（高电压与绝缘技术专业论文）高压储能电容器直流局部放电采集分析系统的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高压储能电容器是脉冲功率中的常用器件，在武器系统中有着广泛应 用，特殊的应用场合要求其具有较高的可靠性。此类电容器的工作模式是 直流充电和脉冲放电，由于制造等原因，可能存在绝缘缺陷，在电场作用 下出现局部放电，导致绝缘缓慢劣化直至击穿。为保证脉冲功率系统的可 靠性，必须发现缺陷电容器。而现行的出厂检验方法，如耐压试验、介质 损耗试验等，不能有效发现这种绝缘缺陷。 局部放电信号蕴涵丰富的绝缘状态信息，通过测量电容器直流局部放 电，对局部放电信号进行统计分析，可揭示电容器的内部缺陷类型，反映 电容器的绝缘状态和发展趋势，对丰富电容器的出厂检验手段和保障武器 系统的可靠性具有重要的实际应用价值。 国内尚不存在商品化的高压直流局部放电分析测试系统，而且传统数 字化局部放电测量不易于数据的管理维护，多人分析时共享数据极不方便， 且不能有效统计局部放电的发展趋势，诊断待测试样的绝缘状态。 本论文主要围绕上述问题开展工作，通过分析对比交流和直流下的局 部放电产生原理和测量方法，引入出参数，把交流局部放电的统计分析方 法引入到直流；通过分析直流下局部放电测试中存在的各种干扰和局部放 电信号的特征，对干扰抑制方法做了仿真研究，然后根据直流下局部放电 测试的特征，设计了电容器局部放电测试分析系统，包括系统的数据采集 客户端软件和数据分析客户端软件，最后利用设计的系统，对几种含缺陷 的电容器进行了试验并对结果进行了初步的分析。 关键词高压储能电容器；绝缘缺陷；直流局部放电；数据采集 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t h vs t o r a g ec a p a c i t o r , w h i c hi sw i d e l yu s e di nw e a p o n , i st h ec o m m o nd e v i c ei n p u l s ep o w e rs y s t e m h i g hr e l i a b i l i t ym u s tb er e q u i r e db c c a 岫eo fi t ss p e c i a l u s e ds i t u a t i o n w b r km o d eo ft h i st y p ec a p a c i t o ri sd cc h a r g ea n dp u l s e d i s c h a r g e b u tb e c a u s eo fs o m er e f l 。s o no f m a n u f a c t u r e s o m ei n s u l a t i o nd e f e c t w i l lc a u s ep a r t i a ld i s c h a r g ei nh i g he l e c t r i c a l f i e l da n da tl a s ti n s u l a t i o nf a i l i - l o w e r e d , t h ee m p l o y e de v a l u a t i o nm e t h o d sc a l ln o td e t e c td e f e c t si nc a p a c i t o r s t h a td og r e a th a r mt ol i f e s p a no f t h e m p a r t i a l d i s c h a r g ep d ) c o n t a i n s a b u n d a n ti n f o r m a t i o no fd i e l e c t r i ca n d i n s u l a t i o n a n dt h e p a r a m e t e r s o fp d sc a nr e v e a li n s u l a t i o nd e f e c t s e f f i c a c i o u s l y t h u s ，t h a tt oi n d i c a t ei n s u l a t i o ns i t u a t i o ni nc a p a c i t o r sa c c o r d i n g t o a n a l y s e so fp du n d e rd cc o n d i t i o n ( d c p d ) h a sp r a c t i c a lm e a n i n gt o i m p r o v er e l i a b i l i t yo fi m p u l s ep o w e rs y s t e m , a n dc o n t r i b u t e st of a c t o r yt e s t i n g m e t h o d s n o wt h e r ei sn od cp a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c ta n da n a l y s i ss y g e mo fh vs t o r a g e c a