（高电压与绝缘技术专业论文）基于光纤电流传感器的局部放电检测方法研究.pdf

中文摘要 局部放电在线检测可以及时反映电力设备绝缘老化情况，是状态监测和故障 诊断的重要手段。但是，由于现场强烈的电磁干扰严重影响传感器的灵敏度和检 测的可靠性，高性能的传感器研制始终是局放在线检测研究中的一个重要课题。 光学检测方法抗干扰能力强，绝缘性能好，灵敏度高，对于局放在线检测的研究 意义重大。 本文提出将根据f a r a d a y 磁光效应原理研制的光纤电流传感器应用于局放检 测，以光信号为检测量，为局部放电光学检测方法奠定了基础。分析了不同类型 光纤电流传感器的特点，利用琼斯矩阵法对光纤电流传感器的偏振光系统进行研 究，给出了不同状态偏振光的归一化琼斯矢量，对本文涉及的光学器件推导了相 应的j o n e s 矩阵，最终建立了光纤电流传感器的数学模型。 研制出有效带宽为3 0 0m h z 的全光纤结构光纤电流传感器，设计了相关的 信号处理电路；采用双螺线管结构提高传感器灵敏度，螺线管形状的通电导体和 光路之间的相对位置关系发生变化不会影响检测结果；分析了它的频率响应特 性、抗干扰特性和光路损耗特性，与传统光纤电流传感器相比，该检测系统频率 响应范围宽，灵敏度高。当传感器采用全光纤闭合结构光路设计并满足安培环路 定律时，其抗电磁干扰性能最优。 介绍了线性双折射特性和产生的各种原因；分析了线性双折射对于系统的影 响，认为线性双折射是光纤电流传感器检测中影响系统测量误差的主要因素，随 着线性双折射的增加，系统灵敏度下降，如果系统没有线性双折射，则其它误差 源的影响将容易预测和处理，并探讨了消除线性双折射的可行措施。 建立了局部放电实验系统及尖板放电、板板放电、内部放电、沿面放电和悬 浮放电五种典型局放模型，通过本文研制的光纤电流传感器采集了各种局部放电 信号，实验结果说明在强干扰环境下与其他方法相比较，基于光纤电流传感器的 局部放电检测具有抗干扰能力强、绝缘特性好和响应速度快等特点。 恰当地提取特征参数是进行局部放电进行模式识别的关键环节，将光纤电流 传感器采集到的局部放电时域信号转换为三维时频谱图，全面表征了局放信号的 时间分量、频率分量和放电能量的分布，提取的特征参数同时反映了原始信号的 时频特征，各分量之间互不干扰，所以更加准确。 本文采用基于非线性理论的分形盒子维数和空缺率描述复杂的时频表面，提 取出局部放电三维时频谱图的时频特征参数，以描述时频谱图峰值处的陡度和下 降沿的变化趋势，简化了特征向量的维数。基于时频分析方法的分形理论和b p 神经网络可有效识别不同类型的局部放电，证明光纤电流传感器可用于局部放电 检测和故障诊断。 关键词：局部放电，f a r a d a y 磁光效应，光纤电流传感器，电磁干扰，时频分 析，分形维数，模式识别 a b s t r a c t p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) o n - l i n ed e t e c t i o nc a nt i m e l yr e f l e c tt h ed e g r a d a t i o nd e g r e e o fp o w e ra p p a r a t u s ，t h u sb e c o m i n gau s e f u lt e c h n i q u ef o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a i l u r e d i a g n o s i s b e c a u s eo f h i g h l e v e le l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，t h e d e v e l o p m e n to fh i g hq u a l i t ys e n s o r i st h ek e yo fp do n l i n ed e t e c t i o n o p t i c a l d e t e c t i o nm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg r e a ta b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e ， e x c e l l e n ti n s u l a t i o np r o p e r t y , h i g hs e n s i t i v i t y , a n di sh e l p f u lt op do n - l i n ed e t e c t i o n o nb a s i so ff a r a d a ye f f e c t ，o p t i c a l - f i b e rc u r r e n ts e n s o r ( o c s ) i su s e df o rp d d e t e c t i o ni nt h ef i r s tt i m e i tw i l lp o s s i b l ys e taf o u n d a t i o nf o ro p t i c a lm e t h o d a p p l i e di n t op d d e t e