高压XLPE电缆绝缘检测及评估系统设计与实现1123

1、第二章 电缆绝缘状态检测及评估原理前已指出，我们研究的内容是将局部放电试验、交流耐压试验和定位技术整合在一起，更加科学地判断被试电缆的绝缘状态。本章着重阐述试验设计及实现过程中用到的原理，具体包括：脉冲电流法测电缆局部放电、变频谐振技术、放电量的校准、干扰抑制、电缆长度测量及故障定位。2.1 脉冲电流法测电缆局部放电2.1.1 脉冲电流法概述局部放电是绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象，这种放电一般发生在电缆的局部缺陷处，放电量很小，在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力，但如果这种放电长期发生，则会逐渐的损坏电缆的绝缘，缩短电缆寿命。由于局部放电时，电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流

2、都不会有太大变化，因此，检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候，一般都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声、噪普等现象，这些现象就可以作为局放检测的对象。根据检测物理量的不同，其方法有：脉冲电流法（测试试样两端电荷的变化）、电桥法（测放电能量损耗）、无线电干扰电压法（测放电产生的无线电干扰电压），以及许多非电检测法（测局部放电所发生的声、光、热以及放电生成物等）。其中脉冲电流法的灵敏度最高，而且可以测得放电量（视在放电电荷）、放电重复率及平均电流、放电能量等，是最基本最为广泛应用的一种方法。脉冲电流法对局部放电频谱中的较低频段（一般为数千赫兹至数百千赫兹或至多数兆赫兹，

3、局部放电信号能量主要集中在该段频带内）成分进行测量，以避免无线电干扰，是一种选择视在放电电荷作为测量局部放电量的方法。由于局部放电引起电荷转移，在试验回路中就产生高频电流脉冲，电流脉冲流经检测阻抗就变成电压脉冲，电压脉冲的波形和幅值可以用示波器来测量。电压脉冲波的大小正比于视在放电量q，这个量的单位是pC（微微库）。这种方法最初由英国电气研究协会（ERA）提出，从70 年代起就得到国际电工委员会（IEC）的推荐，现在在我国已被广泛地采用。图2-1 为脉冲电流法基本原理示意图。L-单位长度电缆的电感 C- 单位长度电缆的电容 Cc-放电气隙的电容 Cb-与气隙串联部分介质的电容2.1.2 电缆中

4、局部放电测量对于电机线棒、套管、电容器以及绝缘材料等试样，可以把试样看作一个集中参数Cx，但对于长电缆就不能看作集中参数。长电缆中局部放电产生的脉冲电压在终端可能产生反射或振荡，这时局部放电等效电路就必需用分布参数来表示（如图2-2 所示），局部放电的特性可以用分布参数的等效电路中出现的行波来表征，这种测量方法称为行波法。L-单位长度电缆的电感 C- 单位长度电缆的电容 Cc-放电气隙的电容 Cb-与气隙串联部分介质的电容电缆缺陷处产生的局部放电脉冲将以一定的传播速度沿电缆长度传播，并在末端发生反射，反射后继续传播，。行波检测法是测量电缆终端检测阻抗上局部放电产生的脉冲电压幅值，或脉冲电压产生

5、的视在放电电荷。为简化计算，可用电缆的特性阻抗ZC 来代替L 与C，等效电路如图2-3 所示：当气隙发生放电时，脉冲电流ib 同时通过两侧特性阻抗ZC，因此在电缆终端也就是特性阻抗两端出现的电压为：U0=ibzc2 设一次放电时间为 0 t ，则电压波所围的面积为: Q 相当于视在放电电荷。由此可见，A 正比于q。只要测出电缆终端电压波所围的面积就可计算出视在放电电荷。在内部气隙放电时，单个放电波形近似为一个方波如图2-4 所示。这时在0 t 时间内电压幅值都保持为0 U ，因此上面式子可改写为：在这种情况下，可以用电缆终端出现的电压幅值来表示视在放电电荷7。2.1.3 局部放电测试回路根据测

6、试回路的特点，行波检测法可分为“直测法”和“平衡法”两种。所谓直测法，指直接测量局部放电所产生的脉冲电流在检测阻抗两端响应的脉冲电压，有并联法（检测阻抗与耦合电容器串联）与串联法（检测阻抗与电缆Cx 串联）两种。平衡法须要两个检测阻抗，一个与耦合电容器串联，一个与电缆Cx 串联，主要特点在抗外来干扰的能力强。Ck耦合电容器；Zd检测阻抗；Zm阻塞阻抗；PDD测试仪器；HV高压电源其中，阻塞阻抗Zm 亦称高压滤波器，它可抑制从试验电源侧窜进试验回路的干扰，也可阻止试样的局部放电脉冲通过试验电源泄露掉。既有效地抑制来自电网的干扰，又较好地提高局部放电的检测灵敏度。以上三种测试回路大同小异，不论哪种