p a c i t o ri nc h i n 乱mc l a s s i c a lp dd e t e c ts y s t e m , a tf i r s td a t ai ss a v e di nf i l e m o d e ，t h e nd a t ai sr e a df r o mf i l e st od os t a t i s t i c s d a t am a i n t e n a n c ea n ds h a r i n g i sd i f f i c u l ti nt h i sm e t h o da n dp a r t i a ld i s c h a r g e 船n dc a nn o tb ee f f e c t u a lg a i n e d s ot h ei n s u l a t i o ns t a t eo f c a p a c i t o rc a l ln o tb ed i a g n o s e d n l i sd i s s e r t a t i o na i m st oh a v eap r i m a r yp r o b ei n t oq u e s t i o n sm e n t i o n e da b o v e a tf i r s tp di na ca n dd cm o d ei sa n a l y z e da n da tp a r a m e t e ri si n t r o d u c e d s os t a t i s t i cm e t h o di na cc a l lb eu s e di nd cm o d e t h e ne m u l a t i o no f d e n o i s i n gm e t h o di sp r e s e n t e db a s e do n t h en o i s ei nd c p dd e t e c te n v i r o n m e n t a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mi sd e s i g n e d , m c m d i n gd a t aa c q u i s i t i o nc l i e n t a n dd a t aa n a l y s i sc l i e n t l a s t l y , u s i n gt h es y s t e ms o m ed e f e c tc a p a c i t o ri s d e t e c t e da n dr e s u l t si sa n a l y z e d ， k e yw o r d s ：h i g l lv o l t a g es t o r a g ec a p a c i t o r , i n s u l a t i o nd e f e d c p d ，d a t a a c q u i s i t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 1 1 1 高压储能电容器及工程使用中存在的问题 高压脉冲储能电容器是脉冲功率系统中的关键部件，在现代军事装备 中得到了广泛应用。这种电容器的工作原理是在长时间间隔内由大功率电 源充电，进行电能的存储，当需要时在短时间内放出冲击电流和脉冲功率。 随着国防工业的发展，世界各国都在探索研究大功率、高储能密度、高稳 定性的直流高压储能电容器l l j 。 高压储能电容器出厂检测时首先进行非破坏性实验，即测试所有产品 的主要电气参数，如绝缘电阻、电容值、泄漏电流、介质损耗。然后从中 随机抽取若干个进行充放电和环境实验。实验时用充放电次数来衡量这种 电容器的寿命，如果被抽取的所有电容器充放电次数超过某一预定值，则 认为此批电容器合格，否则不能通过检测。但电容器在生产过程中，往往 存在各种绝缘缺陷，如气隙缺陷、杂质缺陷、重叠缺陷和接触缺陷，含有 这些缺陷的电容器以这种检测方式不能被有效剔除。这些缺陷电容器在产 品使用过程中随着电应力、热应力和机械应力等多种因素的影响会逐渐发 展，导致绝缘缓慢劣化直至击穿。为了保证武器设备的高可靠性，必须引 入新的电容器绝缘检测手段和评估方法t z - ，j 。 1 1 2 直流局部放电应于用高压储能电容器绝缘检测 根据经验，电容器绝缘故障大多因为先天缺陷而引起，有些缺陷源于 材料本身，有些缺陷在生产过程中引入，还有一些是在电容器工作过程中 由于外界各种因素的影响逐渐形成和发展。这些缺陷电容器在强场强作用 下会产生局部放电，而局部放电随之带来的电、热和化学因素会使材料不 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 断裂解，直至绝缘失效。虽然少量局部放电不会对介质绝缘带来瞬时的冲 击，但是长期累积作用却是绝缘性能下降和最终击穿的根本原因【6 ，”。可见， 局部放电和电介质的绝缘状态密切相关。通过测量电容器的局部放电，采 集局部放电信号，对信号进行统计分析，发现电容器的绝缘缺陷。可以评 估电容器的绝缘状况，甚至对其绝缘寿命进行预测。 