（高电压与绝缘技术专业论文）非接触式方向传感器测量发电机定子局部放电的研究.pdf

华北电 力大学 北京) 硕士学位论文摘要 摘. 要 根据现场的要求， 本文研制出一 种非接触式空气电 容传感器， 它具有频带宽、 绝缘 性能好、 灵敏度高的 特点， 可以 在高压端测量高频放电 脉冲， 可以 代替各种接触式传感 器在发电机高压母线端进行在线局部放电 监测。 这种传感器不与发电 机母线直接接触， 容易安装， 安全性好，易于被用户所接受。 通过大量的试验研究，开发出了由 这种传感器组成的方向 传感器系统，给出了 在 1 0 0 ms / s 采样率下方向传感器判别放电 脉冲的 判据， 并开发出 判别软件。 此方向 传感 器系统可以有效地识别外部干扰脉冲和局部放电脉冲。 研制出一种基于这种传感器的发 电机定子局部放电监侧系统。 此系统可在实验室正确运行， 可以 对放电 进行监测、 从干 扰中提取局部放电脉冲、统计分析放电 类型并绘制出统计谱图。 关键词:发电 机，在线监测，局部放电，方向 传感器 ab s t r a c t b a s e d o n t h e r e q u i r e m e n t o f e l e c t r i c a l p o w e r p l a n t s , w e d e s i g n e d a n e w t y p e o f s e n s o r s f o r s t a t o r w i n d i n g p a r t i al d i s c h a r g e m e a s u r e m e n t o n l i n e . t h e s e n s o r s a r e o f g o o d i n s u l a t i o n , h i g h s e n s i t i v i t y , e a s y i n s t a ll a t i o n o n s i t e , a n d g o o d s a f e t y , s u i t a b l e f o r o n - s i t e a p p l i c a t i o n . we d e v e l o p e d a s e t o f d i r e c t i o n al s e n s o r s w i t h t h e a n al y z i n g s o ft w a r e f o r e l i m i n a t i n g p u l s e i n t e r f e r e n c e fr o m t h e t r a n s f o r m e r s i d e b a s e d o n o u r d e v e l o p e d n o n - c o n t a c t t y p e p d s e n s o r s . we al s o d e v e l o p e d a p d o n - l i n e d e t e c t i n g s y s t e m f o r s t a t o r w i n d i n g s o f g e n e r a t o r s , w h i c h c o n s i s t s o f a s e t o f n o n - c o n t a c t t y p e d i r e c t i o n a l s e n s o r s , d i g it al s y s t e m , a n d s o f tw a r e . t h e d e t e c t in g s y s t e m c a n m o n i t o r p d o n l i n e , r e j e c t n o i s e s , a n a l y z e p d f a u l t s , a n d s h o w t h e fi n g e r p r i n t s o f t h e d e t e c t e d p d. 、 me n g t i n g r o n g ( a u t o m a t i o n o f e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s ) d i r e c t e d b y p r o f . l i c h e n g r o n g ke y wo r d s : g e n e r a t o r s , m o n i t o r i n g , p a r ti a l d i s c h a r g e ( p d ) , d i r e c t i o n a l s e n s o r 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章绪论 互 1 . 1研究大型发电机局部放电在线监测技术的意义 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m 。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。 