7、测试回路，都是由电缆、耦合电容器（隔离电容器）Ck 以及检测阻抗Zd 组成。耦合电容的作用是将试样局部放电产生的脉冲信号耦合到检测阻抗上去。在并联测试回路中耦合电容器Ck 又起隔离工频高压的作用，使检测阻抗处于低电位。耦合电容器在试验电压下不允许产生局部放电，而且残余的电感要足够小，以免在测试回路中产生振荡。检测阻抗的作用是取样，当试样产生局部放电时，测试回路中就有脉冲电流，于是检测阻抗两端就会出现脉冲电压，这个电压的幅值与波形是与局部放电的大小、快慢以及测试回路的各参数，特别是检测阻抗有关。2.1.3.1 检测阻抗检测阻抗，也称为输入单元，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

8、压的工频及其谐波的低频信号则予以抑制。检测阻抗是连接试品与仪器主体部分的一个关键部件，对仪器的频率特性与灵敏度有直接关系。常用的检测阻抗有RC 型和RCL 型两种如图2-6 所示：电容Cd 主要由至仪器主体连接电缆的电容、放大器输入电容等组成。当试样产生局部放电时，试样两端有电荷变化为qa，如果试样两端不接测试回路，则试样两端的电压变化为x=qacx (2-5)在上述测试回路中试样两端的电压变化为由于这个脉冲电压的上升时间很短，在上述测试回路中Ck、Zd 上电压初始值都可以看作与其电容量成反比，这时检测阻抗两端的电压初始值为式中， CT=Cx1+CdCk+Cd ,Cx 为试样的电容（pF），C

9、k 为耦合电容（pF），Cd 检测阻抗的电容（pF），qa 视在放电电荷（pC）从式（2-7）可以看出以下几点：1） 当测试参数已定之后，Ud 与qa 成正比，因此可以用检测阻抗两端的电压来代替放电量。2） 当试样的电容量增大时，Ud 减小，因此对于大电容量的试样如电容器、长电缆等若要测得较小的放电量就需要测试仪器具有更高的灵敏度。3） 在测试仪器的灵敏度一定时，增大Ck 或减小Cd 可以提高测试灵敏度。但Cd受引线分布电容所限，在调谐回路中还受调谐条件所限。在串联回路中，增大Ck 就会抬高检测阻抗两端的工频电压，从安全和放大器正常工作的要求出发不允许在检测阻抗两端出现高的工频电压。而且Ck

10、增大通过检测阻抗的电流也要增大，因此检测阻抗的容量也要相应地增大7。2.1.3.2 放大器从检测阻抗取得的局部放电信号是很微小的，例如当试样电容为10-6F，放电量为10-12C 时，试样两端电压变化约为1V，而且获得的检测脉冲信号中混有数值相对可能高得多的工频电压或其谐波分量。为了只放大局部放电脉冲信号，放大电路一般由高通滤波器及适当频带宽度的放大器组成。放大器对显示的脉冲波形、响应特性、灵敏度及噪声性能等都有直接影响。放大器要低噪声（信/噪比应不小于2：1）、高放大倍数（增益在80dB 左右），频带要与测试回路的频带匹配。根据放大器的频率特性，可将放大器分为两类，如图2-7（a）、（b）所

11、示：f1-频带下限频率 f2-频带上限频率 f0-谐振频率 f-频带宽度1、宽带及低频放大器频带的下限频率f1 一般为数kHz（3dB 点），以阻止工频及其谐波电压侵入。宽带放大器的上限频率f2一般取一至数十MHz（3dB点）；而低频放大器的f2一般为（100300）kHz（3dB 点）。宽带放大器一般与RC 型检测阻抗相配，而低频放大器一般与RCR 型检测阻抗相配8。宽带放大器由于易受外界噪声影响，限制了它的广泛应用。仅在少数场合（例如行波法定位）下获得应用。低频放大器受外界干扰的影响较小，易获得高增益，灵敏度仍较高，故成为脉冲电流法测试仪主要采用的放大器类型。2、 调谐放大器又分为窄频带与