c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt y p e so c sw e r ea n a l y z e d a n dr e s e a r c hi n t op o l a r i z e dl i g h ts y s t e mo fo c su s i n gj o n e sm a t r i xm e t h o d ，t h e nt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fo c sw a ss e tu pa tl a s t f u l l f i b e ro c sw i t he f f e c t i v eb a n do f3 0 0m h za n dc o r r e l a t i v ec i r c u i th a sb e e n d e v e l o p e d d o u b l ec o n s t r u c t e rw a sa d o p t e dt oe n h a n c et h es e n s i t i v i t yo fs y s t e m t h e ni t sf r e q u e n c y - r e s p o n s ep r o p e r t y ，a n t i i n t e r f e r e n c ep r o p e r t ya n dl o s sp r o p e r t y h a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l ，f r o mw h i c ht h ec o n c l u s i o nc a nb eg o tt h a tw h e nt h e c l o s e dl i g h tp a t ho fo c sm e e ta m p e r e sl a w ，t h es e n s o ri ss u p p o s e dt oh a v e a n t i i n t e r f e r e n c ef e a t u r e t h ec a u s eo fl i n e a rb i r e f r i n g e n c ea n di t sp r o p e r t yw a sa n a l y z e d t h ee f f e c t so fa l l t h ef a c t o r so ns y s t e me r r o ra r er e l a t e dt ot h el i n e a rb i r e f r i n g e n c e ，a n dt h el a r g e rt h e l i n e a rb i r e f r i n g e n c ei s ，t h el a r g e rt h ee f f e c t so ft h ef a c t o r sa r e m e t h o d st oe l i m i n a t e l i n e a rb i r e f r i n g e n c ew e r ed i s c u s s e d p dt e s ts y s t e ma n df i v em o d e l sw e r es e tu p a f t e rp i c k i n gc l a s s i c a lp ds i g n a l s w i t ho c s ，ac o m p a r i s o nh a sb e e nm a d eb e t w e e nt h eo p t i c a lm e t h o da n do t h e r m e t h o d su s e di nh i g hl e v e li n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tp d d e t e c t i o nu s i n go c sh a sm a n ym e r i t ss u c ha sg r e a ta b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e ，h i g h s e n s i t i v i t ya n dq u i c kr e s p o n s e s u i t a b l ee x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si sv i t a lf o rp dp a a e mr e c o g n i t i o n s i n g l ep dp u l s ea c q u i r e dw i t ho c s h a sb e e nt r a n s f o r m e di n t o3 - dt i m e 。