直流条件下局部放电测试及其现象的研究相对交流应力条件下存在较 大滞后，然而随着人们对高压直流设备可靠性及小型化的要求日益增加， 业内人士开始着手高压直流设备中关键器件的老化及失效机理研究【3 l ，主 要研究对象集中于电力网用高压直流电缆1 9 , 1 q “t 1 2 】。研究表明，高压直流设 备检测中，在持续直流条件下进行局部放电测试与分析已成为改善绝缘设 计、改进生产工艺、提高工作可靠性的有效手段【1 3 “l 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外局部放电检测技术历史及研究现状 局部放电的最初检测设备是基于西林电桥的功耗电桥，该设备在1 9 1 9 年开发出来，并在1 9 2 4 年首次用于局部放电检测。年后，即1 9 2 5 年， s c h w a i g e r 发现了电晕放电时的无线电频率特性。这项发现为设计测量电晕 放电的无线电干扰仪奠定了基础。这种无线电干扰电压法( r ) 至今仍 在一些国家，尤其是在加拿大、美国等国家中广泛应用( 1 5 , 1 6 。 1 9 2 8 年，l l o y d 和s t a r t 提出了平行四边形测量局部放电的方法，该方 法被认为是积分电桥的始祖。积分电桥是d a k i n 和m a l i n a r i c 在1 9 6 0 年提 出的【1 7 】。这种方法在局部放电的物理研究中具有独到的优点，至今仍在应 用【1 8 】。 此后，各种局部放电检测技术应运而生。基于对发生局部放电时产生 的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了 电检测法、光测法、声测法和红外热测法等非电量检测方法。这些方法中， 由于电测法是灵敏度最精确的方法，i e 2 7 0 标准推荐使用l l9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 0 世纪9 0 年代以来，随着数据采集、数字信号处理和计算机技术的发 展，数字化测量技术被应用到局部放电测量。荷兰代尔夫特技术大学的 f h k r e u g a r 和他的学生e g u l s k i 等人利用局部放电周期性数据，统计计 算出局部放电的二维和三维谱图，根据这些谱图，用2 9 个统计算子来描述 二维谱图的形状。他们与瑞士h a e f e l y 公司合作，设计了t e 5 7 1 局部放电 数字化测试仪，可用于实验室和现场电气设备的直流和交流局部放电测试 r z o - - l o 国内对局部放电测试也进行了大量研究，某些装置在现场得到了有效 运用。吴广宁设计了大型发电机局部放电数字化测试系统，在秦岭发电厂 得到了较好应用【2 7 j 。刘刚等人发展了数字化的选频平衡法，在试验中取得 较好的抑制噪声效果【2 引。清华大学的高胜友等人提出了一种微机化的电力 电容器的放电检测装置，对5 种典型缺陷的电容器( 人为制造的缺陷包括气 隙、油隙，油纸沿面放电、油纸中的金属杂质以及引线表面) 所导致的局部 放电进行检测，然后基于联合神经网络方法进行了模式识别，取得了较高 的识别率唧。于钦学、邱昌容等人对油纸绝缘的局部放电进行了研究，发 现了油纸绝缘的放电重复率随温度、电压的增加而增加，常温下电压降至 接近零时放电次数最多，随着时间的延长放电逐渐减少到无放电，而且在 高温下能看到熄灭电压即l 。 1 2 2 传统局部放电测试分析系统存在的问题 由于局部放电的随机性、复杂性，利用局部放电来判定电气设备的绝 缘状态，必须采用多次实验并对这些实验数据进行统计分析的方法。对于 多种电气设备的多次局部放电测量，必然会产生大量的数据，如何对这些 数据进行高效的管理和维护就成为现代局部放电测试系统设计时要考虑的 重点。并且由于局部放电统计分析、模式识别等算法的复杂性，设计局部 放电分析软件时必须将数据结构模型、逻辑算法和用户显示界面有效组织， 才能利于系统的维护和升级。 传统数字化局部放电测试系统首先将数据保存成文件形式，然后利用 应用程序读取这些数据，采取局部放电分析的各种算法，得到统计结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 这种方式在局部放电数据管理和分析软件两方面存在以下缺点： ( 1 ) 数据管理维护效率低下 当存在大量局部放电测试数据时，这种方法很难对某种设备的已测数 据进行分类管理、分类搜索，给后期的数据分析处理带来不便。 ( 2 ) 数据共享不方便 因为传统的数据分析软件一般在测试机上安装运行，当多人需要分析 多种待测设备的局部放电信息时，只能采取将数据从测试机拷贝到多台计 算机上的方法，这就造成局部放电测试数据共享不方便，且不能根据测试 机上的测试实时更新。 ( 3 ) 不利于软件系统的开发、升级和维护 传统的局部放电测试分析软件将数据结构定义、用户界面显示( 如波形 显示、局部放电统计算子显示等) 和控制逻辑三个部分揉合在一块设计，这 种方式必然造成软件的架构不合理，并且当其中的某个部分需要进行升级 和维护时，将改动软件的整体结构，这样不利于软件后期维护和更新。 1 3 本文的主要内容 针对传统局部放电数据采集和分析系统存在的问题，结合直流下高压 储能电容器局部放电测试的特点，本论文设计了直流下局部放电数据采集 和分析系统。 通过引入s q ls e r v e r 关系数据库，对大量局部放电数据进行管理，解 决了局部放电测试系统中数据管理维护效率低下的问题。 利用局域网络，搭建了局部放电测试环境。