放电模型。 7 华北电力大学硕十学位论文 ( a ) 单气隙绝缘结构模型 艿一气隙厚度( m ) d 一整个介质的厚度( m ) 得： ( b ) 乖气隙等效电路 c 一气泡的电弈g 一与气泡串联部分介质的 电容c ：一其余部分介质的电弈 图2 1 单气隙局部放电模型 假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向垂直，则按电流连续性原理可 u e = k 砂 矾 占 d j ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 在工频电场中，若圪和儿均小于1 0 _ “( q 研) 一，则上式可简化为： 瓦e , _ 一丽u c 8 = 薏 ( 2 - 3 ) e bu h 婶一6 、。 ? 在直流电场中： 等= 丝 ( 2 4 ) l hj yc 式中丘、e 一气隙和介质中的电场强度( v m ) ： 虬、一气隙和介质上的电压( v ) ； 砭、墨一气隙和介质的导纳( 1 q ) ； 、气一气隙和介质中的相对介电常数； 圪、托一气隙和介质中的等效电导率( q 优) ； 艿、d 一气隙和介质的厚度( m ) 。 由此可见，在工频电场中气隙中的电场强度是介质中屯场强度的矗倍。通 华北电力人学硕十学位论文 常情况下占。兰1 ， 2 ， 即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿 场强即气隙发生击穿时的电场强度一般都比固体的击穿场强低。因此，在外加电压 足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有 形成贯穿性的通道，这种现象称之为局部放电。 在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由 于在制造中采取了真空干燥漫渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙。但却 不可避免地存在着充满绝缘油的间隙。这些油的介电常数通常也比固体介质为低， 因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙放电比要在高得多的电场强度下才 会发生。 此外，除了介质不均匀或有缺陷造成电场集中之外，即使在介质中不含有气隙 或油隙，导体表面的毛刺、导体尖端或导线的直径太小，在导体附近的电场集中也 会造成放电，如电容器的电极边缘、高压架空导线、没有屏蔽好的变压器的高压端 头、电缆的端头以及电机线棒的出槽口等部位，都经常会出现局部放电。在电工设 备或电路中，还会因有浮动的金属体而出现感应放电，或者有连接电接触不好而发 生放电等。 2 2 发电机局部放电的类型及特征 发电机中的局部放电主要有四种类型弛l ：内部放电、端部放电、槽放电和电晕 放电。 1 、内部放电 由于制造工艺上的原因或在长期运行中的电、热、化学和机械力的作用，高压 电机定子绕组不可避免地会在层间出现气隙，气隙中的场强可达平均场强的3 5 倍 左右。在运行电压作用下，气隙中的场强很容易达到击穿场强，出现绝缘内部局部 放电。内部放电主要有三种形式：辉光放电、火花放电和介于辉光放电和火花放电 之间的亚辉光放电。其中流柱状高气压辉光放电，存在大量能量很大的带电粒子， 这些高能带电粒子以很高速度碰撞气隙壁，能够打断绝缘体的化学键，造成绝缘材 料的表面侵蚀；局放产生的局部过热，会造成高温聚合物裂解而使绝缘损坏。通常 在运行电压的作用下，气隙首先击穿，形成局部放电；内部局放的电、热、化学和 机械力的联合作用，又进一步使气隙扩大，造成绝缘有效厚度减少，使击穿电压进 一步降低，最终导致绝缘击穿。 通常介质内部气隙放电在j 下、负两个半周内基本上是相同的，但每次放电的大 小，即脉冲的高度并不相等，而且放电多发生在外加电压幅值的绝对值上升部分的 相位上，只有放电很剧烈时，才会扩张到下降部分的相位上。 2 、端部放电 9 华北电力大学硕士学位论文 电机定子绕组端部并头套的连接处，是绝缘的薄弱环节，尽管采取了一系列的 措施( 防晕漆涂层和分级防晕层) ，仍是大型电机绝缘事故的多发区。通常大型电 机绕组端部采用绑扎或压板结构固定，当电机冷却气体湿度过大，击穿电压降低时， 可导致相间放电。