f r e q u e n c y i m a g e t h ec h a r a c t e r i s t i c sw e r er e p r e s e n t e dw i t hp a r a m e t e r so ff r e q u e n c y ，t i m ea n d e n e r g y i th a sb e e np r o p o s e dt h a td i r e c te x t r a c t i o no f 3 一di m a g e sm a yb eu s e df o rp d p a t t e mr e c o g n i t i o n c o m p a r e d w i t ht h em e t h o d sf o re x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i co n l y i nt i m ed o m a i no rf r e q u e n c yd o m a i n ，3 - di m a g e sc a ni n s t a n t a n e o u s l yr e f l e c tt h e m a g n i t u d e so fd i f f e r e n tf r e q u e n c yc o m p o n e n t sa n dt h e i rf e a t u r e si nt i m ed o m a i n ，b u t t h e r ei sn oi n t e r f e r e n c ea m o n gd i f f e r e n tf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，t h u si ti sm o r e a c c u r a t et h a no t h e rm e t h o d s i no r d e rt oe x t r a c tt h ef e a t u r e so f3 - di m a g e s ，t h ef r a c t a lb o x - c o u n t i n g d i m e n s i o na n dv a c a n c yr a t ea r ea d o p t e dt oc h a r a c t e r i z et h ec o m p l e xt i m e f r e q u e n c y s u r f a c e ，w h i c hr e f l e c tt h eg r a d i e n ta tt h em a g n i t u d ea n dt h ev a r i a t i o nt r e n da tt h e t r a i l i n ge d g eo ft i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u ma n dc a nc o m p r e s st h ed i m e n s i o n so fv e c t o r t h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t su s i n gb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ( b p n n ) a n df r a c t a l t h e o r yb a s e do nt i m e - f r e q u e n c ym e t h o dd e m o n s t r a t e st h ee f f e c t i v e n e s so fo c s i np d d e t e c t i o n k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，f a r a d a ye f f e c t ，o p t i c a l f i b e rc u r r e n ts e n s o r ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，f r a c t a ld i m e n s i o n ，p a u e r n r e c o g n i t i o n 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，也不包含为获得丕盗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。 学位论文作者签名：币字氟心 签字日期： 加曙年甲月箩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗基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) 学位论文作者签名：龟宁蔼心 导师签名： 签字日期：m 勺g 年甲月f 日 在循学 签字日期：砷g 年( c 月宇日 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 随着国民经济的发展，电力系统可靠运行的要求越来越高。电气设备是组成 电力系统的基本元件，一旦发生事故，不但会波及邻近设备，还会给用户造成重 大经济损失。例如，2 0 0 4 年国家电网公司发生1 1 0k v 及以上电压等级变压器损坏 事故5 3 台次，事故容量达4 2 2 1 5m v a 1 l ，造成的直接经济损失上亿元，而相应社 会产值损失尚未包括在内。 