（高电压与绝缘技术专业论文）基于labview的局部放电检测系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在分析国内外局部放电检测技术发展现状的基础上，研制了用于局部放电 检测用的电流传感器，设计了局部放电模拟信号前处理单元。实现了局部放电信号 的程控放大和程控滤波。利用l a b v m w 软件平台，设计和开发了基于虚拟仪器的 局部放电检测系统软件，可实现局部放电信号的数据采集、数据处理、数据存储、 数据二维、三维谱图分析以及生成测试报告等功能。在实验室对不同放电模型的局 部放电放电特征进行了试验分析和研究。经实验室试验研究表明，该系统能够达到 设计要求并具有一定的现场应用前景。 关键词：局部放电，程控放大，程控滤波，虚拟仪器 a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to fp a r t i a ld i s c h a r g et e c h n o l o g yo v e rt h ew o r l d ， t h ec u r r e n ts o i i s o ff o rd e t e c t i n gp a r t i a ld i s c h a r g ei sd e s i 鲷e d t h ea n a l o g ys i g n a lp r e p r o c e s s i n gu n i t f o rp a r t i a ld i s c h a r g ei sd e v e l o p e d ，a n dt h e yc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fp r o g r a m m a b l e a m p l i f y i n g ，p r o g r a m m a b l ef i l t e r i n g as o f t w a r em e a s u r i n gs y s t e mf o rp a r t i a ld i s c h a r g e b a s e do nl a b v i e wp l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h es o f t w a r ec a na c h i e v et h ef u n c t i o no fd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t at r e a t m e n t , d a t as t o r a g e ，t w o - d i m e n s i o n o rt h r e e - d i m e n s i o na n a s ， g e n e r a t i n gt e s tr e p o r t sa n ds oo n i n 也el a b o r a t o r y t h ea t t e n u a t i o na n dp r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l si nt y p i c a ld i s c h a r g em o d e l sa r es t u d i e da n d r e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r ys h o w e dt h a tt h es y s t e mc a nr e a c ht h e r e q u i r e m e n ta n dh a sap o t e n t i a la p p l y i n gp r o s p e c t d i n gy u j i a n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，p r o g r a m m a b l ea m p l i f i c a t i o n ，p r o g r a m m a b l e f i l t r a t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l a b v i e w 的局部放电检测 系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或 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。 学位论文作者签名：工垂剑 日期：2 翌盟：! ! ! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：型 日 期：2 回：3 。必 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 在电气设备中，绝缘体各区域承受的电场一般是不均匀的，而且电介质也是不 均匀的。于是在绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电场强度高于平均电场强 度。当局部区域的电场强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电， 而其他区域仍然保持绝缘的特性，这就形成了局部放电【”。