（电力系统及其自动化专业论文）高压设备危险局部放电在线监测系统硬件研究.pdf

a b s t r a c t t h ev o l t a g el e v e l so fh i g hv o l t a g ee l e c t r i ce q u i p m e n t sa lel o w e rt h a nt h eo n eo f t h ep r a c t i c a lw o r k i n gi nt h ep r e v e n t i v ea n dn o n d e s t r u c t i v ee x p e r i m e n tt e s t s t h e o n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n go ft h eh i g hv o l t a g ee l e c t r i c e q u i p m e n t si s av e r y i m p o r t a n tm e a s u r ew h i c hc a ne n s u r ee l e c t r i c i t yp r o d u c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns a f e l y , d e t e c tt h ea c c i d e n t ，r e d u c et h ep o w e ro u t a g ea n de q u i p m e n t s m a i n t e n a n c e ，a n d i m p r o v et h er e l i a b i l i t y t h ep r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t ya l et h ei m p o r t a n tc r i t e r i o n so ft h eh i g hv o l t a g e e l e c t r i ce q u i p m e n t st h i st h e s i sb a s e so nt h ec o m p o s eo ft h eh i g hv o l t a g ee l e c t r i c e q u i p m e n th a r d w a r et od e p i c tp a r t i c u l a r l yt h ep r i n c i p l eo ft h es e n s o r , s m a l lc i r c u i t b o a r da n dl o g i c a lc i r c u i tb o a r d ，a n ds o l v et h ep r e v e n t i n g d i s t u r bp r o b l e m s b e f o r et h e w o r k i n go ft h ee q u i p m e n t s ，t h es i m u l a t e dv o l t a g ei n c r e a s e st h em a x i m a lv a l u et o d e t e r m i n et h eo v e r t u r n i n g v o l t a g ev a l u eo ft h ec d 4 0 9 8f r o mt h ez e r o i nt h i sm e a s u r e ， w ec a nc h a n g et h et r a d i t i o n a lw a yt h a tw eu s et h ef i x e dv o l t a g ev a l u et oi m p r o v et h e p r e c i s i o nu l t i m a t e l y ；t h et h e s i s s e l e c t sl o c1 10c o m p o n e n tw h i c hi sa1 i n e a l o p t o c o u p l e r i tc a nn o to n l yi n s u l a t et h ea co rn u m e r i cs i g n a l ，b u ta l s oi n s u l a t e d i r e c t e ds i g n a l c o n s e q u e n t l y , i tb r e a k t h r o u g h st h el o c a l i z a t i o nt h a ts o m ec o m m e n t s c a n ti n s u l a t et h ed i r e c t e ds i g n a l a d d i t i v e l y , i t sl i n e a rr e s o l u t i o ni s12v a l u e s t h e s e v i r t u e sg u a r a n t e ee n o u g ht h ee q u i p m e n t sp r e c i s i o n ；b e c a u s et h et h