大型电气设备多采用矿物油、绝缘纸或环氧树脂等各种有机合成绝缘材料组 成复合结构，大量资料表明，绝缘失效是造成电气设备故障的主要原副2 6 | 。例 如1 9 9 0 年国内1 1 0k v 及以上等级变压器事故中有7 6 是由于绝缘劣化引起的；美 国某4 8k v 配电系统1 9 8 0 1 9 8 9 年电容器损坏情况分析表明，其中9 2 是绝缘故 障。由于绝缘缺陷引发的局部放电，使电介质长时间击穿电压常常不到短时击穿 电压的几分之一，因此，局部放电作为各种大型电气设备长期运行中绝缘劣化的 一个主要因素而倍受重视1 7 1 。 局部放电既是造成绝缘故障的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形 式，与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相判引。局部放电能有效地反映电气设备 的绝缘状况，尤其对早期发现突发性故障与介损测量、色谱分析等方法相比效果 要好得多。因此，进行局部放电检测对于电力设备安全运行具有重要意义。国际 上很多著名公司和科研机构，如德国的西门子公司、瑞士的a b b 公司、英国e a 公司和荷兰的k e m a 实验室等都在研制或推出局部放电在线监测系统。天津大学 九十年代初就在国内率先推出了b g f 系列宽带、高频局部放电在线检测设备，该 装置抗干扰能力较强，并初步实现自动化和智能化：其他诸如清华大学、西安交 通大学、上海交通大学、重庆大学、华北电力大学、中国电力科学研究院和武汉 高压研究所等多所高校和研究院所也进行了大量的研究工作，并且已经开发了多 种电力设备的局部放电在线监测装置1 9 - 1 2 。 局部放电在线监测也是状态维修的需要。对电气设备进行在线的状态监测， 可以及时获取绝缘状况信息，通过对这些信息进行处理和综合分析，能够对绝缘 的可靠性做出判断和对绝缘寿命做出评估，为状态检修提供依据。 第一章绪论 1 2 局部放电检测现状 局部放电的检测都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过不同的物理 量来表征局部放电的状态。变压器局部放电过程中会产生电流脉冲、电磁辐射、 超声波、光以及产生一些新的化纤生成物，并引起局部过热3 | 。因此，相应地出 现了电流脉冲、超声波、光学、化学等多种检测方法，其中脉冲电流法和超声波 检测法应用较为广泛。 1 2 1 局部放电检测方法 局部放电引起的电荷转移会产生脉冲电流。通过检测阻抗或电流传感器可检 测套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线中由局部放电引起的脉冲电流，并 获得视在放电量。这是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，i e c 为此制定了 专门的标准【j4 i 。 检测局部放电脉冲的电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种。由于局部放 电的时间很短，其脉冲电流实际为高频脉冲电流，利用专门设计的r o g o w s k i 线圈 从设备的中性点处测取信号，测量的信号频率可以达n 3 0 0m h z ，大大提高了局 部放电的测量频率【l5 i 。该检测方法的主要缺点是由于检测传感器和放大器对测量 的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此当试样的电容量比较 大时，易受耦合阻抗的限制，同时测试仪器的测量灵敏度也受到了一定的限制； 在实验室中灵敏度较高，而现场检测易受外界干扰的影响，抗干扰能力差【i 6 ，1 。7 1 。 超声检测法主要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合电脉冲信号 或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。通常将超声波传感器固定在设备外 壳上，利用压电晶体作为声电换能器，接收局部放电产生的超声波并进一步放大 后，通过电缆传送到监测系统i l 引。但电力设备内部绝缘结构复杂，各种介质对声 波的衰减及对声速的影响都不一样，尤其是对变压器在线检测灵敏度只能达到 5 0 0p c 。 当电气设备中发生局部放电时，各种绝缘介质会发生分解破坏，产生新的化 学生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。目前，该 方法已广泛应用于在线故障诊断中，但直到今天，仍没有形成统一的判断标准。 化学分析方法是一个长期的监测过程，因而对发现早期潜伏性故障较灵敏，但不 能反映突发故障。另外h a m i l t o nd j 以及p e a r s o ni s 等人的研究指出，在g i s 中的吸附剂和干燥剂以及断路器动作时产生的电弧也可能会影响测量精度。此 外，放电脉冲不一定产生足够的分解物，所以该方法的灵敏度不是很高 1 9 - 2 1 】。 红外热像法利用电力设备内部的局部放电产生的电热能量转换，检测局部区 第一章绪论 域的表面温度升高的变化【22 | 。对于复杂的绝缘结构红外热像法需要借助于计算机 进行辅助计算，从而得到一定的量化关系。该方法的缺点是目前这种方法用于定 量研究还存在困难。 