据不完全统计，1 9 8 3 -1 9 9 5 年期间，我国2 0 0 m w汽轮发电机共发生了二十余 次短路事故， 而由于定子绕组的绝缘问题而造成的事故约占全部事故的三分之一左 右2 。根据日本和欧洲的统计资料， 电机故障的 1 52 5 %与定子绕组的绝缘有关。可 见目前定子绕组绝缘故障仍是大型发电机的主要故障之一。 大型发电机运行安全的 威胁主要来自其绝缘系统，这是由发电机的绝缘结构、绝缘的运行环境和运行条件 决定的，发电机的定子绝缘在运行中要经受电场作用、热应力、机械应力、化学作 用和外部环境的影响，不可避免地受到损伤并在长期地运行中逐渐劣化3 ) 。因此， 为了提高发电机的运行可靠性，应当密切监视发电机定子绕组的绝缘状况。 长期以来， 对于大型发电机的维护我国采用定期大修和电气设备预防性试验制 度，基本上能保证大型发电机在两次大修间的安全，曾对保障电力系统的安全、稳 定运行起到了有效的作用。 但是定期大修和预防性试验制度既有经济上的固有缺陷， 即由于停运带来的经济损失，又有技术上的不合理性，其中主要的问题是停电后的 试验不能准确反映发电机在运行时的状况。事实上，国内外对于定期大修和预防性 试验的局限性也早有认识，已经为提高大型发电机运行的安全性做了大量的工作， 并逐渐取得了共识，普遍认为解决问题的方法是加强对大型发电机的在线监测。从 发电机的经济运行的角度来看，进行发电机定子绝缘状况的在线监测，可以提供绝 缘系统的状态信息，帮助制定停机计划，避免昂贵的非计划停机，减少停运损失和 维修费用， 提高供电可靠性和电力系统的经济效益。 因此发电机的在线监测已经成 为发电机维护技术的发展趋势。 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a j ，从单参数监测到多参数监测。 所监测的发电机的参数有:定子状态监 测、转子状态监测、定子铁芯监a 9 、局部放电监测、定子温度监测、振动监测、转 子寿命估计等。 其中局部放电的在线监测是非常重要的方向，这是因为局部放电与 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 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。另外， 局部放电的监测是发电机在线监测的 众多方法中灵敏度最高的一种方法4 1 。因此人们大量的工作都集中在发电机局部放 电的在线监测上。 国内外对发电机定子绝缘局部放电的在线监测做了大量的研究工作， 取得了一 些研究成果。目前已经开发出了很多局部放电的在线监测装置安装在发电机上运 行，并且积累了很多历史数据，对发电机的故障诊断和可靠运行起到了很大的帮助 作用，取得了良好的经济效益。 总之，在大型发电机发生的事故中，定子绝缘的故障所占的比例较高，其造成 的直接经济损失和给整个社会经济造成的损失都很大。因此，对发电机定子绕组的 局部放电进行在线监测， 可以判断发电机定子绝缘的劣化情况， 并可提前给出警报， 指导制定有效的检修计划， 防止严重事故的发生， 对电力系统的安全、 稳定、 可靠、 经济运行有重大的意义。 夸 1 . 2大型发电机定子局部放电在线监测技术的研究概况 国外的研究情况发电机定子局部放电在线监测的关键是把定子局部放电的 信号跟噪声信号区别开来， 尽可能地将噪声信号抑制和消除。 根据传感器放置的位 置和消除噪声的方法，国外主要的局部放电的在线监测法可以分为以下的几种: ( 1 ) 在发电机高压端装高压fa合电容器的监测方法5 1 。早在7 0 年代m.k u r t : 采 用 在发电 机 三 相 绕组的 高 压引 线各 搭 接一 个3 7 5 p f ( 2 5 k v ) 的电 容 器 6 1 ， 作为 祸 合 信号用，电容器低压端串联一个阻抗，低压阻抗上的信号送入一个 3 0 k h z - 1 mh z 的带通滤波器，滤波器接至示波器显示局部放电信号。这种方法己在 1 5 0台水轮发 电机和5 0 台汽轮发电机上使用， 结果也证明该方法是行之有效的6 1 。 但是采用这种 方法难以识别局部放电和外部的千扰，这需要有经验的专家来完成。之后，加拿大 安大略 水电 局又 研制了p d a局部放电 分析仪7 1 ， 该方法是将成对的8 0 p f 的电 容传 感器安装在发电机定子绕组上或者发电机的引出线上， 每对电容传感器引出的两个 信号经同轴电缆接至 p d a 的输入端，信号被送入到一个宽带差动放大器，差动放 大器的带宽为 5 0 mh z ，其后接一个脉冲高度分析仪，分析仪的带宽为 8 0 mh z 。如 果母线上两个电容传感器和信号电缆的长度调整得合适， 从发电机的外部来的干扰 信号进入p d a后可以被差动放大器消除， 而绕组内的局部放电信号到达p d a的时 刻不同，故差动放大器输出放电信号。 采用这种方法可以把放电信号从外部干扰中 提取出来。 8 0 年代期间， 该监测仪已经安装在世界上的5 0 0 多台水轮发电机上使用。 在高压端安装成对高压祸合电容器的监测方法主要适用于水轮机， 也适用于高压电 动机和同步调相机。这种方法的优点是祸合电容器的安装方便，局部放电信号和外 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 部干扰信号便于识别，缺点是两个祸合电容器之间必须保持一定的距离， 在发电机 现场不一定能满足这个条件。 