e s i su s e st h el o w p o w e rm s p 4 30 f 4 4 9s i n g l e c h i p ，i tc a nw o r kf o rt h el o n gt i m e i nt h ec o u r s eo ft h e c o m m u n i c a t i o n , w em u s tp r e v e n tt h em i s t a k ed a t ai nt h et r a n s m i s s i o na r o u n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cc i r c u m s t a n c e w ec h o o s et h eo p t i c a lf i b e r a st h et r a n s m i s s i o n m e d i u m t h eo p t i c a lf i b e rc a ne n s u r e 吐1 ep r e c i s i o no ft h et r a n s m i s s i o nd a t a b u ta l s o p r o l o n gt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e b yt h es i g n a lo ft h es i m u l a t i n ge q u i p m e n t s i nt h el a b o r a t o r y , w e p r o v e a d e q u a t e l yt h a tt h ee q u i p m e n ti sm o r ea c c u r a t ea n dc r e d i b l et h a nt h eo n e si nt h ep a s t f u r t h e r , i tb r e a k t h r o u g h st h el o c a l i z a t i o nt h a tt h ee q u i p m e n t sc a n tt r a n s m i ts i g n a li n t h el o n gd i s t a n c e k e yw o r d s ：t h eh i g hv o l t a g ee l e c t r i ce q u i p m e n t ，o n 1 i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n g ， d a n g e r o u sp a r t i a ld i s c h a r g e ，m o n i t o r i n gs e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得丞鲞盘堂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。 学位论文作者躲鄂配军签字吼。嬲年影月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，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) 等位论文作者签名：都凯华 签字日期：2 乎年d 乡月dfe t 聊躲矗f 岬搏导师签名：孔f 岬未3 、 签字日期o f 年g月1 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 开展高压电气设备为在线监测技术的意义： 高压电气设备主要是由两类不同材料构成：一类为金属材料，包括铜、铝等 导电材料，硅钢片等导磁材料，铸铁钢板等外壳或结构材料；另一类为绝缘材料， 如绝缘纸( 及纸筒、纸板) 、塑料潮莫、层压板、电瓷、绝缘油等。相对于金属材 料而言，绝缘材料容易损坏。特别是有机绝缘材料，如绝缘纸、塑料、绝缘漆或 胶等，很容易老化变质而使机电强度显著降低。因而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。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【卜4 】。 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。 ( 1 ) 设备必须周期计划停电试验。一方面，在经济高速发展的今天，停电会 降低供电企业的供电可靠性，对社会会造成负面的影响，也对用电的企业造成一 定的经济损失；另一方面，停电会降低设备的运行效率，造成对资源的浪费。 ( 2 ) 高压试验所需的一些设备、仪器较贵，专业技术人员的缺乏，而停电试 验的手续繁琐，工作量大，工作时间长，这都会造成资源的浪费和不合理的分配。 ( 3 ) 设备定期试验的盲目性。由于预防性试验周期的制定比较的保守，而如 果定期的周期检修试验，这会出现过多的不必要的停电检修，而有些设备会因为 拆卸、组装过多而出现损坏。 “) 预防性试验规程的非破坏性试验的项目中，一般的试验电压加的交流电 压都不超过1 0 k v ，这比目前电网中3 5 7 5 0 k v 的运行电压要低得多，这种试验难 以全面、真实地反映设备存在的潜伏性故障，而这些潜伏性故障在高电压设备的 持续运行中会不断发展下去，从而可能会在预防性的试验周期内出现重大的电力 事故 5 - 9 】。 