数据采集客户端用于局部 放电的数据采集和数据上传，数据分析客户端可以安装在局域网内任何一 台p c 机，用于局部放电数据的下载、统计分析和局部放电指纹图的绘制。 使多人能够共享测量数据，同时对局部放电数据进行统计分析。 利用u m l 统一建模语言。将测试系统中的数据结构进行抽象建立模 型，以便系统设计时将模型部分和逻辑计算部分分离，便于软件的开发、 升级和维护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 文中各章内容如下： 第一章讨论了高压储能电容器及工程使用中存在的问题，并引入局部 放电测量来对其绝缘状态进行评估。 第二章首先阐述交流下局部放电产生和测试原理，通过引入址参数， 将交流下局部放电数据的统计分析方法推广到直流，为数据采集和分析系 统的设计打下理论基础。 第三章调查研究了直流下局部放电测试中存在的各种干扰，提出了抑 制周期性窄带干扰的两种方法：频域阀值法和自适应滤波法，并对自适应 滤波方法的有效性做了仿真验证。为连续采集中局部放电信号的提取奠定 基础。 第四章详细介绍了基于c s 模式的采集和分析系统的建模和软件设 计。利用p c i 高速数据采集卡，结合数据采集机采集软件控制，设计了数 据采集客户端，实现了局部放电数据的采集和上传；对于客户端分析软件， 首先通过局域网络下载局部电测量数据，然后基于f 方法统计计算局部放 电的二维和三维谱图，对于二维谱图，定量计算其统计参量，得到能描述 电容器缺陷特征的指纹图。 第五章利用设计的数据采集和分析系统，对几种缺陷电容器模型进行 测试并对测试结果进行初步分析，得到不同形状的三种缺陷电容器二维放 电谱图。 论文得到了以下项目的资助： 直流局部放电信号的提取与分析( 国家自然科学基金联合基金项目 n o 1 0 4 7 6 0 2 2 ) 匹南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章直流局部放电产生及测试原理 采用局部放电方法评估交流高压设备的绝缘状况，已经得到广泛关注 并取得很大进展，有些研究成果在工程中得到实际应用。但是将直流局部 放电手段用于高压器件的绝缘评估，理论和实验研究部落后于实际需要。 由于直流局部放电和交流局部放电本质都属于电介质击穿，发生务件都要 求：( 1 ) 场强达到介质击穿场强；( 2 ) 有初始电子出现。因此，可先从研 究比较成熟的交流局部放电入手，分析其测试原理。 本章首先阐述了交流电压下局部放电的产生及测量原理，然后在直流 电压条件下通过引入& 参量，将交流局部放电的测量和分析方法应用子直 流。 2 1 交流局部放电产生及测试分析方法 2 1 1 交流局部放电的产生及测试原理 采用固体绝缘的电工产品，如塑料电缆、电机、胶纸套管以及浇注变 压器等，都难免在绝缘结构中含有气隙。产生气隙的原因很多，有的是在 产品制造就残留在绝缘结构中：有的是在使用中有机材料进一步固化或裂 解而放出气体形成的；有的是在使用承受机械应力如震动、熟胀冷缩等造 成的局部开裂。这些气隙在电场作用下就会产生局部放电。 以固体电介质内部气隙局部放电为例。由于气泡中的局部放电时间很 短，即放电产生的脉冲信号频率很高，在进行放电信号在等效电路中的响 应时，电介质中的阻抗远远大于容抗，故可以忽略电阻，只考虑电容组成 的等效电路。如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 1 电介质绝缘内部气隙局郡放电等值电路 图中c g 代表气隙的电容；q 代表与c g 串联部分的介质电容；c 代表 其余部分的电容。 若在电极上施加交流电压“，则出现在巳上的电压为，即： g = 【g c c , + q ) 】“，= 【c b ( c g + g ) 】u 。s i n c o t ( 2 1 ) 因为气隙很小，c 霉比g 大很多，故比坼小很多a 局部放电时气隙 中的电压和电流变化如图2 2 所示。 耐弧一 缴，巍 嬲ll、：一1 “芒； 静墓 一一一一一一一。v 。一： 图2 2 交流局部放电过程示意图 u g 随“，升高，当坼上升到“，( 起始放电电压) ，u g 达到c g 的放电电压 时，c ；气隙放电，于是q 上的电压很快从下降到以，放电熄灭，则： = 【g “c g + q ) k ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中“。为相应的外施电压；以为残余电压( o 玑 0 表示分布函数关于均值正不对称； s k = 0 表示分布函数关于均值完全对称； s k 0 表示谱图比正态分布陡峭； k u = 0 表示谱图服从正态分布； k u 0 ，粤 0 ( 2 3 1 ) 其中，= 一只 仃2 = ( - u ) 2 只 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 q 是两种分布中放电量之和 根据这些统计参数的大小，在二维平面中画出统计参数的柱状图，称 之为放电“指纹图”，因为它描述了放电的统计特征，结合各种模式识别算 法和标准缺陷数据库，即可根据指纹图中的局部放电统计参数，识别出缺 陷类型“。 2 2 直流局部放电产生及测量原理 2 2 1 直流局部放电的产生和放电过程 介质发生局部击穿，必须满足两个条件。一是缺陷内的场强必须超过 该处介质的最小击穿场强k 以维持缺陷内的自持放电；一是缺陷内必须有 初始电子的出现。