12、中频带两种方式。窄频带放大器主要在无线电干扰电压法（RIV 法）中应用。因频带窄（约10 kHz），中心频率f0 可调节，以避开外干扰大的频域，故有实用意义。但其包络线范围大，分辨率差，其脉冲分辨时间可达200s 以上，而且脉冲极性不能判别，我国应用较少8。中频带调谐放大器是针对窄带放大器的分辨率太低所进行的改良，随着f 频带展宽至100kHz 左右，脉冲分辨率有改善，但仍不能判别放电脉冲波的极性。在实际测量中，由于测试装置对脉冲信号总是要有一定的时间响应，致使最终测得的脉冲电压幅值与检测阻抗和放大器的频率响应都有关。2.2 变频谐振技术单位长度圆形单芯电缆的电容8式中：0真空介电常数，0 =

13、8.86×1012 (F/m)； 绝缘材料的相对介电常数，挤塑绝缘常用绝缘材料的（相对）介电常数见表2-1；e D 绝缘外径（不包括外半导电屏蔽层厚度）；c D 线芯导体外径（包括线芯表面半导电屏蔽层厚度）。与其它电工产品相比，电缆的电容量很大。采用传统的工频试验变压器笨重、庞大，且大电流的工作电源在现场不易取得，因此一般都采用串联谐振交流耐压试验设备。其输入电源的容量能显著降低，重量减轻，便于使用和运输。初期多采用调感式串联谐振设备（50Hz），但存在自动化程度差、噪音大等缺点。因此现在大都采用调频式串联谐振试验设备，可以得到更高的品质数（Q 值），并具有自动调谐、多重保护，以及低

14、噪音、灵活的组合方式（单件重量大为下降）等优点。综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。国际大电网会议第21、09工作组发布的试验导则，建议频率范围为30300Hz。串联谐振亦称电压谐振。串联变频谐振试验的工作原理如图2-8所示。（1） 变频电源：频率在30300Hz连续可调的功率源。（2） 励磁变压器：用于给电感、电容谐振系统提供能量的变压，特点是变压器的铁芯特性能适应较宽频率下的电压响应，与变频源配套使用。（3） 谐振电抗器：用于同试品电容进行谐振，以获得高电压（大电流）的电抗器。规格有：30H/20kV/2A、40H/40kV/3A等，一般配13个可根据需要串并

15、组合（4） 电容分压器：用于精确测量试品端所加电压值。图中，交流220V、50Hz 电源经变频器输出30300Hz 频率可调的电压，输入励磁变压器T，升压至02000V，再经谐振电抗器L (可以是串并联组合的电抗器) 和被试电缆Cx，构成高压主谐振回路，电容分压器为纯电容式，用来测量试验电压，其中，C1 、C2 分别为电容分压器的高压臂和低压臂。串联变频谐振试验原理的等效电路如图2-9所示。R为高压试验回路等效电阻，C为被试电缆、电容分压器及引线分布电容等综合电容之和，简称为试品电容。在这样的R、L、C串联回路中，当变频电源的频率f 逐步升高时，谐振电抗器的感抗XL = 2fL 逐步增大，而试

16、品电容的容抗XC = 1/ (2fC) 随着频率f 的增大，反而逐步减小。当达到电容中的某一频率时，回路中的感抗与容抗相等(XL = XC)，电感中的电磁场能量与试品电容中的电场能量相互来回反馈补偿，试品所需的无功功率全部由电抗器供给，电源只提供回路的有功损耗。此时，电路达到谐振状态，谐振频率为 f = 12LC (2-9)设回路电流为I，则励磁电压 UT = IR (2-10)试品电容的容抗产生的电压,即试验输出电压为 UC = I XC = I/(2fC) (2-11)品质因数Q 即试品所获得的容量与励磁变压器输出容量之比，在串联谐振回路中可用试品电容上的电压值与励磁变压器的输出电压值之比

17、代替，则品质因数Q为试验输出电压为 UC=Q UT (2-13)由上述可知，只要适当增大谐振电抗器的电感量L，就可以在较小的励磁电压UT下，使被试电缆Cx上产生几十倍于UT的试验输出电压。串联谐振耐压试验的优点：串联谐振时谐振式电流滤波电路，能改善电源电压波形畸变，获得很好的正弦电压波形，有效防止谐波尖峰对被试品的伤害。在串联谐振状态，当被试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即失谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的数十分之一（1/Q）。而采用并联谐振或试验变压器方式做耐压试验，击穿后的电流立即上升几十倍以上。两者相比，击穿电流相差数百倍，所以，串联谐振耐压既能有效地找出绝缘弱点，又不存在大短路电流烧

