超声波原理与在线局放(很不错的入门文章).doc

1 超声波和在线局放检测摘要绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因之一。如果电气设备在正常运行电压下，其绝缘中就已经出现局部放电现象，这意味着绝缘内部存在局部性缺陷，而且这种过程必然会在整个运行期间继续发展，达到一定程度后，就会导致绝缘的击穿和损坏。测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷已经介质老化的速度和目前的状态。因而电气设备制造厂和电力系统运行部门都很重视局部放电的检测，它已经成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。本文叙述了用超声波法测局部放电的基本设计思路。并对局部放电产生的机理和局部放电产生超声波的机理以及局部放电信号的提取做了一定的介绍。关键词：局部放电，超声波的产生，信号提取AbstractPartial discharge in insulation is one of the important reasons of dielectric aging. If the phenomenon of partial discharge has occurred in the insulation of the electrical equipment under normal operating voltage, which means local flaws exist in insulation, and this process will certainly continue to develop during the whole operation, reached a certain level, it will lead to insulation breakdown and damage of insulation. Measuring intensity and trends of partial discharge of electrical equipment at different voltage, we can determine the existence of local defects in insulation and dielectric aging rate and the current state. Thus electrical equipment factory and power system operation departments attach great importance to the detection of partial discharge, it has become to determine the insulation quality of products and one of the important preventive tests of insulation.This paper,in order to,partial discharge,describes the basic design ideas which are used ultrasonic method. In addition，the paper introduce mechanism of the partial discharge produced,the mechanism of ultrasonic generation of partial discharge and signal extraction of partial discharge. Key words:Partial Discharge,ultrasonic generation , signal extraction目录第一章 绪论11.1研究意义与目的11.2国内外研究现状11.3局部放电检测方法21.3.1.脉冲电流法21.3.2.介质损耗检测法21.3.3.超声波检测法31.3.4.化学检测法31.3.5.光检测法31.3.6超声波法检测局部放电的特点41.4局部放电基本概念51.5局部放电与超声波的关系51.6本文的主要工作6第二章 超声波法检测局部放电的原理与设计72.1局部放电的机理72.1.1局部放电基本概念及原理72.1.2 放电过程92.1.3表征局部放电的参数102.1.4 影响局部放电的因素142.2 局部放电产生超声波的机理162.3超声波法测局部放电的设计182.3.1超声波传感器202.3.1.1超声波及其物理性质202.3.1.2超声波传感器原理212.3.2放大电路222.3.3 滤波器电路的作用242.3.4触发电路的作用及其实现242.3.4.1触发电路的作用242.3.4.2触发电路实现的软件设计242.3.5数据采集模块27第三章 局部放电信号的提取293.1局部放电信号产生干扰的原因293.2提取局部放电脉冲信号29第四章 MATLAB仿真结果324.1 局部放电信号的模型324.2 局部放电信号模型仿真结果32第五章 结论与展望365.1 结论365.2 展望36致谢37参考文献38附录40第一章 绪论随着我国现代化建设全面步入21世纪，国民经济的发展对电能的需求不断增加。