（信号与信息处理专业论文）基于bplc的局部放电在线监测系统的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 l i i iiiii i iii i1 1 1 1 1iii 17 9 6 4 8 3 电力设备因受温度、雷击及内部过电压的作用，内部会产生微弱放电( 称局部 放电) 。据统计，电力设备所发生的绝缘事故大多数与局部放电有关。因此对电力 设备实施局部放电在线监测可有效地判断其运行状态。 本文提出的局部放电在线监测系统采用宽带电力线通信技术进行数据传输，实 现了能源流和信息流的共用，解决了传统数据传输方法存在的问题。整个系统主要 由现场数据采集器，电力线通信终端和上位机组成。由数据采集器采集的局部放电 信号在模数转换后，经过电力线通信终端进行调制并耦合到电力线网络，到达指定 接收端后再通过解调把它分离出来，最终上传到上位机中进行局部放电脉冲的分 析。 关键词：局部放电，宽带电力线通信，在线监测 a b s t r a c t b yt h et e m p e r a t u r e ，l i g h t n i n gs t r i k ea n di n t e r n a lo v e r v o l t a g e ，i n s u l a t i o no fp o w e r e q u i p m e n tb e c o m e sa g e d ，w h i c hl e a d st op a r t i a ld i s c h a r g e i ns t a t i s t i c s ，m o s ti n s u l a t i o n a c c i d e n c e sa r er e l a t e dt op a r t i a ld i s c h a r g e s oi ti se f f e c t i v et oj u d g et h eo p e r a t i n g c o n d i t i o no fp o w e r e q u i p m e n tb yi m p l e m e n t i n go n - l i n ep a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r , b r o a d b a n dp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o ni sp o i n t e do u tf o rm o n i t o r i n g s y s t e m ，t h e ne n e r g yf l o wa n di n f o r m a t i o nf l o wc a nb eu s e ds i m u l t a n e o u s l y t h a ti st o s a y , t h ep r o b l e m sc a u s e db yo t h e rm e t h o d sc a nb es o l v e d t h ee n t i r es y s t e mc o n s i s t so f t h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，b r o a d b a n dp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o nu n i t a n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gu n i t f i r s t l y , p a r t i a ld i s c h a r g ed a t e sa r ec o n v e r t e df r o m a n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l st h r o u g ha dc o n v e r t e r ；s e c o n d l y , t h ed i g i t a ls i g n a l sw e j u s to b t a i n e dw i l lb em o d u l a t e da n dc o u p l e dt o t h ep o w e rl i n en e t w o r kb yb r o a d b a n d p o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o nu n i t ；t h i r d l y , m o d u l a t i n gs i g n a l sw i l lb et r a n s m i t t e dt ot h e d e s i g n a t e dr e c e i v e r ；f i n a l l y , m o d u l a t i n gs i g n a l sw i l lb