18、伤故障点的隐患。发生闪络击穿时，因失去了谐振条件，除短路电流立即下降外，高电压也立即消失，电弧立即熄灭。且谐振电压再建立时间较长，很容易在再次达到闪络电压前断开激励电源。2.3 放电量的校准在局部放电测量中测试仪器上出现的信号（脉冲幅值），究竟代表多大的放电量，需要通过放电量的校准才能确定。电测法局部放电检测系统的定量校正是根据视在放电量的定义，如果定量校正试品Cx产生的局部放电量，可以用幅值为U0的方波电压源串联小电容C0组成人工模拟支路并将产生的放电量q0注入与Cx两端，此注入的电荷量为q0 =U0C0，这时在局部放电检测仪的显示器上可测得脉冲高度H0，则放电量的分度系数为 K0 = q0

19、 /H0 (2-14)经过校正后，应保持检测系统连接回路不变以及系统的放大倍数等其它参数都不改变，即保持检测系统分度系数不变。曲调校正用的人工模拟支路后，对试品按试验规程施加试验电压。当试品产生放电时，在显示器上读得的脉冲高度为H ，则试品的视在放电量为 q 0 = K0 H (2-15)国家标准GB7354-87局部放电测量推荐了直接法和平衡法测量回路的直接校正电路，如图 所示。如果将人工模拟支路产生的放电量q0注入检测阻抗Zd两端称为间接校正，采用间接校正方法得到的分度系数进行放电量标定时，实际的放电量是分度系数K0、回路衰减系数Kl以及脉冲高度H 三者的乘积，其中回路衰减系数Kl通常以测

20、量方式求得，其方法是：采用间接校正回路测得分度系数K ，采用直接校正回路测得分度系数K ，则Kl = K/ K 且 Kl >1 (2-16)2.3.1 直接校准将已知电荷量 Q0 注入试品两端称为直接校准，其目的是直接求得指示系统和以视在放电量Q 表征的试品内部放电量之间的定量关系，即求得换算系数K。这种校准方式是由GB/T7354-2003 推荐的。直接法和平衡法测量回路的直接校准电路，如图2-10 所示，其方法是：接好整个试验回路，将已知电荷量q0=U0C0 注入试品两端，则指示系统响应为LN。取下校准方波发生器，加电压试验，当试品内部放电时，指示系统响应为LX，此时可换算系数为：

21、KH=LxLN10(N1-N2) (2-17)式中：N1 为局部放电仪放大器测量时的倍率档位（15），N2 为局部放电仪校正时的档位（15）（此时倍率为每档10 倍，第5 档为放大倍数最大，否则应为N2- N1）。则测试的视在放电量Q 为： Q= U0C0KH (2-18)式中：Q 为视在放电量，pC；U0 为方波电压幅值，V；C0 为电容，pF；KH 为换算系数。为了使校准保证有一定的精度，C0 必须满足：式中：Cm 为测量阻抗两端的等值电容。2.3.2 间接校准将已知电荷量 Q0 注入测量阻抗Zm 两端称为间接校准，其目的是求得回路衰减系数K1，并由校准脉冲相比较而直接读出放电量值。直接法

22、和平衡法测量回路的间接校准电路，如图2-11 所示。图2-11 中的是高压对地的总杂散电容，其值随试品和试验环境的不同而变化，是个不易测得的不定值。因此，通常以测量的方式求得回路衰减系数K1，其方法是：接好整个试验回路，将已知电荷量Q0 注入测量阻抗Zm 两端，则指示系统响应为 。再以一等值的已知电荷量Q0 注入试品Cx 两端，则指示系统响应为 。这两个不同的响应之比即为回路衰减系数K1，即： K1='>1 (2-21)则视在放电量： Q= U0C0K1 (2-22)直接校准时，加电压试验的校准方波发生器需脱离试验回路，不能与试品内部放电脉冲直观比较。间接法校准时，校准方波发生器