局部放电会逐渐腐蚀、 损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘体击穿，因此局部放电是 高压电气设备绝缘击穿的重要前期征兆。近年来，局部放电检测技术越来越引起人 们的重视，产品不但出厂时要做局部放电试验，而且在设备交接和预防性试验中还 要经常进行测量i “j 。 目前广泛使用的局部放电检测设备大都采用脉冲电流法的测试原理。这些局部 放电检测设备基于模拟信号处理技术，所有功能均依靠硬件电路来完成，一般体积 较大。功能较为单一，特别是在强烈干扰的环境下测量效果差【l 】。此外，测量所得 到的谱图需要技术人员根据经验进行判别，有时放电量大小由目测决定，所得结果 准确性不高，且无法对数据进行记录与复现。更为重要的一点是，局部放电是一种 随机信号，为了分析其统计规律，需对数量庞大的数据进行处理。而对于这一点， 传统的局放检测系统显然是无能为力的。随着数字化测量和计算机技术的飞速发 展，针对上述问题人们开始研究数字化局部放电检测系统。近年来，涌现出许多性 能优秀的数字式局部放电检测仪，它们在原模拟式局放检测系统的基础上，实现了 局部放电脉冲信号的数字化测量。现有的数字化测量系统在很大程度上克服了模拟 式检测仪所存在的问题，但依然存在着不足，如分析能力弱、无故障模式诊断能力、 功能不能根据用户需要定制等问题，不能够很好的满足实际局部放电检测的要求。 随着计算机术、仪器和信息技术的迅速发展，产生了里程碑意义的新一代仪器 一虚拟仪器，它以计算机作为仪器统一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存 储、回放、调用和显示以及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化 功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外 观到功能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪 器系统【5 ，6 1 。基于虚拟仪器的局部放电检测系统，它改变了传统局部放电检测仪器的 测量模式，将现有的计算机主流技术与虚拟仪器软件和高性能模块化硬件结合在一 起，建立起基于计算机硬件平台的测量与控制系统来替代传统仪器。基于虚拟仪器 的测量与控制系统具有开放性、灵活性、易扩展性、开发周期短等优点。因此将虚 拟仪器技术应用于局部放电检测，具有重要的理论意义以及实际意义。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 局部放电研究现状 1 2 1 局部放电检测的研究现状 随着电力系统电压的等级提高，局部放电已经成为电力设备绝缘劣化的重要原 因。因此，无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都愈来愈关心局 放检测技术的发展。在近年来发展迅速的在线检测和绝缘诊断技术中，局部放电测 量被公认为一种重要的检测方法。局部放电过程中会产生各种电现象如电脉冲、电 磁辐射，并伴随有电荷的转移和电能的损耗，同时也会产生各种非电的信息，如产 生超声波、发光、发热以及产生一些新的生成物。变压器局部放电检测按检测的物 理量性质分为电测法和非电测法，根据局部放电过程中所产生的各种放电现象，相 应的有脉冲电流法、超声波检测法、化学检测法、超高频法、射频检测法等检测方 法【7 1 。 ( 1 ) 脉冲电流法【8 】：脉冲电流法是通过检测阻抗来检测局部放电引起的脉冲电 流信号，从而获得局部放电的基本信息，如视在放电量、放电次数以及放电相位。 脉冲电流法是研究最早，应用最广泛的一种检测方法，i e c 和我国均对此制定了专 门的检测标准，该方法的优点在于灵敏度高，可定量测量局部放电的特征参数。但 由于其受电磁干扰严重，在现场提取电脉冲信号困难，尚未做到在线检测。检测变 压器局部放电脉冲的电流传感器通常用r o g o w s k i 线圈制成，与被测变压器仅有磁 耦合，而无电气连接。电流传感器按频带分为窄带和宽带两种，窄带传感器频率一 般在1 0 k h z 左右，中心频率在2 0 3 0 k h z 之间或更高，具有灵敏度高，抗干扰性强 等优点，但输出波形严重畸交；宽带传感器带宽为l o o k h z 左右或更宽，中心频率 在2 0 0 4 0 0 k h z 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。脉冲电流法是目前 国际上唯一有定量标准的局部放电检测方法，尽管测量频率低、频带窄、信息量少， 但依据i e c 6 0 2 7 0 标准进行测量，所得数据具有可比性，目前是不可替代的。 ( 2 ) 超声波检测法【9 】：在电力变压器内部发生放电时，会伴随有超声波能量的 放出，超声波检测法是通过固定在电气设备表面的超声波传感器接收其内部局部放 电产生的超声波信号，其优点在于可避免电磁干扰的影响，便于空间定位，易于实 现在线检测，缺点是放电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的，超声信号 常常因为多种因素影响而失真( 如传播途径、频率、速度相关特性以及不同介质中 的传播衰减等) 。 ( 3 ) 化学检测法：局部放电可导致绝缘材料分解产生新的生成物，通过检测 生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态1 7 j 。