【文章內容簡介】 的局放檢測為例， 國際大電網組織（ CIGRE） 得出的普遍結論是： 1) 聲學檢測法 、 常規(guī)電測法和 UHF法都有良好的靈敏度 。 上海交通大學碩士論文 第一章 緒論 第 5 頁 2) 聲學和 UHF法可對局放源進行定位 ， 而常規(guī)電測法不可以 。 3) 脈沖電流法 需要一個外部耦合電容 ， 不能 用于運行中的 GIS。 目前聲學檢測法適宜于現場檢測 ， 而 UHF法可用于局放的連續(xù)在線監(jiān)測 ， 化學和光學檢測法的靈敏度較低 ， 一般不用于在線檢測 。 表 12為 上 述各種 局部放電監(jiān)測方法的性能一覽表。 表 11 GIS 中局部放電監(jiān)測方法的性能一覽表 監(jiān)測方法 脈沖電流 法 超高頻法 超聲波法 化學法 光學法 優(yōu)點 簡單；靈敏度較高 靈敏度高；可用于運行中設備 靈敏度高；抗電磁干擾能力強 不受電磁干擾 不受電磁干擾 缺點 運行設備不能使用；信噪比低 造價高 結構復雜；要求豐富經驗的人操作 靈敏度差；不能長期監(jiān) 測 靈敏度差；需多個傳感器 可達精度 5pC ~ 2pC 很差 差 適用監(jiān)測的放電源 固定微粒；懸浮物；氣隙和裂紋 各種缺陷類型都適用 自由移動的微粒；懸浮物 放電情況嚴重時的缺陷 固定微粒；針狀突出物 能否故障定位 不能 精確度較高：177。 適用，但條件苛刻，需多個傳感器 僅能判斷哪個氣室發(fā)生放電 能，但條件苛刻，成本很高 能否判別故障類型 能 能 能 不能 不能 是否已應用 早期應用較多 應用較多 應用較多 極少應用 極少應用 超聲檢測法概述 在局部放電發(fā)生時，放電區(qū) 域內分子間會劇烈撞擊，同時介質由于放電發(fā)熱而瞬問體積發(fā)生改變，這些因素都會在宏觀上產生脈沖壓力波，超聲波就是其中頻率大于 20 kHz的聲波分量。此時，局部放電源可看作點脈沖聲源，聲波以球面波的形式向四周傳播，遵循機械波的傳播規(guī)律，在不同介質中傳播速度不同，且介質交界處會產生反射和折射現象。在設備外部安裝聲電轉換器，可將聲信號轉化為電信號，然后經一系列的處理，就可得到代表設備局放信息的特征量。 由于聲電傳感器效率的提高和電子放大技術的發(fā)展，聲測法的靈敏度有很大提高，現在對于大電容量的試品，如 F? 以上的電力電容器，其靈敏度不比電 測法低。另外，根據超聲波的定向傳播特性，在一定的媒介中有一定的定向傳播速度，可以用它來測定局部放電的部位。目前聲測法在電力電容器、電力變壓器、GIS等電工設備的局部放電檢測中的應用越來越廣泛。 上海交通大學碩士論文 第一章 緒論 第 6 頁 同時， 盡管 脈沖電流 法是局部放電研究的基礎 ， 但是電脈沖信號在現場中檢測時會有很大的干擾，另外 電測法還存在 線標定 不方便 和在線結果與離線結果的等效性等問題 。而目前現場 工程技術人員往往更關心運行 的電力設備的 局部放電檢測問題，特別是當放電量較大時，通過 檢測局部放電以確定 設備 絕緣的損壞程度，而這種情況適合超聲波法檢測。因此本文 從電氣設備 在線檢測的角度出發(fā) 進行超聲局部放電檢測儀的研究 。 超聲波法檢測 GIS局部放電具有以下特點 : 易于實現在線檢測 目前采用的超聲波法檢測 GIS局部放電是利用超聲波傳感器貼在接地的 GIS外殼上進行檢測，對 GIS的運行和操作沒有任何影響。傳感器與檢測設備之間采用光纖來連接 ， 光纖具有良好的絕緣性能檢測設備與高電壓設備之間有很好的隔離 ， 使設備和測量人員的安全可以得到保證 ， 同時不存在在線結果與離線結果的等效性問題 ， 因此利用超聲 波法可以較容易的實現在線檢測 GIS局部放電 [13]。 便于空間定位 確定局部放電位置可以判斷局部放電對 GIS的危害程度 ,還可以減少檢修時間 。 目前提出并采用的主要局部放電定位方法有 ： 電脈沖電流電容分量定位法 ，利用電脈沖的電容分量從局部放電點傳播到繞組兩端的時間差來確定故障點 的大概位置； X射線法利用外加 X射線來加大局部放電從而進行定位 [14]； 超聲波 定位法利用局部放電時所產生的電信號和聲信號之間的相對時間差或聲信號和聲信號之間的時間差對局部放電進行空間定位 [15]。 