23、可接在试验回路并能与试品内部放电脉冲进行直观比较。2.4 干扰抑制在局部放电测量中，往往由于外部干扰信号的影响而使测试结果产生误判断，甚至会使测试无法进行，因此有效地消除和抑制干扰是局部放电测量的重要环节。局部放电测量时的干扰主要有以下几种形式13：a 电源网络的干扰。b各类电磁场辐射的干扰。c 实验回路接触不良、各部位电晕及试验设备的内部入电。d接地系统的干扰。e 金属物体悬浮电位的放电。干扰的抑制措施：（1） 各个通道间尽可能拉开一定的距离，特别要避免通过高阻相连。 例如多路信号传递时本可共用一个集成片子，为避免不同通道间干扰最好分别选用几个片子1。（2） 采用单点接地。多点接地时容易在地

24、线回路上有环流引起共模干扰。各个部件、单元均自成回路，不要共用地线，特别是数字电路和模拟电路的地线更需分开，以防止相互间的共模干扰1。（3） 隔离。信号通过一定的隔离措施再传递到另一单元，以避免各单元间的相互干扰。常用的隔离方式有：隔离变压器、光电耦合器、光电光纤信号传输。（4） 高压引线选用较粗的铜导线，在接线处均套上均压罩，以保证在被试品上发生局部放电是高压导线无电晕放电。（5） 为了防止电源噪声流入到测量回路来，以及被试品局放脉冲流到电源去，在电源和测量回路间接入一个低通滤波器。它不但可以滤去从电源来的高频干扰信号，而且还可以改善电压波形和阻止试样中局放信号被变压器入口对地分布电容所短路

25、。（6） 屏蔽技术。通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。另外，工控机采用屏蔽机箱。机箱的屏蔽材料一般采用铜板、铁板、铝板、涂锌板等，厚度约为2.20.8mm。这些金属板对电场、高频磁场和电磁场的屏蔽效能都很大，可达到160dB1。（7） 平均技术。这是用软件即数据处理的方法抑制干扰，主要是随机性干扰。采用平均技术需确定采样率、每次采样样本的容量以及样本数，而这些采样值的采样周期必须是严格相同的。（8） 滤波技术。使用各种带通滤波器可有效地消除和抑制连续的周期性干扰。带宽和中心频率的选择视干扰信号的频带而定。窄带抗干扰性好，能抑制通频带以外的干扰信号，

26、但也容易造成信号某些频率成分的过分丢失；宽带虽可测得信号的频率成分比较丰富，但又不利于抑制干扰。除了硬件滤波外，还可利用数字滤波技术抑制干扰，主要针对连续的周期性干扰，可用于局部放电脉冲信号的监测中。详细介绍见第四章小波去噪技术。抑制干扰措施很多。有些干扰，在变电所现场要完全消除往往是不可能的。实际试验时只要将干扰抑制在某一水平以下，能有效测量试品内部的局部放电就可以了。2.5 电缆长度测量与局部放电定位电力电缆长度测量与局部放电定位的主要方法是行波法，它切实可靠，在我国许多电缆厂已广泛应用。行波法基本原理：向待测电缆注入一低压脉冲，通过接收阻抗不匹配点（故障点和电缆尾端）的反射回波来实现长度

27、测量和故障点定位。在电缆检测端注入校正脉冲波，利用检测仪监视波的传播情况，见图2-12。在时间t1 注入校正脉冲，此时检测仪出现一个波形，为注入脉冲，该脉冲沿电缆全长传播到远端，反射，再沿电缆传播到检测端。在t2 时检测仪上出现第二个波形。此后脉冲波会继续反复传播，以等间隔在t3，t4，出现波形，直到逐步衰减到不能识别为止。显然，时间间隔t2-t1（或t3-t2 等等）相当于脉冲波传播经过两倍电缆长度的时间量，由此可检测出电缆的长度L。 L =V ×(t2 t1) / 2 (2-23)其中V 为电缆中行波的传播速度，仅与电缆的绝缘介质性质有关， v=300/rms（对于交联聚乙烯绝缘

28、r =2.3）；t2-t1 为两倍电缆时间。在检测到电缆局放时，如果能对局部放电源进行定位，那么局部放电活动测量的实效性就会大大提高。定位有单端定位和双端定位两种方法，定位原理同上述的长度测量。2.5.1 电缆局部放电单端定位法当局部放电发生时，局放脉冲从放电点向电缆两侧传播。其中一个入射波经过沿电缆线的衰减和畸变后直达测量端，由检测回路响应后，经检测阻抗进入检测装置放大并显示，称为直达脉冲，另一个反向传播的放电脉冲先到达远端发生反射，反射波沿电缆全长L 传播到达测量端经检测回路显示，称为反射脉冲，如图2-13 所示：如果直达脉冲和反射脉冲都能被识别，就可很容易地确定局部放电位置。设直达脉冲到