在运行中由于振动和摩擦使防晕层损坏时，会引起端部表面放电。 由于电机端部电场局部集中，一旦发生端部表面放电，将对电机的绝缘产生很大的 破坏作用。 放电产生的电荷只在介质一边积累，更不容易在外加电压绝对值的下降相位出 现放电。当电极系统是不对称时，放电只发生在其中一个电极的边缘。 3 、槽放电 槽放电是指线圈主绝缘表面和铁芯槽壁之间的放电。其产生的原因是线圈槽部 表面不能和铁芯槽壁完全接触，存在间隙，且通风槽口处电场分布不均匀，当局部 电场强度达到一定数值时，气隙中的气体发生局部电离而产生槽放电。槽放电是比 电晕放电能量大数百倍的间隙火花放电( 电容性) 。槽放电的局部温度可达数百至 上千度；放电所产生的高能加速电子对线槽表面产生热和机械力的作用，在短期内 可造成l m m 以上深度的麻坑。放电使空气电离产生臭氧、氮及其氧化物与气隙中的 水分子起化学反应，产生腐蚀性很强的硝酸等，引起线棒表面的防晕层、主绝缘、 槽楔、垫条等烧损和腐蚀。由槽放电引起的这种现象称为电腐蚀。高压电机中出现 电腐蚀现象是很普遍的，对电机绝缘的危害相当严重。 放电脉冲在外施电压正半周幅值大、次数多，而在负半周放电量小、次数少。 4 、电弧放电 在一定的光、热和电场作用下，介质中的中性的、不导电的质点将产生自由电 子、正离子和负离子从而形成游离。当介质达到一定游离程度时，介质将被击穿而 产生电弧。介质的游离过程主要有表面发射和空问游离。表面发射又分为：场强发 射、热发射、光发射、二次发射；空自j 游离又分为：光游离、碰撞游离和热游离。 2 3 脉冲电流法测量原理及系统组成 脉冲电流法是根据试品局部放电时放电处会产生电荷交换，在一个与之相连的 回路中就会产生脉冲电流，通过测量此脉冲电流来测量局部放电的方法。英文缩写 为e r a 。它可以根据局部放电的等效电路来校正视在放电电荷，而且测量的灵敏度 高，是目前应用最广方法，也是i e c 和国家标准推荐采用的方法。 2 3 1e r a 基本测量原理 3 3 3 产生一次局部放电时，试品e 两端产生一个瞬时的电压变化【，此时如经过 一耦合电容g 耦合到一检测阻抗乙上，回路中就会产生一脉冲电流i ，如图2 - 2 所 1 0 华北电力人学硕十学位论文 不o s z s - - 试验电源z 一阻塞阻抗c j 一试品电弈g 一耥合电稗z 。一检测阻抗m 呷局部放电检 测仪c ，一对地电容 图2 - 2 脉冲电流法的基本框图 从图2 - 2 可以看出：当试品e 内部出现局部放电时，由于其真实放电量无法测 得，所以用视在放电量q 来表征放电强度： 咄2 礓q ( 2 - 5 ) 其中巳主要由与测量装置相连的电缆的电容、放大器的输入电容等组成 a u ，所含的主要频率分量是很高的，所以在检测阻抗上分配到的脉冲电压u 。，可 以简化为按q 与q 分压来计算： 铲畋丧= ( 2 - 6 ) 式中c = q + ( 1 + 鲁卜各量符号见图2 也 由此可见，当测试回路中c 、g 、巳确定时，c 为常数，证比于q 。通 过一定的校正方法，就可用测得的u 。分度为视在放电电荷q 。由于脉冲电流法测试 灵敏度相当高，而且可用已知电荷量的脉冲注入校正定量，从而可测出放电量q ， 因此，脉冲电流法已成为局部放电测试中最基本的方法。 2 3 2e r a 检测信号特征分析 从信号的时域、频域特征来看，通过对实验室模拟的典型放电模型的单次局部 商 华北电力大学硕十学位论文 放电信号的分析，可知局部放电信号是一种上升沿很陡，持续时自j 很短并逐步衰减 的脉冲信号，其频率范围非常宽，约从数百h z 到数百m h z 。脉冲电流法主要利用 局部放电频谱中的较低频段部分，一般为数k h z 至数百k h z ( 至多数m h z ) ，以避 免无线电干扰。从检测阻抗上获得的检测脉冲信号，一般数值很小，如l o p ，的等 效电容，放电量2 p c 时，只相当于o 2 u v 的电压变化，必须经过检测仪器放大后a 1 能迸一步处理。此外，来自检测阻抗的电压信号中混合有数值相对可能高得多的工 频电压及其谐波分量，为只采集局部放电脉冲信号，需要高通滤波器来抑制工频电 压及其谐波分量。 2 3 3e r a 试验回路和测量系统的组成 脉冲电流法的基本测试回路有3 种，如图2 3 所示，s 是电源即试验发电机， 除长电缆和带绕组的试品外，一般情况下试品均可看作集中参数电容c 。