這幾種方法 都能幫助人們尋找局部放電位置 ， 前兩種方法只能確定大致部位 ， 而不是空間精確位置 ； X射線法需要外加 X射線發(fā)生裝置在線定位存在一定的困難 ； 而超聲波定位方法是根據衛(wèi)星定位原理實現的 ， 從理論上講 ， 可以做到精確定位 ， 在線檢測方便 。 所以很多學者都對此進行了大量的研究目前世界范圍內的變壓器局部放電定位系統多數采用電 聲定位法和聲 聲定位法 。 可望實現利用超聲波法進行模式識別和定量分析 利用超聲波法進行局部放電模式識別和定量分析 ， 一直是超聲波法檢測局部放電研究中的重點 。 上世紀 80年代 ， 德國和日本科學家曾在此方面進 行過研究 [16]，但并未得到理想的結果 。 近年來人們又對利用頻譜識別局部放電模式提出了新的上海交通大學碩士論文 第一章 緒論 第 7 頁 見解 ， 隨著非線性科學和非確定性科學的發(fā)展 ， 為利用超聲波對局部放電進行模式識別和定量提供了新的方法 ， 其研究也取得了一些新的成果 [17]，因此在先進的傳感器以及數學分析工具的支持下 ， 有望利用超聲波法實現變壓器局部放電的模式識別和定量分析 。 超聲波法的進一步研究有望得到一些新的放電信息 當電脈沖通過試品時 ， 會產生與電荷分布相關的超聲波脈沖 ， 且與空間電荷成比例 ， 這樣測量超聲波就能獲得電荷的組成部分及存在位置 ， 因此利用超聲波法可以對絕緣材料中的電荷分布進行測量 ， 這是目前利用電流脈沖法所無法測量的。 另外從局部放電產生超聲波的機理考慮 ， 輝光放電和亞輝光放電同樣產生超聲波，對這些超聲波信號的測量將彌補電脈沖法在局部放電測量時的不足 ， 對它的進一步研究將有可能產生新的局部放電測量標準 。 綜上所述 ， 由于局部放電產生的超聲波信號包含了局部放電測量的多種信息 ， 但是對這些信息的分析卻剛剛起步 ， 因此對于局部放電超聲波法測量的深入研究將可能得到令人鼓舞的結果 ， 從而使局部放電的整體研究達到一個新的高度 。 本文的主要 研究內容 及章節(jié)安排 主要研究工作內容 本文以國內外現有的超聲局放檢測儀的性 能指標作為基本依據，并參考IEC60270 及 GB/T 73542021 標準 ，設計了功能齊全、性能優(yōu)異的超聲局部放電檢測系統。具體方案是將超聲傳感器對局部放電過程中產生的超聲信號進行聲電轉換；然后經多級信號調理電路對信號進行處理得到待采集模擬信號；之后運用數據采集子系統對待采集模擬信號進行采樣，并對采樣數據進行必要的數字信號處理；最后上位機對采樣結果進行診斷，并顯示診斷結果。 本課題的主要工作有以下幾部分： 1) 查閱大量科研資料，提出了本系統的設計方案，性能指標和功能指標。 2) 根據 超聲 局部放電檢測系統的特點和功能 要求，設計了系統模擬信號調理 電路 部分并給予實現。 3) 設計高速數據采集系統 ，實現對 局部放電 信號的連續(xù)高速采樣和處理，上海交通大學碩士論文 第一章 緒論 第 8 頁 以 滿足對局部放電信號進行檢測和處理的要求。 同時并根據上位機的要求，實現多種不同的采樣模式。 4) 設計專家診斷系統，對復雜的測量數據進行分析判斷，使系統能自動判斷故障類型及故障嚴重程度，并提供簡要的故障定位信息。 5) 進行局部放電實驗，驗證了系統的可操作性和可行性。 本文的章節(jié)安排 本文 的章節(jié)安排如下： 第一章 論述了局部放電 的 基本概念 和常見的局放檢測方法 ， 重點介紹了超聲檢測法的概念及其現狀 ； 第二章 介紹了超聲局放信號的信號特征和傳播特性 ；第三章介紹了 系統的整體設計方案和設計參數 ， 第四章介紹了模擬信號調理電路，其中包括 前置信號調理電路和程 控信號調理電路兩部分，詳細論述了各部分的設計思路并予以實現；第 五 章介紹了基于 FPGA 的高速數據采集系統 的 設計 ，詳細介紹了各模塊的設計思路及實現方法 ；第 六 章介紹了 基于 ARM 的專家診斷系統的設計，設計了具體的診斷策略，并給出了多種不同的診斷結論。