（电气工程专业论文）gis局部放电检测与故障识别.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五天霞 签字日期：) - o f 0 年石月2 3 日 导师签名： 签字日期：训d 年舌月哆日 f 中图分类号：t m 8 3 5 u d c ：6 2 l - 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 g i s 局部放电检测与故障诊断 m o n i t o r i n g p a r t i a ld i s c h a r g e so fg i sa n d i d e n t i f y i n g t h et y p eo f f a u l t s 作者姓名：王天健 导师姓名：吴振升 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 鏊8 ， 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：电力系统自动化 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本文是在导师吴振升悉心指导下完成的。导师在论文的选题、课题的研究方 法以及论文的撰写过程中，都给予了我精心的指导和孜孜不倦的教诲。导师的深 厚理论基础、渊博的学识、敏捷的思维、严谨的治学态度、严以律人宽以待人的 崇高品德，给我留下深刻的印象，将成为我学习的楷模。导师的淳淳教诲给了我 深深的启迪，使我受益终生。在此向吴振升老师表示最诚挚的感谢和最深切的敬 意。 在做论文期间，深受吴命利、杨少兵、万庆祝和张洪和老师的悉心指导，使 我学到了许多知识和分析及解决问题的方法，在此向各位老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，刘栋和王晖同学对我论文中的研究工作给予 了热情帮助，在此表达我的感激之情。 另外也感谢父母和家人无微不至的关心，他们是我顺利完成学业的坚强后盾。 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 摘要 摘要 摘要：随着社会的发展，对电能质量的要求也越来越高，同时对设备安全运 行的要求也相应提高。g i s ( 气体绝缘封闭式组合电器) 以其体积小可靠性高等优点 越来越多的应用于电力系统当中。g i s 本质上来说是设计成不需维护的设备，然而， 一旦g i s 发生故障，其修复时间将更长，对电力系统的危害也更大。 g i s 中绝缘老化的一个重要因素是因为局部放电，目前已在现场使用的方法有 检测放电产生的光超声波电磁波、油谱等等，由于方法本身的缺陷现场强烈的干 扰，使得检测精度不高。针对这种情况，本文采用世界上最广泛采用的，也是i e c 2 7 0 推荐的脉冲电流法测g i s 中局部放电或者其他异常情况产生的信号，检波模块获 得脉冲电压波形，通过滤波装置获得较为纯净的异常信号。 本文综合利用了基于f f t 频率测定、等效时频法、模糊c 一均值聚类分析、 峰值相位图谱法、支持向量机、小波分析、模糊识别等若干算法相互结合的方法 来检测气体隔离开关( g a si s o l a t e ds w i t c hg i s ) 局部放电的检测方法与识别技术。 研究发现当故障不止一类或者周围干扰过大时，利用传统的峰值相位图谱法 直接计算出供识别时使用的特征因子会有很大误差，识别工作会有很大困难。当 出现不止一处的故障，或者周围存在较大的能混入滤波器的干扰时，异常信号群 的快速分类有效区分了不同种类的信号，尽可能地使同种类型抱团或者紧聚，再 利用模糊c 一均值聚类可以将同一类型的信号分离出来，从而依照传统的相位方法 进行检测，检测过程中要对特定类型信号进行处理，获得相应的特征向量，最后 利用神经网络( a n n ) 支持向量机( s v m ) 识别。 为了能更好的判定放电类型，同时可以将本检测系统已知道其他电气设备乃 至直流设备检测中，增加了除传统识别方法以外的逐点识别方法。利用连续小波 分析反映单个信号的能量随频率、时间的变化规律，并从中提取出能量分布信息， 作为识别使用的特征。以小波分析提取的能量信息作为判别依据，利用模糊识别 的方法判定信号类型。本文g i s 系统中最常见的母线放电，内部放电为例，阐释 了基于两种方法相互结合进行检测和识别的过程。仿真实验表明，本系统可有效 区分放电类型。 