局部放电产生的生成物一气体 主要包括c 2 h 4 ，c h 4 ，h 2 ，c 0 2 ，c 2 h 2 等，放电产生的气体与放电能量是紧密相关 的。油色谱分析可定期进行油中的气体分析，也可进行在线的对特定气体浓度的在 2 华北电力大学硕士学位论文 线监测。 ( 4 ) 超高频局部放电检测技术近年来得到了较快的发展，在一些电力设备( 如 g i s 、电机、电缆、变压器) 的检测中已经得到应用【9 j 。超高频局放检测利用局部放 电所产生的超高频信号( 3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 电信号，实现局部放电的检测和定位，并 实现抗干扰。超高频局放检测可以通过检测远高于传统测量频率的局放信号来对电 力设备进行诊断，消除干扰的影响，从而实现局放脉冲信号精确提取。利用超高频 法研究局部放电，克服了传统的脉冲电流法测量频率低、频带窄的缺点，可以较全 面地研究局部放电的本征特征。尽管近年来对局部放电进行超高频检测还处于初步 探索阶段，但由于它的一系列潜在的显著优点，因而在局放检测( 特别是在线检测) 中将有广阔前景。 ( 5 ) 射频检测法：其基本原理是利用r o g o w s k i 线圈从变压器的中性点处提取 信号，信号检测频率可达3 0 m h z 。射频检测法具有测试系统安装方便，检测设备不 改变电力系统的运行方式等优点1 9 】，但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局 部放电信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干扰。 1 2 2 局部放电测试仪发展现状 脉冲电流法作为目前应用最广泛最成熟的方法。基于脉冲电流法的局部放电检 测装置其基本原理大致相同，除检测阻抗外，还包括放大单元、显示单元、椭圆时 基发生器、时间窗、放电量表等。目前，国内外有多家公司出品的局部放电检测仪 可供选择【3 】。国外产品中使用较多的有，德国的l d s 6 局部放电检测系统，英国 r o b i n s o n 公司的m o d e l 系列，瑞士t e t t e x 公司的9 1 2 0 系列。国内有代表性的产品 为武汉无线电仪器厂的j f d 3 ，上海电动工具研究所j f 8 0 0 0 系列等。这些仪器在 电路设计、抗干扰性能、检测参量、仪器结构等方面各有特点，但基本原理和性能 是相似的。 l d s 6 参照i e c 2 7 0 标准，测量范围为l p c 1 0 0 0 0 0 p c ，不仅可用于产品质量控 制，同样也适用于局部放电的基础研究。l d s - 6 采用计算机系统似实现局部放电数 据的采集、存贮、分析和后期处理，它在采集局放信号的同时还可以对试验电压的 采样，其硬件设置完全由软件控制。l d s - 6 带有专家系统，能够实现绝缘故障的自 动识别和统计评估。根据试验时保存的试验数据，l d s 6 还可绘出放电量与相位、 放电量与放电次数、放电量与实验电压等各种二维、三维谱图，这样就极大的方便 了后期的分析和研究工作的进行。 瑞士t e r 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，它可以测量视在放电量g 、平均放电电流 平方率d 及重复率一等多种局 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 h z - 2 m h z ) 的特点，可较有效避开干扰。但此时脉冲分辨 3 华北电力大学硕士学位论文 率很差。9 1 2 0 系列机内自带校正脉冲发生器，既可以间接校正，也可以直接校正。 武汉产j f d 3 测试仪的检测阻抗为l c r 型，其前置放大器的输入级是勒让德滤 波器，它也是一种带通滤波器。共有3 个，各对应选择3 个频带。它的放大器增益 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 h z ) ，可作互感器、变压器的局部放电试验。 上海电动工具研究所研制的j f 一8 6 0 1 干扰判别式局部放电检测仪具有干扰判别 逻辑功能，并能测量放电重复率珂，并且适于携带。是一种可在现场使用，也适于 科研工作的局部放电测试仪。其干扰判别逻辑的出发点在于：稳定的局部放电一般 都达到一定的放电量，并且重复地发生在一定的相位区间内，而杂散干扰一般不符 合这个规律。结合时间窗使用时，除幅值条件、重复性条件外，又增加了相位区间 条件，故抗干扰效果更好。 随着电子技术、计算机技术和信号处理技术的不断进步，新型的局部放电检测 仪将会被不断地推出，如前所述，它们一方面保留了传统局部放电检测仪的功能和 灵敏度，另一方面它们还将在抗干扰技术、故障智能诊断与识别方面不断突破。 1 3 虚拟仪器概述 1 3 1 虚拟仪器的概念和构成 虚拟仪器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是检测与计算机技术和通信技术有机结合 的产物。虚拟仪器的概念是美国国家仪器( n i ，n a t i o n f li n s t r u m e n t ) 公司于1 9 8 6 年提出的。对虚拟仪器概念的描述有很多种。总的来说虚拟仪器是指在通用计算机 上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的 仪器一样【5 1 。 虚拟仪器利用计算机的显示功能模拟真实仪器的显示面板，以多种形式表达输 出检测结果。