c 为耦合 电容，它为c ，和乙之间提供一个低阻抗通道，g 越大则测试灵敏度越高。当c 。两 端发生局部放电而引起电压变化a u 时，经q 耦合到检测阻抗z 。上，回路上即产生 脉冲电流并在z 。上转化为脉冲电压，通过测量这个脉冲电压来检测局部放电。阻塞 阻抗z 的作用是阻塞放电电流，使之不致被发电机入口电容所旁路，同时可降低来 自电源的噪音干扰，故它是个高压低通滤波器，z 应比z 。大，通常z 是个电感线圈。 在测试局部放电的试验电压下，除c 。外，c 。、s 、z 和整个回路接线均不应该发生 局部放电。m 是测量装置，用以测量及显示z ，上的脉冲电压。 c x z - 图2 - 3 脉冲电流泫的局部放电榆测回路 1 2 华北电力大学硕十学位论文 检测回路的接法分为两大类，一是直接法，它有并联法串联法两种，前者适用 于试品一端接地的情况，后者试品需要对地绝缘。另一类是平衡法，如图2 3 ( c ) 所示，它需要两个相似或相同的试品，这种回路能有效抑制电源或试品高压侧干扰。 z 。的作用是采样局部放电所产生的高频脉冲电压信号，并使其持续时间足够短 以保证所需的脉冲分辨率。z 。对试验电压的低频信号则应予以消除或减弱。z 。是 连接试品与仪器的一个关键部件，与仪器的频率特性及灵敏度有直接的关系。 检测阻抗乙可分为r c 型及l c r 型两大类，如图2 - 4 所示。图中，c 卅主要由 与测量装置相连的电缆的电容、放大器的输入电容等组成。 ( a ) r c 型( b ) l c r 型 图2 4 两类检测阻抗 测试回路按r c 型检测阻抗时的等效电路如图2 - 5 ( a ) 所示，当e 发生局部放 电，引起电压变化【，视在放电量为q 时，通过计算可得检测阻抗上的输出电压“ 为： = q e c = + c i ( 1 + 巳g ) e x p ( 一口，t ) ( 2 - 7 ) 式中； = 1 r ( 2 - 8 ) l = 如 q + c g ( e + g ) = r m c , ( 2 9 ) 其中，分别为检测回路的衰减常数和时间常数：c f 为检测阻抗两端的总 电容，又称调谐电容。“。是非周期性的单向脉冲，每个脉冲与绝缘内部局部放电脉 冲一一对应。口。越大，脉冲持续时间越短，分辨率越高。这种检测阻抗输出的脉冲 电压是指数衰减型，频谱较宽，即含有各种( 从低频到高频) 频率分量，应用于频 带较宽的测试系统，有较高的灵敏度和分辨力，但抗干扰能力较差。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 时f u l t ( s ) ( a ) 等效电路( b ) 脉i r f i 屯压铰形 图2 - 5r c 检测阻抗的等效电路及脉冲电压波形 l c r 检测阻抗的等效电路如图2 - 6 ( a ) 所示，在e 放电瞬间，a u 按电容分配， 故检测阻抗上的初始电压和r c 型电路一样，之后呈现一个衰减振荡，此时： = g q + c ( 1 + c m c k ) e x p ( 一口。f ) c o s c o ，t ( 2 1 0 ) 式中： a 。= 1 2 屯e( 2 一1 1 ) e = c 卅+ e g ( q + c ) ( 2 1 2 ) c o = 如 ( 1 工卅e ) 一 ”2a ( 1 厶c f ) “2 ( 2 - 1 3 ) 是检测回路的振荡频率，通常口。 以上分析均假定放电脉冲的前沿为阶跃波，若脉冲前沿为指数波，则起始值 为零，当接l c r 型检测阻抗时，的波形将如图2 - 6 ( b ) 所示。此种检测阻抗输出 的是指数衰减振荡波形，频谱较窄，集中在谐振频率附近。 喜 邑 墨 蟹 0门。 一一7 时剃h 毫l ( a ) 等效电路 ( b ) 脉冲电压波形 图2 - 6l c r 型检测阻抗的等效电路及脉冲电爪波形 2 3 4 脉冲电流法测量电机绝缘的局部放电 局部放电的测量方法有多种，随着脉冲电流法被广泛应用，电机的生产和运行 部门已经广泛采用此种方法。 1 4 华北电力大学硕十学位论文 2 3 4 1 线圈的局部放电测量 对于单只线圈( 或线棒) 局部放电的测量，一是检查线圈绝缘内部是否含有较 大气隙，二是检查线圈端部防晕处理是否合格。对线圈( 或线棒) 进行局部放电测 量可以用直接法、也可用平衡法。直接法又有并联测试和串联测试两种。 