关键词：g i s ；局部放电；f f t 频率测量；等效时频法；模糊c 一均值聚类分析； 支持向量机；小波分析；模糊识别 分类号：t m 8 3 5 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：h i g h e ra n dh i g h e rq u a l i t ye l e c t r i c a lp o w e rs u p p l yi sn e e d e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y s og a si n s u l a t e ds w i t c h e r ( g i s ) h a sm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n si nt h ep o w e rs y s t e md u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c sa d v a n t a g e s ，s u c h 嬲s m a l l v o l u m e ，h i g hq u a l i t y , a n ds oo n e s s e n t i a l l y , g i si sd e s i g n e dn o tt on e e dm a i n t e n a n c e h o w e v e r , i nc a s eo fa ni n s u l a t i o nb r e a k d o w n , i tt a k e sal o n g e rt i m ef o ri t sr e s t o r a t i o n a n db r e a k d o w nc a u s e sm o r es e r i o u sd a m a g et os y s t e mo p e r a t i o n a si sk n o w nt oa l l ，p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i sas y m p t o mo fa ni n s u l a t i o nb r e a k d o w n o c c u r r i n gi ng i s s o i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pan e w d i a g n o s t i ct e c h n i q u et od e t e c t ac h a r a c t e r i s t i cs y m p t o mw h e np do c c u r r i n g a tp r e s e n ：t s i g n a l so fl i g h t , s u p e r s o n i c w a v e ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v ee m i t t e df r o mg i sc a nb eu t i l i z e dt od e t e r m i n ew h e t h e rp d o c c u r s ，h o w e v e r , t h er e s u l t sa r en o ts a t i s f y i n gd u et ot h ep r o c e s s i n gm e t h o d sa n dt h e s t r o n gn o i s ea tt h es i t e s t os o l v et h i sp r o b l e m , t h i sp a p e rp r o p o s e st h em e t h o d , w h i c hi s m o s tp o p u l a ru s e dt h ew o r l do v e r , c a l l e dp u l s e c u r r e n _ t a l s ob er e c o m m e n d e db y i e c 2 7 0 ，t or e c e i v et h eu n m o r a ls i g n a l sf r o mt h ee q u i p m e n t t h er a d i od e t e c t o r sc a l l a c q u i r et h ev o l t a g ew a v e b yt h r o u g ht h ew a v ef i l t e r , w ec a no b t a i n t h ep u r i f i e d u n m o r a ls i g n a l sc a u s e db yt h ee l e c t r i ce q u i p m e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ei