因此，这种预防性试验体制在很大程度上制约了电力技术的发展，特别是电 压等级越高的设备，预防性试验的实际意义已大大的减弱，甚至失去了预防的内 涵。 第一章绪论 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，椰、末屏泄漏电流i x 都可能会增大。这样就为开展在线 绝缘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，利用 运行电压本身对高压电气设备绝缘状况进行试验，不但可以大大提高试验的真实 性和灵敏度，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。 1 9 世纪6 0 年代国外的专家已经对高压设备的维修体制进行了新的探讨与研 究，并提出了状态检修的新理念。而所谓的状态检修的技术支撑就是在线监测。 对于绝缘在线监测就是在运行的状态下结合传感技术、计算机技术、电子技术、 信号处理以及网络技术等对设备的绝缘状况进行在线化的实时监测，而且在监测 的过程中不改变系统的运行方式，能保证测量的准确性。因此，大力的开展绝缘 在线监测技术具有特别重要的现实意义，是电力系统技术管理发展的必然趋势。 1 2 国内外在线绝缘监测技术的现状 我国在线绝缘监测和故障诊断技术的研究和国外可以说是同步发展，处于几 乎是相当的水平。随着电子技术、传感器技术、光纤技术、计算机技术、通讯和 信息处理等技术的发展和向各领域的渗透，使绝缘在线监测方法发生了质的变 化。国内外都研制出一系列可实用的在线绝缘监测仪器或装置。国外在线绝缘监 测工作的重点主要放在大型发电机和变压器上( 也有氧化锌避雷器m o a ，g i s 等设备的在线绝缘监测研究工作的报导) 。因为这些设备价格昂贵、地位重要， 一旦发生事故，将造成巨大的经济损失和社会影响。多年来各国针对发电机和变 压器局部放电在线监测技术进行了大量的研究工作，对在线监测中的抗干扰问题 也进行了深入细致的研究，并研制出一些更实用的便携式局部放电监测装置。除 此之外，还对变压器气相色谱在线检测技术进行了研究，研制出可以检测6 种气 体或h 2 便携式在线监测装置。 我国除了对发电机和变压器这类重要的电气设备在线绝缘监测技术进行研 究外，还对变电站和发电厂开关站中数量较多的电压互感器、电流互感器、耦合 电容器、套管和氧化锌避雷器等电气设备的在线检测技术进行了大量研究。因为 根据我国国情，这些设备的制造和运行维护质量都不够高，其中有些电力设备多 将达到稳定运行期，所以有必要在它们完全停止运行前有计划地更换它们。但由 于现在财政短缺，不可能轻易地更换这些尚能运行的电力设备，这样设备事故隐 患相对于国外同类设备来说要多一些。所以迫切需要通过在线绝缘监测和诊断技 术准确鉴别这些设备的运行期限，因此对这些电气设备开展在线绝缘监测同样很 2 第一章绪论 重要【1 0 1 。 1 3 国内外在线绝缘监测技术的发展趋势 从目前国内外绝缘在线监测状况来看，监测装置功能比较单一，例如，仅对 一种设备或多种设备的同类参数进行监测。加上在线诊断技术难度较大，无论国 内、国外，除个别项目外，大多数还不太成熟，仍处于研究发展阶段。但由于客 观需要，在线绝缘监测和诊断技术还将不断地完善和发展。今后这项技术的发展 趋势是 1 1 - 1 3 】： 1 诊断，即能同时反映设备绝缘状况的多个特征参数； 2 有电气设备进行集中监测和诊断，采用现场总线技术，形成真正开放的 在线监测系统和完整的故障诊断专家系统； 3 在不断积累监测数据和诊断经验的基础上，发展人工智能技术，建立专 家系统，真正实现绝缘诊断的自动化； 4 不断提高监测系统的灵敏度和可靠性； 5 研究绝缘设备的老化和绝缘缺陷的关系。 总之，线监测技术虽然得以较大的发展和应用，但在如何有效地保证微弱信 号的真实性、系统的稳定性和抗干扰性能等方面还有待进一步研究与提高。 i n t e r n e t 新技术以及信息管理技术和先进数据库技术等与在线监测技术进行有机 的集成，在线监测技术必然迈上一个新的台阶，并更好地服务于电力系统的生产、 运行与管理，为状态维修体制的开展提供更有效的、更合理的、更科学的数据和 技术支撑，建立一个网络化、智能化、集成化的在线监测网络系统是在线监测技 术发展的必然需要，也是水、火电系统技术管理发展的必然趋势。 1 4 在线绝缘监测的技术关键 高压电气设备在线绝缘监测的技术关键主要有如下几点： 一、抗干扰技术 在高压电气设备在线绝缘监测的各环节中，都离不开抗干扰的问题。它包括 第一章绪论 抗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 二、传感器技术 对电气设备绝缘进行在线监测，首先是如何选用和研制各种需用的传感器， 以便从被监测设备上获取信息，有时还需要从其他设备上同时取得作为对比或基 准的信息。最后是怎样保证传感器在户外有温度变化和干扰的环境中性能稳定、 工作可靠。 三、信号传输技术 如何把有传感器获取的信息，无畸变地送到数据处理单元去分析、处理、存 储，选择什么样的通信方式很重要。因为这些工作很多都是在现场进行、在设备 带高压的情况下进行，所以要设法准确地获取并传输这些相当微弱的信号，使之 少受或不受干扰，就必须采取一系列的抗干扰措施。 