电力系统必然要向超高压、大电网、自动化的方向发展。电压等级的提高使得电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的电气设备无论是大型关键设备如发电机、变压器，小型设备如电力电容器、绝缘子等，还是电力传输线，一旦发生故障就会引起局部乃至全地区的停电，给国民经济其他部门的生产和运作造成严重的后果。1.1研究意义与目的电气设备在高电压、高电场的作用下，运行过程中的放电、电磁力、热应力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘等都会造成绝缘材料性能的逐步劣化，同时这种劣化是不可逆的并且不断加速。因此在局部高电场作用下的高压设备中某些绝缘薄弱环节会发生局部放电。电力传输线是电力系统中的重要部分之一，其线路绝缘状况的好坏直接影响着电力系统是否能够安全运行。一旦发生故障，有可能发生大面积停电事故，给电力系统和国民经济带来巨大损失，因此电力系统非常重视电力传输线的状态，尤其是其绝缘介质的健康状况。随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力线路绝缘劣化的主要原因之一，因而测量电力传输线的局部放电是及时发现故障隐患、预测运行寿命、保障电力传输线可靠运行的重要方法。因此无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都越来越关心局部放电检测技术的发展，并广泛的把局部放电检测作为绝缘质量监控的重要指标。由于人们非常关注电力运行的安全问题，所以对其局部放电机理和检测方法进行了大量的研究。目的是实现在线检测是否存在局部漏电现象以及对放电量进行估计。1.2国内外研究现状清华大学研制的JFY3型局部放电在线检测系统能连续检测多台大型变压器的局部放电。系统中电流传感器采用环形铁心、宽带有源传感器，其带宽为10kHz-1.2MHz。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50kHz，中心频率从50kHz到400kHz共7档。系统采用宽带多通道、大容量、高采样率数据采样，同时运用各种数字信号处理的方法抑制干扰。该系统利用程控带通滤波电路躲过各种连续的周期性干扰，这种方法对于消除工频及其谐波、载波通信、无线电广播等窄带干扰比较有效，但在局部放电在线检测中不够灵活，往往只适合于某个具体的变电站，针对具体变电站需仔细选择合适的通带。另外传感器只能获得放电信号中一部分能量，不仅降低了灵敏度，而且造成检测波形畸变，给用中仍然存在着灵敏度低，容易受外界干扰的缺点。但因为超声波法测量的不是电信号，这就有利于排除电气上的干扰；超声波定位系统硬件简单，算法成熟，所以在局部放电的在线检测中，它更多的是作为一种主要的辅助测量手段。1.3局部放电检测方法1局部放电的检测以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、气体生成物、超声波、电磁辐射、光、局部过热以及产生能量损耗等现象。因此，相应的就出现了电脉冲检测法、气相色谱检测法、超声波检测法、超高频检测法、电磁波检测法、光检测法和介质损耗检测法等多种检测方法23。1.3.1.脉冲电流法此法测量视在放电量。当发生局部放电时，试品两端会出现一个几乎是瞬时的电压变化，在检测回路引起一高频脉冲电流，将它变换成电压脉冲后就可以用示波器等测量其波形或幅值，由于其大小与视在放电量成正比，通过校准就能得出视在放电量（一般单位用pC）。此法灵敏度高、应用广泛。1.3.2.介质损耗检测法 局部放电要消耗能量，使介质产生附加损耗。外加高压越高、放电频度越大、附加损耗也就越大。本法就是基于测量这种附加损耗来检测局部放电的，这时一般也可以利用西林电桥，测出介质的“tgU”关系曲线，那么曲线开始突然升高处的E0相对应的电压即为局部放电的起始电压。 本法的优点是不需要添置专用的测量仪器，操作比较方便。其缺点是灵敏度比脉冲电流法低的多，而且tg随电压而增大的现象也可以因介质受潮等其它因素而引起，要排除这些因素的影响亦非易事。1.3.3.超声波检测法是用超声波传感器接收电气设备内部或电力传输线局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置。由于超声检测法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，因此人们对超声检测法的研究较为深入，近年来，由于声电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高，尤其是在大容量电容器的局部放电检测方面，其灵敏度甚至高于电脉冲法。该方法具有可以避免电磁干扰的影响；可以方便地定位；可实现在线检测，且在线检测与离线检测的结果相同等优点。