虚拟仪器又利用计算机软件功能实现信号的运算、分析、处理，由i o 接口设备( 卡) 完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能，形成了一 种基于计算机的仪器系统。 虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念，从而使虚拟 仪器具有很强的灵活性。用户在使用过程种可以根据需要添加或删除仪器功能，以 满足各种需要和各种环境，并且能够充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传 4 华北电力大学硕士学位论文 统仪器在数据处理、表达、传递、存储方面的限制。 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分：一部分是计算机，一般为一台p c 或者工 作站，它是硬件平台的核心；另一部分是i o 接口设备，主要完成被测输入信号的 采集、放大、a d 转换、控制信号输入输出以及i o 接口设备状态判断信号等。可 以根据实际情况采用不同的i o 接口设备( 卡) ，如数据采集卡( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、p x i 总线仪器模块、串口仪器等。 虚拟仪器从硬件结构上讲，已经完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是在 计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。以下对虚 拟仪器的几种主要构成方式做简要介绍： p c d a q 系统：以数据采集卡、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的 插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或者i s a 计算机本身的总线，所以这种系统只要把 数据采集卡插入计算机的p c i 或者i s a 总线的空槽内即可。 g p i b 系统：以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测 试系统。它是h p 公司在7 0 年代推出的台式仪器接口总线。其传输速率一般低于 5 0 0 k b s v x i 系统：以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器 测试系统。 p x i 系统：以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器 测试系统。p x i 兼容c o m p a e t p c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、 湿度、振动和冲击试验) 等要求。这样一来，可以保证多厂商产品的操作性和系统 的易集成性。 串行接口系统：以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。 虚拟仪器软件由两大部分构成。一部分是应用程序，主要实现虚拟面板功能的 前面板软件程序：另一部分为i o 接口仪器驱动程序，这类程序用来完成特定外部 硬件设备的扩展、驱动与通信。 开发虚拟仪器，必须由合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工 具。其中包括c 、v i s u a lc 十+ 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v e 等文本式编程语言， 以及l a b v i e w 、a g i l e n tv e e 等的图形化编程语言。这些开发工具为我们设计虚拟 仪器应用软件提供了良好的开发环境。目前n i 等公司推出了应用网络进行远程测 试的软件开发工具。 1 3 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比，具有如下优点l ： 5 华北电力大学硕士学位论文 - ( 1 ) 性价比高虚拟仪器的价格一般是同类功能的传统仪器的五分之一到十 分之一，而且可以重复利用，技术更新快( 一般为1 2 年) 。 ( 2 ) 开放系统。用户可根据需要组成仪器或系统，甚至不用更改任何硬件， 只需应用相应的软件模块即可构成新的虚拟仪器。这样一改传统仪器的各项功能由 厂商定义的局限性，因此用户具有更大的灵活性。 ( 3 ) 智能化高。计算机强大的分析、计算和逻辑判断能力，可以在其上建立 一套智能专家系统，对于数据则可以编辑、存储、打印，在完善的数据库基础上， 还可以实现数据的检索与分析。 ( 4 ) 界面友好，使用简便。在基于视窗技术的虚拟仪器面板上，用户通过鼠 标即可完成所有功能，人机界面十分友好。测量结果可通过显示器直观地显示出来。 ( 5 ) 具备网络功能。虚拟仪器是面向应用的系统结构，可方便的与网络、外 设以及其它应用相联系。 ( 6 ) 误差的减小。在虚拟仪器的钡4 量过程中，减少了硬件的使用，因而减小 了误差。 正是因为虚拟仪器具有的以上特点，使其在工程实际中得到越来越广泛的应 用。国际上，虚拟仪器早已步入实用阶段，我国虚拟仪器的应用刚刚起步，但发展 迅速，具有良好的发展前景。 1 3 3 虚拟仪器的开发工具 目前在我国应用的虚拟仪器开发平台主要有美国n i 公司的l a b v i e w 及其相应 组件和a g i l e n t 公司的h p - v e e 。