es e p a r a t e db yd e m o d u l a t i o n ，a n d a r et r a n s f e r r e dt oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gu n i t g u ox i a o l i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gm i n g k e y w o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，b r o a d b a n dp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o n ，o n l i n e m o n i t o r i n g 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s i r a c t i 第一章引言1 1 1 选题背景与研究意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究趋势2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本论文主要内容4 第二章局部放电分析和抗干扰技术5 2 1 局部放电分析5 2 1 1 局部放电机理分析5 2 1 2 局部放电的基本参量7 2 2 局部放电信号的检测方法7 2 2 1 脉冲电流法7 2 2 2 超声波检测法9 2 2 3 其他检测方法9 2 3 抗干扰技术1 0 2 4 系统总体设计方案1 2 第三章现场采集器的设计1 4 3 1 探头的设计1 4 3 1 1 局放传感器工作原理1 4 3 1 2 磁芯材料的选择1 5 3 1 3 线圈匝数n 和积分电阻r 2 的选择1 6 3 1 4 信号调理电路1 6 3 2 采样控制模块的设计1 9 3 2 1a r m 微处理器简介。l9 3 2 2n o rf l a s h 和r a m 存储器设计2 2 3 2 3n a n dfla s h 电路设计2 3 3 2 4a d 转换芯片的扩展2 4 3 2 5 以太网接口电路设计2 6 3 3 主要模块软件设计2 7 3 3 1a d 采样软件设计2 7 3 3 2 以太网接口软件设计2 8 第四章宽带电力线通信终端的设计3 l 4 1 通信终端构成及功能描述3 1 华北电力大学硕士学位论文 4 2 器件性能介绍3 3 4 2 1ln t 6 3 0 0 芯片介绍3 3 4 2 2k s 8 7 2ib l s l 芯片介绍3 4 4 3 调制解调模块电路设计3 5 4 3 1 以太网i 接口电路3 5 4 3 2 系统可编程单元3 7 4 3 3 瞬时保护电路3 8 4 3 4 电源一信号分离电路3 9 4 3 5 电源模块4 0 4 4 耦合器电路设计4 l 4 4 1 两种耦合方式介绍及选择4 1 4 4 2 耦合器耦合单元的设计4 2 4 4 3 电感耦合器的测试4 3 4 5 主要模块软件设计4 4 第五章在线监测系统测试4 9 第六章结论与展望5 2 参考文献5 3 致谢5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况：5 7 i i ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景与研究意义 第一章引言 在电力系统中，变电站是传送、分配电力的枢纽。它主要由变压器、电抗器、 耦合电容器、电压互感器、电流互感器、避雷器及开关设备等组成。国内外统计资 料表明，这些高压电力设备的绝缘在运行中长期承受工频电压的作用，并且多次承 受内过电压及大气过电压的作用；同时还要承受温度、机械及震动等作用。绝缘的 逐步老化，导致内部产生微弱放电( 称局部放电) 。局部放电的能量很小，所以它 的短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。但是如果电气设备绝缘在运行电压下 不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生积累效应，使绝缘的介电性能逐渐劣化 并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。据有关部门统计，高压电力系统中 8 0 以上的事故属于绝缘事故。因此绝缘结构机电性能的好坏往往成为决定整个电 力设备寿命的关键所在。 为了防止事故乃至杜绝绝缘事故，一方面要求制造商使用优质绝缘材料，改善 绝缘结构、改进制造工艺；另一方面则要求运行部门提高对设备绝缘缺陷的诊断技 术水平。 我国从五十年代开始，几十年来一直贯彻预防为主的原则，对电力设备进行定 期的离线检修。通过这些检修试验，大量严重受潮和有明显缺陷的设备被检查出来。 但随着电网规模的扩大，电压等级的提高，设备容量的增大，电力设备趋向于多参 数、大容量、复杂化，其安全经济运行对社会的影响也越来越大，检修投入大幅度 上升，对常规停电预防性试验而言，显得不太适应，主要表现在：一、停电检修。 