d e n t i f i c a t i o no fp a r t i a ld i s c h a r g eb yg i s t h em e t h o d i n c l u d e sf r e q u e n c yd e t e r m i n a t i o nb a s e do nf fze q u i v a l e n tt i m e f r e q u e n c ym e t h o d , f u z z yc m e a n sc l u s t e r i n ga n a l y s i s ，t h ep e a k - p h a s em a p p i n gm e t h o d , s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ，w a v e l e ta n a l y s i sa n df u z z yi d e n t i f i c a t i o na n ds oo n t h ea l g o r i t h m sc o m b i n e t o g e t h e rt od e t e c tp a r t i a ld i s c h a r g eo fg i s ( g a si s o l a t i n gs w i t c h ) d e t e c t i o nm e t h o d sa n d r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y w h e nt h et y p eo ff a u l ti sm o r et h a no n eo rt h ei n t e r f e r e n c ei se x c e s s i v e ，b yu s i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c f a c t o rc a l c u l a t e db yt r a d i t i o n a lm e t h o do fp e a k - p h a s es p e c t r u m d i r e c t l yw i l ll e a dt og r e a ti n a c c u r a c yf o ri d e n t i f i c a t i o n , w i l lh a v eg r e a td i f f i c u l t i e s e q u i v a l e n tt i m e - f r e q u e n c ym e t h o dh a st h ea b i l i t y t o c l a s s i f ya b n o r m a ls i g n a l s e f f e c t i v e l y , s oi ti se a s yt oi d e n t i f yt h ec l a s s i f i c a t i o no fd i f f e r e n tk i n d so fs i g n a l i ti s p o s s i b l et om a k et h es a m et y p ec l o s et o g e t h e r , a n dt h e nf u z z yc 。m e a n st h e o r yc a n d e t a c ht h es a m et y p eo fs i g n a l s ，t h u st h ep r o b a b i l i t yt h a tt h en e x ti d e n t i f i c a t i o np r o c e s s c a nb ep r o c e s s e de x i s t s i nt h e l i g h t o ft h et r a d i t i o n a lm e t h o du s i n gp h a s e c h a r a c t e r i s t i c sf o ri d e n t i f i c a t i o n , t h ef e a t u r ep a r a m e t e rt h a ti n c l u d e sm o r et h a nt e n 北京交通大学硕士学位论文 t y p e sa n dd o z e n so fn u m b e r s ，t h i r t e e no fw h i c ha r ec h o s e nt ot h ec h a r a c t e r i s t i cv e c t o r i nt