一一 ( a ) 并联法( b ) 串联泫 图2 7 测量线棒局部放电的两种方法 2 3 ，4 2 绕组局部放电测量 线圈( 线棒) 下入槽中，按一定规则连接后组成绕组。这时每只线圈( 线棒) 的槽部外表面均是接地的，因此，不能用平衡法测局部放电，只能用直接法进行测 量，而且只能用并联回路进行测量。 对于运行中的电机，不需要外施高压，只需要将电机绕组高压端连到耦合电容 器上即可进行测试。也可以从中性点上取信号进行测量。主要优点有： 中性点对地电位较低( 理论上为零电位) ； 电机中任何位置的放电脉冲都会流过中性点： 在中性点接地变压器处容易接近中性点，便于在实际中进行操作。 ( a ) 高压出线端接线方式( b ) 叶1 性点接线方式 图2 - 8 运行中的电机局部放电测量接线方式 1 5 霸一瑁一 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于虚拟仪器的局部放电数据采集系统设计 3 1 虚拟仪器与l a b v i e w 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的自动化测试仪器系统，通过加在计 算机上的硬件和软件，使得计算机具有和实际独立仪器类似的外观和性能。虚拟仪 器以通用的计算机硬件及操作系统为依托，通过软件将计算机硬件和仪器硬件有机 的融为一体，从而实现各种仪器测量功能，并通过软件实现对数据的显示、存储和 分析功能m 1 。系统中硬件只是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的 核心，故有“软件就是仪器”的说法。 应用虚拟仪器技术，可以从实际需求出发，开发满足各种应用要求的测量系统。 其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表 达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和显示； 利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与分析，从而完成各种测试功能的一种计 算机仪器系统。计算机的显示器类似传统仪器的操作面板，输入设备( 如鼠标、键 盘) 相当于传统仪器的功能按钮。 。 l a b v l e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器 工作平台) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ) 的虚拟仪器 软传开发工具。该软件由前面扳和框图程序两部分组成。前面扳主要实现软件的输 入和输出功能，由控制元件和显示元件构成。控制元件代表软件的输入参数，显示 元件代表软件的输出值。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。端口分为输入 端口和输出端口，输入端口只能连接控制量，输出端口只能连接显示量，节点用来 实现函数和功能调用，图框用来使框图程序控制命令结构化，连线用来表示框图程 序执行过程中的数据流。 表3 1 虚拟仪器与传统仪器对比 虚拟仪器 传统仅器 开放性，与计算机技术保持同步 关键是软件，系统性能升级方便 价格低廉，仪器间资源霓复利j ；j 率高 用户可定义仪器功能 可以与网络及周边设各方便连接 开发与维护开销低 技术更新周期短( 1 2 年) 封闭性，仪器间相符配合较差 关键是硬件，升级成本较高，且升级必须 上门服务 价格昂贵，仪器间一般无法相互利h j 只有厂家能定义仪器功能 功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护开销高 技术更新周期长( 5 1 0 午) 1 6 华北电力人学硕七学位论文 正是由于这些传统仪器所不能比拟的优点，虚拟仪器在工程实际中应用的越来 越广泛了，并且在不久的将来，将会逐步取代传统仪器。 3 2 基于p c 平台虚拟仪器的基本构成 虚拟仪器的基本结构如图3 - 1 所示，主要由硬件和软件组成。虚拟仪器实际上 是一个根据仪器需求组织的数据采集系统。完整的数据采集系统包括：传感器和变 换器。