目前我国电力供应还比较紧张，实施计划停电，给生产带来一定的影响。另外停电 后，设备温度降低，试验条件与运行状态相差较大，测试结果有时不能反映真实情 况。研究表明，约有5 8 5 的设备难以根据低温度试验结果做出正确的判断。二、 试验周期间隔较长。设备由于各种原因在检修期未到时产生绝缘缺陷，但受检修计 划制约，不得不带病运行，有时故障继续恶化造成运行代价和维修费用增大以及不 必要的事故损失。三、检修过剩。对于状态较好的设备机组，进行了不必要的试验， 由此造成设备有效利用时间的损失和磨损以及人力、物力、财力的浪费。 由于绝大多数故障在事故发生前都有先兆，如对电容型设备来说，当绝缘有缺 陷劣化后，介质损耗( t g6 ) 、电容( c x ) 和末屏泄漏电流( i 。) 都可能会增大。这 样就为局部放电在线监测提供了有利条件。由于设备的运行电压远高于停电后的试 验电压( 一般在i o k v 以下) ，利用运行电压对电气设各绝缘情况进行试验，不但可 华北电力大学硕士学位论文 以提高试验的真实度和灵敏度，及时发现绝缘缺陷，而且也可以使电气设备由预防 性维修逐步过渡到预知性维修，所以开展绝缘在线监测对于保证电力系统的安全可 靠运行具有十分重要的意义。 在线监测的主要特征是采用高灵敏度的传感器，采集能够反映高压设备绝缘在 运行中劣化的信息量( 特征量) ，通过计算机的分析处理获得设备的绝缘状况。局部 放电在线监测技术具有以下一些优点： 一、减少不必要的停电检修，避免电气设备由于频繁检修造成的损耗，节省维 修费用。 二、能及时发现电气设备的早期缺陷，避免突发性事故的发生。 三、由于工作的环境不同，在线监测提供了离线检测时无法提供的信息，为更 好的研究电气设备的运行状况提供了依据。 据日本有关资料报道比1 ，由于设备运行状态在线监测及故障诊断技术的应用， 每年维修费用减少2 5 一5 0 ，故障停电时间减少7 5 ，从以上的分析可知对电力设 备实施在线监测是十分必要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究趋势 国外一些国家如日本、加拿大等国对电气设备局部放电在线监测技术的研究较 早，现己研制出在线监测系统并己投入运行。随着电子技术的发展，计算机辅助测 试系统在电气设备局部放电中的应用越来越广泛。1 9 9 5 年a k r i v d a 将计算机辅助 测试系统与传统的测试方法相结合，将测得的局部放电信号经放大、滤波后进行a d 转换，将模拟量转换成数字量后送入计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图和 统计量，由此来分析电气设备的局部放电情况。1 9 9 8 年n h a h m e d 等人提出利用带 有高频前置放大器的光谱分析仪和高频电流传感器在频率为1 0 0 k h z 一2 0 0 m h z 范围内 检测电气设备局部放电。它是将高频电流传感器接在套管上，从而进行原、副绕组 局部放电的检测，同时还利用d g a 技术进行分解气体分析来检测变压器的绝缘。2 0 0 4 年x m a 提出一种基于计算机的局部放电检测系统。它将传统的局部放电检测电路 与宽频带示波器结合起来，并采用小波分析方法来处理局部放电数据。除此之外， j h s u n 采用神经网络方法根据变压器油所分解的气体成分来检测变压器局部放 电。也有人专门提出利用干扰和局部放电信号相位分布不同的特点进行干扰处理。 这种方法首先记录多个周期的信号，然后对每个周期同相位上的数据进行平均，以 此构成模板同原始信号相减，从而消除周期型干扰信号。此种方法当局部放电信号 较少并且分布特点比较明确的时候去除干扰的效果较好，当局放信号多且强的时候 效果不好。另外，v n a g e s h 等人借鉴了生物信号处理的一些成果，其基本原理是从 2 华北电力大学硕士学位论文 局部放电信号同周期型干扰信号具有不同的形状出发，首先进行数据分段，把脉冲 从波形信号中分离出来，形成单个脉冲序列，利用f f t 算法在频域对各脉冲进行互 相关计算，判断其相似度并按照一定的标准进行分组，根据这些组脉冲求取类信号 模板，然后对每一类的信号在时域进行合成。近几年新出现的u h f ( 超高频检测法) 是通过检测电气设备局部放电脉冲放射的高频信号获得脉冲特征量，从而实现局部 放电的检测和定位口1 。对于电气设备而言，由于绝缘结构的复杂性，电磁波在其中 传播时会出现多次折反射及衰减，同时电气设备箱壁也会对电磁波的传播带来不利 影响，这就大大增加了u h f 检测的难度。 1 2 2 国内研究现状 国内电力设备在线监测装置的研制、开发和应用自8 0 年代初开始并逐步发展， 现行技术及装置虽然与国外先进技术尚有一定差距，但该项技术近几年得到了很大 的发展。9 0 年代以来，各研究单位在大型发电机、变压器的在线监测作了大量研究 工作，开发了成套的产品。 东北电力试验研究所研究出一种采用脉冲方向鉴别的变压器局部放电在线监 测方法，用高频电流传感器分别从变压器外壳接地线和电流互感器末屏接地线上耦 合脉冲电流信号，电子开关通过判断脉冲电流方向来控制局部电流信号的输出。