h ee n do ft h es t e p ，t h ei d e n t i f i c a t i o np r o c e s si sc o m p l e t e db ys u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ( s v m ) b e l o n g i n gt oa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) i no r d e rt oa c q u i r eab e t t e rd e t e r m i n a t i o nc o nc o n c l u s i o no fd i s c h a r g et y p e ，a n d 、析廿lt h ep u r p o s et h a td e t e c t i o n s y s t e mc a nb ee a s i l y u s e df o ro t h e re l e c t r i c a l e q u i p m e n t sa n dt e s t i n ge q u i p m e n t s ，d ce q u i p m e n tf o ri n s t a n c e ，t h es y s t e mi n c r e a s e s i d e n t i f i c a t i o nm o d eo fp o i i l t - b y - p o i n t u s i n gt h ew a v e l e ta n a l y s i so fs i g n a le n e r g y r e f l e c ts i n g l es i g n e d sf r e q u e n c y , t i m e ，a n dt h ep e a ko ft h ee n e r g y t h e nt h ee n e r g y d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a lc o u l db eu s e da sr e c o g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s u t i l i z i n gw a v e l e ta n a l y s i so fe n e r g yi n f o r m a t i o n 嬲f e a t u r e s ，t h e n u s ef u z z y i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dt od e t e r m i n e das i n g l es i g n a lt y p e s t h i sp a p e rt a k i n gb u s d i s c h a r g e ，i n t e r n a ld i s c h a r g e ，t h em o s tc o m m o nt y p ea se x a m p l e s ，i l l u s t r a t e st w ok i n d s o ft h e s i sc o m b i n et o g e t h e rf o rd e t e c t i o na n d r e c o g n i t i o np r o c e s s s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s hd i s c h a r g et y p e k e yw o r d s ：g i s ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t sb yf f t e q u i v a l e n t t m a e - f r e q u e n c ym e t h o d ；f u z z yc - m e a n st h e o r ya n a l y s i s ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ； w a v e l e t a n a l y s i s ；f u z z yr e c o g n i t i o a c l a s s n o ： 、r l l l 目录 目录 摘要。v a b s t r a c t 、，i i l 绪论1 1 1g i s 设备的应用情况。