四、数据分析、处理和诊断技术 对电气设备进行在线监测的目的是了解和评估设备在运行过程中的状态，从 而能及时地发现故障隐患。因此，通过对监测到的大量数据进行分析、处理是十 分重要的。它可以帮助我们去伪存真，提取信号特征供诊断使用。随着计算机技 术的研究和应用，为诊断技术提供了非常快捷方便的手段。因此，研究和选择合 适的诊断方法对准确判断绝缘故障起着重要的作用。 1 5 本文主要工作 高压电气设备的绝缘状况对电力系统稳定运行有着至关重要的作用，但是在 检测高压电气设备绝缘状况的预防性破坏性试验中，一般所加的交流电压都不超 过1 0 k v ，这比设备的实际运行电压低很多，不能有效检测出设备绝缘缺陷。所 以本文采用对高压设备进行危险局部放电在线监测的方法，对监测系统的硬件结 构进行了研究，制做出监测探头、监测子站、监测总站等硬件电路，并对这些硬 件电路进行了试验测试。本文针对于实际运行环境中具有强电磁干扰的特点，采 取一系列措施进行干扰的屏蔽和准确无误的通信传输。 4 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 2 1 高压设备局部放电运行监测的目标 国际电工协会对局部放电的定义是：“两导体之间的绝缘的一部分被桥接而 产生的放电。其所包括的范围是极宽的，可以说：除了绝缘击穿以外的一切放 电都是局部放电，可大致分为：内部放电、表面放电及电晕放电。这些放电可以 发生在气体、液体及固体介质之中，其视在放电量由1 0 1 p c 至i u1 0 0 p c ，放电时间 由1 0 叫秒到1 0 1 秒。 绝缘中气泡放电是典型的局部放电，微小气泡中的起始放电( 汤逊型放电形 式) ，以化学腐蚀为主，气泡均匀扩大，这是以年为单位的缓慢过程，当气泡扩 大到一定的程度，离子数目与能量增大了，碰撞介质表面的破坏作用起主导作用 时，气泡沿电场的方向扩大，电场畸变，形成了流注型放电( 临界局部放电) ， 当局部电场强度增大到介质固有击穿场强时就面临击穿的危险。 电极与固体介质交界的边缘或引出线的电场集中处容易产生电晕放电( 汤逊 型，起始局部放电) ，当电场过强则会出现滑闪放电和爬电( 流注型、临界局部 放电) ，同样面临着击穿的危险。 高压设备存在起始局部放电是难以避免的，由于其大小与绝缘的长期寿命有 关，在设计与制造工艺上力求减小局部放电，在出厂与验收试验中应严格把关， 以保证绝缘具有最经济的使用寿命。但对运行中的设备在预防性试验与运行监测 中若还以起始局部放电为主要目标就不合适了： ( 1 ) 起始局部放电与导线电晕干扰是同一放电的类型，而后者往往大于前者， 在现场测试时要排除的干扰的难度很大。 ( 2 ) 起始局部放电是很不稳定的，其增长或超标但具临界局部放电相差很远， 与设备的可靠性相关很小。 ( 3 ) 运行检修人员没有必要，也没有可能去降低起始局部放电强度。 “ 对高压设备产生严重威胁的是临界局部放电，从运行观点而言称之为“放电 故障 或“放电缺陷”比较合适，例如由于制造工艺或运行维护不当等原因在绝 缘中产生了较大的气泡，气隙或裂纹，或者表面场强过分集中产生了爬电。 具有合理设计的充油型高压设备在工作电压下不可能出现有间隙或油中表 面放电、但对运行中的设备由于温度，场强或者氧化等作用会在油中产生气泡、 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 气泡可能把油间隙变成气隙，也可能附着在固体介质的表面产生爬电、这种放电 可能损坏附近的固体介质而造成事故，这是典型的充油设备的放电故障。 某些金属间隙的火花放电根据以上的定义看不属于局部放电( 应属于击穿 电) ，但其中不少是对电力系统的可靠性有实质性的影响，例如不接地系统中单 相接地产生的放电，多元件设备单元击穿产生的放电、导线、分接开关接触不良 产生的放电、线圈设备匝间击穿或断股产生的放电，电容屏间放电及铁心放电等 也称之为放电故障【1 4 j 。 为了讨论方便，可以把以上论及设备中的放电分为两类： ( 1 ) 正常的局部放电：指对设备可靠性影响不大的局部放电，如微小的气泡 中汤逊型放电，电极边缘或铁心边缘的电晕放电等。 ( 2 ) 放电故障：指对设备可靠性影响较大的放电，如沿电场方向发展的较大 的气隙，气泡中的放电，沿表面爬电，及一些金属间隙火花放电等。 表2 1 两类放电的特征比较 类型放电强度放电形式频带上限破坏的主要因素 正常局部放电 1 0 0 m z 离子冲击 我们认为：在电力系统中高压设备的运行监测的目标是：即时发现放电故障， 判断其性质，估计其大致部位，并能从其发展规律估计其危险性，在与其它试验 方法相结合进行综合判断后决定是否该退出运行。 2 2 常规局部放电检测方法的局限性 常规局部放电的检测方法是以检测微小的正常局部放电为目标的，在制造厂 的良好屏蔽实验室中用以控制产品的制造工艺质量是很有效的，该方法的主要特 点是：用低的频率，较窄的频带( 4 0 k h z 至2 0 0 k h z ) ，高倍率的放大器，测试微 小的视在放电量。 其之所以采用如此低的频率主要是考虑到： ( 1 ) 避免测试回路的电感对测试结果的影响，提高测试精度； ( 2 ) 易于制造高放大倍率的放大器，提高灵敏度； ( 3 ) 易于保证校正方波的前后沿要求，减少校正误差； 6 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 ( 4 ) 避免无线电台的干扰。 