但由于超声波在电气设备内部的传播过程是一个很复杂的过程，造成在一些情况下超声定位实验不能成功；目前无法利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断，主要作为一种辅助测量方法。1.3.4.化学检测法化学检测法又叫气相色谱检测法，是根据局部放电时会使SF6分解所产生的气体（SOF2，SO2F2）的含量来判断局部放电的程度和局部放电的模式。此方法最初显得很有吸引力，因为局部放电不可避免出现化学分解物，由于稳定的放电，诊断气体的浓度会逐渐上升到能检测到的水平，而且这种检测方法不受电气干扰。但是电气设备中发生局部放电时诊断气体会被SF6气体强烈地稀释而短脉冲放电不一定会产生足够多的分解物，因此诊断将需要较长地时间，实时性差，存在很大的时延，另外电气设备中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量断路器动作时产生的电弧从而引起误判，因此化学方法对电气设备中的局部放电检测不太敏感只能反映电气设备内局部放电的总体程度无法精确测定局部放电而且测量需要较长时间，仅适合在实验室内对小容量SF6气体的研究。总之，该方法对发现早期潜伏性故障较为灵敏，但不能反映突发性故障。1.3.5.光检测法包括两种一种是荧光光学检测法，通过荧光光纤检测局部放电所产生的荧光来检测局部放电4。另一种是超声-光学检测方法，通过提取局部放电超声信号传播到光纤上时光纤的形变信号来检测局部放电。该方法测量时，光信号不受电磁干扰；灵敏度高；可以方便的确定局部放电位置。但由于电气设备结构复杂，光纤的埋法复杂，且不能记录非透明装置的局部放电；目前光纤传感器的分辨率尚不能满足工程需要，不能进行定量分析与局部放电的模式识别。除此之外，还有一些其他方法如电磁波检测法、射频检测法等也正在研究。这些检测方法的研究都取得了一定的进展，主要表现在所用传感器灵敏度的提高、数字处理技术水平的提高以及各种数学方法的应用，大大提高了测量的精度与可靠性。使这些方法从实验室或离线应用开始向在线应用转换，但还存在一些问题需要进一步解决。例如对电脉冲测量法来讲，最主要的是如何在检测现场的强大干扰中进行信号的检测和识别问题，尽管很多方法（数字信号处理方法、极性鉴别方法、差动平衡法、选频平衡法、小波分析法等）都在这方面进行了尝试，但还没有能够在各种场合的情况下都适合的方法。尽管电脉冲法是局部放电研究的基础，但是电脉冲信号在现场中检测时会有很大的干扰，很难正确得到放电信号，另外在线标定的问题和在线结果与离线结果的等效性等问题，也是长期困扰电脉冲法在线检测局部放电的问题，目前在现场中，工程技术人员往往更关心运行电气设备和电力传输线的局部放电检测问题，特别是当放电量较大时，通过检测局部放电以确定电气设备、电力传输线绝缘的损坏程度。而这种情况适合超声波法检测，因此本文从在线检测的角度出发，选择超声波法进行电气设备和电力传输线局部放电的研究。1.3.6超声波法检测局部放电的特点1、易于实现在线检测目前采用的超声波法检测局部放电是利用超声波传感器贴在接地的电气设备外壳上或者将传感器靠近被检测的电气设备或电力传输线进行检测，对电气设备和电力传输线的正常运行和操作没有任何影响，传感器与检测设备之间采用光纤来连接，光纤具有良好的绝缘性能，检测设备与高电压设备之间有很好的隔离，使设备和测量人员的安全可以得到保证，同时不存在在线结果与离线结果的等效性问题，因此利用超声波法可以较容易的实现在线检测局部放电。2、可望实现利用超声波法进行模式识别和定量分析利用超声波法进行局部放电模式识别和定量分析，一直是超声波法检测局部放电研究中的重点，上世纪80年代，德国和日本科学家曾在此方面进行过研究，但并未得到理想的结果，近年来，人们又对利用频谱识别局部放电模式提出了新的见解，随着非线性科学和非确定性科学的发展，为利用超声波对局部放电进行模式识别和定量提供了新的方法，其研究也取得了一些新的成果，因此在先进的传感器以及数学分析工具的支持下，有望利用超声波检测法来实现局部放电的模式识别和定量分析。3、超声波法的进一步研究有望得到一些新的放电信息当电脉冲通过测试品时，会产生与电荷分布相关的超声波脉冲，且与空间电荷成比例，这样测量超声波就能获得电荷的组成部分及存在位置，因此利用超声波法可以对绝缘材料中的电荷分布进行测量，这是目前利用电流脉冲法所无法测量的。另外从局部放电产生超声波的机理考虑，辉光放电和亚辉光放电同样产生超声波，对这些超声波信号的测量将弥补电脉冲法在局部放电测量时的不足，对它的进一步研究将有可能产生新的局部放电测量标准。目前，在局部放电检测中主要还是采用脉冲电流法和超声测量法，因为超声检测法具有以上优点，本文正是基于这种方法获得局部放电脉冲信号。1.4局部放电基本概念局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿。它可产生在固体绝缘孔隙、液体绝缘气泡或不同介质特性的绝缘层间。如果电场强度高于介质所具有的特定值，也可能发生在液体或固体绝缘中。