1 1 - 2g i s 设备故障的情况2 1 3g i s 局部放电在线检测方法2 1 4 局部放电检测技术发展情况4 1 5 本文的主要工作6 2 检测系统概要7 2 1 概j 态7 2 2 检测信号特征分析8 2 3 试验回路和测量系统的组成：9 2 4 滤波电路。1 2 2 5 数据采集系统1 3 2 6 基于虚拟仪器的数字式测试仪设计1 3 2 7 本章小结一1 4 3 测试工频信号频率的实时计算及异常信号的相位计算1 7 3 1 离散傅里叶变换1 7 3 1 1 有限长序列的离散傅里叶变换1 7 3 1 2 快速傅里叶变换1 8 3 2f f t 运算产生的问题及解决方法2 1 3 2 1 栅栏效应2 l 3 2 2 频谱泄漏2 1 3 2 3 汉宁窗函数的使用。2 2 3 3 利用f f t 算法计算工频信号的主频2 4 3 4 本章结论2 8 4 信号的快速分类处理2 9 4 1 傅里叶变换2 9 4 1 1 傅里叶变换的不足3 0 4 1 2 傅里叶变换对于局部放电研究的局限性3 1 4 2 信号的时宽与频宽的引入。3 2 北京交通大学硕士学位论文 4 3 改进型信号时宽频宽算法在局部放电检测中的应用3 4 4 4 本章结论。3 7 5 模糊c - 均值聚类分析3 9 5 1 模糊数学及隶属度的基本概念3 9 5 2 模糊关系与模糊矩阵的概念4 1 5 3 模糊聚类4 2 5 4 使用f c m 聚类方法对异常信号时频特征进行分类4 5 5 5 本章结论：4 9 6 局部放电图谱的特征因子及实现5 l 6 1 局部放电特征图谱5 l 6 2 局部放电的特征因子5 3 6 3 局部放电的特征因子的实现方法5 5 6 4 结论。5 6 7 基于支持向量机的识别分析。5 7 7 1 人工神经网络5 7 7 1 1 人工神经网络模型5 7 7 1 2 人工神经网络模型5 8 7 1 3 人工神经网络的信息处理能力5 8 7 2 支持向量机5 9 7 2 1 函数集的v c 维及结构风险最小化5 9 7 2 2 最优超平面6 0 7 2 3 支持向量机简介6 3 7 2 4 基于二叉树的多类s v m 分类方法。6 6 7 3 利用支持向量机完成局部放电识别6 6 7 4 本章结论6 8 8 小波分析6 9 8 1 小波分析简介6 9 8 1 1 小波变换6 9 8 1 2 小波变换的特点7 1 8 2m o r l e t 小波7 3 8 3 连续小波的计算7 4 8 4 信号尺度图7 5 8 5 利用m o f l e t 小波分析法分析局部放电信号7 5 8 6 本章小结8 0 目录 9 模糊模式识别8 1 9 1 模糊识别基本理论8 1 9 1 1 模糊集合贴近度81 9 1 2 模糊识别的择近原则8 2 9 1 3 模糊识别的最大隶属度原则8 2 9 1 4 隶属度函数的构造8 2 9 2 单脉冲信号的模糊模式识别8 3 9 2 1 局部放电识别隶属度函数的构造8 3 9 2 2 运用最小贴近度和择近原则识别局部放电信号8 5 9 3 本章结论8 6 1 0 结论与展望：二8 7 1 0 1 操作界面及试验仿真8 7 10 2 结论。8 9 1 0 3 展望。9 1 参考文献9 3 作者简历9 7 独刨性声明9 9 学位论文数据橥1 0 1 绪论 1 1g i s 设备的应用情况 1 绪论 s f , 全封闭组合电器是7 0 年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置，国际 上称为g a s i s o l a t e d s w i t c h e r ，简称g i s 。其中包含了断路器、母线、隔离开关、 电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等许多种标准电气设备的元器件。由于 绝缘介质采用s f , 气体，因此具有优异的灭弧和绝缘性能。同时，s r 的化学性能 稳定且无毒性。经过几十年的实践，如今在高压、超高压及特高压领域，s r 气体 几乎成为断路器以及g i s 的唯一绝缘和灭弧介质。s e 全封闭组合电器体积小、技 术性能指标出类拔萃，与常规电气设备相比，具有占地面积小、基本不受外界气 象因素的影响，无火灾危险、运行安全可靠等诸多优点。它使高压变电站的结构 和运行方式发生了巨大的变化，其突出的优势在于集成化、小型化、造型美观、 安装方便。g i s 运行的稳定性很高，故障率比传统的敞开式设备低一个数量级，因 此g i s 近年来在许多大型重要电站得到普遍使用。总体说来，g i s 变电站具有以 下优点： 1 、g i s 大大减小了占地面积与空间体积。由于绝缘所需的元件空间距离大为 减少，通常电气设备的占地面积与绝缘距离成平方关系，其所占的空间体积与绝 缘距离成立方关系。