可见，选用此频带的主要原因是测试微小p c 值的精度与灵敏度的要求，但 由此却导致了现场应用中的困难： 一、放电干扰严重： 由于检测阻抗的频带很窄，只接受放电脉冲中相当小的一部分能量，其比率： 三智一竽，国为频带宽度，口由脉冲的陡度决定，由于放电故障的口值比放 万 2 口 电干扰( 电晕，污秽表面放电) 大l 一2 个数量级，因而接受能量比率也相应的小 1 2 个数量级。 又由于放电故障频带比干扰宽，因此任何放大器的放大结果总是把放电干扰 放大到更大( 即信噪比降低) 。 总之，由于以上两个原因局部放电缺陷的脉冲很容易被干扰所淹没。 二、标准难以制定： 目前，p c 值的参考标准不会是人满意的，而且也很难于通过研究找到一个 较理想的标准，下列的标准就没有办法解决： 从游离击穿的观点看：气泡大小一定，其中场强一定时，厚薄不同的介 质击穿的危险性是相同的，但所测的视在放电量则与厚度成反比，放电 频度增加，危险性增加，但是p c 值却与频度无关。 面积大的扁气泡比沿电场方向的长气泡的放电量大得多，但后者比前者 危险的多。 变压器的纵绝缘放电的危险性比主绝缘大得多，但是前者所测视在放电 量的灵敏度却较后者低一个数量级。 三、测试困难 所测的最大值，没有规定其重复频率，放电故障，尤其是充油设备中的 放电分散性很大，由试验着肉眼观察决定这个最大值具有极大的任意性， 例如油中闪烁性放电有可能把其当作干扰排除掉。 用于校正的方波规定及检测阻抗的频响与放电故障相差很远，是主观决 定的，不同的放电波形与陡度，将产生不同程度的误差。对放电故障的 误差比正常电晕干扰大得多。 停电试验不能真实反映运行中的设备的情况。， 可见，由于现场干扰的严重，标准的不可靠及试验方法自身的不完善等原因 使得该方法努力追求的灵敏度与精度的优点不起作用，而由此引起的缺点与问题 则表现的相当突出。 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 2 3 宽带甚高频检测法 常规的方法在现场所碰到的问题可以通过大幅度的提高检测频带的宽度来 解决，这是本监测设备的核心。 本监测设备没有放大器，其探头是一个可调门坎电压的快速触发器，上限响 应频率可到1 0 0 2 0 0 m h z ，当调节门坎电压是放电故障的脉冲刚好不能使触发器 动作时，则门坎电压即脉冲的幅值，设备以其表示“放电强度”。其所测值受放 电波形影响很小。 采用宽带甚高频检测法的主要优点是： ( 一) 可在运行条件下测试，不用停电： 存在放电故障的设备等值电路如图2 1 所示，u 为故障点的放电压，c 。为放 电前电容，c i 为放电后增大的电容，c 。为与放电点串联的电容，c 。为完好绝缘的 电容，z 为导线波阻抗，z 为地线波阻抗。 c 图2 1 局部放电等值电路示意图 - 1 每次放电在很短的时间( n s ) 内，设备增加了电容a c ，为了保持电压不变， 所缺电荷向导线与地线索取，形成了异号行波向上下传播，向地线的行波我们称 之为接地脉冲，其幅值为万：c 2 a u 三 c x z 七z 一 放电点及其在导线产生陡度很大的脉冲电流，设其陡度为d i 出，有效辐射 长度为l ，则在距离为r 的空间会产生很强的电磁辐射，其辐射的强度为 e = 等等f ( 秒) ，本系统使用了两种接触探头：天线探头和接触探头，天线探头用 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 于接收放电故障在空气中的产生的电磁辐射，可改变天线的长度能在很大范围内 调节灵敏度，易于有强度分布找到放电故障或干扰源的位置。 接触探头用以检测较弱放电故障的接地脉冲，在现场使用时可根据实际情况 采用以下三种方法： ( 1 ) 接触法：把探头的输入端( 红夹) 夹在设备的接地线的上端，或高压套 管的末屏( 或法兰盘) ，或发电机接地电刷( 或热电偶端子) 。这时所加的导电部 分起到了天线的作用。并提高了灵敏度。如图2 - 2 ( a ) 所示 设籀 1 u 【一 图2 - 2 ( a ) 接触法 ( 2 ) 跨接法：用单芯屏蔽线跨接在接地回路中需要测试的两点，芯线( 红 夹) 接上端，外皮( 黑夹) 接地端，探头夹在下端芯线与外皮间测试跨接两 端的电压差。如图2 - 2 ( b ) 所示，对于变压器，电抗器等可跨接在高压套管末 屏与地之间，有封闭母线的汽轮发电机可再封闭母线内( 或软接联处) 敷设 3 0 c m 监测导线，探头跨接在监测导线与地之间，水轮发电机可跨接再引出 线第一个绝缘子底座与地之间。 ( 3 ) 耦合法：用硬塑料线围成3 0 1 5 c m 2 的4 匝方框与地线靠近相耦合， 探头夹在方框的两出线端，接收脉冲电流所感应的电势，如图2 - 2 ( c ) 所示， 电流互感器，耦合电容器用此方法比较方便。 9 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 图2 - 2 ( b ) 跨接法 图2 - 2 ( c ) 耦合法 仪器 ( - - ) 背景干扰小，信噪比高： 由于探测频响范围与放电故障频带接近，可充分利用其身高频分量能量。