第七章介紹了系統驗證實驗，設計了實驗模型及實驗方法，驗證了系統功能和性能。第八章 為本課題做了總結以及展望。上海交通大學碩士論文 第二章 超聲局放信號的產生機理和傳播特性 第 9 頁 第二章 超聲局放信號的 產 生機理和 傳播特性 為了能有效地檢測局部放電產生的超聲波信號，首先要了解這種超聲波的產生機理和傳播特性。 如前所述， GIS發(fā)生局部放電時分子間劇烈碰撞并在宏觀上瞬間形成一種壓力，產生超聲波脈沖，其中包含橫波、縱波和表面波。研究該超聲信號的傳播特性對于準確檢測并衡量局部放電水平，并進而對局放源進行定位有重要意義。 局部放電產生超聲波原理 眾所周知， 聲波是一種機械振動波。當發(fā)生局部放電時，在放電的區(qū)域中，分子間產生劇烈的撞擊，這種撞擊在宏觀上就產生了一種壓力，由于放電是一連串的脈沖形式，有次產生的壓力波也是脈沖 形式的，它含有各種頻率分量，也是頻帶很寬的聲波。在液體材料中，放電往往發(fā)生在液體含有的氣泡中，氣泡在放電時爆裂，把大氣泡分裂成更小的氣泡；也可能擾動液體，氣泡在液體中移動，所有這些都會造成壓力的變化而發(fā)出聲波。在固體介質中，局部放電形成電樹枝的過程，也會伴隨著微弱的爆破，爆破產生的壓力變化也會發(fā)出聲波。對聚乙烯材料的實驗證明，電樹枝的增長率與測得的聲壓大小有關，樹枝增長快時，測得的聲壓高 [15]。 局部放電的原因有多方面的，局部放電形式多種多樣，局部放電過程是一個比較復雜的物理過程。下面我們以氣泡為例分析局 部放電產生超聲波過程 [25]。 從物理角度分析，當局部放電發(fā)生時，氣泡將會受到一個脈沖電場力的作用，為了直觀的分析局部放電產生超聲波過程，本文采用電 力 聲類比的方法對局部放電產生超聲波過程進行分析。 電 力 聲類比 電磁振蕩、力學振動和聲振動作為不同的物理現象，一方面都有他們各自的上海交通大學碩士論文 第二章 超聲局放信號的產生機理和傳播特性 第 10 頁 研究對象構成了他們的特殊性；另一方面，他們雖然屬于不同的領域，表面上似乎互不關聯，但仔細研究他們的規(guī)律時，在數學上往往都歸結為相同形式的微分方程。集中參數用常微分方程，分布參數系統用偏微分方程。由于數學是從具體物理過程中抽象出來 的“空間的形式和數量的關系”，因此數學形式上的相似性必然在一定程度上反映了物理本質上存在著某些共同的規(guī)律性 [26] 。 在研究局部放電產生超聲波的機理問題時，由于同時要考慮到電、力、聲的振動問題，運用電 力 聲類比方法分析具有明顯的優(yōu)越性，通常情況下，局部放電的空間很小，因此采用集中參數系統，這樣系統的唯一變量是時間，為研究方便，首先對力學和聲學的一些相關概念進行介紹。 質量 Mm：一種描述問題慣性的量度，對于一個物體來講，由牛頓第二定律可知： m dvFMdt? （ 21） 其中 F 為作用在物體上的力， v 為物體的運動速度，則稱 Mm 為該物體的質量。 力順 Cm：一種描述系統物理結構的參數，它表征 了一個系統具有彈性性質，當受力作用時，它的位移與力成正比按照胡克 定律有 1mF C ?? （ 22） 其中 F為作用在系統中的力， ? 為物體的位移。則稱 Cm 為該系統的力順。 力阻 Rm：一種描述系統物理結構的參數它表征了一個系統具有摩擦 損耗，當系統運動時，將受到力的作用，且相對運動速度與力方向相反，當物體運動較小時按阻力定律有： mF Rv? （ 23） 其中 F為作用在系統中的力， v為物體的運動速度，則稱 Rm 為該系統的力阻。同樣的道理，在聲學系統中，也存在類似的聲質量、聲容以及聲阻。分別對應其慣性、彈性與衰減，電學、力學、聲學中各參數的類比情況如表 21所示。 表 21 電 力 聲類比表 電學 力學 聲學 電壓 力 聲壓 上海交通大學碩士論文 第二章 超聲局放信號的產生機理和傳播特性 第 11 頁 電流 速度 體速度 電感 質量 聲質量 電容 力順 聲容