这些初始电子可能来自于场强足够强的表面的场致发射， 电可能是来自外部辐射导致的气体电离，或者来自上一次局部放电后尚未 完全泄漏掉的空间电荷。由于稳恒直流电压条件下，外施电压值不发生变 化，也不存在极性反转，介质内部自由电子稀少，使初始电子的出现这个 在交流下几乎被忽略的条件显得尤为突出。因此，直流条件下的局部放电 时间间隔不仅仅取决于对缺陷两端充电达到最小击穿场强从而满足第一个 条件的时间妇，还受等待初始电子这个延迟时间红的影响，如图2 6 所示。 其中，p 为气隙的最小击穿场强；为发生放电时气隙两端的电压；厶矿 为等待初始电子时，气隙两端电压的变化值；巧为发生一次放电后，气隙 两端的残留电压；p 赢为假设气隙中不发生放电，在外施电压作用下气隙 两端最终电压值；屯为r d 时刻发生放电，等待初始电子所需的时间；坛为 幻时刻发生放电之后，气隙两端电压随外施电压上升至最小击穿场强所需 的时间。当气隙两端电压经过坛时间，达到气隙最小击穿场强时，局部放 电的发生已经具备了一个条件，即足够使气隙发生自持放电的能量；由于 直流下自由电子稀少，而自由电子的出现纯属随机事件，因此屯为随机变 量。当初始电子出现以后，发生局部放电的两个条件都具备了，于是放电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 发生了。 r 巧 掌 j 薯 篷 f 亿 颤 t 图2 6 气隙中电压变化曲线 局部放电的发生是一个瞬间的过程，在放电的瞬间，气隙可以近似为 一个导体，于是放电使得气隙内部的电荷发生移动，正电荷聚集在靠近负 极板的气隙表面，负电荷聚集在靠近正极板的气隙表面，于是形成了气隙 内部场强历，此时外电场为岛，如图2 7 所示。局部放电的能量一部分使 得带电离子向两极运动，另一部分以热能的形式耗散在气隙当中。当电荷 移动进行到一定程度之后，随着气隙内场e j 的增加，气豫内部的合场强 e = e t 局已经不足以维持气隙内的放电，于是放电停止。此时，气隙两端 的残余电压为耳，它与厶矿相关，也与屯相关。 i ： kr 两 1 ： 图2 7 气骧内部电荷移动过程 一次放电结束后，气隙又在外施电压作用下充电，等待初始电子出现， 发生下一个放电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 2 2 直流局部放电的测试原理 由于直流条件下局部放电信号仍然是一个快速变化的脉冲信号，其局 部放电分析模型仍可采用图2 1 所示的三电容等效电路进行分析。但是， 由于直流条件下不存在交变电场，其放电过程与交流情况下的放电有较大 差异。由于交流情况下电介质两端电压以5 0 h z 的频率变化，其电场也作同 频率变化，当电介质问气隙中场强达到其击穿场强时，交流场下能够提供 足够的初始电子触发电子崩而导致放电。同时，试验电压在极性反转时， 上一次放电积累的空间电荷所产生的内部电场和外加电场迭加，使得气隙 内场强进一步加强，更易于局部放电的产生。但是，在直流情况下，由于 电介质间场强保持恒定，即使场强达到气隙击穿场强后，也不一定能有初 始电子出现而产生放电。此时初始电子的主要来源是空闯射线产生的电子， 其出现是随机的，因此直流下的局部放点不像交流下的放电那样有明显规 律，其放电如图2 8 所示。 昱 4 皋。“l zl 乞们“) 一 一 一 tp n r t p r 一i生j t | j 。( 1 jt l 圳f i ) 图2 8 直流电压下局部放电的发展过程 其中，f 。( 力为前一个放电时刻，为当前放电时刻，。( f ) 为下一个 放电时刻；f ，为等待初始电子时间；，。( f ) 为当前放电与前一个放电之间 的时间间隔，t 。( i ) 为当前放电与下一个放电之间的时间闻隔，0 为介质 最小击穿场强。 综上，在直流情况下局部放电产生机理与交流条件下一致，也会在试 样两端产生脉冲电流；但其放电重复率远低于交流条件下，每两次放电间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 的时间间隔达到秒级。这就要求测试仪器能够灵敏的捕捉到细小的放电脉 冲，并且把放电脉冲和干扰脉冲区分开。 根据i e c 2 7 0 标准规定，脉冲电流法也适用于测量直流下局部放电。国 外研究表明，当各种因素都得到很好的控制时，测试系统的灵敏度不受电 容器的内部电感影响，可达到1 0 0 0 cp c ( c 的单位为f ) 。对于l u f 的高 压电容器，其灵敏度理论上可以达到1 p c 。根据式( 2 7 ) 可得： = c ，a q ( 2 7 ) 即若要测量l u f 电容器的局部放电并使其灵敏度达到l p c ，测量仪器 必须能分辨出l u v 的电压量。这就要求方面测试系统的噪声水平低于 0 5 u v ( 被测信号应大于背景噪声2 倍以上才可分辨) ：另一方面要求测试 系统可以分辨出l u v 的电压信号。 对于第一点，由于试验电源电压在2 0 0 0 v 左右，鄙使电源的纹波系数 达到 0 0 0 0 1 ，纹波仍然有l o o u v 。注意到电源纹波是以5 0 h z 为基波的 工频奇次谐波，通过高通滤波器可有效衰减掉电源干扰信号。另外，测试 电路采用平衡电路也可抑制电源处的共模干扰信号。 对于第二点，可以采用高精度、低噪声的放大器将u v 级信号放大到 m v 级。