故 灵敏度高，而放电干扰( 指正常的) 甚高频分量不大，无线电干扰频带很窄，因而 背景干扰水平不大，例如在正常2 0 0 5 0 0 k v 变电站，天线测试背景干扰小于 2 0 m v 。接触法测试一般小于5 0 m v 。 ( 三) 监测设备判断放电的性质 放电脉冲使触发器动作后展宽为4 u s 的方波，计数器可计的每周波的放电 次数州c ) ，每秒的放电群数( 即频率f ) 。 计算机由软件通过数模转换产生一个直流电压控制探头触发器的门坎电压， 并整理所采集的放电信息即可绘制出多种曲线，有这些曲线可以判断放电性质、 识别干扰、排除故障。 ( 1 ) 脉冲群重复频率( f ) 与门坎电压的关系如图2 3 所示，横坐标为门坎电压 值( u ) ，门坎电压值最大电压u m 为器件的最大翻转电压，由曲线可以查的任何一 1 0 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 个门坎电压下的脉冲群的重复频率，下列图形不难理解【i 7 l ： 曲线1 的f 超过1 0 0 ，属背景干扰( 如无线电干扰、正常的三相电晕) ； 曲线2 的f 在1 0 0 左右，属对称性放电( 如间隙放电、气隙放电) ； 曲线3 的f 当u 较小时接近1 0 0 而较大时接近5 0 ，属不对称放电( 有明 显转折为尖板间隙放电，无明显转折为表面放电) ； 曲线4 的f 在5 0 左右，属单极性放电( 如端电晕) ； 曲线5 的f 起伏很大，属不稳定放电( 如油中放电) 。 f o 5 图2 3 f u u ( 2 ) 每周脉冲次数( n ) 与门坎电压的关系如图2 4 ： 由曲线可查得任意门坎电压下每周脉冲次数，图中曲线表示： 金属间隙火花放电； 气隙或气泡放电； 表面放电； 图2 - 4 ( a ) 金属间隙火花放电 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 图2 - 4 ( b ) 气隙或气泡放电 图2 - 4 ( e ) 表面放电 2 4 双探头平衡法排除干扰 做放电实验时。探头分为平衡探头和主探头，平衡探头是专门用于接收干扰 信号的，夹在附近构架上接收放电干扰。主探头是既能接收干扰信号又能接收放 电信号的探头，则有效信号即放电信号通过主探头与平衡探头“异或”输出得到 信号，即两个探头输出不同时，输出脉冲信号。然后将有效信号传输给上位机进 行处理。 、2 5 危险信号的判据 运行人员总希望找到有一个固定的参量作为放电信号危险与否的判据，但是 对于绝缘监测来说这这样的参量是不可能的。相对值的方法，强调现在与过去所 1 2 第二章在线绝缘监测系统的基本原理 测的值进行比较。局部放电运行监测的判据则更应该强调这一原则从参量的 变化发展规律去估计其危险性。 从放电故障的发展的理论与实际考虑可以认为：随时间的变化趋势有以下情 况之一的认为是比较危险的。1 快速增长；2 缓慢增长；3 大幅值变化；4 波浪式 增长；5 长时间稳定后再次增长。 设备运行中，通过若干天的试运行，将所测的最大值翻一番做为报警值，报 警后自动调整报警值到所测值的1 2 倍以“多次报警 作为危险判据，据可以反 应设备放电情况。 对于偶然的强放电干扰，可以通过智能判断的方法识别，通过软件将其排除 掉，用以防止误报警【球j 。 本章小结： 国际电工协会对局部放电的定义是：“两导体之间的绝缘的一部分被桥接而 产生的放电。”局部放电可大致分为：内部放电，表面放电及电晕放电。这些放 电可以发生在气体、液体及固体介质之中。为了讨论方便可以分为正常的局部放 电和放电故障。由于常规局部放电检测方法具有放电干扰严重、标准难以制定、 测试困难的缺点。所以本文提出宽带甚高频方法，其具有可在运行条件下测试、 背景干扰小，信噪比高等优点。宽带甚高频应用测试方法分为接触法、跨接法、 耦合法三种。本章论述了不同性质放电的监测图形，及其了使用相对值危险判据 方法。强调现在与过去所测的值进行比较，从而判断出设备绝缘状况危险状况。 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理亚其结构 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 31 高压设备在线绝缘系统的总体结构 变电站高压设备危险局部放电在线监测系统包括监测主计算机与打印机，监 测探头，监视0 子站，通讯子站，通讯光缆与通讯电缆和监测软件系统。监测子站 由1 个主电路板和l 6 个插板子电路板组成。监铡探头主要用于获取放电信号并 对放电信号进行一系列的整形处理，并把整形处理后的信号经过屏蔽电缆传递给 插板子电路板，插板子电路板主要用于将监测探头取得信号传送给逻辑电路板进 行逻辑判断分析，同时负责将逻辑电路板中的比较电压门槛传送给监测探头进行 监测设备的放电量与给定电压的比较。主电路板是对监测探头整形处理后的进行 逻辑处理并把处理结果传送至上位机。每个监测探头的工作结构如图3 1 所示： 图3 】探头工作原理图 由于在实际中，此系统是由多个监测探头多个监测子站和多个通讯子站相 互组合而成的，它们的结构原理如图33 所示，实物结构图如图3 - 2 所示： 围l 。 