汽轮发电机的环形母线距离较短或不存在，因此该方 法不易使用于大型汽轮发电机的监测18 1 ( 2 )发电机中性点射频监测法19 1 。该方法是从发电机定子绕组的中性线上监测 局部放电产生的射频信号，放电信号通常是通过高频宽频带的电流传感器来获取。 1 9 8 0年西屋公司开发了商用的发电机射频监测仪 1 0 ) ，其信号放大器的中心频率为 i m h z ， 带宽为5 k h z a e m e r y f . t . 和 g r u e n n e w a l d p . 也 都曾 使用过中 性点射频检 测法来监测大型汽轮发电机的局部放电 川。这种方法的优点是中性点对地电位低， 高频电流传感器安装相对容易，缺点是对信号处理技术要求较高，如何较好地消除 或抑制干扰是必须要解决的问题。 这种监测方法检测到的放电信号往往是电机中发 生的较大的电弧放电信号。 ( 3 )在发电机定子里安装定子槽藕合器的监测法叫。该方法是将定子槽祸合器 ( s s c )安装在靠近相端的定子槽的槽楔下面，槽藕合器是用来检测局部放电信号 的 “ 天线” 。这种祸合器的具有很宽的频率响应，典型的数据是下限截止频率为 l o mh z ，上限截止频率为 1 g h z 。由于槽祸合器可以对局部放电和噪声产生不同的 脉冲响应， 定子绕组的局部放电信号的脉冲以1 - 5 n s 宽的脉冲响应被s s c检测出来， 而内部和外部噪声以大于 2 0 n s宽的脉冲响应被检测出来，这是因为噪声沿定子传 播时定子绕组起到自 然滤波的作用， 因此脉冲宽度的这种明显差别可以将定子的局 部放电和所有的噪声区分出来。 如果脉冲的宽度大于8 n s ， 那么把该脉冲归为噪声， 如果脉冲的宽度小于8 n s ， 那么该脉冲为局部放电信号。 基于此原理， 加拿大的s t o n e g c . 研制出了汽轮发电机分析仪 ( t g a ) 1 1 。其优点是便于把局部放电和噪声信号 区别开来，但此法要求在电机内部槽楔下面埋设特制的s s c ，故在藕合器的埋设上 所付代价较大，用户的接受程度在中国目前较小。 ( 4 ) 定子槽里埋置电阻式测温元件导线的监测方法p a l 。这种方法是将埋置在定 子槽里的电阻式测温元件 ( r t d)的导线作为局部放电传感器，这种传感器的频率 特性很宽，便于将局部放 电脉冲和噪声脉冲区分开来。在高频范围内 ( 3 m h z - 3 0 m h z ) ，局部放电脉冲和噪声脉冲之间在频率特性和灵敏度方面存在差 别，因此可以利用其差别来区分局部放电脉冲和噪声脉冲。 这种方法适用于大型汽 轮发电机，其优点是直接利用原来埋置在定子槽里的r t d导线做局部放电传感器， 而不必另装其他传感器。 但是该方法在定子绕组某些部分区分局部放电和噪声比较 困难。目前此方法还在属研究阶段，尚无推广应用的报道。 ( 5 ) 发电 机中性点测量和母线测量相结合的检测方法p 5 1 。 澳大利亚的 m o n a s h 大学的研究人员开发出了p d d型局部放电分析仪。这种方法在中性点不直接接地 的 发电 机的中 性点安装一个 1 0 0 0 p f的高 压电 容器，电 容器采集到的 局部放电 信号 通过阻抗盒后被传送到p d d - 4 主机， 由主机对局部放电信号进行处理。 阻抗盒内有 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 低频带通滤波器，滤波器的带宽在 l o k h z , 2 0 k h z , 5 0 k h z 和 1 0 0 k h z 可调。在发 电机的励磁机上安装一个天线传感器， 接收励磁机产生的干扰脉冲信号。 在发电机 母线的出线端， 安装有一个高压方向传感器， 用于接收来自高压母线端的噪声信号。 这两个噪声传感器接收到的噪声信号也分别传送至p d d - 4 主机， 在主机内部对局部 放电信号和噪声信号进行处理。p d d - 4 和计算机之间通过一个并行接口进行通讯， 测试数据可以在计算机里进行进一步的分析处理。 该仪器己经在一些发电机上安装 使用。 ( 6 ) 在发电 机的外壳上安装射频天线的检测法17 1 。一些严重的局部放电、火花 放电和电弧放电等放电的脉冲上升时间比一般放电的脉冲更短， 从而含有更多更高 的高频分量。这些高频电磁波信号不仅沿绕组传播，而且沿空间辐射传播。因此可 用安装在电机外壳或紧挨外壳空隙处的射频天线来检测， 即用天线作为传感器来检 测破坏性放电。 这种方法也是一种特高频检测， 但是灵敏度要比5 s c要低。 这种方 法可以检测到绕组股线的电弧放电与其他危害性放电，使用结果比较满意。 这种方 法对发电机进行监测时， 报警闲值容易确定， 但是测到的信号和放电量没有直接联 系，难以标定，并且没有放电信号的时域波形，无法做进一步的识别和诊断。 国内的研究情况国内在大型发电机定子局部放电在线监测方面的工作开始 于 8 0年代，也研制出了相应的装置，一些装置已在几个电厂试验运行。从技术上 来讲，国内研制的设备可以分为窄带系统和宽带系统。 武汉高压研究所研制的j d y型发电机故障放电监测仪n 1 ， 该仪器使用时在中性 点电压互感器的上端固定一个祸合电容器，电容器下端接 l c r检测阻抗，检测阻 抗后接一个带宽为1 0 k h z - 2 i o k h z 的带通放大器。该检测仪具有闽值报警、检测结 果显示和打印等多种功能。 