局部放电逐渐发展，会对其周围的绝缘介质不断侵蚀，最终可能导致整个绝缘系统的失效，所以局部放电是造成绝缘恶化的主要原因，同时它也是绝缘恶化的重要征兆和表现形式，它与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，能有效地反映电力设备内部绝缘的故障，尤其对突发性故障的早期发现，它比介质损耗测量、油中气体含量。分析等方法要有效得多。1.5局部放电与超声波的关系1.在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与放电量大小成正比567。在利用超声波法研究局部放电中，很多文献都提到在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与视在放电量大小成正比，当局部放电量在一定范围内时，真实放电量与视在放电量成线性关系，即在一定的范围内，超声波信号幅值与视在放电量成正比。这样就可以根据超声波的幅值来判断放电量的大小。2.随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动。随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动。在实际实验中我们也观察到相同的现象。3.不同的局部放电情况所发出的超声波信号波形不同。从局部放电产生超声波的力学等值电路可知，局部放电电流是超声波产生的激励源，因此不同模式的局部放电产生的超声波波形不同，另外当同一种放电模型处于不同的介质环境中时（如固体介质中的气泡放电与油中的气泡放电）其力学等值电路中的电路参数也不同，造成产生的超声波波形不同，因此利用检测到的超声波波形的不同可以进行局部放电的模式识别。根据以上几点可以利用超声波法进行局部放电检测，放电的模式由放电的波形决定，放电量由超声波信号的幅值、频率、放电周期决定。1.6本文的主要工作1. 分析局部放电产生的原因，局部放电的原理；2. 局部放电产生超声波的机理3. 采用的超声波法测局部放电的设计。4. 局部放电信号的提取。第二章 超声波法检测局部放电的原理与设计2.1局部放电的机理12.1.1局部放电基本概念及原理U+-dcbbaadCcCbRcRbCaRaUucub气隙厚度 d整个介质的厚度 Rc、Cc气泡的电阻和电容Rb、Cb与气泡串联部分介质的电阻和电容 Ra、Ca一其余部分介质的电阻和电容图2.1含有单气隙的绝缘介质，（a）绝缘介质中的气隙，（b）放电等效电路（a）（b）绝缘介质内部含有一个气隙时的放电情况是最简单的，如图2.1(a)所示。图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分的介质。假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用图2.l(b)所示的等效电路来分析。假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向相垂直，则按电流连续性原理可得 （2.1）式中、分别气隙和介质上的电压, 、分别为气隙和介质的等效电导。工频电场中若和均小于1011(Wm)-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为 （2.2）式中、分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数，气隙和介质中的电场强度Ec、Eb 的关系为 （2.3）由式（2.3）可见：(1) 气隙放电在工频电场中气隙中的电场强度是介质中电场强度的倍。通常情况下，而，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比气体的击穿场强低，因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道。(2) 油隙放电在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的间隙，这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质为低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。(3) 在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其它金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强时，则介质局部击穿而形成了局部放电。u+- - -+ + +E内 E外 uC(a)(b)uumu3u2u1qttuc0us-us-urur1 2 3 4图2.2 放电过程示意图（a）绝缘介质内气隙放电空间电荷分布（b）外部电压u、空间电荷q、气隙电压uc的时间变化图2.1.2 放电过程在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子(或负离子)沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反的电场 (如图2.2（a）所示)，这时气隙内的实际场强为 (2.4)即气隙上的电场强度下降了E内，或者说气隙上的电压降低了DUc。