2 # 峨l _ ；髓、_ 4 鄹，1 蚺 图32 监测装置整体实物图 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 图3 3 监测设备整体原理图 3 2 监测探头工作原理及其硬件电路 监测探头的是用来获得设备放电信号的装置，通常高压设备的绝缘放电量很 小，通常是毫伏量级的，这就要求监测探头具有较高的分辨率，能检测出微小的 放电量，并且在监测过程中要防止高压设备遭到雷击或者事故中产生的过电压损 坏监测探头，所以监测探头需要添加过电压保护器件。监测探头的具体工作原理 如下图3 4 所示： u 图3 4 监测探头原理图 当监测探头安装在高压设备上时，监测探头获取局部放电信号之后，首先经 过限压保护器件，当局部放电信号大于限压器件的允许的最高电压时，限压器件 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 将导通，过电压不会进一步的进入监测装置，达到限压保护的目的。如果局部放 电信号电压达到符合测试的要求，则通过高通滤波器滤波后进行精确的整形处 理，之后把经过整形处理之后的信号送入上级电路。 3 2 1 监测探头中高通滤波电路 在对信号作分析和处理时，常常会遇到有用的信号叠加上无用的噪声的问 题。这些噪声有的是与信号同时产生的，有的是传输过程中混入的。噪声有时会 大于有用的信号，从而淹没掉有用信号。因此，从接收到的信号中，消除或减弱 干扰噪声，就成为信号传输与处理中十分重要的问题。 滤波器作为一种选频电路，它可以使信号中的某些频率成分以固定的增益通 过，而这些频率以外的成分被极大地衰减，所以说滤波器是实现信号与干扰、噪 声分离的关键器件，是最常用的信号处理电路之一。常用的模拟滤波器可以分为 无源滤波器、有源滤波器、开关电容滤波器和集成电路滤波器 1 9 - 2 0 】。 理想的滤波器是物理上不可实现的系统。但按一定的规则构成的实际模拟滤 波器，如巴特沃兹滤波器、切贝雪夫滤波器、椭圆滤波器等，其幅频特性逼近于 理想滤波器的幅频特性，如图3 5 所示： l ，9 0 7 1 1 7 ，f a ) ，| t t ( j m j 【i 图3 5 滤波图形 f 岍 5 l l ：、，- 、：，+ 彪 c ) 由图3 - 5 ( a ) 可知巴特沃兹滤波器的通带变化非常平坦，改变滤波器的阶数还 可以改变滤波器图形中的陡度。阶数越多，陡度越大，滤波效果越好。本系统尽 量需要稳定的放电信号，所以采用巴特沃兹滤波器 2 1 。2 2 1 。为了能更好的应用巴特 ， 沃兹滤波器的稳定特性和其陡度，本系统采用了用归一方法算出参数的四阶巴特 沃兹滤波器。归一法的巴特沃兹高通滤波器电路原理为图3 - 6 ( a ) 所示； 1 6 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 6 1 8 8 l 图3 6 ( a )归一法巴特沃兹高通滤波器电路原理图 由于本系统中选用的是贴片电感，贴片电感在数值上有一些限制，最大数值 为1 0 0 u h ，所以在参数选择上需要考虑这些限制。本系统要求频率在1 0 0 k 以下 的脉冲信号基本上衰减到零，所以滤波器电路中，设计滤波器的频率为2 0 0 k 的 信号衰减为- 3 d b ，信号频率1 0 0 k 衰减为2 0 d b ，具体选择参数的过程为： 查看四阶巴特沃兹高通滤波器的图形表，确认四阶巴特沃兹高通滤波器能够 实现设计要求的陡度。规定滤波截止频率= 2 0 0 k ，根据如下公式算出数据： c o = 2 n f ( 3 1 ) ， r ， z = 一l 0 9 ( 3 2 ) 1 ( 3 3 ) 尺国 因为电感值的原因，首先要保证能有合适大小的电感，所以确保电路中最大 值的电感为1 0 0 u h ，这样计算出的数据并且考虑实际中标准元件规格得到具体参 数及其电路原理图为图3 - 6 ( b ) 。 仿真结果为 图3 - 6 ( b ) 巴特沃兹高通滤波器电路原理图 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 e 皂 旨 卜 巨y ；f e 二 声，。 0 0 0 0 m 0 5 0 0 m 1 0 0 0 l d 1 5 0 0 m 20 0 0 m2 5 0 0 m 图3 - 6 ( c ) 巴特沃兹高通滤波器滤波效果图 焊接贴片电容电阻后，输入峰值为4 v 的正弦波，不同频率下的滤波后的实 际峰值为表3 - 6 ( d ) 所示。可见基本达到了滤波效果。 表3 - 6 ( d )巴特沃兹高通滤波器滤波数据表 1 0 0 k2 0 0 k3 0 0 k4 0 0 k5 0 0 k5 0 k1 m 0 1 v2 v3 1 v3 2 v3 4 v3 7 v3 7 v 3 2 2 监测探头中信号整形电路 当放电信号经过滤波器后是一些频率超过一定范围的杂乱无章的波形。这 对于我们识别放电一点作用也没有，必须经过一定的处理变为规则或者有规律的 图形，信号处理电路的目的就是把这些杂乱无章的波形里面电压幅值超过预置电 压的信号整形成脉宽是2 u s 的方波。 本系统中，选用的信号整形电路的核心器件为c d 4 0 9 8 双单稳态触发器，它 可在电源电压3 v 1 5 v 宽范围下运行，而且精度高，对于微小的放电信号都能响 应，响应电压信号能到达毫伏级。 c d 4 0 9 8 双单稳态触发器是通过再输入引脚上的电阻和电容的相互匹配输出 特定宽度波形的。c d 4 0 9 8 双单稳态触发器产生特定的脉宽波形时，有上升沿触 发和下降沿触发两种模式，和可重复触发及不可重复触发决定脉宽的大小的两种 触发方式，而且它不是对所有的输入放电信号都能触发，只有当输入放电信号超 过一定的电压幅值时才能响应输出波形。