29、达检测仪的时间为t1，反射脉冲到达检测仪的时间为t2，则由两个脉冲的时间差T可确定局放位置： Lend=v×T2 (2-24)其中， V 为电缆中行波的传播速度， 仅与电缆的绝缘介质性质有关，v=300/rms（对于交联聚乙烯绝缘r =2.3）；T =t2-t1 为直达脉冲与反射脉冲到达检测仪的时间差。2.5.2 利用同步收发仪进行电缆局部放电双端定位局部放电单端定位法步骤简单，操作简便，但在实际应用中，由于反射的脉冲太弱，或存在其他反射脉冲、噪音以及波形失真带来的干扰，使用这种简单的单端测量方法，比较难实现局放点的定位。因此，如果第二个脉冲（反射脉冲）能够明显强于噪音信号，定位就会

30、容易得多。在测量时，为了增强反射脉冲，使之能够从背景噪音中突显出来，可以使用同步收发仪。该仪器包括一套放电触发单元和一个脉冲发生器，其基本工作原理是利用放电触发单元探测到一个小的脉冲后，再利用脉冲发生器注入一个很大的脉冲，这样便可确保在电缆的测量端能够检测到一个“反射”的脉冲。这种定位方法非常简单，只要局部放电脉冲清晰，且使用同步收发仪时方法规范，定位结果就会清晰明确。2.6 本章小结本章主要论述了电缆绝缘检测及评估系统的设计原理。介绍了检测长电缆局部放电的行波法，给出了三种常见的局部放电检测回路，讨论了不同类型的检测阻抗和放大器特性。详细说明了串联变频谐振试验的工作原理并总结了利用串联变频谐

31、振电源进行耐压试验的优点。描述了校准放电量的直接校准方法和间接校准方法。讨论了局部放电测量中的干扰形式及抑制措施。最后基于行波测距原理进行了电缆长度测量及局部放电点定位的研究。第三章 检测及评估系统硬件设计该系统用于检测高压电缆内的绝缘层的局部放电情况，通过现场预防性实验，对电缆绝缘缺陷进行检测和评估。主要由交流耐压试验和局放检测两种手段完成，即在交流耐压实验的基础上，通过局部放电检测数据，对电力电缆的绝缘状况进行评估，并对薄弱环节进行定位。3.1 检测及评估系统总体设计系统的基本功能框图如图 3-1 所示：图中，变频谐振电源及其附属设备用于向被试电缆提供试验电压，电容式分压器属于变频试验设备

32、的一个组成部分。在试验电压允许的范围内，分压器能够提供100V300V的试验电压输出，用于测量或反馈控制。 基本参数如下：变频电源，额定输入：三相AC380V±15%，50Hz；额定输出：单相，0350V连续可调，50kW150kW，正弦波，不稳定度1%；频率要求：范围30300Hz，调节细度0.1Hz，不稳定度0.01Hz；满载连续工作时间60min。励磁变压器低压侧：额定容量15kVA；额定电压350V/400V/450V；额定电流111A143A；局部放电10pC(额定电压下，高压侧出口处测量)；谐振工作制下，连续运行60min。调谐电抗器：额定电压120kV；额定容量2400

33、kvar；品质因数50(50Hz)； 局部放电10pC。电容式分压器：额定电压120kV；电容量标称值2500pF；分压比标称值600：1；局部放电10pC。电缆试品为交联聚乙烯电缆(XLPE)。检测阻抗为局部放电的取样部件。检测装置包含两部分：高频信号放大器主要对检测阻抗上测得的信号进行高频带通滤波放大，使信号能够达到测量电路允许的电平范围，并且不出现明显的失真或时间延迟；低通有源滤波主要对检测阻抗上测得的信号进行低通滤波，以得到较好的工频信号。数据采集单元将测量结果上传至上位计算机并接受上位计算机的控制。后台分析与评估软件是系统的核心部分，完成与采集单元的通信，对采集单元传过来的信号进行分

34、析处理，得到需要的信息，生成必要的谱图，并在此基础上进行定位分析。下面着重讲述检测阻抗设计、信号调理电路设计和数据采集单元的设计，后台分析与评估软件在第四章中专门进行论述。3.2 检测阻抗设计3.2.1 RC 检测阻抗概述检测阻抗的类型及参数除了和整个仪器的通频带（或频率响应）和检测脉冲波形等有关外，与放大器的匹配同样是重要的，对于电容量较大的电缆更是如此。考虑到RCL 检测阻抗检测到的信号呈衰减振荡以及与宽频带放大器的匹配问题，本设计采用RC 检测阻抗。接RC 检测阻抗的测试回路如图3-2 所示。当电缆上的局部放电很快消失后，检测阻抗上的电压Ud 不能马上消失，Cd 上电压经电阻d R 放电