现 场结果表明，能在1 0 6 p c 的外部干扰下测出3 0 0 0 p c 的变压器内部放电量，但该装置 通用性差，而且采用示波器测量，不能实现实时在线监测。 重庆大学孙才新等人提出用多端调节h 1 的方法抑制脉冲型干扰。该方法分别从 高压套管、高压套管末屏接地线、绕组中性点接地线以及变压器铁心接地线上取信 号。文中将差动平衡法同多端调节法结合在一起，同时考虑抑制相间干扰和本相干 扰。调节电路时，首先将来自相邻两相的干扰通过运算电路，仅输出本相的局部放 电和干扰信号，然后送入差动平衡电路抑制本相干扰。该方法提出了利用多端调节 运算电路抑制相间干扰的想法。据文章介绍晦1 ，平衡系统在单相变压器不带电情况 下试验得到9 倍的干扰抑制能力。 清华大学研制的j f y 一3 型变压器局部放电在线监测系统阳1 能连续监测多台大型 变压器的局部放电。电流传感器采用环形铁心、宽带有源传感器，其带宽为 l o k h z 一1 2 m h z 。通过硬件滤波电路幅值调整后的信号再利用程控带通滤波器进行滤 波，滤波器带宽为5 0 k h z ，中心频率从5 0 k h z 到4 0 0 k h z 共7 档。系统采用宽带多通 道、大容量、高采样率数据采样；运用各种数字信号处理的方法抑制干扰。 西安交通大学研制一套基于数字信号处理的电力变压器局部放电在线监测系 统h 1 。该系统采用模块化设计，硬件单元主要包括传感器、放大器、信号调理、美 国n i 公司的高速采集卡、上下位机等。数字信号处理单元利用n i 公司的图形化编 程语言l a b v i e w 及虚拟仪器技术，针对现场固定频段的载波进行数字滤波，加上窄 3 华北电力大学硕士学位论文 带测量、设置门槛电压、相位鉴别等软件处理，实现干扰信号与局放信号的分离。 1 3 本论文主要内容 传统的数据采集方法是通过无线电传输或采用电缆系统和红外线传输方式。采 用无线电传输方式占用无线电频率资源；采用电缆成本较高；采用红外线的传输方 式，不能穿越墙体，无法实现全部设备的集中监测。而电力网却是相当丰富和独立 的，如采用宽带电力线通信技术b p l c ，实现能源流和信息流共用即可解决采用其他 方法存在的问题。宽带电力线通信以电力线为载体，与其它通信方式比较，具有带 宽较宽，网络建设灵活，能够实现数据、语音、视频、电力的“四网合一 ，无需 布线、成本低、覆盖范围广等优点。基于这些优点，本课题提出采用宽带电力线传 输的方式。 本文主要针对局部放电监测系统的硬件设计，主要包括数据采集器设计、宽带 电力线传输终端的设计。数据采集器是由探头、采样控制模块组成，可以在设备运 行现场就近安装监测，具有抗干扰能力强，便于现场维护等特点。宽带电力线通信 终端包括调制解调模块和以太网物理层模块等，它的功能是将从采集器接收来的局 部放电信号进行调制，耦合到电力线网络，或从电力线网络解调出局部放电信号， 华北电力大学硕士学位论文 第二章局部放电分析和抗干扰技术 2 1 局部放电分析 2 1 1 局部放电机理分析 在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电但尚未击穿( 即在施加电压 的导体之间没有击穿) ，这种现象称之为局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ) 。局部放 电可能发生在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面上和内部，发生在表面的称为 表面局部放电；发生在内部的称为内部局部放电；而对于被气体包围的导体附近发 生的局部放电称之为电晕1 。简而言之局部放电就是指部分的桥接导体间绝缘的一 种电气放电。 局部放电产生原因主要有以下几种哺1 ：电场不均匀；电介质不均匀；制造过程 的气泡或杂质。最经常发生放电的原因是绝缘体内部或表面存在气泡；其次是有些 设备的运行过程中会发生热胀冷缩，不同材料特别是导体与介质的膨胀系数不同， 也会逐渐出现裂缝；再有一些是在运行过程中有机高分子老化，分解出各种挥发物， 在高场强的作用下电荷不断地由导体进入介质中，在注入点上就会使介质气化。 以绝缘结构中存在气泡或微小损伤为例，局部放电的等效电路如图2 - 1 。 气泡 图2 一l 绝缘中存在气泡时的等效电路 局部放电时介质电容的等效电路可以用三个电容表示口1 。a 代表电介质( 不带 掺入物) 其他部分的电容，b 代表与掺入物电容串联的介质元件的电容，c 代表发 生局部放电的介质元件的电容( 即掺入物电容) 。i ，1 1 分别代表流经两部分的电流。 设电极间加的交流电压为u ，则c 。的电压为u 。为： 矾：熹术u k 十l 。 ( 2 一1 ) 一般气泡很小，所以c 。比c 。大，而c 。比c 。大很多，u 。随外加电压u 的升高而 升高。当u 上升到某一个瞬时值u 。时，u 。达到c 。的放电电压u 。的时候，c 。气隙放电。 5 华北电力大学硕士学位论文 于是c 。上的电压瞬间从u 。降到u ，然后放电熄灭，u ，成为残余电压。