信号调理电路、数据采集卡、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和计 算机等。 图3 - 1 虚拟仪器的结构图 ( 1 ) 传感器 传感器用于拾取被测对象的测试信号，将所需要的物理量转换为d a q 系统可 以采集的电信号。传感器的选择主要考虑以下方面：可靠性、灵敏度、响应特性、 现行范围和精确度。 ( 2 ) 信号调理设备 从传感器输出的信号，大都在1 0 。数量级( m a ，m v ) 。而实际的测量场合，传感 器的输出是与背景噪声混杂在一起的。微弱信号不能被后续的数据采集系统直接采 样。信号调理的过程就是将微弱信号放大，转化为后续仪表可以直接利用的标准信 号。其主要功能有：信号输入的多路转换、隔离、放大、滤波等。 ( 3 ) 数据采集卡及其驱动程序 一个典型的数据采集卡的功能有：模拟输入、模拟输出、数字i o 、计数器计 时器等。一个模拟信号经过多路开关、放大器、采样保持电路以及模数转换器可以 转换成数字信号。数字信号被即时存放在r a m 中，微处理器就可以立即访问这些 数据。数据采集卡技术极大的推动了虚拟仪器的发展，因为它把微处理器和总线技 术的进步直接演变为输入输出设备的改进和系统能力的提高。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 一般来说，数据采集卡有自己的驱动程序，通过该程序来控制采集卡的硬件操 作。驱动程序一般由采集卡的供应商提供，用户只需使用该驱动程序与采集卡硬件 配合。美国的n i 公司提供了一个数据采集卡配置的工具软件m a x ( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ) ，它的功能强大，使用简便。 ( 4 ) 计算机及其附件 应用虚拟仪器的计算机中，微处理器和总线是重要的因素其中微处理器的发 展是最为迅速的，它使虚拟仪器的处理能力得以极大的提高。总线技术的方展也为 提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。由于p c i 总线被认为最可靠、最灵活、 高速的方案，具有众多独特的优点，使大多数数据采集卡都插在p c i 总线上。 ( 5 ) 软件 虚拟仪器的核心就是软件，应用软件来控制仪器、采集数据、分析显示结果。 主要的开发平台就是之前叙述的图形化编程语言l a b v i e w 。 3 3 数据采集系统硬件设计 3 3 1 传感器 局部放电的过程会产生脉冲电流、声波、光、热以及新生成的物质，因此可以 采用多种传感器提取局部放电信号，实际应用较多的包括检测阻抗、高频c t 、超 声波换能器、罗氏线圈等。本设计主要采用的i e c 标准推荐的检测阻抗作为传感器。 检测阻抗实际上是一种采样元件，当脉冲电流通过时，在检测阻抗两端就会出 现脉冲电压，将此电压输入检测仪可以测出局部放电的视在放电电荷、放电重复 率等基本表征参数。 如第二章所叙述的，检测阻抗有两种类型，一种r c 型检测阻抗，另一种l c r 型检测阻抗。本文所采用的l c r 型检测阻抗设计成一个双绕组的升压变压器，如图 3 2 所示，其输出侧绕组的匝数比输入侧多，可以提高测量灵敏度。 x - 嫱 g o * ，c c 柬 轴 由 图3 - 2l c r 检测阻抗实际线路 1 8 华北电力大学硕+ 学位论文 3 3 2 前置放大器 局放信号很微弱，特别是大电容量的试品。如电容为li lf 的试品，出线5 p c 视在放电电荷时，在检测阻抗两端可能拾取的电压甜。约为pv 级，因此必须经过放 大才能送入后继的电路。 放大电流是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，很容易受到外部和内部的一些 不规则信号影响。如果不妥善处理放大器的噪声，会造成对局放信号的严重干扰。 图3 - 3 所示为设计的放大电路，通过选择电阻来改变放大倍数。 _ f f 飞乙 图3 - 3 放大电路设计图 3 3 3 数据采集卡 数据采集卡采用美国国家仪器公司( n i ) 的高速数据采集卡p c i 5 1 0 2 。该数据 采集卡为3 2 位p c i 总线结构，可插到带有标准p c i 槽的普通p c 机或者工控机旱工 作。