于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强ECB，气隙中放电暂停。在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10-8数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间比较长，可达10-6数量级。 如果对照图2.2（b）分析放电过程，外施电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压uc达到气隙的击穿电压UCB时，气隙发生放电。由于放电的时间极短，可以看作气隙上的电压由于放电而在瞬间下降了Duc，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿电压，放电暂停（这相应于图2.2(b)中的点1）。此后气隙上的电压随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压UCB时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降Duc，于是放电又暂停。假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中放电电荷建立的反向电压为-2Duc。依此类推如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了n次放电，每次放电产生的电荷都是相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为-nDuc。在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压分量u外逐渐减小，当u外=nDuc时，气隙上的实际电压为零(图2.2(b)中点2)。 外施电压的瞬时值继续下降，当u外-nDuc =UCB时，即气隙上实际的电压达到击穿电压时，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于此前放电电荷所建立的电场E内，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为u外-nDuc UCB时，于是放电暂停(相应图2.2(b)中的点3)。此后随外施电压继续下降到负半周，当重新达到-u外-(n-1)Duc =UCB时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为-u外-(n-2)Duc UCB，放电又停止。依此类推直到外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为nDuc。随着电压回升，在一段时间内u外+nDuc UCB不会出现放电，直到u外+nDuc =UCB时气隙又发生放电。放电后气隙上的电压为u外+(n-1)Duc Cb，因此上式可写作 (2.6) 由于气隙经常是处于介质内部，因而无法直接测得qr或Uc。但根据图2.1(b)所示的等效电路当Cc上有电荷变化时，必然会反映到Ca上电荷和电压的变化，即试样两端出现电荷和电压的变化，因此可以根据这种变化来表征局部放电。通常有以下表征局部放电的参数。一、视在放电电荷 视在放电电荷是指产生局部放电时，一次放电在试样两端出现的瞬变电荷。 根据图2.1(b)所示的等效电路，并考虑到介质电阻Ra、Rb以及气隙电阻Rc都很大，而局部放电的放电时间又极短，可以假定在放电过程中，一方面电源来不及供给补充电荷，另一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉。因此当气隙放电而造成Cc上电压下降uc时，各电容上的电荷重新分配，因此Ca上的电压也下降了ua，且 (2.7)这时Ca上的电荷变化为 (2.8)将(2.7)代入上式可得 (2.8)将(2.6)代入上式得 (2.9)其中qa就是视在放电电荷，(2.9)表明了视在放电电荷与实际放电电荷的关系，可以看到：（1）通常气隙是很薄的，即CcCb，因此qa往往比qr小得多；（2）应当注意，真正代表放电大小的是qr，只有在Cb/(Cb+CC)相同时才能通过qa的大小来比较实际放电的大小；（3）两个视在放电量qa相同的产品，如果Cb/(Cb+CC)差别很大，则qa的差别也很大，因此，对材料的破坏作用也就可能大不相同。这点在局部放电的实际测试中要做具体分析。二、放电重复率放电重复率是指单位时间内局部放电的平均脉冲个数。通常以每秒放电次数来表示。从图2.2可以看出，假定气隙中每次放电后残留的电压ur可以忽略，则在外施电压的1/4周期内放电的次数约为 （2.10）式中ucm为气隙中不放电时电压的峰值。