其中n i 的l a b v i e w 系列产品在我国使用比较广泛。 l a b v i e w 是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，它适用于多种操作 系统，用l a b v i e w 设计的虚拟仪器程序可以脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看 见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了便 捷、轻松的设计环境，设计者可利用它方便快捷的建立自己的虚拟仪器程序而无需 复杂的程序代码的编写 1 2 , 1 3 】。 采用l a b v i e w 开发虚拟仪器时，程序包括以下几个部分p 】( 如图1 1 所示) ： 图1 - 1l a b v i e w 平台编程结构 用户界面：在利用l a b v i e w 编程时，编程的面板被称为虚拟仪器的后面板， 6 华北电力大学硕士学位论文 当在后面板上用图标和连线编写程序时，虚拟仪器的用户界面同时在另一个面板上 生成，这一面板被称为前面板。通过用户界面，使用者就可以方便地操作虚拟仪器， 而不管这台虚拟仪器的内部程序是如何实现的。 数据采集：虚拟仪器数据的来源可以是外部独立的仪器或即插即用的数据采集 卡。l a b v i e w 在数据采集方面提供了控制g p i b 、r s 2 3 2 、v i x 以及n i 公司生产 的各种数据采集卡的函数。但是有时l a b v i e w 不能调用一些数据采集卡或通信卡 的函数，这只能使用一些高级语言( 如c + + 、v i s u a lc + 十等) 对这些数据采集卡或 通信卡的函数进行封装之后才能调用。 硬件驱动：用软件控制硬件必须有相应的硬件驱动程序。 数据分析：完成数据采集后，通常还需要对数据进行分析和处理。数据分析通 常包括数据的信号处理、统计、曲线拟合等。 程序控制：程序控制使数据采集、数据分析与用户界面保持一致。它包括管理 程序执行流程的控制逻辑与用户定义的功能函数。 1 4 本文的主要工作 本文的主要任务是研发一套基于虚拟仪器的局部放电检测系统，并结合虚拟仪 器的强大功能，提高局部放电检测的测试质量和绝缘故障诊断水平。本文的主要工 作如下： ( 1 ) 研制基于脉冲电流法原理的局部放电检测硬件系统，主要包括高频脉冲 电流传感器的研制，前鹭放大滤波单元的研制，数据采集单元的设计等。该系统要 求具有较高的检测灵敏度，并具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力。 ( 2 ) 基于l a b v i e w 平台设计局部放电检测软件系统。主要包括数据采集单元、 数据处理单元、数据存储单元、谱图分析单元( 包括二维谱图分析、三维谱图分析) ， 测试报告生成等。能实现数据采集、数据预处理、数据存储，信号谱图分析和生成 测试报告等功能。针对现场的各种不同的干扰，研究采用不同的抗干扰方法进行抑 制并开发一套基于虚拟仪器的变压器局部放电在线监测抗干扰软件包，该抗干扰软 件包具有较强的抗干扰能力并通过仿真和实验验证。 ( 3 ) 设计并制作局部放电的典型放电模型，并通过对典型放电类型放电特征 的研究，以及基于放电特征的模式识别研究，提出适合局部放电检测的故障模式识 别方法。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于l a b v i e w 的局部放电检测系统的硬件构成 本文基于l a b v i e w 软件平台研制了一套局部放电检铡系统。本章介绍系统的 硬件结构，系统的整体结构如图2 1 所示。 图2 - 1 局部放电检测系统原理图 系统检测频带范围为1 0 k h z - 5 m h z 。如图所示，电气设备上的局部放电信号经 过电流传感器耦合后送入程控放大滤波单元，经过放大滤波处理后送入数据采集卡 进行数据采集。经过采集卡处理后的数字信号送入计算机，利用计算机的软件实现 局部放电信息的处理、存储、分析、生成测试报告等。计算机对程控放大滤波单元 的控制通过数字i o 卡实现。采集工频信号以便得到放电信号的相位信息。 2 1 传感器的设计 局部放电检测传感器主要作用是取得局部放电所产生的高频脉冲信号。对试验 电压的工频及其谐波的低频信号则予以抑制。本文的高频电流传感器由r o g o w s k i 线圈构成。 2 1 。1r o g o w s k i 线圈测量电流原理【1 4 1 r o g o w s k i 线圈是利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流。其 结构原理示意图如图2 2 所示： 图2 - 2r o g o w s k i 线圈测量电流原理 华北电力大学硕士学位论文 由于r o g o w s k i 线圈利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流， 所以被测电流本身不流经线圈，这就保证了在不改变高压回路结构的基础上，实现 了高频脉冲电流的测量，并且整个测量线路和高压回路是绝缘的。在次侧流过一 随时间变化的电流f ( f ) 时，就会在周围产生一个随时间变化的磁场b 。