上海第二工业大学和上海科学技术大学研制成功了射频 监测仪1 0 1 ， 其传感器的中心频率为 1 mh z ， 带宽为5 k h z 。目 前已应用于国内多台电 机上，但由于通带过窄，获得的信息少，灵敏度低且不具备局部放电综合特征分析 能力。清华大学研制了d j y c - 1 型大电机局部放电在线监测系统 1 0 ) ，该系统可以选 用高频电流互感器和固定电容祸合器下接一个检测阻抗来检测放电信号， 其频率范 围为 l o k h z - 1 . 2 mh z 。该系统用单片机控制采样，采用低速采样和高速采样相结合 的方法，低速采样结果用来收集放电信号的幅度和相位信息，高速采样结果用来分 析放电波形的细微特征，取得了一定的效果。西安交通大学研制的宽频带的局部放 电在线监测仪( 1 6 1 ，由局部放电祸合回路和局部放电监测回路组成，祸合回路采用宽 频带电流传感器系统， 传感器安装在发电机的中性点处，可以测得局部放电的各种 特征量，结合现代数字处理技术，在放电类型的自动识别方面作了一定的尝试。 本研究所对发电机定子局部放电在线监测技术的研究到现在己有四年。其中 2 0 0 2 届研究生李武峰对该课题的研究做了重要的奠基工作， 他采用了在发电机高压 端安装高压祸合电容器( 所用电容为环氧云母封装电容器，电容值为8 0 p f ) 的监测 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 方法， 首先对发电机定子中的各种局部放电进行了实验室检测，并编制程序对这几 种局部放电做了统计分析， 其次对北京十三陵抽水蓄能电厂的四号机组进行了现场 实验， 证明本研究所设计的用数字示波器和计算机组成的发电机定子局部放电高频 在线监测系统可以很好的在线监测发电机定子的局部放电并对其作出正确的分析， 具有可行性和实用性 1 7 1 。 在李武峰的研究基础上， 2 0 0 3 届研究生王好开发出了基于 方向传感器的在线监测系统 $ , 2 0 0 4 届研究生万伟江开发出了基于超高频和低频联 合降噪法的在线监测系统l 9 ， 这在国内尚属首次。 本论文既是在王好的研究基础上 对非接触式的方向传感器在发电机在线监测方面的应用进行的研究。 对比国外的监测系统，国内的工作比较落后，主要表现在:监测灵敏度较低， 可靠性差;运行时间少，经验少，装置很不成熟。 夸 1 . 3现存的主要问题 尽管目前关于大型发电机定子局部放电在线监测的研究工作已经开展了许 多，但仍然存在着几个问题。 ( 1 )检测频带的选择 目前发电机局部放电在线监测装置按检测频带可分为低频检测法、高频检测 法和超高频检测法。 低频检测法一般是在中性点检测， 其检测频带一般为几十k h z 到 i m h z可以监测到整个发电机绕组的局部放电，可以放电标定，但是其检测灵 敏度低，容易受到各种干扰，造成测试结果的误判。高频法 ( 例如 p d a )选用的 是 1 mh z - l o o m h z的频带宽度，采用方向传感器可根据脉冲的到达时间来区分干 扰信号和局部放电信号，易于识别出外部干扰信号，提高信噪比，检测灵敏度高。 但高频检测法通常在高压端进行检测，高频的放电信号在绕组中传播后会大大衰 减，并且距离越长，衰减越多，距传感器较远的信号不易检测到，且高频检测法 需要高速数据采集装置和大容量的存储器，此外高频法不能进行放电标定。超高 频法采用3 0 0 m以上的频段来测量， 抗内部干扰和外部干扰能力强， 有较好的测量 灵敏度，但不能标定，且可能对某些放电灵敏度较低。这三种方法各有优缺点， 且测试结果难以相互比较。例如，用具有不同的检测频带的检测仪对于同一台发 电机同时进行监测，测试的结果在数值上是不同的。因此，目 前需要寻找一种较 完备的方法同时解决即抗干扰又可标定的问题。今后实现的可能方法是把这三种 方法结合起来形成一个检测系统。 ( 2 )高频传感器的安装问题 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 目前的高频方向传感器都是高频电容式传感器， 连接在发电机的高压母线上， 现场安装有一定的难度。其一是要停电安装，要对母线或封闭母线系统进行部分 改造;其二是有些发电机出口 母线处没有足够的长度和空间来安装传感器。更重 要的是中国大部分电厂非常忌讳在发电机母线上安装东西，担心传感器与母线的 直接的电连接会引发母线的短路故障，导致电厂的重大事故发生。因此，目 前现 场不允许在母线上安装高频传感器，现场迫切希望能有与发电机出口母线不接触 的放电在线监测系统。 ( 3 )发电机定子局部放电的标定和定位 为了能准确的判断发电机的绝缘状态，需要用局部放电检测的结果来表征不 同的放电水平和发电机的绝缘状态。对于发电机的局部放电人们希望有一个量值 来对发电机的局部放电进行度量，以便于不同的发电机之间的测试结果进行比较， 明确判断发电机的绝缘的状况。但是有的学者认为发电机的局部放电信号经过发 电机绕组的传播到达检测仪器后，脉冲波形有非常大的畸变和衰减，因此对发电 机的局部放电进行视在放电量的标定是没有意义的，甚至会引起严重的误判。因 此如何对发电机上的局部放电进行合适地度量，如何测量发电机的原始放电量是 一个值得研究的问题。时至今日，国际上还没有一个明确的标准。 发电机的故障定位是一个难点问题，也是现场的急需技术。