由于放大器噪声： 。k = 兀 ( 2 8 ) 其中，k 的单位是纳伏( n v ) ，为放大器噪声系数，为放大器工 作频带。对于一款优秀的放大器，其f 。可以控制在1 以内，其噪声可以限 制在l n v 以内。 在实际应用中，特别是高电压环境下，经常存在其它干扰源，比如周 期干扰、强场强下的高能粒子，空气中的天线效应等，所有这些噪声都会 降低理论上的噪声灵敏度。以下条件会产生较高的检测灵敏度：局部放电 试验要在电源接地良好的屏蔽室里进行，并且电路中的变压器和电容不产 生放电。当有两个几乎相同的试样，一种有效的降低噪声的方法是使用平 衡测试电路。在这种电路中，g 被第二个试样和第二个检测阻抗代替，所 示有两个试样和两个检测阻抗。信号通过接在两个检测阻抗上的差分放大 器测量，这种电路的最大优点是当噪声是由高压电源或环境引起时，将同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 时影响两个检测阻抗支路，这样噪声干扰就会在差分放大器两端抵消，从 而消除干扰，只有在其中一个支路产生的信号才会在放大器中输出。平衡 法检测电路最大的不足就是增加了电路的复杂性，需要两个试样的阻抗匹 配。 由此，直流下局部放电测试系统设计如图2 9 所示： 图2 9 直流局部放电测试原理图 其中，c l 为试样电容器；c ：为耦合电容器，其值和c l 相当；五、z ：为 检测阻抗，其中z l 阻抗可调，调节彳可使电路达到平衡从而抑制电源处共 模干扰。测试系统中，检测阻抗z l 、z ：是测试的核心器件，其性能直接关 系到测试灵敏度、线性度，好的检测阻抗是提取局部放电信号的基础；滤 波放大器能大幅提高测试系统噪声抑制比( s n ) ，使测试系统能够更清晰 的分辨局部放电信号；分析仪器提供数模转换及友好的人机界面，以及提 供后继分析二次开发的环境。 2 2 3 直流局部放电数据采集和数据分析 直流局部放电数字化测量中，不存在相位参数。局部放电产生时，只 能记录脉冲出现的时间和局部放电信号。为了引用交流局部放电统计分析 方法，引入舡参数，如图2 1 0 所示，包括当前放电与上一次放电的时间 差出。和当前放电与下次放电的时间差，。两个参数，因此对于一次放 电，包含以下三条信息：放电脉冲、与前一次放电的时间差，与下一次放 电的时间差，这样交流下统计分析的思想可应用于直流条件下“”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 q t 图2 1 0 直流局部放电测量缸示意图 利用出方法，可得到类似于交流下的统计谱图，如表2 1 所示。图2 1 l 和图2 1 2 分别列出了直流下局部放电测试的二维和三维谱图。 表2 1 直流下局部放电谱图 圈2 1 1 局部放电二维统计谱图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 1 2 局部放电g 一址- n - - - 维统计图 要进行缺陷的模式识别，必须引入统计算子对分布谱图进行定量分析。 对表2 1 中的四种二维谱图，可以得到2 2 中的2 2 种统计算子。 表2 2 直流下局部放电二维谱图的统计算子一一 二维谱图名称统计算子 h 母幛甾移 繇辨s k 眦，k t 辩，砬h m p c 辨p e 眦a 叮，c c h 驴1 )s 畔s k 娜，x h 即，x “呲，p e 畔，p e 批- a s y ，c c h n o s k k u ，p e 。h 似 s k ，k u h q m 缸 叠t j s k m s k 眦k h 艚。k m 雌p c p t p e 叫a 叩。c c 当然，这2 2 个统计参量未必都对电容器缺陷模型直流局部放电的模式 识别有作用，在试验的基础上可以对这2 2 个统计参数进行权重比较。图 2 1 3 列出了上述所有统计算子组成的指纹图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ，埘th i _ ： - - i a t ，j t _ 。j _ p r e - ，l h 啼m l k _ t m h _ _ i s d t t ， - li t - s k _ - t t t a f 日 i o - _ o - l - 肆t 3 t m l ，噜i m r p - 8 9 0 - ， _ “t h 镕日自1 w 】h5 廿 -t l o d 口 ， s k，f t l e hs 4 1 t l 口 圈2 1 3 内部缺陷电容器直流局部放电指纹图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章直流局部放电测量中的数字滤波 在直流局部放电测试中局部放电的提取是一关键技术，这主要是因为： ( 1 ) 局部放电信号本身比较微弱；( 2 ) 在实验室或现场测量中存在各种干 扰。为了有效提取信号，必须采取适当的滤波方式。 硬件滤波在抑制局部放电干扰中起到了有效作用，但硬件滤波器由于 硬件滤波电路( 尤其是有源滤波电路) 自身功耗大、无法滤除多类干扰、 通用性不强、结构复杂、成本高等缺点，不能完全滤除干扰，得到满足信 噪比要求的信号。由于软件滤波的稳定、灵活、成本低等特点，在强干扰 环境中测量局部放电，常加入软件滤波配合硬件滤波器，这就是直流局部 放电中的数字滤波。 