随着电压等级的提高，减少绝缘距离对减少占地面积和空间 的意义就更大，一般2 2 0 k v g i s 设备的占地面积为常规设备的3 7 ；1 1 0 k v g i s 设 备占地面积为常规设备的4 6 左右，这不仅为大城市、人口稠密地区的变电所建设 以及城市电网的改造提供了有利条件，也为建设地下变电所创造了条件。 2 、由于g i s 设备的元件是全封闭式的，因此受污染、潮湿等环境的影响较小。 g i s 的设备的导电部分全部被外壳所屏蔽，接地良好，导电体产生的辐射、电场干 扰、断路器开断的噪音均被外壳屏蔽了，而且g i s 设备被牢固地安装在基础预埋 件上，产品重心低，强度高，具有优良的抗震动性能，尤其适合在城市中心或居 民区使用。与常规设备相比，g i s 更容易满足城市环保的要求。 3 、s e 气体作为绝缘介质，气体本身不燃烧，防火性能好，而且具有优异的 绝缘性能和灭弧性能，运行安全可靠，维护工作量少，检修周期长，适合于变电 站无人值班，达到减员增效的目的。 此外，g i s 全部电气设备封闭于外壳之中，减少了自然环境条件对设备的影响， 因而其运行可靠性高、维护工作量少。但g i s 也有其固有的缺点，正是由于g i s 北京交通大学硕士学位论文 是全封闭组合电力设备，如果出现事故，造成的后果比分离式敞开设备更为严重， 故障修复非常复杂，需要至少两星期甚至更长的时间才能全面恢复运行。停电范 围大，常涉及非故障元件。因此，g i s 的检测十分重要，不仅需要认真进行常规预 防性试验，而且应该发展g i s 的在线监测技术，测量g i s 运行中的绝缘状态，及 时发现各种可能的异常或故障预兆，及时处理。电气设备大规模故障的前兆是局 部放电，局部放电现象发生时伴随着局部放电的光、电磁波、震动等物理现象是 人们检测的重点。 为诊断g i s 的早期故障，近年来国内外均致力于在线诊断技术的研究，主要 集中在开关动作和局部放电在线监测两个方面。开关动作监测是对操作机构的动 作时间及行程进行微机记录，目的在于早期发现操作机构的机械故障。局部放电 的在线监测是测量g i s 运行中的绝缘状态，它通过连续检测，准确地了解运行状 况，通过趋势分析，识别可能存在的故障，以便于采取必要的措施，改以往的“定 期检修 为“状态检修 ，提高设备的利用率和节省检修费用。 1 2g i s 设备故障的情况 过去普遍认为g i s 属于无需检修或检修周期长的设备，但从近4 0 年的运行经 验来看，绝缘故障始终是影响g i s 可靠性的重要因素之一。1 9 9 8 年c i g r e 统计了 国外1 9 6 7 年到1 9 9 2 年间的所有g i s 绝缘故障率，这些故障率均超过了g i s 绝缘 所要求的o 1 次( 百间隔年) 的指标，且随着电压等级的增高，绝缘故障率增大。 上世纪8 0 年代初，g i s 设备在我国一些地区就投入了运行，距今己有2 0 来年 的历史。较之西方发达国家，我国在g i s 和气体绝缘断路器运行状况检测方面的 研究实施较少，缺乏这方面的经验。例如，1 9 9 9 年北京某2 2 0 k v g i s 变电站发生 了严重故障，造成包括一些重要国家机关和医院在内区域的大面积停电，损失严 重。g i s 变电站的事故时，事故大多会造成g i s 腔体外壳烧穿，触头烧毁，支柱 绝缘子爆炸，母线彻底解裂等事故。 1 3g i s 局部放电在线检测方法 g i s 设备中的局部放电会在g i s 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g i s 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，如纵波、横波和表面波等。g i s 设备中的局部放电也可 2 绪论 导致s f 6 气体分解或发光。这些物理和化学变化的特征，有助于g i s 设备局部放 电检测。因此，局部放电的检测方法可分为电的方法和非电的方法。 非电的方法包括化学、机械、光学的方法，主要有以下几种： ( 1 ) 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，或采用超声波探头获取放电产生的超声波。在高压电气设 备中，用超声波检测局部放电的方法早已有人进行过大量的研究，由于振动波要 经过多种物质( 金属、绝缘体、气体) 传播，经过不同的介质的传播速度和衰减程 度各异，需要通过换算和经验识别，所以要精确测定局部放电定量是困难的，并 且最小检测灵敏度容易受到干扰噪音的影响。 ( 2 ) 化学的检测法。化学的检测法是用变色指示剂检测因局部放电使s e 分解 产生的气体。当g i s 内部产生局部放电时，会引起s e 气体分解，产生c ：h 。，c h 。， h ，c o ，c ，h ，等活泼气体。用化学分析法对这些被分解的气体进行检查，就可 以测出g i s 内部发生的局部放电。该方法的试验设备体积小、重量轻，携带方便， 易于操作，不受电气机械噪音的影响。