残余电压可以 为接近零值，也可以为小于u 。的其它值。放电火花熄灭后，c 。的电压就再次上升， 由于此时c 。和c 。已经有一个初始的直流电压值，所以此后的u 。的电压值就不能用 上式子n 6 1 来计算。u 。的电压值与上式表达的电压值在绝对值上要小一个( u o - u 。) 。 因外加电压的仍在上升，c 。的电压也要上升，c 。上的电压再次上升到u 。，然后再放 电，c 。电压再降到u ，放电再熄灭。c 。放电的瞬间就是局部放电脉冲电流形成的时 候，此时通过c 。有一个脉冲电流。 本设计采用脉冲电流法来检测局部放电，所以通过c 。的脉冲电流是本设计要采 集的重要参数。 当处于放电过程时，放电的总电容c 。为： 一一 c = c + 二尘l 。正5 ( 2 2 ) c 。的电压变化为u 。一u ，所以此脉冲所放出的电量q 为： 一，y q = c j o 一巩) c + 筹】 。正。 ( 2 3 ) 当c 。 c 。，c 。 c 。，u ，= 0 时，q 为： q = u o c c ( 2 - 4 ) 在实际测量时，式( 2 - 3 ) 中所表达的各个量是无法实际测量的。所以要寻求 其它能反映局部放电的参量来测量。外施电压是作用在c 。上的，当c 。上的电压的变 化为u 。一u ，时，外施加电压的变化i j 为： u = c ( u o u ) ，( q + q ) ( 2 5 ) 由( 2 - 3 ) 和( 2 - 5 ) 可得： u = g q ，( q c + e q + q q ) ( 2 6 ) 又有 驴钳稳 ( 2 - 7 ) u 为总电容上电压的变化，q 为对应的电荷量变化。把( 2 6 ) 代入( 2 - 7 ) 可 得到： 9 2 昭，( c + 巴) ( 2 8 ) 真实的局部放电量是无法测得，而式( 2 - 7 ) 中的两个因子是可以测量的。从而q 也可以测量，q 称为视在放电量。它是局部放电中重要的参量。从( 2 8 ) 可知，q 要比真实的放电量q 小很多，它的单位是p c ，c 是电荷库仑。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 局部放电的基本参量m 1 民”1 1 视在放电量q 。 所谓视在放电量，是指局部放电时，试品两端的电压变化量为v 时，如果在 试品c 。的两端注入一定的电荷量，使之与试品产生的局部放电有相同的变化量，这 注入的电荷量，即为局部放电的视在放电量q ，则q - - c ，v 。视在放电量表征局部放 电的强度。 2 一次脉冲放电能量w ： 形= q ( v o 一酚) ，2 2g ( c + 巴) ( 碥一，( 2 g ) ( 2 9 ) 当外加电压由零上升到u 。时，c 。的电压为： v 0 5c o y , ，眨+ q ) ( 2 一1 0 ) 将( 2 - 9 ) 导入( 2 1 0 ) 可得： 矿2 q v , ( v o 一酚) ，( 2 碥) ( 2 1 1 ) 若u , - - 0 ，则w 2q v , ，2 ，u 。是实际的放电电压，由于u 。和q 可以测量，所以一 次脉冲放电能量也可以求出。 3 放电的重复率n 。将l s 内产生的局部放电的脉冲个数成为放电的重复率，如果 每个工频周期内放电的次数为1 1 ，工频为5 0 h z ，则n 为： = 力= 5 0 n ( 2 1 2 ) 这个参量通过采集系统脉冲计数器的值来求出，它表征局部放电的频繁程度阳1 。 2 2 局部放电信号的检测方法 局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光、声等现象为依据，通过能描 述该现象的物理量来表征局部放电的状态。电气设备局部放电过程中会产生电脉 冲、电磁辐射、超声波、光、气体生成物等，并产生能量损耗引起局部过热。因此 相应地出现了脉冲电流法、气相色谱法、超声波法、无线电干扰检测法、光测法等 多种检测方法乜”2 引。其中超声波检测法和脉冲电流法应用最为广泛。 2 2 1 脉冲电流法 脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法，国际电工委员会( i e c ) 专门对此方法制定了相关标准( i e c 一2 7 0 ) 。该标准规定了工频交流下局部放电的测 试方法，同时，此方法也适合于直流条件下的局部放电测量。 脉冲电流法的原理是：一次内部局部放电时，其两端会产生瞬间的电压变化， 此时如用一个耦合电容引出至一个检测阻抗上，可以获得一个脉冲电流，此脉冲电 7 华北电力大学硕士学位论文 流与局放对应，经处理后即可推算出视在放电量。 脉冲电流法的基本测试回路分为直测法和平衡法两种阻们。直接法如图2 - 2 a 所 示，平衡法( 或称电桥法) 如图2 - 2 b 所示。后者将检测阻抗分为z 。、z 。两部分，并 在其中点接地。无论是那种方式，在检测阻抗两端采集到的u 总是与试品的视在放 电量q 存在一定的关系，下面将以直测法为例分析u 和q 之间的关系。 