8 0 年代末，超高频法测量局部放电首先应用在g i s 设备中，该方法通过天线 接收局部放电过程中辐射的u h f 电磁波，实现局部放电的非接触检测【2 孓3 l j 。超高 频检测方法的缺点是超高频法在设备外部检测灵敏度较低，若要在设备内部预置 超高频传感器则需厂家配合，并且超高频检测方法目前还不能进行局部放电量标 定，没有有效的校准方法也是超高频法的一个不足之处【3 2 】。 总结目前局部放电监测方法各有优缺点，不能一概而论，需要根据现场具体 情况针对不同的要求和目的采用适当的方法。局部放电在线监测一般是通过传感 器获取局部放电脉冲信号，再通过分析局部放电的特征指纹：放电量g 、放电能 量e 、放电脉冲重复率1 或放电发生相位来判断绝缘故障类型及发生位置。从局部 放电的特点可知，局放信号的上升时间和持续时间都很短、有效带宽可达几百 m h z 的脉冲序列信号，宜采用宽频带、高灵敏度的传感器，可以获得丰富的局部 放电信息，能够提高在线监测的有效性。但由于电气设备所在的现场中干扰非常 复杂，而局部放电信号十分微弱，必然会受到现场各种噪声源的干扰，准确的获 取信噪比较高的真实局部放电信号才能进行后续信号处理，因此具有优良性能的 传感器系统是局部放电监测和故障诊断的基础。 现场强烈的电磁干扰是限制局部放电在线应用难以逾越的障碍，即使是抗电 磁干扰性能比较好的u h f 检测法也会受到诸如周期性窄带干扰和白噪干扰的影 响，因而近年来干扰抑制成为研究的热点。 1 2 2 局部放电测量中干扰问题 抗干扰问题一直是局部放电在线监测的首要问题之一。由于放电脉冲能量较 小，且有一定的随机性，而有些干扰信号比设备本身的放电信号还要大许多倍， 这就严重影响着测试的灵敏度和检测的可靠性。所以即使混有较小干扰的测量结 果也是不可靠的，甚至会使测量人员产生错误的认识和判断。同时由于现场的复 杂电磁环境会使干扰的种类、时域波形和频谱分布都比较复杂，从而使现场的抗 干扰问题变的非常复杂，因此电力设备局部放电检测中干扰抑制技术十分重要 【3 3 】 o 1 2 2 1 干扰类型 按时频特性，局部放电测量时可能遇到的干扰可分为周期干扰、脉冲干扰和 白噪干扰 1 8 , 3 4 - 3 6 】，其中脉冲干扰的波形与局部放电波形很相似。 通常周期性干扰包括电力系统谐波、高频保护、载波通信及无线电广播通信 第一章绪论 等。一般情况下是这些干扰的综合作用，干扰强度较大。此类干扰的波形通常是 正弦波，每种连续周期性干扰的时域波形有固定的谐振频率和频带宽度，有的频 率较高，有的频率较低。他们在时域上离散，而在频域内其能量集中，其振幅谱 是e 上主频为中心，以两倍调制频率为宽度的脉冲波形，其相位分布固定。 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 线路或设备高压端的电晕放电、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；周期脉冲型干扰包括用于标定的脉冲、可控硅 整流设备闭合或开断( 直流屯源整流和调相机激励整流) 以及试验电路或邻近地 网中的脉冲干扰等。这类干扰在时城上是持续时间很短的脉冲信号，在频域上为 包含多种频率成分的宽带信号，与局部放电信号相比有相似的时域和频域特性， 但其相位集中。 白噪干扰包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继 电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声及局放测量系统中电子元件的散粒 噪声和其它随机性干扰等。理论上，白噪的功率谱为恒定常数，分布在整个频段 上，在实际情况下，如其频谱在较宽频段上呈连续平缓的特性，即可认为是白噪 声。图i 1 所示为均值为0 的自噪波形及其频谱。 ： _ ：蝴酬州 4 0 一“二苦音 抽) 自嚷控形 0 ) 白噪须谱 圉1 】白噪干扰 从干扰来源分，主要有测量系统本身的干扰和测量系统以外的干扰。测量系 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；测量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。由于系统自身的干扰可通过改善测量系统的设计来减小或消除的，因此， 通常所说的干扰主要是指来自测量系统以外的干扰。若按与测量电源的相关性区 第一章绪论 分，可分为与电源无关的干扰和与电源相关的干扰。与电源相关的干扰源主要有： 供电线路上的电晕放电、实验变压器中的局部放电、高压测试回路中引线或端子 接触不良、耦合电容器内部的局部放电、试样中的接触噪音、由接地装置耦合过 来的干扰、测量设备的本机噪声等。与电源有关的干扰，其强度不定，且干扰的 大小往往随测试电压不同而变化；与电源无关的干扰源主要包括：调频广播、高 压设备的电磁辐射、电焊操作、运行中的整流设备、开关的闭合和开断、继电器 动作、高频设备等产生的干扰。与电源无关的干扰源实际上都是通过电磁耦合传 递过来的，其干扰强度与干扰源到被干扰处的距离平方成反比。 1 2 2 2 干扰抑制方法 抑制干扰可分为硬件和软件方法，在实际测量中常常联合使用： 1 、平均法 平均法是一种数据处理的软件方法，根据白噪声一般服从正态分布的特点， 可以将多个数据段的样本相加，取平均值，从而达到减弱白噪干扰信号影响同时 提高信噪比的目的。平均法原理比较简单，容易实现，但是消噪效果一般。 