3 1 局部放电信号及干扰信号的主要特点 3 1 1 局部放电信号特点 局部放电信号是脉宽较窄的高频脉冲信号，它的频谱较宽。在大多数 情况下，它的频带可以覆盏到检测系统的整个频带。图3 1 中( a ) 中为典 型局部放电的时域脉冲，图( b ) 为经快速傅立叶变换( f f t ) 后的频域图。 因此局部放电检测系统只能选取一定的频带提取局部放电信号，频带选取 一般考虑以下原则：( 1 ) 选取局部放电信号频域峰值处的频带；( 2 ) 有效 避开周期住干扰。 l ， ( a ) 局部放电脉冲时域图( b ) 局部放电脉冲频域图 图3 1 典型局部放电信号的时域和频域图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 1 2 直流局部放电测量中干扰的分类及主要特征 对于直流局部放电测试中的干扰信号，从干扰源的角度来分，主要有 测试系统本身的干扰和测试系统以外的干扰。测试系统本身的干扰包括供 电开关电源中开关和放大器自身的热噪、自激等产生的干扰；测试系统外 的干扰主要是指来自被测设备之外的、能被检测传感器检测到的干扰。这 些干扰信号在频域上各有各的特点，从干扰信号的时域波形特性来分，可 分为周期型干扰、脉冲型干扰和白噪声。 1 、周期型干扰 这类干扰包括电源谐波、无线电广播通信等，一般情况下是这些干扰 的综合作用产生的干扰，干扰强度大。在直流局部放电的测试中，电源谐 波的干扰是主要干扰源。如图3 2 所示，是含有周期性干扰的信号，局部 放电被淹没在干扰信号之中，无法提取。为了分析周期性干扰信号，利用 高速数据采集卡，提取了含有干扰的十组数据，对这十组数据进行傅立叶 变换，组成了图3 3 所示的三维频域图。可见，在低频处含有两个频段的 较强周期性干扰。3 2 1 和3 2 2 将分别采取f f t 频域阀值方法和自适应 滤波法抑制周期性干扰。 图3 2 局部放电信号淹没在含有周期性干扰的信号中 图3 3 局部放电信号淹没在含有周期性干扰的信号中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 2 、脉冲型干扰 脉冲型干扰包括周期脉冲干扰和随机脉冲型干扰。随机脉冲型干扰包 括供电线路或高压端的电晕放电，以及其它电气设备产生的局部放电、分 接开关动作、电焊机及电动机电刷引起的电弧；周期脉冲干扰包括校准脉 冲、可控硅动作以及地网中的脉冲干扰等。这类干扰在时域上是持续时闯 很短的脉冲信号，在频域为包含多种频率成分的宽频信号，与局部放电信 号时域波形较为不同，相位较为集中，但有相似的频域特性。一般来说， 直流局部放电中存在的脉冲干扰滤除方法较为复杂。可根据局部放电的脉 冲形状和干扰的脉冲形状的不同进行滤除，在4 3 2 节将会介绍。 3 、白噪声干扰 白噪声包括各种随机噪声，如升压变压器绕组热噪声、地网噪声、配 电线路耦合进入的各种噪声及测试系统中电子元器件的散粒噪声等，如图 3 4 所示。对于白噪声干扰，可用小波变换法去除“。 ( a ) 白噪声时域图( b ) 白噪声频域图 图3 4 白噪声波形及频谱分布 3 2 局部放电测量中周期性窄带带干扰的数字滤波 3 2 1f f t 频域阀值抑制周期性干扰 当混入周期性干扰时可采取f f t 频域阀值滤波法，其频域开窗图如图 3 5 所示。首先利用f f t 算法，将采集到的局部放电原始信号变换到频域， 因为局部放电脉冲信号的频谱是平坦的分布在整个频域的，如果在频域内 菜些位置出现较大幅值，可认为在这些频段出现了窄帝干扰，将超过一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 阀值的频域部分进行抑制，然后利用i f f t 算法变换到时域，则可抑制窄带 周期性干扰。 处理前 处理盾 、 龟丝台 0 2 耋o 1 0 0 2 ；a 1 0 图3 5 干扰源较少时频域开窗 48t b1 21 52 0 481 2 1 6 2 0 t 缸i 伯i ( a ) 原始信号嘞经频域滤波后的信号 图3 6f n 频域阀值法抑制宽带周期性干扰 图3 6 ( a ) 为局部放电测试中混入周期性宽带干扰的信号，利用f f t 频域阀值法进行处理得到图3 6 ( b ) 所示的局部放电信号。可见，此对周期 性干扰已基本消除，得到了比较清晰的局部放电信号。 3 2 2 自适应滤波器及仿真研究 传统数字滤波器通带频率是固定的，不能随干扰信号的频率变化而随 意调整，自适应滤波仅需对当前观察的数据做出处理，自动调整系统本身 的冲激响应特性( 即调节数字滤波器的系数) ，以适应信号变化的特征，从 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 而达到最优化滤波。自适应滤波器不需要关于信号的先验知识，计算量小， 无需知道待滤除信号的频率范围，滤波速度快，所有参数可以随意调整【4 ”。 因此，自适应滤波可以实时有效地滤除周期性干扰，非常适合直流局部放 电测试中的滤波。 自适应滤波本质上属于噪声中随机信号的线性均方估计问题，是维纳 滤波理论的一种推广，常用来检测淹没在宽带噪声中的随机信号。实验室 和现场测量环境中直流局部放电常淹没在宽带噪声干扰信号中，所以适合 用自适应滤波器提取。当测量系统的采样频率足够高时，由于周期性连续 干扰信号相互间有很强的相关性，通过在输入序列工( 七) 中插入固定的延时 d ，就可以方便地将局部放电脉冲从周期性干扰信号中分离出来。 