藏擅 a 图2 2 脉冲电流法测量局部放电的原理图 a 直测法b 平衡法 b 从图中可以看出，当试品c ，两端出现瞬变电荷q 时，在试品的两端会出现相应 的脉冲电压为： 巩= 冬r d + = 墨= 蓝 。吒+ 岛 ( 2 1 3 ) 由于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c 。与c 。分压来计算： t lt l c x q q 弛职焘2 而专 + 巳 c 。+ f 1 + 生、c q l z ( 2 1 4 ) q = q + ( 1 + 孚) q 式中 。j 。 由此可见，当测试回路中c ；、c 。、c d 确定时，c ，为常数，u 正比于q ，通过一定 的校正方法，就可以用测得的u 标度变换为视在放电量q 。无论是直接法还是平衡 法式( 2 1 4 ) 都是适用的。从图2 - 2 中可以看出，对于试品放电产生的脉冲电流在 检测阻抗z 。和z 。上分别产生u 。和一u 。，而输出的电压： u = 砺一( 一巩) = 玩+ u ( 2 - 1 5 ) 而对于从高压端进来的干扰电流i 。分别流过z 。和z n 产生的电压分别为u 。，u b ， 对于输出的干扰电压为： 华北电力大学硕士学位论文 u = 碍一阮 ( 2 1 6 ) 由此可见，对于高压端进来的干扰，用平衡回路有一定的抑制作用。 该检测方法的优点是灵敏度高、实时性好，而且可以测得放电量、放电重复率、 平均电流以及放电能量等。但其缺点是电流传感器输出信噪比低，尤其是在线检测 时，局放信号易被现场各种干扰所湮没，使得后续信号处理过程中的信号识别和干 扰抑制比较困难。但随着计算机和各种新的数字信号处理方法的引入，用该方法研 制的局部放电在线检测系统性能将有很大的改善。 2 2 2 超声波检测法 这种方法是主要用于检测局放的存在及定位。定位原理是将p d ( 局部放电) 源发 射的波接收、放大、记录、读取波传播时间，用三角形和多点测量法来确定p d 源 位置。传播时间的测定是同时接收p d 源的电脉冲信号和声发射信号，并以电脉冲 信号的波形起点为时间参考零点。从该点到各传感器接收到的声信号起点时延时间 即为传播时间，可用s = v t 求得p d 源到各传感器的距离，再用最近点测量作图法和 计算机进行数据处理，确定p d 源的几何位置。 该方法的优点在于不存在严重的电磁干扰，主要用于定性判断局部放电信号的 有无，以及结合电脉冲信号或者直接利用超声信号对局部放电源进行物理定位。但 由于局部放电所产生的超声波信号经过多次折射、反射后，能量不断损耗，到达超 声波传感器时已造成严重的信号损失，因而对距离传感器较远的或发生在绝缘深处 的放电往往检测不到。其次，由于超声波在不同介质中传播的速度不同，很难保证 故障定位精确度。再次，不同类型的放电故障产生的超声波频谱差异较小，不能通 过超声波信号对放电类型进行鉴别，故很难认识放电本质。鉴于以上原因，超声波 检测法一般不单独应用，而是作为其他检测方法的辅助测量手段。 2 2 3 其他检测方法 化学检测法主要是指对变压器油的色谱分析法( d g a ) 。局部放电发生时会引起 变压器油中化学成分的改变，尤其是一些溶于油中的特殊气体。它通过色谱柱、气 体传感器分离、检测出变压器油中各种可溶性气体的含量，并由此判断变压器绝缘 状况。该方法最大的优点是不存在复杂的抗干扰问题，而主要的缺点是实时性差， 原因在于局部放电产生的油的成分变化要经过一段时间才能在油的取样点处得到 反映。结果是变压器已经出现了问题，而色谱分析的结果却是正常的。它只能定性 检测是否有局部放电产生，基本不能反映放电的性质、强度和位置。 超高频检测法分为超高频窄带检测和超高频超宽频带检测。前者中心频率在 f i o o m h z 以上，带宽十几m h z 或几十m h z ，后者带宽可达几g h z 。由于超高频超宽频 带检测技术有噪声抑制比高、包含信息多等优点受到人们的关注，通常所说的超高 9 华北电力大学硕士学位论文 频检测技术即指超高频超宽频带检测。用于超高频局部放电检测的传感器主要为微 带天线传感器。目前，微带天线传感器已在检测大型电力变压器、g i s 、电力电缆 等设备的局部放电上有相关应用。这种方法的优点是灵敏度高，对外界干扰的抑制 能力强，能反映放电脉冲真实波形。对电力变压器而言，局部放电发生在变压器内 的油隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性，电磁波传播时会发生多次折反射及衰减； 同时，变压器箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这就增加了超高频电磁波检 测的难度，因此，变压器超高频局放检测技术仍处于起步阶段。 红外检测法是基于局部放电引起的局部温度升高，通过红外探测器和热成像来 实现的。对于变压器局部过热故障，该方法较灵敏，但对于局部放电还没有产生明 显局部过热时，该方法不理想，远没有达到自动监测的目的。 光检测是利用局部放电产生的光辐射进行的。虽然在实验室中利用光测量来分 析局放特征及绝缘劣化机理等方面取得了许多成果，但由于光测量设备复杂昂贵、 灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在现场应用。 