2 、差动平衡法 差动平衡法是根据电力设备绝缘内部局部放电脉冲电流和外部干扰信号在 传感器中流动方向的差异来减少外部干扰1 3 4 1 。差动系统有效地抑制干扰需要两个 传感器的特性基本一致，若流经两个传感器的脉冲电流的传输路径差异较大，从 传感器上测得的信号波形和幅值也不同，并有时延，差动的效果就会受到影响。 3 、时域开窗法 对于一些相位己知并且固定的干扰信号，运用电子技术或者软件方法对这些 干扰信号不予采集或者置零，该方法使用的前提是对于所测信号的相位比较了 解，但在去除干扰的同时有可能也把一部分有用信号屏蔽掉，所以该法有一定的 局限性。 4 、脉冲极性鉴别法 内部放电脉冲在试品电容和耦合电容接线中会产生极性相反的脉冲电流，而 外来干扰脉冲在试品电容和耦合电容接线中会产生极性相同的脉冲电流，这种极 性差别也会反映在传感器上【37 1 。如图1 2 所示，利用这种极性差别，可以抑制脉 冲型干扰。但当外界系统有较强的连续周期性干扰时，鉴别系统的电子门将连续 关闭，甚至处于永久关闭状态，以致无法对局部放电信号进行检测，通常需要在 信号进入鉴别系统前加装模拟滤波器。 第一章绪论 图1 2 脉冲极性鉴别原理 5 、相关分析法 相关分析法是利用局部放电脉冲自身相关而和干扰信号互不相关的原理，在 抑制干扰的同时增强局放信号，该方法既可以在时域进行，又可以在频域进行， 缺点是用来进行相关计算的函数不易选取1 3 8 】。 6 、带通滤波器 带通滤波器是最常用的干扰抑制方法，选择适当的滤波器频带范围，可以较 好地抑制来自电源的干扰和连续周期性干扰。由于脉冲型干扰和平稳随机干扰的 频谱分布和局部放电脉冲的频谱分布一样，所以采用单一的低通或高通模拟滤波 器不能获得很好的滤波效果。组合式滤波器是由一系列平行的低通和高通滤波单 元组成，将它们级联组成带通滤波器，通过选择组合开关，可改变滤通频带以适 应不同场合抗干扰的要求。 7 、数字滤波技术 数字滤波技术是运用软件的方法来抑制干扰，和模拟滤波器相比它的优点是 可以任意改变其数目、中心频带和带宽。数字滤波按所采用的算法可分为时频变 换滤波法、自适应数字滤波法、非自适应数字滤波法等【3 9 4 。 8 、小波分析 小波分析的特点是不仅具有良好的频域分析能力，还具有优良的线性相位特 性，能够在不改变信号可评估性的前提下同时进行噪声抑制。基于小波分析的噪 声抑制的理论是多分辨分析，利用它进行信号分解，抽取有关频带之后再进行重 建，最终实现局部放电信号的提取。目前已有利用小波分析原理提取微秒级局部 放电信号和毫秒级声波信号【4 2 - 4 4 1 。但是小波变换滤波法难以选择单一尺度以提取 所有的脉冲信号，即使提取到信号，但由于带通滤波作用使脉冲的幅值、极性和 波形发生变化。另外对于信号与干扰的中心频谱非常靠近的情况，信号与干扰在 各尺度上的变化类刨4 5 1 。 综上所述，抗干扰问题仍是局部放电测量尤其是在线监测没有彻底解决的问 题，还需要认真地加以研究。但是由于现场干扰太强烈，信号的信噪比过低，所 以目前还没有可靠的消噪方法用于局部放电信号提取，所以研制高性能的传感器 第一章绪论 是目前局部放电检测最迫切的问题。 1 3 光纤电流传感器 1 3 1 光学检测法在局部放电检测中的应用 光纤作为放电的光传感元件和传输通道具有很强的抗电磁干扰性能【46 1 。光纤 检测最早是基于对局部放电发出的光信号进行检测，一般叫做直接光测法。直接 光测量法是利用局部放电产生的光辐射进行的，对于透明介质的内部放电以及暴 露在外面的表面放电和电晕放电，可以通过光电倍增管，将肉眼看不到的微弱放 电光信号进行放大，并转换成光电流或光脉冲进行检测。光电转换后，通过检测 电流的特性可识别局放源，这种方法响应时间短，可观察和研究一次完整的电过 程。九十年代，法国p a u l s a b a t i e r 大学r m a n g e r e t 用单根荧光光纤检测大气压下尖 板放电的光信号，研究了空气和s f s 气体中局部放电光谱图，认为选择光纤和光 电探测器的不同会影响检测的灵敏度。日本富士电气公司的m m i y a m o t o 等人在 1 9 9 9 年的电气绝缘诊断技术的亚洲年会中阐述了利用荧光光纤传感技术检测g i s 内部的局放试验 4 7 - 4 9 】。文献【5 0 】利用所建立的局部放电光学测量装置，研究了几 种典型放电源的光脉冲信号在不同媒质中的传播衰减特性。虽然利用光测法来分 析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面在实验室取得了很大进展，但是光测法设 备复杂昂贵，造价高；另一方面，需要被检测物质对光来说是透明的，制约了该 方法的在线应用。 尽管如此，光纤技术作为其他方法( 特别是超声检测) 的辅助手段已应用于局 部放电检测中。光纤传感技术是现代传感器技术的一个重要分支，它是伴随着光 导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质， 感知和传输外界信号( 被测量) 的新型传感技术。这种光纤技术的非通信应用，被 普遍认为是近代检测技术的发展方向之一。利用光纤传播信号可使得测试系统与 高压源可靠隔离。文献 5 1 】在分析荧光光纤和局部放电的光谱特性的基础上，将 其用于高压电机的局部放电检测。结果表明该传感器和其它检测手段相配合可以 有效地提高电机定子绝缘状态监测与保护的可靠性。