如果外施电压的频率为f，则一秒钟内放电次数为 （2.11） 在气隙中的放电次数与反映到试样两端电压脉冲的次数是完全相等的，但要注意的是实际测量中脉冲计数器需要大于一定电平的信号才能触发计数，因此，测得的放电次数只是放电量大于一定值或在一定范围的放电次数。三、放电的能量 放电能量是指在一次放电中所消耗的能量。单位用焦耳表示(J)。假定在气隙中发生放电时，气隙上的电压从UCB下降到零，即uc=UCB。则在这一次放电中消耗的能量为 （2.12） 设当气隙上的电压达到UCB时，施加在试样两端的电压峰值为uim（即起始放电电压的峰值），则 （2.13）将上式代入式（2.12）得 （2.14） 上式表明放电能量为视在放电电荷与起始放电电压（峰值)乘积的一半。同时也是实际放电电荷和气隙的击穿电压乘积的一半。四、放电的平均电流 平均电流是指在一定时间间隔T内视在放电电荷绝对值的总和除以时间间隔T。 （2.15）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，放电的平均电流I为安培（A）。五、放电的均方率 均方率是指在一定时间间隔T内视在放电电荷的平方之和除以时间间隔T。 （2.16）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，均方率D的单位为C2/s。六、放电功率 放电功率是指局部放电时，从试样两端输入的功率，也就是在一定时间内视在放电电荷与相应的试样两端电压的瞬时值之乘积除以时间间隔T。 （2.17）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，放电功率P的单位为W。七、局部放电起始电压Ui局部放电起始电压是指试样产生局部放电时，在试样两端施加的电压值。在交流电压下用有效值表示。在实际测量中，施加电压必须从低于起始放电的电压开始，按一定速度上升。同时，为了能在灵敏度不同的测试装置上所测的起始电压进行比较，一般是以视在放电电荷超过某一规定值时的最小电压值为起始放电电压。八、放电的熄灭电压Ue放电熄灭电压是指试样中局部放电消失时试样两端的电压值。在交流电压下是以有效值来表示。在实际测量中电压应从稍高于起始放电电压值开始下降。为了能在不同灵敏度的测试装置上测得的放电熄灭电压进行比较，一般是以视在放电电荷低于某一规定值时的最高电压为放电熄灭电压。上述八个表征局部放电的参数中，视在放电电荷、放电重复率和放电能量是基本的表征参数。平均电流、均方率和放电功率是表征放电量和放电次数的综合效应，并且是在一定时间内局部放电累积的平均效应。放电起始电压和熄灭电压则是以施加在试样两端的电压特征值来表示局部放电起始和熄灭的。2.1.4 影响局部放电的因素 局部放电的特性与很多因素有关。如介质和气隙（油隙）的特性、形状、尺寸，电场的均匀程度，外施电压的波形以及环境条件等。它们都是影响局部放电特性各参数的因素。一、影响视在放电电荷的因素 由前述可知 （2.18）式中h=0.10.8，表示当气隙比较大时，每次放电只是发生在一部分气隙面积当中。因此实际放电的面积应以hA来表示，其中A为气隙的面积。从(2.18)可以看出：1、气隙面积增大时，qa也增大；2、当外加电压升高时，h值增大，即实际放电面积增大，qa也增大。如果介质中存在多个气隙，则电压升高时就会有更多的气隙同时放电，这时qa增加更为明显；3、气隙的击穿电压增高，qa也增大。在气隙中气体的性质和气体的压力都会影响气隙的击穿电压。在同样尺寸的间隙中，油的击穿电压比气体高一到二个数量级。所以油隙的放电量一般比气隙的放电量大12个数量级；4、介质的相对介电系数大，介质的厚度小，气隙的厚度大，都会使qa增大。这时qa就比较接近于实际放电电荷qr ，反之就远小于qr；5、当气隙表面形成半导电层或导电层时，会使放电量显著减小，甚至于停止放电。二、影响放电重复率的因素根据(2.11)式可以进一步推导出放电重复率 （2.19）由此可见：1、增加试验电压的频率和峰值，都会使放电重复率增加；2、气隙的击穿电压低，放电的重复牵就大。从图2.2可以清楚地看到，当外加电压一定时，每周期内放电次数随UCB的减少而增加。因此，在其他条件相同时，油隙的放电重复率要比气隙的小；3、在试验电压峰值不变的条件下，介质的相对介电系数越大，介质厚度与气隙厚度之比越小，则气隙所承受的电压峰值就越高，因此，放电重复率也就增大；4、气隙表面电阻小，放电电荷容易泄漏掉，气隙中由于每次放电所建立的反电场Uc就比较小，因此，在一周期中放电次数增多，即重复率增大。这在交流电压下尤为明显；5、介质中存在许多气隙时，由于各次放电的时间比放电间隔的时间短得多，各气隙的放电正好叠加在一起的几率很小。因此，放电的次数也会增多。三、影响放电能量和放电功率的因素假定在1秒钟内各次放电的能量都一样，则每次发生放电功率为 (2.20)式中N为放电重复率，uim实际上就是用峰值表示的起始放电电压。将式(2.14)与(2.20)比较可以看出放电能量W与放电功率P都与视在放电电荷及起始放电电压有关。