目前，在电力设备局部放电监测中主要还是采用脉冲电流法和超声测量法，其 中脉冲电流法灵敏度高、实现方便且可标定放电量，是局部放电在线监测技术的基 础。本课题是基于这种方法获得局部放电脉冲信号。 2 3 抗干扰技术 在高压电气设备在线监测的各个环节中，都离不开抗干扰的问题。它包括电场 干扰和磁场干扰，或者说共模干扰和差模干扰等。因此抗干扰技术的好坏可以说是 绝缘在线监测成败的关键之一。现场的干扰来源主要有以下几方面口制。 l 、连续性的周期干扰 变电站附近普遍存在的电力系统载波通讯和高频保护信号对监测的干扰，是 一种连续的周期性干扰信号，频率一般为3 0 一- - 5 0 0 k h z 。高频通讯的每一信道所占的 频率虽仅4 k h z ，但由于采用的是频分复用的多路通讯方式，故处在复合网内的输电 线路所传送的常常是多个频率的载波信号。 无线电广播的干扰，也是一种连续的周期性干扰，频率在5 0 0 k h z 以上。 在局部放电在线监测中，周期性干扰又可分为准周期性干扰和脉冲型周期性干 扰。 准周期性干扰主要由载波通讯以及无线电通讯造成。其时域波形为不同频率的 正弦信号的混叠，且这些正弦信号的频率不存在倍数关系。例如： z ( o = l o s i n t + 1 5 c o s 7 t r 9 1 7 、 脉冲型周期性干扰主要由可控整流、高频保护装置中的开关周期性的导通和关 1 0 华北电力大学硕士学位论文 闭所感应的脉冲型噪声而形成的干扰。时域表达式为： f 以刀丁一r ，2 n t + v l2 z 0 ) = 一丑n t i2 - v i 2 z n t i2 + v i2 i o ，其他 f a , n t v 1 2 f n t + v 1 2 z q ) = 【 o ，其他 式中t 为周期，t 为脉冲宽度。 脉冲型周期性干扰可按傅立叶级数展开成为一系列三角函数的和， 为： z 0 ) = a 0 ，2 + a n c o s ( n a t - 露) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 其分解式 ( 2 - 2 0 ) 式中第一项凡2 是常数项，它是周期信号中所包含的直流分量；第二项中 a 。c o s ( w o t 一由。) 称为基波或一次谐波，它的角频率与原周期信号的角频率相同，a 。 是基波幅值，由。是基波的初相角；第1 3 项a n c o s ( n w 。t 一由。) 称为高次谐波，它的频 率是基波的n 倍，a n 是n 次谐波幅值，由。是其初相角。式( 2 - 2 0 ) 表明，脉冲型周 期性信号可以看作是各次谐波之和。 2 、脉冲干扰 开关、继电器的断合、电焊操作、荧光灯、雷电等随机性脉冲干扰。 变电站的线路或其他邻近设备的电晕放电和内部的局部放电干扰信号，其类 型也为脉冲型的，和待测设备局部放电的波形几乎一样，是一种重要的干扰源。 以上2 类脉冲型干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，相应在频域为包含 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。尤其是当 这些信号经检测阻抗和放大器作用后，与放电的脉冲波形更加相似，因此是一种比 较难消除的干扰信号。 3 、白噪声干扰 白噪干扰主要由变压器绕组的热噪声、配电线路以及变压器继电保护线路的热 噪声和监测电路中的半导体器件的散粒噪声造成。导体和半导体中的电荷载流子被 热激励，进行不规则运动。由于带电粒子的移动产生电流而出现电压，从而形成热 噪声和散粒噪声。热噪声以及散粒噪声是很多粒子运动时的碰撞现象，所以振幅的 概率密度函数p ( v ) 呈正态分布： 肿卜赤e 矿( 2 _ 2 1 ) 1 可皿严 式中的m 表示v 的平均值，o 表示方差。 华北电力大学硕士学位论文 因为白噪声是正态分布，所以可用平均值和方差来描述。当只考虑变化分量时， 平均值为零，电压的均方值就是平均值为零的方差，热噪声的方差可用下式求出： o2 。= 4 k t r f ( 2 - 2 2 ) 式中k 为玻耳兹曼常数，t 为绝对温度( k ) ，r 为电阻，f 为测量系统的频宽。 上式说明噪声功率与温度有关，温度越高噪声越大；同时噪声功率与测量系统 的频宽有关，测量系统的频带越宽，白噪声越大。因此在提高监测灵敏度而增宽在 线监测系统的频带宽的同时，系统的信噪比将降低。 现场干扰的多样性，决定了抗干扰需要采取综合性的技术措施，又由于干扰的 强弱、频段不同，故抗干扰的措施又要有一定的针对性。 ( 1 ) 选择合适的监测频带 系统监测频带( 即上限截止频率减下限截止频率) 选择的原则是：能避开现场干 扰的主要频带，使之在这个检测频带下，检测灵敏度和信噪比最高。通过合理的选 择滤波器和电流传感器的带宽来实现。同时要满足脉冲分辨率的要求。 ( 2 ) 差动平衡系统n 。别 此方法是利用高频电流传感器在变压器油箱接地线和绕组中性点接地线上分 别取信号，局部放电信号分别在高频电流传感器上产生两个方向相反的电流脉冲信 号，对信号进行适当调整组成差动系统，即可抑制外部进入的共模干扰信号，使差 动的内部局部放电信号增强，提高了信噪比。 ( 3 ) 脉冲极性鉴别法 局部放电检测的脉冲极性鉴别法具有强大的抗干扰能力，这种方法最开始用在 设备的离线局部放电检测中。要求两个被试品相同或容量与标准电容接近，并在外 使电压下应用。 2 4 系统总体设计方案 整个系统主要由现场数据采集器，宽带电力线通信终端和上位机组成。数据采 集器是本监测系统的关键部件，直接影响脉冲电流信号的测量精度，可以在设备运 行现场就近安装监测，具有抗干扰能力强，便于现场维护等特点。宽带电力线通信 终端的功能是将从采集器接收来的局部放电信号进行调制，耦合到电力线网络，或 从电力线网络解调出局部放电信号，传给上位机进行数据分析，判断是否有局部放 局部放电在线监测系统的示意图如下图2 3 。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 局放在线监测系统结构示意图 华北电力大学硕士学位论文 第三章现场采集器的设计 局部放电在线监测系统要能真实、准确反映设备绝缘的状况，用于获取所需信 号的硬件电路必须具有较高的监测灵敏度和较好的抗干扰能力。由于局部放电的放 电量比较小，测得的电流通常为毫安级，同时在运行现场存在各种背景干扰，使得 局部放电信号的提取更加困难。为了进行准确的绝缘在线监测，必然要求前置硬件 电路能灵敏地将所需信号捕捉下来，在工程允许的范围内把采集的信号进行预处 理，减少或抑制干扰，然后进行模数转换，变换成计算机可以处理的数字信号。 结合第二章对局部放电及干扰的分析，本课题采用了灵敏度高、实时性好的脉 冲电流法，设计了一款基于a r m 芯片和以太网物理层接口的数据采集系统。 3 1 探头的设计 探头由局放传感器和信号调理电路组成，并置于良好的电磁屏蔽壳体内，具有 良好电磁屏蔽的一体化结构，是减小工作现场强工频干扰的重要措施之一。信号调 理电路包括前置放大电路、积分电路及有源滤波电路。 3 1 1 局放传感器工作原理 为了获得真实的局部放电信号，传感器必须具有足够宽的工作频带、灵敏度、 线性度以及时间分辨率。随着抗干扰技术的发展，宽带检测由于其信号失真小、反 映信息全面而被广泛采用。 本课题所设计的传感器是罗戈夫斯基线圈型的电流传感器。它的结构如图3 一l 所示，采用了类似于传统的罗戈夫斯基线圈的结构。它的工作原理是当穿过线圈内 部的导体有电流通过时，根据电磁感应的原理，线圈两端的引出线之间就会产生电 动势，而这个电动势的大小是和穿过线圈导体电流成比例的。在结构上，电流传感 器的磁芯的横截面一般为圆形或矩形( 本文讨论圆形截面) ，其本身不设一次绕组， 载流( 负荷电流) 导线穿过圆形状磁芯起一次绕组作用。其等效电路如图3 2 所示。 负载娟 图3 1 局放传感器结构 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 传感器等效电路图 其中m 为线圈的互感；l 2 为副边线圈的自感，原边线圈的自感很小，可忽略不 计；c 2 为线圈的等效杂散电容；r l 为线圈的等效电阻；r 2 为线圈的负载电阻；u ( t ) 为由于互感产生的电势；u o ( t ) 为线圈负载电阻上的电压。设n 为线圈匝数，a 为线 圈的横截面积，d 为环形铁心的平均直径，d 为圆形铁心截面直径。 根据电工学理论n 引，传感器的截止频率和频带为： ，：l 木鱼墨兰，一1 丰厶+ r 2 r 工c ； 2 z r 与+ 尼r 三q j 层 2 7 r 厶足岛 当 日：一11 刍垒生刍尘 2 9 。l 1 马巴厶+ 马 r 三 也q 时，可得传感器的灵敏度为：足= p 。叻l 麟2 i ； 其中舭。 】俐五2 芴1 术半厶= 丽1 足= 鱼i v 其中r 吃q 三2 l ，所以：“ 2 7 r 岛j 眉勘喝岛 a 一一 从上式可知，磁芯材料，绕线匝数和外接电阻对频带宽度、传感器灵敏度均有 影响。积分电阻增大，可使传感器灵敏度增大，但同时会导致频带宽度减小。所以 在线圈尺寸一定的情况下，选定磁芯材料后，有一个最佳的外接电阻r 2 、绕线匝数 n ，使电流传感器达到较宽的工作频带，且保持一定的响应灵敏度。 3 1 2 磁芯材料的选择 因为软磁材料具有较高的磁导率，并且具有容易磁化和退磁的性能，所以选择 软磁材料作为传感器的磁芯材料。常见的磁芯材料有硅钢片，铁氧体，非晶合金以 及坡莫合金等。作为局放传感器的磁芯材料，我们需要它相对磁导率高，剩磁小， 适用频率一般要达数百兆赫兹。由于硅钢片的高频性能不是很好，因此不适合用于 制作传感器材料；坡莫合金的电阻率低，力学性能不好，而且价格偏高，所以也不 适合做成传感器；而非晶合金高频性能还不是很理想，而且价格偏贵；铁氧体由于 高频特性好，低频磁导率低，电阻率高等特性满足传感器磁芯的一系列特性。因此 选用铁氧体作为磁芯材料。 铁氧体的种类有很多种，软磁铁氧体磁芯有m n - z n 、c u z n 、n i - z n 、m g z n 等 酌3 华北电力大学硕士学位论文 几类，其中m n - z n 铁氧体的产量和用量最大，m n z n 铁氧体的