在假设线圈每 匝中心线与导线中心线的距离为，对于一共有玎匝线圈，每匝面积都为j ，由安培 环路定理磁场强度日有如下关系： f 删= ， b = 国 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可以得到一次侧电流与此感应强度的关系： b p ：a c t _ _ 2 2 刀 又由二次侧感应电压与感应磁场的关系为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) e o ) ：邶i d b ( 2 4 ) 于是有： p ( 1 ：翌型盟：md ( o( 2 5 ) 2 册d t d ( f ) 其中m ：竽为测量线圈与高压回路的互感系数。 由以上分析可缛知在测量线圈上的到的感应电压与一次侧电流的微分成正比， 所以在信号测量端前加一积分回路，就可以使最终测得的电压信号与一次侧电流成 正比。当线圈结构一定并满足上述条件是具有如下特性【1 5 】：a r o g o w s k i 线圈只与其 限定面所穿过的载流导体存在互感b r o g o w s k i 线圈与穿过其限定面的载流导体之 间的互感为一常量，与该载流导体穿过限定面的位置无关。 2 1 2 传感器等效回路 根据加入的积分环节的不同，r o g o w s k i 线圈可以构成两种不同类型的传感器： 外积分型与内积分型。其中外积分型适用于低频大电流的情况，由于本文需要测量 的是高频脉冲电流因此选用内积分回路的传感器。 在绕制时采用回线法，可以进一步有效的去除干扰的影响。所得传感器模型如 图2 - 3 所示：其中g 是浪涌保护器，r 是积分电阻，c 是杂散电容 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 传感器模型示意图 由传感器模型，可得如下简化电路原理图： 图2 - 4 传感器等效电路 u ( t ) f j ( o 是原边电流，e ( f ) 是线圈二次侧感应电压，i 2 ( r ) 是二次侧电流，l 是线圈自 感，m 是线圈互感，绕线自身电阻，震是积分电阻，c 是杂散电容，矾f ) 是积分电 阻上的输出电压。 线圈参数计算公式1 1 6 】： 三：z 孚 l m ：三 买中，是线嘲计算磁路长厦，n 是线圈匝数，由等效电路司得： e ( f ) = 上百d ( i 2 ) + ( ，+ 观 因为线圈电阻和取样电阻r 都比较小，所以当满足 工堕 ( r + r ) f 2 dt 、7 条件时有： = 工警 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 、，r、1)r、 十 一 华北电力大学硕士学位论文 由( 5 ) 和( 9 ) 可进一步得到尺上的输出电压： 甜( ，) 。嚣。k ( 2 - 1 1 ) p k = 会为灵敏度系数。 因为传感器用于高频测量，所以分析其幅频特性时要考虑杂散电容的影响，传 感器的传递函数为： 肿等r 耻s _ 鬻 因为1 1 r r - c 所以最后得： 日( s ) 2 面r 磊蕊s 上 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 酬2 丙r 丽1 ( 2 - 上限频率： 以。壶( 2 - 1 5 ) 下限频率： ：磐 ( 2 1 6 ) 办2 瓦 z 。 2 1 。3 传感器参数的确定 本文所取的铁芯是软磁材料坡莫合金，横截面为矩形，其尺寸为：高h = 1 5 m m ， 宽o = 3 m m ；线圈外径r l = 8 5 r a m ，内径r 2 = 7 m m ；所以计算磁路为： ，r l + r 2 7 7 5 聊所 ( 2 1 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 a = 3 m m l j ， h = 1 卜 i m m 图2 - 5 线圈尺寸结构图 线圈用直径西= o 5 m m 的铜线绕制而成。由( 2 - 6 ) 式可得线圈自感l = 2 1 m h 。 因为传感器灵敏度系数k 与取样电阻r 成正比，与线圈匝数成反比，所以r 应该大 一些，而匝数应小一些，但是当匝数太少时不利于电流的耦合，因此考虑以上情况， 经过试验验证取匝数n = 3 0 匝，取样电阻r = 3 0 0 q 。 又因为该传感器需要的上限频率是5 m h z ，为了满足这个条件，依靠线圈本身 的杂散电容不能满足要求，因此在取样电阻上外并了1 0 0 p f 的电容。 传感器各项参数确定以后，首先用m a t l a b 对式( 2 - 1 2 ) 进行仿真，所得幅频特 性图如下： 侍癌嚣幡蜘特性 2 1 4 传感器特性测量 ( 1 ) 幅频特性的测量 图2 - 6 传感器幅频特性仿真图 1 2 翌善z牙l馨 _ ； 华北电力大学硕士学位论文 本文主要是用制作的传感器对高频微小电流的测量，因此用h p 3 3 1 2 0 a 函数发 生器任意波形发生器和h p 5 4 6 x 示波器对传感器的频域特性和线性度进行了测量。 传感器一次侧用波形发生器输出电缆串接一5 0 n 的无感匹配电阻。所测得的幅 频特性如下图所示： “ 传蓐器幅额特性 图2 - 7 实际测量与仿真图形的比较 图中，虚线部分是测量所得的图形，由图中可以看出，测量和仿真的图形在 1 0 k h z 以后的高频部分是非常吻合的，两者在上下限频率处也是基本相等的。 ( 2 ) 传感器线性度分析 当频率稳定在 图2 - 8 传感器线性度曲线 由图中可以看出，当传感器处于工作频带时具有良好的线性度。 1 3 兰善z牙亚蒜馨 华北电力大学硕士学位论文 2 2 前置程控放大滤波单元的设计 前置放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行a d 转换处理。