2 0 0 2 年香港工业大学的m m a c a l p i n e 提出将光纤伸入到变压器油中作为声传感器使用，当变压器内部发生 局部放电时，超声波在油中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，导 致光折射率和光纤长度的变化，从而光波被调制，通过适当的解调器即可测量出 超声波 5 2 1 。在实验室中检测到了油中试品内部气隙的放电信号，并且可成功用于 局部放电点定位计算，结果表明该方法能够检测到最小lp a 声压的信号。为了避 第一章绪论 开周围环境的干扰，传感器频率选择在5 0 3 0 0k h z 。该方法实际上是根据声光调 制原理来检测局部放电发出的声波信号，所以通常称之为声光法。但是，将光纤 伸入到变压器或者其他高压电力设备内部仍旧是运行单位不能允许的，另外声光 法在继承声学局部放电检测方法优点的同时，同样不能避免该类方法的缺点，但 这类研究为光纤方法在局部放电检测中的应用开辟了一条新的思路。 近年来，陆续有各国学者对声光法进行了进一步发展，例如将马赫曾德耳 干涉仪或者迈克尔逊干涉仪应用到局部放电声光检测中，在传感光纤的前面加装 超声波传感器，再利用超声波传感器采集到的局部放电声波信号调制光纤中传输 的光波，解调后的光信号通过光电转换，输入到数据采集系统，从而实现局部放 电的检测，这样就不用侵入到设备内部安装传感光纤。基于以上研究成果，文献 5 3 将尺寸更小并能够准确的检测局部放电声信号相位改变的法布里珀罗干涉 仪用于局部放电检测。声光法和超声检测法一样多用于局部放电的定位研究。 受声光法的启示，：英 s o u t h a m p t o n 大学筘4 j 将电光法成功应用于电缆的局部 放电检测。根据泡克斯效应，在磁光晶体上外加电压会改变穿过其中光线的方向， 光线改变的角度对应电压的大小，因此可以检测出局部放电电压的大小。通过将 局部放电的电信号转换为光学信号，避免了信号传输过程中的外界干扰。在实验 室使用该方法对长有水树的9 0k v 和1 3 2k v 电缆进行了局部放电检测，证明该传 感器性能可以满足检测需要。 光学信号受电磁波干扰影响很小，并且光学系统绝缘性能良好，不存在过电 压问题，十分适合高压及特高压电力设备的在线监测。目前国内外很多科研机构 将研究重点转向该方法，但是基于光纤传感技术的局部放电检测研究还比较少， 值得我们深入探讨相关内容。 1 3 2 光纤电流传感器发展和研究现状 光纤电流传感器是光纤传感器的一种，与其它光纤传感器在原理及结构上有 共同的地方，但由于所测物理量的特殊性，它又有其自身的特点。光纤电流传感 器研究开始于2 0 世纪6 0 年代，w j t a b o r 和f s c h e n 首先利用琼斯( j o n e s ) 算法推 导了磁光材料中同时存在双折射和f a r a d a y 磁光效应时的严格输出表达式【5 引，为 分析光纤电流传感器奠定了理论基础，并且这一研究成果为其后许多研究者所引 用。以e a u l m e r , p j o h n s t o n ，j a a s a r s 等学者为主的课题组针对光纤电流传感 器由于温度变化引起法拉第旋转角上的干扰问题，提出线偏振光平行于温度引起 的双折射的特征方向时通过该媒介仍然保持线偏振态的理论，并据此提出了独特 的十步理论计算方法，这项研究成果在当时被认为是光学电流互感器在基础理论 研究方面取得的突破性进展【5 6 1 。7 0 年代初，光纤的问世与实用化进一步促进了光 第一章绪论 纤电流传感器的发展，但由于测量精度低、温度稳定性差等原理性问题未能得到 很好的解决，当时一直未能生产出实用的样机，各国基本上都处于理论探索和实 验室模拟阶段i 57 1 。 从1 9 8 2 年开始，以美国和日本为代表，光纤电流互感器的研究进入了快速发 展的关键时期，并开始挂网运行。1 9 8 6 年美国的田纳西州流域电力管理局 ( t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 在其所属的c h i c k a m a u g a 水坝变电站( 16 lk v ) 安装了第一台单相高压计量用的光电式电流互感器( o c t ) ，测量带宽为1 0k h z ， 计量误差为0 0 8 ，运行两年后拆除。1 9 8 7 年t v a 和西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i cc o r p o r a t i o n ) 合作，在光纤电流互感器的研究方面取得了很大进展，l9 8 7 年在其所属的m o c c a s i n 变电站( 1 6 1k v ) 安装了三相计量用的光纤电流互感器，另 外还试运行了磁光式电压互感器( o p t ) ，与传统的油浸式电磁互感器相比，误 差在1 左右；1 9 9 0 安装了第一个以光纤电流传感器为基础的继电保护系统，仅 在1 9 9 0 年7 月8 日一天，光纤电流传感器就正确地响应了由于雷暴雨而引起的6 次 故障。1 9 9 1 年a b b 电力t & d 有限公司首次在3 4 5k v 变电站试运行用于计量和继 电保护用光纤电流互感器，该互感器采用了p w m 放大器，二次输出电流为5a ， 并采用重量较轻的聚合体光纤柱作为o c t 的支撑 5 8 - 6 0 】。 