尽管己有很多研 究聚焦在定位问题上，但至今没有一个较成熟的技术在现场应用。 ( 4) 局部放电与发电机定子绕组绝缘状况的关系 局部放电能在多大程度上反映发电机定子绕组的绝缘状况，是一个值得讨论 的问题。国外学者指出(z a p ，局部放电仅是定子绝缘劣化的征兆，而非定子绝缘老 化的根本原因。定子绝缘老化的首要原因是由于机械振动和热老化，其次才是局 部放电。一个局部放电水平高的定子的绝缘并不一定就比局部放电水平低的定子 绝缘劣化的更严重。因此如何根据局部放电来判断发电机定子绝缘的状况就也是 一个值得研究的问题。目前大多数人认为定子绝缘的状况的判断通过局部放电发 展的趋势和相同型号的发电机组和类似运行状况的发电机组之间的对比来实现是 一个比较可靠的方法。 1 . 4本论文主要研究工作 在中国开展发电机定子局部放电测量的工作与国外有所不同，国外的电厂允 许电容传感器与发电机母线相连接，但中国的电厂目前还不接受这种安装方式。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 因此，目前解决准确的局部放电测量和高频传感器的安装问题是中国发展发电机 定子放电监测的关键问题，也是现场人员最关心的问题，是进一步开展放电定位 和定量的基础。针对现场的实际问题，本文从与母线不接触式方向传感器的研究 出发，立足于开发出测量灵敏度高，抗干扰能力强，便于现场安装的发电机定子 局部放电检测系统。本论文的主要工作如下: 1 、研制一种与发电机母线非接触式脉冲电容祸合传感器，并分别采用理论和 试验的方法对此种传感器的特性进行分析。 2 、研究由非接触式脉冲电容祸合传感器组成的方向传感器的抗干扰特性。 3 、 建立一套基于非接触式脉冲电容藕合传感器、数字示波器和计算机的发电 机定子局部放电高频在线监测系统。 4 、 对基于非接触式方向传感器的发电机定子局部放电在线监测系统进行抗干 扰试验 。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章非接触式脉冲电容s g 合传感器的研制 2 . 1研制非接触式脉冲电容传感器的目的 大多数发电机定子绝缘局部放电测量装置都是将传感器放到发电机中性点处， 一 般是在中性点 接 1 0 0 0 p f以上的藕合电 容器和藕合阻 抗(2 1 1 。由于定子绕组庞大， 局部放电信号在绕组传播的过程中高频信号衰减得很多， 到达中性点处的放电信号 频率不会很高， 大致在几千赫兹至几兆赫兹左右。 这个频段噪声千扰很大，信噪比 不高，传感器的检测灵敏度较差。为了提高信噪比和检测灵敏度，可把传感器安装 在发电机出口母线上，并将检测频段提高到几兆赫兹至数百兆赫兹。这种母线上安 装的传感器通常也是由藕合电容和祸合阻抗组成， 藕合电容的大小视被测发电机的 容量大小而定。 这种检测方法虽然较前者有更多的优点，但在现场很难推广，主要 原因是现场运行人员认为将传感器安装在发电机出口母线上十分危险， 担心一旦藕 合电容的绝缘强度下降，很容易造成发电机出口母线处短路的大事故。本文所开发 的与母线不直接接触的电容藕合传感系统， 其目的是取代与母线接触的电容器传感 系统。 2 . 2非接触式脉冲电容藕合传感器的结构 本文所开发的非接触式脉冲电容传感器是空气电容祸合传感器， 它是由空气电 容器、匹配电阻、传输电缆和放大器组成， 其检测频带约为 1 mh z - 5 0 m h z 。该检测 系统不与高压母线有直接的电气连接，其结构如图2 - 1 所示。 月 盯 团 产地 面 之 二 二 夕 信 号电缆 接 地板 日 . . 尸 电容器极板 母 线 图2 - i空气电容祸合传感器结构图 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电容器极板与母线构成一个空气电容，电容器器极板与母线的距离约为2 5 c m, 这个空气间隙的绝缘强度完全可以保证母线的安全运行。 电容器极板的尺寸为2 5 c m x 1 5 c m， 空气电容器的电容值视母线的尺寸而定， 通常5 万千瓦以上机组母线的宽 度均超过1 5 c m ，这样空气电 容器的电 容值为1 . 3 3 p f 左右;电 容器极板与接地板之 间的距离为 2 c m ，二者之间的电 容为 1 6 . 6 0 p f 。局部放电 信号正是通过这两个电容 分压后，由5 0 5 2 的电缆送入放大器放大， 再送入示波器显示和数字化， 最后把数字 化信息送到计算机进行分析。放大器的输入阻抗为5 0 n,频带为 1 mh z - - 1 0 0 mh z , 放大倍数为3 5 d b a 2 . 3 非接触式脉冲电容藕合传感器的频率特性分析与参数选择 2 . 3 . 1用电路仿真程序p s p i c e 对传感器回路幅频特性的分析 为了分析方便，把传感器系统分成传感器回路和放大器回路两部分。由于放大 器的特性是已知的，因此把分析的重点放在对传感器回路的特性分析上。一旦掌握 了传感器回路的特性，选择好传感器回路中的参数后，将传感器回路和放大器回路 两部分组合到一起便构成了完整的传感器系统。 再对整个传感器系统进行测试，即 可得到整个传感器系统的特性参数。 传感器回 路的 等值电 路如图2 - 2 所示( 不包括 放大器部分) 。 