35、，故d U 按指数关系衰减，即式中d 为检测回路的衰减系数，它是检测回路时间常数d 的倒数，即d=1dd=1CtRd式中， C t 为调谐电容，即检测阻抗两端上的总电容。Ct=Cd+CK.CxCK.Cx RC 型检测阻抗上的电压是非周期性的单向脉冲，每个脉冲与绝缘内部局部放电脉冲一一对应。脉冲持续时间短、分辨率高。d 愈大，分辨率愈高。3.2.2 RC 检测阻抗参数确定及其信号分析已知 Ck2500（pF），取Cd1（nF），R2（），被屏蔽盒包起来的检测阻抗外形如图3-3 所示：图3-3 检测阻抗外形（1） 低频（30Hz300Hz）信号分压比分别取频率30Hz 和300Hz，分压比为： K

36、300 =106000， K 30 =10K300 。故，在电压等级为110kV 情况下，频率分别为30Hz 和300Hz 时，检测阻抗上分压分别为：（2）局部放电脉冲信号其中， CT=Cx1+CdCk+Cd当电缆长为300 米时，当电缆长度为8 公里时，Cx = 0.17F / km 8000m = 1.36FCv = 1.9FUdm = q( pC)×5.3×10 4 (mV)3.3 信号调理电路设计从检测阻抗上获得的信号分两路经过检测装置，分别得到工频和高频脉冲信号，再传给数据采集单元。检测装置包括局部放电脉冲信号提取电路和工频信号提取电路。3.3.1 局部放电脉冲信

37、号提取采用隔离缓冲放大器和前置放大器来实现局部放电脉冲信号的提取。串联变频谐振电源的频率范围为30300Hz，在高压试验中，为避免工频信号对局部放电脉冲信号的影响，需要将工频及其谐波滤除，同时考虑定位和检测灵敏度的需求，将放大器的截止频率定为10kHz20MHz，放大倍数为30。其中隔离缓冲放大器主要实现电气隔离功能，放大倍数设置为1，前置放大器放大倍数为30。试验现场存在多种干扰，局部放电脉冲信号的提取受环境影响比较大，因此，在放大器的外围加以屏蔽，减少外界环境的影响，同时选取低噪声的放大器，避免放大器本身对局部放电信号的干扰。局部放电检测放大器如图3-4 所示：图3-4 局部放电检测放大器

38、3.3.2 工频信号提取3.3.2.1 低通有源滤波器概述有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。一般由集成运放与RC 网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。低通滤波器的特点是使低频信号（或直流）成分通过、抑制或衰减高频信号，主要用于削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声信号。低通滤波器的主要技术指标14：(1)通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图 3-5 所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。(2)通带截止频率fp其定义与放大电

39、路的上限截止频率相同，见图3-5。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。3.3.2.2 二阶低通有源滤波器参数设计二阶LPF 的电路图如图3-6 所示，幅频特性曲线如图3-7 所示。（1）通带增益当 f = 0 时，各电容器可视为开路，通带内的增益为Avp=1+RfR1（2）二阶低通有源滤波器传递函数根据图 3-6 可以写出联立求解3-10、3-11 和3-12 三式，可得滤波器的传递函数 (3)通带截止频率将 s 换成jw，令w0 = 2 f 0 =1 (RC)可得当f=fp 时，上式分母的模解得截止频率：变频谐振电源的频率范围为30300Hz，本设计将截止频率确定为

40、300Hz，通带放大倍数为2.8，即fp =300Hz， A vp =2.8。选择集成运放的型号为A741，取C = 4.3 F ，代入式子3-16得R = 45.65（取标称值为45.3精度为1的金属膜电阻），取 R1 =1K，由式子3-9得Rf =1.8K（直接取标称值为1.8K精度为1的金属膜电阻）。检测装置如图3-8所示。图3-8 检测装置图3.4 数据采集单元3.4.1 数据采集概述当要对一个高频信号（比如高达 100 MHz 的波形）进行采集和处理的时候，通常会设计一个高速或者超高速硬件采集电路，包括放大部分、滤波部分、A/D 和D/A 转换部分等，这种电路的要求非常高，要求边采集