该卡具有2 个单端同步输入通道，最高采样速率可达2 0 m s s ，模拟输入带宽 1 5 m h z ，分辨率为8 位，带有6 6 3 k 的先入先出存储器( f i f o ) 。模拟输入范围5 v 。 p c i 5 1 0 2 的外接头有5 个接头，其各个接头的用途如下： c h 0 、c h l ：分别表示双通道输入信号的同轴电缆接头； t r i g - 表示外部的模拟触发信号( 输入) ； p f l 、p f 2 ：表示可由软件设置的数字触发信号( 输入) 或其他有关的数字信号 ( 输出) 。 p c i 5 1 0 2 的最高实时采样率为2 0 m s s ，并且采集长度取决于计算机的内存容量。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 在局部放电测量中，采用的传感器的输出信号的最高频率为1 m h z ，远远满足采样定 理的要求。另外，测量周期为5 0 h z 工频周期，即一次采集时间为2 0 m s ，这样即使 设置为最高采样率工作，采集的数据长度也只有4 0 0 k ，所以p c i 一5 1 0 2 数字示波器 采集卡满足测量局部放电的要求。 p c i 5 1 0 2 数据采集卡具有同步采集功能，为了能够采集完整的周期数据信息并 确定放电脉冲的相位，设置了一个触发器来触发采集，称之为同步信号。触发器的 主要功能是在每个周期的过零点上升沿触发数据采集卡。图3 4 为触发器的接线图。 2 - t6 = 器i翁e广菇学嚣= 1 ，1 2 1 o 4 14 壬 一i 一 3 3 4 计算机系统 图3 - 4 触发器的接线图 采用a d l i n k 机箱r k 6 1 0 ，r u p r 0 8 4 1 ，c p u 为p 4 处理器，主频2 8 g h z ，带 有i g 内存，1 2 0 g 硬盘，它在速度和稳定性以及抗干扰方面具有优良的性能。 3 4 数据采集系统软件设计 目前应用比较多的虚拟仪器开发环境有两种：一种是文本式的编辑语言，如c 语言，v i s u a lc + + ，l a b w i n d o w s c v l 等；另一种是图形化的编程语言，比如l a b v i e w 、 h p v e e 系统。图形化的语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点，而文本语言 编程灵活，运行速度快。本文选择l a b v i e w 语言进行系统的软件开发。l a b v i e w 将g 语言和图形化的开发环境相结合，是真正的工程师程序语言，可以较为方便的 完成数据采集和过程控制的工作。 系统的软件包括两个部分：一部分是系统硬件设备的驱动程序；另一部分是从 通过硬件获得数据并进行显示、分析等应用程序。对于硬件的驱动程序，数据采集 卡的厂家已经配备了相应的设备驱动程序，通过驱动程序提供的a p i 接口( 应用程 序接口) 可以直接访问采集卡和控制采集卡的动作。另一部分的程序是对采集的数 2 0 华北电力大学硕士学位论文 据进行显示和分析。在驱动程序基础上上，应用程序和数据采集卡结合，并可以直 接控制硬件。这样就可以通过对底层的指令操作，直接对局部放电的某些控制参数 进行设置，而不需要再对简单的参数设置再编写驱动程序，然后才能访问和控制。 3 4 1 参数设置 参数的设置主要是指数据采集卡的参数设置，包括有板卡的选择，采集通道的 设置，触发方式的选择等等。 m a x 软件会给每块数据采集卡分配一个逻辑设备号，以供l a b v i e w 调用时使 用。在以后的数据采集程序调用时，就使用每个设备的设备号来标识每个数据采集 卡。系统默认的设备号为d a q ：1 。 采集通道的设置主要包括通道的选择、采样频率的设置、采样点数的设置。电 压范围的设置等。这些参数都是通过v i 直接设置。为了用户的使用简便，这些参数 的设置除了采集频率外都设为常量而不被用户改变。 触发( t r i g g e r ) 信号一般是指能够引起一个操作( 如数据采集) 的信号。用户 需要设置开始测量的时刻，可以使用触发信号。在局部放电测量中，就需要知道开 始采集的时刻，也就是一个完整的工频周期开始的时刻即上升沿过零点处。由于本 文应用了触发器，因此选择模拟外部触发方式。 整体的参数设置程序如图3 5 。 图3 - 5 参数设置程序 3 4 2 数据的采集与保存设置 一个多