其中q为电 容器 极 板与 母 线 之间 的 祸 合电 容， 容 量为1 .3 3 p f ; c z 为 其对 地电 容， 容 量为1 6 .6 0 p f ; r 】 为一 个与电 缆相串 联的匹 配电阻;l , ,q和q组成传输电 缆的二 形等值电 路。 对于5 0 5 2 的电 缆 其单位长 度电 感为。 .2 4 5 p h / m ; 单位长度电 容为9 8 p f / m , l , ,q 和q视电 缆的长度而定。 从图2 - 2 可以 看出， 相对于电 缆的 对地电 容而言， 与其并 联的电容器极板的对地电容要小得多， 因此对传感器回路特性的影响也远不如电缆 对地电容对传感器的影响大。 图2 - 2传感器回路的等值电路 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文 r ， 的 大小和电 缆的 长 度对 传感器回 路的 灵敏 度和 频率 特性有直 接的 影响。 为此 我们使用电路分析软件 p s p i c e对传感器回路的幅频特性进行分析，并与实测接合 起来，选择最佳的传感器回路参数， 确保传感器有合理的检测频带，并具有尽量高 的灵敏度。 ( 1 ) r : 的 选择 选定电 缆的长 度为 1 . 5 m ， 分别对r , 取 5 0 5 2 , 1 0 0 5 2 , s o o d, 1 k 5 2 , 5 k 。 和 i o k 。的情况进行分析。六种情况下传感器回路的幅频特性分别如图2 - 3 ( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) , ( e ) 和( f) 所示。每张图中都有 a , b两个点的坐标指示，其中a点为检测 频带内任意一点， b点为检测频带的上限截止频率点;每个点的横坐标是输入信号 的频率，纵坐标是输入信号为单位电压 ( i v)时，输出信号的分贝值，该分贝值换 算成数字值时即为传感器回路的灵敏度。之所以采用分贝值， 是为了容易确定传感 器的上限截止频率， 也就是b点。 一般对传感器检测频带的截止频率是这样定义的， 在传感器的幅频特性上， 比稳定部分小3 个分贝的频率点为该传感器检测频带的截 止频率，因此在幅频特性上比a点小3 个分贝的频率点就是需要确定的b点。 如图2 - 3 所示，凡取5 0 5 2 , 1 0 0 5 2 , 5 0 0 5 2 , 1 k 5 2 , 5 k 。和1 0 k 。时传感器回 路的检测频带分别为0 - - 6 0 a mh z , 0 - 5 9 .o mh z , 0 - 5 1 .2 mh z , 0 - 6 .6 mh z , 0 - 1 . 4 mh z , 0 - 1 . o mh z ; 将分贝值换算成数字值时得传感器回路的灵敏度分别为0 . 0 0 8 1 , 0 . 0 0 8 1 , 0 . 0 0 8 1 , 0 .0 0 8 0 , 0 .0 0 7 2 , 0 .0 0 6 3 。 由 此可见凡的大小对传感器回路 检侧频带的上限 截止频率有 很大影响， 对其 灵敏度却影响 不大。 随 着r , 的 增加， 传感器回 路的 灵敏 度只略微 减小， 然而其检 测频带的 上限 截止频率 却显著降低; 也就是说，r , 取值越 大， 进入传感器回路的高频信号损失越多， 检测到的局部放电信号损失严重，信噪 比也会降低，以上分析结果表明，r 、 应取1 0 0 。以下。 - s 0+“ 吕 一 io x io ox. 奋 6 0 01 vi e u 01 f 1- 篇 石 盛 - - - 一 10 k政二 p犷 . ( a ) 勺u.n止 丽 二- 漏 二 一一 认 茄 石 ” 5 5 r ， 取5 0 5 2 1 0 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 - 5 0 1, - 1 0 0七 15 0十一一 10 h名 口 20 贫 l o gme n n) ) p t e q u e nc y ( b ) r , 取l o o n - 40甲- 一 日口 - 1 2 0 昭 -160 + - 10 h至 100 h. 1. 0 - lo m. loom. 1. 日hhz 口 2 0 食 l o c/ 9( o u tl l 工门 节 ， 留 ，1 0 m口 . 1- ( c ) r , 取5 0 0 9 2 1 1 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 -100 一 5 0， - 1 5 0弓 -200 十 一- 10 1 10h . 1008. 1_0hh. 10 1 0! . l00 hhz1. 0 1 份 ! 0 2 0 . l o g( v( . - ) ) n 训 公公 门阴u ， 下 r e q u e nc y ( d ) r , 取 1 k e 2 -50t 一 -100 - 1 5 0 嗯 - 2 5 0+- 10 hz 0 1 00 h. 2 0 * l o gf v( o u e) 1 1. ohh. 1o hh. 100 m2 1. 0 1 田 二 10 1 田 二10 01 田 二 万 , . q u . n 丁 ( e ) r , 取5 k s 2 1 2 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 一 妞 0了- - 一 - 一 一 一 - - - - 一 一 一 - ， 一 - 一 自 ( 75 b 4 6 k一 1 0 0 . 