由 于传感器输出信号变化幅度很大，传感器所处的环境条件，噪声对传感器的影响也 不一样。因此所采用的放大电路的形式和性能指标也不相同。另外随着集成电路技 术的发展完全采用分立元件的信号放大电路已经基本被淘汰。集成放大器的性能不 断完善，且价格不断降低，目前应用的主要是应用集成运算放大器组成的各种形式 的放大电路，或专门设计制成的具有某些性能的单片集成放大器。在集成运算放大 器的应用中，通常传感器输出的信号是微弱的，而且电路之间的连接具有一定的距 离。传感器有阻抗，电缆也有阻抗，这些阻抗和放大电路等产生的噪声，以及环境 噪声都会对放大电路造成干扰，影响它的正常工作。因此对在信号测量中的放大器 提出了以下要求： 测量放大电路的输入阻抗与传感器的输出阻抗相匹配； 稳定的程控可调的放大倍数； 低噪声； 低的输入失调电压和失调电路，以及低的漂移； 足够的带宽和转换速率，以保证无畸变的放大信号； 高的共模输入范围和高共模抑止比。 由以上可知，在信号测量中对信号放大器的要求是比较苛刻的，需要用高性能 放大器。 目前，局部放电在线监测系统大部分基于脉冲电流法。从电流传感器输出的局 部放电信号往往十分微弱( m v 级) ，并且具有较大的分散性，所以在进入a d 采 样前必须放大并能程控调节，才能对局放信号有效的放大。另外局部放电信号是一 种上升沿很陡、持续时间很短、带宽很宽的脉冲型信号，为了确保预处理电路抓住 局放信号主要部分的能量，要求处理电路必须有足够的带宽。 为了抑制高频和低频的噪声干扰，带通滤波器的设计也是必要的。针对现场干 扰信号频带不同的特点，设计可程控的不同通带的带通滤波器将起到很好的效果。 如果模拟信号预处理环节设计不合理将会对局部放电信号造成较大的畸变，不利于 信号的后续处理及故障诊断。所以，设计性能优良用于局部放电信号放大和滤波的 硬件电路很有必要。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 屏蔽盒 图2 - 9 程控放大滤波单元系统结构图 本设计输入部分用高速电压反馈型运放o p a 6 4 2 作跟随器以提高输入阻抗，程 控放大部分采用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器a d 6 0 3 来提高增 益控制范围，采用两级放大器级联的方式，增益控制范围为：0 6 0 d b ，通频带为 1 0 k h z 2 0 m h z ，并通过软件补偿的方式提高增益控制的精度；程控滤波部分采用贝 塞尔带通滤波器，针对不同的变压器局放信号可能有不同频段的强烈干扰，为了保 证能灵活抑制不同频段的干扰，并且能够抓住局放信号的主要能量部分，程控部分 分为4 个通带可程控选择。控制部分由工控机控制数字i o 卡各端口的电平的高低， 实现给d a 转换器赋值以得到精确的增益控制电压与选择满足测量要求的带宽的滤 波器。并采用多种抗干扰措施减少噪声并抑制高频自激。 2 2 1 程控放大滤波单元的整体结构和特性 程控放大单元的整体结构如图2 1 0 所示，主要包括：前置电压跟随电路，第一 级放大电路，程控滤波电路，第二级放大电路，自动增益控制电路，滤波带宽选择 电路，数字i o 卡等部分组成。前置电压跟随电路提高了输入阻抗。两级放大电路 采用压控可变增益放大器，增益调节范围为0 6 0 d b ，增益控制电压由数字i 0 卡通 过d a 转换器输出，滤波频带的选择由数字i 0 卡控制多路模拟转换开关选择。设 计出的程控放大滤波单元，具有以下特性： ( 1 ) 控制灵活，增益2 0 6 0 d b 连续可调，模拟滤波器的带宽分4 档可调； ( 2 ) 增益控制电压由1 0 位d a 转换器输出，提高了增益控制的精度； 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 所有的数字量均由计算机的数字i o 卡来提供，使设计的单元简单可靠。 2 2 2 输入缓冲和可控增益放大电路的设计 采用集成可变增益放大器a d 6 0 3 作增益控制，a d 6 0 3 是一款低噪声，精密控 制的可变增益放大器，温度稳定性高，增益与控制电压成线性关系，可方便的使用 d a 输出电压控制放大器的增益1 1 7 j 。由于a d 6 0 3 的输入电阻只有1 0 0 q ，为了提高 电路的输入阻抗，以减小对信号源的影响，必须加输入缓冲部分以提高输入阻抗， 另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。在这里采用高速 低嗓声电压反馈型运放o p a 6 4 2 作前级跟随，电路图如图2 - t 0 所示。 图2 1 0 输入缓冲和压控增益电路的设计 输入信号先用电阻衰减，再由低噪声高速运放o p a 6 4 2 放大。整体上还是一个 跟随器，二极管可以保护输入到o p a 6 4 2 的电压峰峰值不超过其极限( 2 v ) 。输入 输出端1 ：3 由同轴电缆连接，防止自激。级间耦合采用0 1 心瓷片电容，可以滤除低 频信号。 增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地盒就近节的方法避免自激，该 部分采用a d 6 0 3 最典型的接法中通频带最宽的一种，通频带为1 0 , - , + 3 0 d b ，输入控 制电压u 的范围为o 5 v , - , + 0 5 v 。