离线的化学检测方法，即实验室油色谱分 析发展已经成熟，积累了很多故障诊断经验，分析过程相对较为复杂，分析时间 较长。目前，化学检测法的在线监测正在逐步推广，包括油色谱在线监测，油中 氢气浓度在线监测等，反映了不同气体的动态特性，具有更好展现电气设备内部 变化的能力。但是，化学检测法只是一种定性的检测的方法，对于发现缓慢性的 早期潜伏性故障较为灵敏，但对于突发故障一般很难及时发现并作出预测。 ( 3 ) 光学方法。由于局部放电产生光辐射，可以用一种安装在g i s 内部的光传 感器进行测量。一般采用的检测器包括一只传感器和一台控制单元。传感器装在 金属外壳的窗口上，以便检测g i s 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g i s 的密封外壳上开窗， 会受到背景干扰的影响。 ( 4 ) 红外线方法。红外测量是基于局部放电点的温度升高，利用红外探测仪的 热成像院里实现热点测量。但由于电气设备结构和传热过程复杂，利用热红外成 像方法直接检测设备内部的局部放电信号比较困难。 常规的电气检测方法主要有以下几种【l - 3 】： ( 1 ) 超高频法。超高频局部放电检测技术是近年来得到较快发展的一种检测方 法。在一些电力设备中( 如g i s ，电力变压器，电缆，变压器，电机) 的检测中已 经得到了广泛的应用。这种方法的基础是：在高压力的s f 6 中，局部放电总是在很 小的范围内发生，因此具有极快击穿时间的特征。超高频局部放电检测利用局部 放电所产生的超高频信号( 3 0 - 3 0 0 m h z ) 电信号，实现局部放电的检测和诊断， 并实现抗干扰。超高频局部放电检测可以通过检测远大于传统测量频率的局部放 3 北京交通大学硕士学位论文 电信号来对电力设备进行监测和诊断，可以在一定程度上消除干扰的影响，从而 实现脉冲信号的精确提取。利用超高频法研究局部放电，克服了传统脉冲电流法 测量频率低，频带窄的缺陷，可以较为全面的了解局部放电的本质特征。但这种 方法所使用的天线成本过高，因而应用并不是特别广泛。 ( 2 ) 内部电极法。该方法是将g i s 设备法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电 极，该电极与外壳构成耦合电容，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进行g i s 设备局部放电定位，由g i s 设备局部放电信 号到达两个传感器的时间差确定放电点。另一种内电极法是在盆式绝缘子内靠近 接地端预先埋设一个电极，由此与外壳构成耦合电容。内部电极法受客观条件限 制，内电极只能在厂家生产过程中预埋设，现场安装往往不易实现。 随着电力系统自动化水平的不断提高，智能化的检测设备已开始出现并将逐 步取代传统的一、二次分离的设备，智能化采用新型的电流电压互感器，不仅测 量性能优越，并且可做到实时监测，从而实现真正的状态维修。 1 4 局部放电检测技术发展情况 国外在7 0 年代开始g i s 状态检测的研究并取得了一些成果。日本三菱公司在 9 7 国际电力设备及技术展览会上展出了g i s 检测设备包括局部放电检测设备等约 十项内容的装置，其设备价格不超过g i s 本身的十分之一，成本大大降低且效率 有很大提升。美国纽约电管局和加拿大魁北克水电局自1 9 9 3 年安装了m o n i t e c 检测系统到1 9 9 6 年因检测出包括轴销断裂，机构卡涩动作不到位等五次重大事故 征兆保证了供电可靠性估计节约经费约一百万美元，提高了市场竞争力。近年来 基于现代控制保护设备和新型传感器的新技术不断应用到g i s 的状态监测中，国 外公司相继推出了一些g i s 状态检测的示范性产品，高压领域典型的有日本东芝 的c c i s 和a b b 公司的e x k 型智能化检测设备。特点都是采用先进的传感器技术 和微计算机处理技术使整个组合电器的在线检测与二次系统在一个计算机控制平 台上实现其智能化，其中日本东芝公司的g i s 状态检测系统构成最为典型。| 2 - 4 1 瑞士t e t t e x 公司的9 1 2 0 系列具有积木式结构，可按用户需要将不同单元搭配 组合，它可以测量多种局部放电参数，现场干扰大时，9 1 2 0 系列还提供窄频带调 谐放大器，利用其带宽窄、中心频率又可移动( 5 0 k 2 m h z ) 的特点，较有效避开 干扰。但此时脉冲分辨率很差。 清华大学的刘卫东等人利用外置传感器在多家g i s 厂家和4 0 多个变电站进行 实地测量，曾观察到8 起放电，使用天线为拉杆天线，并以作为传感器。针对存 4 绪论 在于g i s 设备内部的金属颗粒进行研究。试验结果表明，视在放电量的大小与颗 粒大小有关，颗粒越大，放电量也随之增大。