4 5 4 ) b ( 1 - i . . j _ : 。 0 1 -2401长 。一 ;蕊 loon.，- l ore.ogm - )一; 、 一: -一州一 - - i - 口 巴 h盆 _ _ _ _ 尸 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 0 n rz l o a m日 于 , e a um = r ( 母r 取 i o k 5 2 图2 - 3 r 、 取不同值时传感器回路的幅频特性 如图2 - 3 所示，r , 取5 0 5 2 , 1 0 4 5 2 , 5 0 0 5 2 , 1 k o, 5 k n 和l a x 。时传感器回 路的检测频带分别为。 - 6 0 . 4 m h z , 0 - 5 9 . o mh z , 0 - 5 1 . 2 mh z , 0 - 6 . 6 mh z , 0 - 1 .4 mh z , 0 - 1 . o mh z ; 将分贝值换算成数字值时得传感器回路的灵敏度分别为0 . 0 0 8 1 , 0 . 0 0 8 1 , 0 .0 0 8 1 , 0 .0 0 8 0 , 0 .0 0 7 2 , 0 .0 0 6 3 。 由 此可见r ， 的 大小 对传感器回路检测频带的 上限 截止频率 有很大影响， 对其灵敏 度却影响不大。 随 着r 、 的 增加， 传感器回路的灵 敏 度只略微减小， 然而 其检 测频带的 上限 截止频率却 显著降 低; 也 就是说， r , 取 值越 大，进入传感器回路的高频信号损失越多，检测到的局部放电信号损失严重，信噪 比 也会降低。以 上分析结果表明，风 应取1 0 0 。以 下。 实际 测量时 发现，r ， 取1 0 0 5 2 以 下时， 传感器回 路波形输出 有振荡现象， 导致 波形峰值难以 确定。 根据理论分析的结 果结合实际的 需要， 我们认为r ， 取5 0 0 5 2 比 较合适，此时传感器回路的检测频带约为0 -5 0 mh z ，灵敏度约为。 . 0 0 8 1 . ( 2 )电缆长度的选择 选定电阻r : 的大小为5 0 0 0， 分别对电 缆长度取1 . 5 m和3 . 0 m两种情况进行分 析对比。 传感器在两种情况下的幅频特性分别如图2 - 4 中( a ) 和伪 ) 所示。 与图2 - 3 相 比， 图2 - 4 中的 纵坐标没有使 用分贝 值， 在其( a ) , ( b ) 两图中 幅频特性曲 线的检测频 带中各选一点，此点的纵坐标即为传感器回路的灵敏度。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 如图2 - 4中幅频特性上取自 检测频带上一点的坐标所示，电缆长度取 1 . 5 m和 3 . 0 m时传感器回路的灵敏度分别为 。 . 0 0 8 1 和 0 .0 0 4 3 。由此可见，电缆长度的大小 对传感器回路的灵敏度影响很大。电缆越长，灵敏度则越低。这主要是因为电缆的 电容与传感器电容 c : 并联，电缆越长电缆的电容也越大，则电缆上输出的电压便 越小，传感器电路的灵敏度也越小。由于在实际测量中要求放大器不能距发电机母 线太近，因此在实际测量发电机的局部放电信号时所用的传输电缆不能太短，更不 可不用，一般此传输电缆须有 l m以上。所以在确定传感器回路的参数时，要解决 好传感器回路灵敏度与实际需要电缆长度两者间的矛盾。 l oc 匕甘 甲 一 一月二 id o妇兄 1一 旧习困 10 山习见 。 宁 o u 吧 ， 夕 r . 切 加” 丫 ( a )电缆长度取 1 . 5 m 5 0 . 习了， 一 0.甘， 脸 朋谁 ( 3 5 , 7 8 -i k斗2 6 9 8 m ) 10 翻口 1 0 】 田 !石 蔽- 一 i o a w - 一 工 n， 叭 厅 .1曰， 们 u 月 d 甘吃 o ut iao n 加二 万 r . 月 v . o c 罕 ( b )电缆长度取3 . 0 m 电缆取不同长度时传感器回路的幅频特性 1 4 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 此外，在对传感器回路进行设计的时候，我们也考虑过其他的方案，在所有讨 论的方案中图2 - 2 所示的传感器回路，也就是本文所采用的传感器回路，其幅频特 性和灵敏度均优于其他方案。图2 - 5 ( a ) 和 2 - 6 ( a ) 为两个经过研究而被淘汰的 传感器 回 路， 图2 - 5 是 把匹 配电 阻凡与传输电 缆并联的 情形， 图2 - 6 是把匹 配电 阻风置于 传输电 缆之后并与其并联的 情形。 这里仅选了r . 取5 0 0 。 和电缆长度取1 . 5 m为例。 尺1 c 3 c2 a )原理图 一 ( b )幅频特性 图2 - 5匹配电阻在电缆之前并与电缆并联的原理图及其幅频特性 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( a )原理图 - 1 0 0 屯 钟-3q0 _ 。 。 主 .， r一-一.