增益和控制电压的关系为： 如= 4 0 x u + 1 0 d b ( 2 - 1 8 ) 使用两级串联，增益范围为 4 = 4 0 x 配+ 4 0 + 2 0 d b ( 2 - 1 9 ) 增益范围是2 0 , - , + 6 0 d b 2 2 3 增益控制部分的设计 增益控制部分的基本思路是由计算机上的数字i o 卡，由计算机数字程控，经 过d a 转换产生控制输出电压，来控制放大芯片a d 6 0 3 的增益，其原理如图2 1 1 所示，数字i o 卡通过7 4 l s 3 7 3 给a d 7 5 2 0 赋值，电阻勘用于调节a d 7 5 2 0 的参考 1 6 华北电力大学硕士学位论文 电压，从而由a m p l 得到d a 结果，再由a m p 2 幅度搬移至放大器所需的控制电压 o 5 v - - , + 0 5 v 之阀，提供给a d 6 0 3 。 r 0 图2 - 1 1 增益控制部分电路设计 2 2 。4 程控滤波部分的实现 出 所设计的滤波器带宽为1 0 k - - , 5 0 0 k h z 、1 0 k - 1 m h z 、1 0 k - 2 5 m h z 、1 0 k - 5 m h z 等 4 个通带不同的带通滤波器，当上截止频率与下截止频率之比等于或超过2 时，则 可认为该带通滤波器是宽带型的，从滤波器的指标上可以划分为单独的低通和高通 技术条件。然后通过级连有源高通和低通滤波器达到带通滤波器的条件【l9 1 ，根据上 述宽带滤波器的定义，本采集系统中的滤波器都属于宽带型的，因此在电路结构上 采用了高通滤波器和低通滤波器级联的方式来组成带通滤波器，采用这种方法设计 的滤波器具有通带内幅频特性曲线较平坦的优点。由于系统的最高截止频率确定为 5 m h z ，为了尽可能的减少采集系统的频谱混叠则要求要求输入信号的频率到达 2 0 m h z 时要基本衰减完毕，通过查阅滤波器的设计手册知5 阶贝塞尔滤波器在 2 0 m h z 时衰减到达了4 0 d b ，因此低通滤波器的阶数采用了5 阶，这样不仅保证信 号在2 0 m h z 左右衰减完毕，还使得电路的结构比较简单，便于调试，高通滤波器 1 7 华北电力大学硕士学位论文 则采用了3 阶电路构成，电路原理图如2 1 2 所示。 图2 1 2 带通滤波器电路原理图 孵 为了适应现场不同的需要，滤波器的带宽应该是可调的，实现带宽的调节一般 有两种思路，一种是采用多路模拟开关或数字电位器来调节电路中的电阻、电容值， 以改变滤波器的上下截止频率和中心频率，但由于实际电路中的电阻和电容个数较 多，采用这种方法来控制必然导致电路结构的复杂，并且如果电阻或电容的值设定 不精确，还会导致滤波器性能的下降。鉴于以上方法的不足之处，本系统采用如下 思路来实现程控滤波：分别设计几组不同带宽的贝塞尔型带通滤波器，利用模拟滤 波器c d 4 0 5 1 来选择其中的一组滤波器导通以达到改变滤波器带宽的目的，相应的 原理框图如图2 - 1 3 所示。i o 口的数字信号由数字i o 卡供给。 图2 1 3 程控带通滤波电路原理图 1 8 华北电力大学硕士学位论文 2 _ 2 5 抗干扰措施 系统前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达6 0 d b ，电路最高频率在5 m h z ， 因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。本文主要采取了以下措 施避免自激和减少噪声： ( 1 ) 将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级问干扰和高频自激： ( 2 ) 电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功率输出级采用隔离供电， 各部分电源通过电感隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1 0 0 c i 心电解电容，盒 内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激； ( 3 ) 所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降； ( 4 ) 构建闭路环。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信 号减少噪声。在增益控制部分和程控滤波部分也都采用了这种方法 ( 5 ) 数模隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信 号用电感隔离； ( 6 ) 使用同轴电缆，输入级和输出级使用b n c 接头，传感器与程控放大滤波 输入，程控放大滤波输出与数据采集卡之间用同轴电缆连接。 采用此设计方案设计的硬件电路集成度高，设计简单，易于调试，增益控制精 度高。经过实验室测试，对分散性较大的局放信号能有效放大，灵敏度高，并能有 效抑制高频和低频噪声，通过选择不同通带的滤波器，对特定频段的噪声也有较好 的抑制效果，信号畸变小，设计方案满足局部放电测量的要求。 2 3 数字i ，o 控制部分 在本系统中，数字i o 卡的功能主要是给前置的程控放大滤波提供数字信号。 由前面的分析可知，程控放大部分是数字i o 卡由锁存器7 4 l s 3 7 3 给d a 转换器赋 值，在此处，需要9 个通道的数字信号，程控放大由两级组成，所以共需要1 8 路 数字信号。程控滤波部分是数字i o 卡由锁存器7 4 l s 3 7 3 给多路模拟开关c d 4 0