我们把c d 4 0 9 8 双单稳态触发器这个特 定的电压幅值称为翻转电平。可重复触发及不可重复触发模式的原理如下图3 7 所示： 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 图3 - 7 ( a ) 可重触发模式 图3 - 7 ( b ) 不可重触发模式 图形中要求当放电信号上升沿到来时，整形电路输出1 5 u s 的方波。整形电 路在可重复模式下，当两个放电信号之间的间隔小于1 5 u s 时，输出脉冲信号除 了响应一个放电信号之外，而且响应最后一个放电信号，在原有的输出波形基础 上输出1 5 u s 的方波，不可重复触发模式当放电信号之间的间隔小于1 5 u s 输入 整形电路时，整形电路只响应第一个放电信号而淹没其余小于1 5 u s 的放电信号。 此监测系统中，c d 4 0 9 8 双单稳态触发器应用上升沿触发不可重触发模式， 使用1 0 k 电阻和2 2 0 p 电容的相互匹配产生2 u s 的方波。由于实际中放电信号很 小，所以需在放电输入信号上加上一个可以变化的直流偏置电压，这样当整形电 路刚刚有输出波形的时候可以用翻转电平减去直流偏置电压幅值就可以得到放 电信号的最大幅值了。 太? 翻转电端 图3 8c i m 0 9 8 工作原理图 1 9 躲冲淀形 冤响废 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 本节小结： 本节介绍了监测探头的结构及其工作原理，在安全电压幅值之内的放电信 号，经过滤波器之后，与可控的直接偏置叠加之后进入信号整形电路，如果叠加 直流偏置的放电信号能够刚刚触发c d 4 0 9 8 双单稳态触发器，则能够判断出放电 信号的幅值，进而送入上级电路进行处理。 3 3 插板电路板的工作原理及其结构 插板电路板是监测探头和逻辑电路版之间的一个桥梁，它将监测探头整形后 的信号信息传递给逻辑电路版，同时将逻辑电路板的直流偏置信号输送给监测探 头。插板电路板在排除外部放电干扰，把真实的有效信号信息传递给逻辑板电路 中也起着非常重要的作用。 插板电路板包括硬件抗干扰电路和线性光电隔离电路。硬件抗干扰电路是把 既能收到高压设备的放电信号又能收n # i - 部干扰的监测探头传递信号与只能收 到高压设备放电信号的监测探头传递信号进行逻辑处理，把干扰信号排除掉。线 性光电隔离电路的作用是把逻辑电路输出的直流偏置信号传递给监测探头并且 使得监测探头与逻辑电路失去电气的连接，只有光电的连接。 3 3 1 插板电路板中硬件抗干扰电路 为了能使监测探头和逻辑电路板能彻底的失去电气连接，从而防止了监测探 头与监测探头到逻辑电路板之间的传输线引入大的电压损坏上位机或者其他设 备。插板电路板的组成结构如下所示： ，1，1 兕壁捧爱渡 电 酴 韪 _ _ - _ j 缮 纭 够f锻计 裔 话拢髫 嚣 ，lol7 图3 - 9 插板电路结构图 攫逆鼋上他机 光电隔离模块采用6 n 1 3 7 核心器件，将监测探头和逻辑电路板电气隔离只 有光电的连接，然后把隔离后的信号用具有稳定翻转电平的触发器重新整形，这 样做的目的是防止整形后的放电信号经过光电隔离后脉冲的宽度发生改变，之后 2 0 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 同时接收对有效信号和干扰信号的插板电路与另一个只能接收干扰信号的插板 电路板传过来的信号在这里进行与非逻辑，进而在这里把外部干扰信号排除掉， 只传递有效地信号给计数器计数，由于其两中监测探头传递到排干扰电路模块时 有一定的时间差，从而有可能出现时间很短的方波，影响了计数器计数，所以还 需要把这些方波滤除掉。本系统使用电容电阻使这些时间很短的脉冲最高幅值达 不到具有稳定翻转电平的触发器的翻转电平，使稳定翻转电平的触发器不能触发 脉冲，具体情况如下图所示。在这里之所以用具有稳定翻转电平触发器整形电路 而不用c d 4 0 9 8 双单稳触发器，主要是因为c d 4 0 9 8 的翻转电平随温度和周围环 境波动的很大，而具有稳定翻转电平触发器具有很好的可靠性，基本上随温度和 时间不变【2 3 】。 2 5 v l 图3 1 0 硬件抗干扰原理图 3 3 2 插板电路板的线性光电隔离电路 传统上光电隔离的实现是由变压器及光耦合器件完成，其中变压器是用于耦 合交流信号；而光耦合器则用于直流信号的耦合。不像一般的光耦合器件， l o c l1 0 在伺服模式设计下运作，以补偿发光二极管的非线性时间及温度特性， 除此之外，l o c l l 0 能同时耦合交流及直流信号。l o c l l 0 为设计者提供可取代 大体积的变压器及非线性光耦合器件在许多应用中的一种更佳的选择。 l o c l l 0 的结构及工作原理： l o c l1 0 包含一个红外线发光二极管与两个光电三极管形成光耦合。其中的 一个光电三极管是用在伺服反馈机制上，对发光二极管的导通电流予以补偿；另 一个光电三极管是用于提供输入及输出电路间的电流隔离，其内部结构及引脚如 2 l 第三章高压设备在线绝缘监测系统硬件原理及其结构 图3 1 1 所示。l o c l l 0 有d i p 和表面贴装两种封装形式，能耦合模拟数字信号， 增益稳定性