-， - l o o h 名i- . - 一 石 益二 . 0 2 0 育 l o ca v( -) ) 门 -一 尸- -一一一- 一一 i 工0 . 日 皿l o ml s f . . - . . - ( b )幅频特性 图2 - 6匹配电阻在电缆之后并与电缆并联的原理图及其幅频特性 如图2 - 5 和2 - 6 所示， b点为检测频带上一点， a , c两点分别为检测频带的 下限截止频率和上限截止频率。从上面两图可以看出，匹配电阻在电缆之前与电缆 并联时。传感器回路的检测频带为2 . 1 mh z - 6 0 . o mh z ，分贝值换算成数字值时得其 灵敏度为。 . 0 0 8 5 ; 匹配电阻置于电缆之后且于电缆并联时， 传感器回路的检测频带 为4 .8 mh z - 5 9 . o mh z ，灵敏度为0 . 0 0 8 6 0 与图2 - 2中传感器回路的设计相比，图2 - 5和 2 - 6中的传感器回路，其灵敏度 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 没有太大变化 ( 始终在 0 .0 0 8 上下) ， 但幅频特性曲线不平坦， 且检测频带也发生了 变化，主要体现在下限截止频率显著提高，超过了 l mh z ，这使得在一个很宽频段 范围内的信号损失掉了，包括很大一部分我们所需要的1 mh z - l 0 0 mh z 上的信号。 当改变匹配电阻的电阻值或增加电缆的长度时，传感器回路的灵敏度没有增大， 其 幅频特性也没有明显的改善。对上述各种设计方案进行反复论证对比，并经过实验 后发现，图2 - 2 所示的对传感器回路的设计是其中较优的方案。 2 . 3 . 2 传感器回路频谱的测量 图2 - 7 为对传感器回路进行频谱实测的电路接线图。 尸 - - - ， - ， - - - -母线 图2 - 7 传感器系统频谱实测的电路接线图 选取r ， 大小为5 0 0 12 ， 电 缆长 度为1 . 5 m 。 选用a g i l e n t 3 3 2 5 0 a信号发生 器对传 感器回路做实测频率响应分析。 a g i l e n t 3 3 2 5 0 a信号发生器可以 产生从直流一直到 频率为 8 0 m h z的包括正弦信号的多种交流信号，这个频段已可以满足本实验的要 求。如图2 - 7 所示，实验时，由信号发生器对母线施加幅值为 1 v的正弦电压信号， 而信号的频率则由信号发生器调节从 1 0 0 h z开始变化直到 8 0 mh z ，从电缆的输出 端由示波器测量传感器的输出电压。 记录下对应于每一个输入信号频率的输出电压 值，便可绘出实测的幅频特性。测得的幅频特性如图2 - 8 所示。 对比图2 - 3 ( c ) 和图2 - 8 ， 可以看出理论分析所得的幅频特性和实测所得的幅频特 性基本相似，只是在幅值大小上有些不同， 这主要是实测时信号发生器在高频段输 出有些衰减，传感器回路实际接线中的电缆参数与计算值有一定的不同的缘故。 2 . 3 . 3 整个传感器系统实测方波响应特性 为了考察传感器对局部放电信号的畸变， 检验整个传感器系统对高频信号的响 应特性， 我们测量了 传感器的方波响应。 我们利用a g i l e n t 3 3 2 5 0 a信号发生器产生 方波，对该传感器系统进行了检验。信号发生器产生的方波的幅值为 2 v ，上升时 间为5 n s , 脉冲宽度为5 0 n s 。 该脉冲的波形如图2 - 4 所示， 该脉冲的上升沿如图2 - 1 0 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 所示。 八 2 任。pn利一ldev 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 1 e7 1 e8 f r e q u e n c e ( h z ) 图2 - 8检测回路实测幅频特性 实测接线与图2 - 7 相同，不同的是其中的信号发生器发出的是方波信号而不是 不同频率的交流信号。电容器的高压端连接电机母线，低压端经过一个 5 0 0 0匹配 电阻后由一条长度为 1 . 5 m，特性阻抗为 5 0 。的高频电缆连接到放大器，放大器的 输出信号再由另一条长度为 3 .0 m 的高频电缆送入数字示波器。测量中使用的数字 示波器为日本 y o k o g a w a 产的 d 1 1 5 4 0 l型数字示波器。该示波器的频带为 2 0 0 mh z .最高采样率可达2 0 0 ms / s ，重复采样方式下采样率可高达2 0 g s / s o 用该测量系统测量到的方波响应波形如图2 - 1 1 所示。从图2 - 1 1 可以看到，该 测量系统测量到的脉冲是一个衰减振荡的波形，检测到的脉冲的宽度约为 1 0 0 n s a 检测到的脉冲发生振荡，这是因为该测量系统中信号电缆的电容、电阻和引线的电 感实际上组成了一个 r l c型的检测阻抗，当引线的电感比较大的时候测量到的高 频脉冲就产生了振荡。 该方波响应的上升沿如图2 - 1 2 所示。 从图 2 - 1 2的波形显示可以看到，由于检测回路的振荡效果，该方波响应的上 升沿约 1 5 n s ;不考虑振荡效果，则此方波响应的上升延约为 l o n s o 从以上测量结果可以看到，用我们的一个电容传感器、检测阻抗、放大器和示 波