因此，所有影响视在放电电荷和放电电压的因素都会影响放电功率或放电能量。此外，放电功率还与放电重复率有关，因此，影响放电重复率的因素也会影响放电功率。四、影响放电平均电流和均方率的因素 根据平均电流和均方率的定义，可以看出每秒钟内放电的次数越多，每次放电的放电量越大，则平均电流或均方率就越大。因此，影响放电次数和放电量的因素也都会影响平均电流和均方率。五、影响放电起始电压和放电熄灭电压的因素凡是对气隙中的电场分布和气隙中气体击穿场强有影响的因素，如介质和气体的相对介电系数、介质和气隙的厚度、气隙的形状、气隙中气体的性质及压力等都会影响放电起始电压和放电熄灭电压。有些绝缘材料中的气隙放电起始电压还与施加电压的时间有关，如环氧纸板在20时，用快速升压测得的放电起始电压比逐级升压测得的高3.5倍。而在温度为60时这种差别就小得多。有的实验指出，当气隙直径小时，这种起始放电的延迟效应更为明显。在有延迟效应的情况下，起始放电电压的测定最好补充规定电压上升到起始放电时所需的时间不少于某一规定值，或者规定采用逐级升压法升压，并规定每级停留的时间。放电熄灭电压一般略低于放电起始电压，在放电过程，气隙状态发生了变化，或由于局部放电产生了新的气隙，则在较低的电压下仍然可以保持放电，这时放电熄灭电压将明显地降低。2.2 局部放电产生超声波的机理8设变压器油中含有一半径为r的气泡q，气泡的质量为Mm，气泡处于一定的电场中，由于局部放电的原因，气泡携带一定的电荷，因此气泡收到一定的外加的电场力Fe，气泡内部将有一定的弹性作用力Fq，气泡维持平衡状态，如图2.3A所示。由于局部放电过程（ns级）相对于超声波的产生过程（s级）来讲，局部放电过程很快，因此可以忽略局部放电的震荡过程，认为局部放电过程为单个脉冲。当发生局部放电时刻，气泡所受的外在电场力突然消失，气泡平衡状态被打破，气泡在弹性力的作用下，产生振动，此时气泡在受到三条力线：一条为弹性力，穿过力顺元件Cm，终止于气泡壁；另一条为摩擦力，穿过力阻元件Rm，终止于气泡壁；一条为惯性力，穿过质量元件Mm，终止于气泡壁；这三条力线都汇合于气泡壁，如图2.3B所示。从物理上看，质量Mm，力顺Cm，力阻Rm，三个元件的速度都相同，因此其在阻抗型类比线路图中应当是串联的。因此得到的电力类比电路图如图2.3所示。其中气泡的质量Mm等于气泡的体积乘以气泡的密度，力顺Cm、力阻Rm与气泡中的气体成分有关。从图2.3中明显的可以看出，气泡局部放电的力学过程类似于电路中的二阶电路的零输入响应。因此气泡中弹性力的受力满足下式的二阶方程 （2.21）一般情况下，对于油介质来讲，其力阻较小，式中存在：Rmr CmCm r Fp Mm 图2.3A 图2.3B 图2.3 （2.22）说明气泡中的局部放电力学过程为振荡过程。等效电路中的电压uc表示气泡壁的的对外作用力，其值乘上气泡的表面积即超声波的声压，忽略局部放电的振荡过程以及气泡的体积变化，则uc正比于超声波的声压，得到： （2.23）式中： 可以看出当气泡内发生局部放电时，气泡在脉冲电场力的作用下将产生为衰减的振荡运动，在气泡振动的作用下周围的介质中将产生超声波。则设气泡上真实放电量为q，气泡的击穿电场为E，则力顺Cm的初始值U0即等于击穿前施加在气泡上的电场力。得到： （2.24）忽略局部放电的振荡过程时，由式2.23、2.24可知，超声波幅值与真实放电量成正比。2.3超声波法测局部放电的设计整体设计思路：从传感器输出的局部放电信号往往十分微弱，必须对其进行预处理后才能送入高速数据采集单元进行模数转换。本文中的信号预处理单元主要完成两方面的工作，一方面完成信号的放大，使信号的幅值满足A/D的要求；另一方面对信号的频带加以限制，其目的是抑制高频干扰和抗频域混叠。实际的模拟信号预处理单元共有两路信号预处理电路，一路是用于检测是否有放电信号的整流触发电路，一路是在触发信号出现以后对放电信号进行滤波放大处理后再送给采样电路的处理电路。系统的整体框图如图2.4传感器前置放大器滤波器主放大器模数转换单片机触发电路数据采集图2.42.3.1超声波传感器2.3.1.1超声波及其物理性质振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在162104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2104Hz的机械波，称为超声波。如图2.5为声波的频率界限图：104102101201060.25106f/Hz探测语言音乐微波超声波声波次声波103105106107图2.5声波的频率界限图超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 （2.25） （2.26）式中：，声波在距声波x处的声压和声强； ，声波在生源处的声压和声强； x声波与声源间的距离； 衰减系数。声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。