自适应滤波器主要由两个主要部分组成 4 s , 4 # 1 ：系数可调的数字滤波器 和用来调节或修正滤波器系数的自适应算法。它有两个输入端：一个输入 信号是v ( t ) ，含有所要提取的信号s ( k ) ，它淹没在噪声信号疗( _ j ) 之中，j ( 七) 与珂( ) 互不相关。另一个输入信号是x ( k ) ，x ( 七) 是“| ) 的一种度量，并以 某种方式和噪声疗( 七) 相关，z ( 七) 经过数字滤波器处理后，产生对噪声的估 计值h ( 女) ，这样，就可以从v ( 七) 中减去疗( 七) ，得到所要提取信号的估计 值j ( 七) = v ( k ) 一r t ( _ | ) = j ( 妁+ ( 七) ：- i f ( 七) ，如图3 , 7 所示。 图3 7 自适应滤波器原理图 可见，自适应滤波器实质上就是一个噪声抵消器，只要能得到对噪声 信号的最佳估计胆( 幻，就能得到所要提取信号的最佳估计。为了得到对噪 声信号的最佳估计一( _ | ) ，可以经过适当的自适应算法来反馈调整自适应滤 波器的参数，使得信号的估计值j ( 七) 中所含的噪声最小，这里j ( 七) 起两个 作用，它既是对所要提取信号的最佳估计，同时又是用来调整滤波器系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 。页 的误差信号g ( 七) 。自适应滤波器中最常使用的可编程滤波器是f i r 型滤波 器f 3 9 】。 最小均方误差法( l m s ) 因为其简单且易于实现，是常用的自适应滤 波器算法，它对每一次新输入和输出采样( 每一次循环) 需要作大概2 n + 1 次乘或加法运算。效率很高，是许多实时应用的首选算法。 l m s 算法的出发点是最陡下降算法，它使得权重矢量按照下式逐点更 新： w i + l ( f ) = 雌( o 一，i i = o 1 ，n - 1 ( 3 1 ) 式中k + 。( f ) 和v 。分别为第k 个采样点的权重系数和误差曲面上对点的 梯度值；为滤波器阶数；_ 是用来控制稳定性和收敛性速度的自适应参 数。由于梯度v 。要用到输入序列的自相关矩阵r 和互相关矢量p 计算，所 以实用的l m s 算法进一步简化，无需矩阵的反演或直接自相关和互相关， 便可以实时地得到滤波器对权重系数的估计值。根据下面的式子对采样点 逐点更新权重系数： i “( f ) = w a o + 2 m ( k ) x ( k 一0 i = 0 ，1 ，n 一1 ( 3 3 ) 其中： p ( 七) = v ( t ) - y ( d = v ( k ) - 疗( j ) ( 3 4 ) _ y ( 七) = ( 幼= 芝：w t ( i ) x ( k - i ) ( 3 5 ) 各参数的定义如图3 7 所示。土式表明，l m s 自适应算法是一种递归 算法，它不需要对信号的统计特征有先验的了解，而只是使用它们的瞬时 估计值。运算得到的只是权重系数的估计值，但是随着时间的发展，权重 系数逐步调整，这个估计值也逐步改善，最终达到收敛。收敛的条件是： 0 芦 1 k ( 3 。6 ) 式中五。是输入数据协方差矩阵的本征值。实际上( f ) 永远不会收敛 到理论上的最佳值，而是在上下涨落。口值控制了自适应的“增益”，它的 大小应该在算法的收敛性能和收敛后系数随机涨落幅值两个因素之间取折 中，使用的自适应滤波器如图3 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 饵整粳重幕箍 图3 8 目适应滤波器框图 在本系统中，自适应滤波器的两个参考输入为输入序列延时d 侧后得 到的序列。输入序列延时d 后得到的序列“) = x ( k d ) 与原信号输入序列 x ( 女) 的相关性很小，可以认为互不相关。使用l m s 算法调整权值后的滤波 器输出y ( k ) 中只含有周期性的干扰信号，则输入序列的延时v ( k ) 减去只含 有周期性干扰信号的y ( k ) 后，就得到了局部放电脉冲信号，从而使现了抑 制干扰信号的目的。延时d 按照经验通常选择为0 d 过小导致脉冲形状严重失真。经过反复调整实验，最后得出采用d = 1 2 ， n = 2 0 ，= o 0 0 0 0 1 的参数较合适。 ( a ) d = 1 2 ，n = 2 0 ，= o 0 0 0 1 ( b ) d = 1 2 n = 2 0 ，口= o 0 0 0 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 ( c ) d = 8 ，n = 2 0 ，“= o 0 0 0 0 2 图3 1 0 调整自适应滤波器的不同参数输出的波形 采用图( b ) 中的参数，在第5 0 0 个出现局部放电脉冲时，系统已接近 收敛，则此时可以有效提取出脉冲，如图3 1 l 所示。 图3 1 1 采用自适应滤波器提取出在第5 0 0 点处出现的局部放电脉冲 可见，在直流局部放电测试中，当连续数据采集提取的数据含有较强 的周期性干扰时，利用自适应滤波器可以有效提取局部放电脉冲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 第4 章数据采集分析系统设计 4 1 系统建模与数据库设计 4 1 1u m l 系统建模