并且他们曾在实验室内尝试利用视 在放电量结合特高频信号联合标定g i s 模型的局部放电，认为不同放电类型有其 不同的放电线性关系曲线，可粗略的进行视在放电量的标定工作。 武汉产j f d 3 测试仪采用l c r 型检测阻抗，其前置放大器的输入级是勒让德 滤波器，属于带通滤波器。放大器增益调节范围为8 0 d b ，采用电阻分压式衰减。 时间窗的信号控制主放大器输入处的电子开关，使试验电压在开窗的那段时间区 域内的脉冲信号可以被放大、显示，并在峰值电压表上指示。开窗电路同时产生 一个增辉信号去示波管栅极，以加亮时间窗区的显示，未开窗区观察不到任何脉 冲。j f d 3 的峰值表电路较简单，以场效应管差分级作输入的比较器用，控制对存 贮电容的充电。其峰值保持能力不太强，单个脉冲与多个脉冲读数之差较大。j f d 3 的椭圆扫描时基有5 0 h z 以上的频率( 最高至2 0 0 n z ) ，可作互感器、变压器的局 部放电试验。 目前国内运行的变电站电气设备在线监测装置大体可分为集中式微机在线检 测系统和分散式在线检测系统两大类。j 前者是将被测信号通过电缆引入设在中 央控制室的微机在线检测屏进行集中监测，并迅速完成对检测数据的处理和分析； 后者则是利用专用的测试仪器，从固定安装在电气设备附近的专用传感器上取得 信号就地进行测量。目前对g i s 的状态检测系统的研究中已有的研究成果多为单 一或较少功能的分散式检测装置，检测功能全面的在线集成化系统到目前还较少。 另外，还有一些悬而未决的问题没有彻底解决，如检测的局部放电中各种信号参 量与变压器本身绝缘特性降低老化程度的关系问题，这与检测到的信号并没有直 接联系；外部噪声和电磁干扰的抑制问题；以及局部放电信号从放电源到测量端 子( 或传感器) 的传播过程中的信号失真问题等等。因此，人们需要针对这些问 题进一步对变压器局部放电在线检测进行研究，从而开发出较为适合现场需要的 局部放电在线检测系统。 检测系统的研制会遇到以下主要几个问题： 1 、主要针对5 0 h z 工频正弦信号，而在某些试验场所，试验使用的正弦信号 可能大于5 0 h z ，脉冲信号峰值对应的相位测量不准确，从而造成了识别误差。 2 、一般只能针对一类腹胀信号分析，当出现多个放电源或者一些干扰混入滤 波器时，识别会受到影响。 3 、识别部分大多使用b p 神经网络，造成维数过高，计算复杂，任意造成计 算机死机。 4 、缺乏单个脉冲信号与整体相位分析的对照关系。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 本文的主要任务是结合北京交通大学与清华大学合作的高压测试工作的实际 需要，利用一些信号处理的算法对局部放电信号进行分类诊断，并通过实际数据 分析，提高局部放电检测的测试质量和绝缘故障诊断水平。根据选题报告和实际 需要，本文的具体主要工作如下： ( 1 ) 研究分析利用脉冲电流法进行局部放电检测的基本原理以及测试系统的组 成，分析典型放电信号的时域和频域特征，为设计局放检测仪的输入通道硬件电 路型号的选择提供依据。 ( 2 ) 设计并研制一套基于虚拟仪器技术的局部放电检测仪，其中主要包括相应 的控制和分析应用软件，而将传统仪器中某些硬件电路实现信号的处理工作改由 软件实现。 ( 3 ) 结合数据，应用新仪器完成了数据分析工作。 6 检测系统概要 2 1 概述 2 检测系统概要 本课题研发的仪器采用的检测原理是目前世界上最广泛采用的脉冲电流法 6 - 7 1 ，也是i e c 2 7 0 推荐的检测方法嘲。脉冲电流法的灵敏度高，脉冲电流法又叫 e r a 法，基本原理是：产生局部放电信号时，电容g 耦合到检测阻抗上，电容q 两端会产生瞬时的电压变化u ，此时如果经过耦合电容q 耦合到检测阻抗乙 上，回路会产生脉冲电流，。将脉冲电流j 流经检测阻抗，采集由此产生的脉冲电 压，并进行滤波，放大，及数据采集等处理。脉冲电流法的基本测试回路中，可 以看做电容q 。g 为耦合电容，它为g 和乙问提供了低阻抗通道。 z 图2 1 脉冲电流法基本原理 f i g u r e2 1b a s i cp r i n c i p l eo f p u l s ec u r r e n tm e t h o d s试验电源z阻塞阻抗e 电容 c ：耦合电容z 二检测阻抗 m 检测仪器 当电容e 内部出现放电时，由于其真实的放电量无法测出，所以用视在放电 量g 来表征放电强度。 挑= 西面项i 1i 历 眨1 ) e + c ：c 糟( g + c m ) 、一7 材。所含的主要频率分量很高，所以再检测阻抗上分配到的脉冲电压可以 简化为按照g 和c 肼得分压来计算。 7 北京交通大学硕士学位论文 = a u x q ( g + q ) = 百币i 丽 ( 2 - 2 ) 口 g + ( 1 + q g )