2.3.1.2超声波传感器原理接收超声波的装置叫做超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波探头常用的材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应将接收的超声波振动转换成电信号。也有使用导磁材料制作的超声波探头，它是利用导磁材料的压磁效应将接收的超声波振动转换成电信号。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转化元件，压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。应用较多的压电材料主要有五大类，即压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电高分子聚合物、压电复合材料以及压电半导体。压电陶瓷是目前超声研究及应用中极为常用的材料。其优点在于以下几个方面9：1、机电转换效率高，一般可以达到80%左右；2、容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、矩形以及球形等；3、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型、接收型以及收发两用型；4、造价低廉，不易老化，机电参数的时间和温度稳定性好，易于推广应用。2.3.1.3超声探头的选择原则在超声检测中，传感器的种类很多，性能各异，因此，须根据检测对象，合理的选择传感器。传感器的选择主要是对晶片尺寸、角度、频率等几个方面选择。1)传感器晶片尺寸大时，其覆盖范围大，晶片小时，覆盖范围小。角度的选择应尽可能使其便于接受超声波，就检测灵敏度而言，如果忽略超声波在材料中的衰减，灵敏度随被测物到传感器距离的增大而降低。另外探头型式的选择也要视具体情况而定，选择直探头或斜探头主要取决于待测设备缺陷的部位及方位。2)压电晶体的固有机械振动频率取决于传感器的检测频带，并等于转换出的电信号的频率。综合以上因素，本文选用的超声波传感器的中心频带最大宽度80kHz150kHz。2.3.2放大电路本设计中的放大电路共有两级组成，第一级为前置级，主要作用完成阻抗匹配，由两级放大器级联组成，第二级为输出放大级，主要作用是使输出的模拟信号满足AD转换器的输入要求。1. 放大电路的要求l 在微弱信号放大时应尽量减小放大电路的噪声，不能让噪声将有用信号淹没；l 要保证采样电路能够获得足够频宽的信号，通常放大器带宽要比有用信号的最高频率大十倍以上。2. 放大电路的选择前置放大电路的选择要求：前置放大是超声波信号数据采集的关键环节，由于超声波传感器得到的超声信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大，为了适应后面采集电路的电压要求，须经过放大电路将超声波传感器的输出信号进行放大，加之电极引入的极化电压差值较大（比信号差值幅度大几百倍），因此，除了要求高的安全性外，通常还要求前置放大器具有以下性能：1)放大倍数超声波传感器在检测电气设备或电力电缆局部放电时，一般来说，所检测到的脉冲信号是很微弱的，约为mV级。为了便于观察和读数，必须将被测信号经放大器放大后才能满足后续电路AD转换器的要求。2)高分辨率通常测量电路的灵敏度取决于前置放大电路的灵敏度，测量电路的分辨率取决于前置放大电路的噪音水平。由于信号源属于弱信号，这时噪声干扰不仅会影响有用信号，严重时还会淹没有用信号，使测量回路的灵敏度大为降低。3)稳定的线性度因为前置级的输入电压在一定范围内变化，所以要求在整个测量范围内放大电路有较稳定的放大倍数。4)较宽的频带为了不失真地放大电流传感器的输出信号，要求放大电路的频带宽度与超声波传感器的频宽相匹配，即放大电路的频宽要大于超声波传感器的频宽。5)稳定的工作性能要求放大电路受周围工作环境温度等因素的影响较小，有较稳定的工作状态，即每级放大电路的各项指标不变化或变化很小。6)高共模抑制比、高输入阻抗由于采集现场存在强烈的电磁场，而且工作环境中不可避免的有干扰，这样就必然有共模信号进入放大电路的输入端。因此在设计放大电路时必须考虑抗干扰能力，所选用的运算放大器必须有高的共模抑制比。如前所述，高输入阻抗主要是为了减小后级电路对前级电路工作性能的影响。7)低漂移漂移经中间级和功率级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因温度引起的零点漂移尽可能小。8)低噪声若电放大器本身噪声较高，可能会将有用的微弱信号淹没。放大器输入噪声在V级。输出级放大电路的选择要求：输出放大电路的作用是把经过带通滤波器输出的单边信号转换为AD转换器所需要的差分信号。干扰是放大电路中应该考虑的重要因素，它直接影响着放大电路性能的优劣。一般来说，干扰主要是外界的电磁场，接地线不合理和整流电源的交流纹波等原因造成的。所以在设计中，主要从以下几个方面来抑制干扰：1)合理布局。放大电路的输入线与输出线，交流电源线要分开走线，尽量交叉布线，不要平行走线。同时布线要紧骤，以减少干扰。2)并联去耦电容。为了减少因直流电源电压波动引起的干扰，在电源引脚和地端加一电