日本在光纤电流互感器的研究方面也取得了很大的进展，从1 9 8 2 年开始，日 本n g k 公司、日立公司、东京电力公司、住友电气公司等先后研制了4 0 0 0 a ，3 0 0 k v 的o c t ，分别达到日本电气技术协会j e c l 2 0 11 p s + i t 和1 t 级互感器标准。于 1 9 8 9 年2 月和7 月又分别推出了磁光式光纤电流互感器和组合式o c t o p t 的样 机，之后相继有带集磁环o c t 研究成功的报道，日本爱知县的c l m b u 电气电力公 司还开发了光纤零序电流电压互感器，日本东京电力公司与东芝公司合作，1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月将研制的g i s 设备用o c t 在制造厂长时间试验，运行良好，试 验数据符合j e c i2 01 标准 5 8 , 6 1 - 6 3 j 。 由上个世纪9 0 年代至今，o c t 测量逐步向产品化、市场化和特高压方面深入。 1 9 9 3 年底，德国研制的o c t ，在1 1 0k v 变电站中正式运行。1 9 9 4 年a b b 公司生产 的o c t ，用于5 0 个变电站中，系统电压从7 6 5k v 至i j 7 6 5k v ，额定电流从6 0 0a 6 0 0 0 a ，准确级能够满足i e c l 8 6 和i e c 2 5 5 的0 2 级标准。1 9 9 5 年，法国阿尔斯通输配 电部( g e ca i s t h o mt & d ) 产品目录上也列出了o c t 、组合式光纤电流电压传感 器，其7 6 5k v 产品测量准确级达0 1 5 级。1 9 9 7 年，a b b 电力t & d 公司又研制出组 合式光纤电流电压传感器，其中电流测量准确级达至u i e c l 8 5 等级0 2 ，电压测量 准确级达至u i e c l8 6 等级0 2 。 我国对o c t 的研究工作非常重视，将其列为“七五”、“八五”重点研究项目， 从1 9 8 2 年9 月在上海召开的“激光工业应用座谈会开始大规模研究，先后有多 第一章绪论 家单位进行了这方面的工作。清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、西安 交通大学、华北电力大学、西安同维电力设备公司等多所高校和科研机构相继开 展t o c t 研究畔。6 引。1 9 7 0 年沈阳变压器研究所开始o c t 研究，1 9 7 9 年在清华大学 和四平电业局的协助下先后研制出三台样机在四平电业局的2 2 0k v 线路上试运 行。华中理工大学研制的o c t 于1 9 9 3 年在广东新会l1 0k v 电网试运行；哈尔滨工 业大学和华北电力大学联合研制的基于法拉第磁光效应的自适应光纤电流互感 器也于2 0 0 4 年1 2 月通过了中国电机工程协会的科技成果鉴定，这些成果标志着我 国的o c t 研究已向实用化迈出了重要的一大步。 鉴于世界各国对光纤电流互感器的研究己经取得了相当的成果，i e e e e m e r g i n gt e c h n o l o g i e sw o r k i n gg r o u p 和i e e ef i b e ro p t i c ss e n s o r sw o r k i n gg r o u p 于1 9 9 4 年对当时光纤电流互感器的研究成果进行了总结并相应发表了论文【6 9 1 。 国际标准化组织于2 0 0 2 年出台的电子式电流互感器的标准( i e c 6 0 0 4 4 5 ) 涵盖了 光纤电流互感器，该标准为光纤电流互感器的产品化起到了规范指导作用。 1 3 3 光纤电流传感器特点 近年来，光纤传感器技术的发展十分迅速，显示出巨大的开发潜力和应用前 景。光纤电流传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点 6 9 - 7 6 】。 ( 1 ) 超高压绝缘性能好，造价低。光纤传感器所用材料主要是s i o 。，材料资 源丰富，自身就是绝缘体，化纤稳定性好，耐腐蚀，机械强度大且结构简单。 ( 2 ) 不含铁芯，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题，因而可以在较宽的频带内， 产生高线性度响应，测量准确度高；但是目前开发研制的电力系统用光纤电流传 感器并没有很好的利用这一点。 ( 3 ) 由光来传输信号，抗电磁干扰能力强，也消除了易燃易爆等问题。 ( 4 ) 体积小，重量轻，光纤传感器的传感头，重量小于1 公斤。而美国西屋公 司生产的3 4 5k v 充油式电磁互感器，高为6 1 米，重达7 7 1 8 公斤。 ( 5 ) 传感器的敏感元件是电无源的，故在测量时，不存在漏电和电击的危险， 具有良好的安全性。 ( 6 ) 高灵敏度，响应速度快，与电子系统易兼容，“传输”和“传感”合二 为一。 光纤电流传感器特别适用于在易然易爆、超高压电器设备、强电磁干扰、强 化学腐蚀等特殊工作坏境中进行测量，由于光纤可以传输大容量信息，从而可以 实现长距离连续监测。 第一章绪论 1 4 本文研究目标与内容 1 、本文研制了一种局部放电检测传感器一光纤电流传感器。目前局部放 电在线监测方法都不能从根本上抑制干扰，即使结合软硬件消噪技术也无法获得 满意的结果。脉冲电流法是目前国际上唯一有标准的局部放电测量方法，依据国 际电工委员会i e c 2 7 0 标