41、边存储，电路速度高，而且要考虑各种辐射干扰等，比较困难，同时目前市场上成品价格很难承受。并且根据采样定理，采样频率F 应等于或大于被采样信号的最高频率f 的2 倍，即F2f。考虑到实际恢复波形的低通滤波器不可能具有完全理想的特性，为了正确恢复信号，通常取F(2.55)f 或更高。当采样的信号高达100 MHz 时，就应该达到500 MHz 的采样率15。3.4.2 DSO 充当数据采集单元本系统使用数字存储示波器（DSO）充当数据采集单元。除了价格上的优势外，与一般意义上的硬件处理器相比没有了A/D 和D/A 转换过程，使处理的精度和速度都有了明显的提高。DSO 的几个指标：（1） 通道数。本

42、系统需要同时显示工频和高频局放脉冲信号，因此数字示波器应不少于两个通道。（2） 采样频率。定义为每秒采样次数（S/s）。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丢失的概率就越小。为满足局部放电点定位的要求，本系统要求采样频率不低于2GHz。经验数据表明，电缆当中电磁波的传播速度约为真空光速的1/2-2/3 左右，基本在15cm-20cm/ns 之间，2GHz 的采样率能够保证测距精度在7.5cm-10cm 之间。（3） 带宽。带宽一般定义为正弦输入信号幅度衰减到-3dB，即70.7%时的频率。带宽决定示波器对信号的基本测量能力，随着信号频率的增加，示波器对信号的准

43、确显示能力将下降，如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化，幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。决定示波器带宽的一个有效的经验法则是“5 倍准则”，即将要测量的信号最高频率分量乘以5，这能保证在测量中获得高于2%的精度。本系统要求DSO 带宽不少于200MHz。（4） 存储深度。任何一个采集系统的存储长度都是有限的，存储长度长有利于得到更多的信号样本，这对局部放电测量有两方面的意义：一是记录放电持续时间长的放电信号，二是可以在一次采集过程中记录多次放电波形。但加大存储长度并不意味着就可以提高测量精度，因为采样点间的最小时间间隔是由采样率决定的。如果假设实时采样率为1GS/s，局

44、部放电持续时间为1s，则采集系统在一次采集过程中只需要采集1GS×1s=1000S，其余采集的样点均为多余样本，过多的多余样本将影响后续信号处理工作。为解决上面的矛盾，我们考虑了两种方案：一是选择存储深度可改变的示波器，当分析十分稳定的信号时，选择存储深度小的档位，要分析一个复杂的数据流时，选择存储深度大的档位；二是存储深度固定，通过改变时基设置来改变采样率，分析十分稳定的信号时，时基选的大点，分析复杂的数据流时，时基选的小点，将波形拉宽。（5） 采样方式。使用DSO 峰值检测功能，实现波形的毛刺捕捉。采用峰值检测的方法时，示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测，并由正负峰值检测器将

45、信号的峰值幅度暂时存储起来。当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零。这样在示波器上就用检测到的信号的正、负峰值代替了原来的采样点数值。因此，峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低而丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号。峰值检测技术起源于存储深度不能满足捕获毛刺的需要，正常取样方式时，要捕获窄的毛刺，示波器必须将收集的全部采样数据存储在示波器中，对于快速扫描，单次扫描就涉及几千个数据位，而慢速的扫描则需要几千兆位或更大容量的存储器。峰值检测不像正常取样所做的那样，给出一个详细的完整波形显示，而是以最高的采样率捕捉信号，简单

46、的忽略某些采样，只记录发生在每个采样间隔期间内的最大最小的峰值，这样就不用增加存储深度还可以捕获毛刺或偶发事件。（6） 拟合方式。数字示波器不是连续采集信号，它实际上是通过采集足够的样点，然后用内插值法来决定连接采样点间的其它点的值。常用的内插值方法有：线性插值法和Sin(x)/x 内插值法。线性插值法是直接用直线来连接两个样点，而Sin(x)/x 内插值法是基于数学公式Sin(x)/x 来决定两个样点之间的其它点，这样可以得到一条光滑的曲线，如果用Sin(x)/x 内插值法来连接采样点的，通常认为用2.5 倍奈奎斯特速率进行信号采集，可以较精确地重建波形。（7） 采样时基。在数字信号采集中，存储长度决定采样长度与采样间隔，采样时间长度长，则采样点间间隔大，反之，采样时间长度