【文章內(nèi)容簡介】 檢測。前者中心頻率在 500MHz 以上，帶寬十幾 MHz 或幾十 MHz，后者帶寬可達數(shù) GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測技術(shù)有噪聲抑制比高、包含信息多等優(yōu)點受到人們的關(guān)注，通常所說的超高頻檢測法即指超高頻超寬頻帶檢測。由于超高頻檢測法采用高頻段的電磁信號作為檢測信號，因而其可避開常規(guī)電氣測試方法中難以識別的電力系統(tǒng)中的干擾，從而提高了局部放電檢測的信噪比【 14】。 3) 光測法。光測法是通過檢測局部放電產(chǎn)生的光輻射作為測量依據(jù)的。通過局放光脈沖本身 或光電轉(zhuǎn)換后，可以進行局部放電光譜分析、局放光脈沖檢測（單個核序列）、局放定位、電氣絕緣老 化機理以及局放電磁波傳播特性等各種研究，從而以不同角度深入對局部 放電機理的理解 【 12】，光檢測法的優(yōu)點是不受電氣干擾，抗干擾能力強 。 但是由于光測法設備復雜昂貴、靈敏度低，且需要被檢測物質(zhì)對光是透明的， 所以 現(xiàn)場應用的實例 十分有限。 4) 化學檢測法， 主要 指油色譜分析法和 SF6 分解物分析法。 當電力設備絕緣中發(fā)生局部放電時 ， 各種絕緣材料會發(fā)生分解破壞、產(chǎn)生新的生成物， 尤其是一些融于油中的特殊氣體，如 CO C2H CH C2H4 等。通過對變壓器油的定期抽樣分析，就可以判斷變壓器的局部放電發(fā)展趨勢，對于檢測緩變的絕緣老化正確率較高。該方法最大的優(yōu)點是不存在復雜的抗干擾問題。 但是該方法也存在兩個缺點：一個是無法發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障，另一個是無法進行故障定位。 5) 超 聲 檢測 法。局部放電伴有聲發(fā)射現(xiàn)象。早在七十年代末， 、 等學者就對變壓器內(nèi)部放電的超聲特性及超聲檢測方法進行了研究。這種將超聲波傳感器安裝在電力設備外殼上檢測局部放電產(chǎn)生的聲信號的方法稱為超聲波檢測法。該方法抗電氣干擾的能力強， 大量的研究表明，通 過超聲波信號測量，可對變壓器等電氣設備的局部放電進行檢測、檢測和定位 [1516]。 對于 以上所述的各種局放 檢測方法，以對 GIS的局放檢測為例， 國際大電網(wǎng)組織（ CIGRE） 得出的普遍結(jié)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(xiàn)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(jié)構(gòu)復雜；要求豐富經(jīng)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(nèi)分子間會劇烈撞擊，同時介質(zhì)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(chǎn)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(zhì)中傳播速度不同，且介質(zhì)交界處會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。在設備外部安裝聲電轉(zhuǎn)換器，可將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)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(shù)的發(fā)展，聲測法的靈敏度有很大提高，現(xiàn)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(jù)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(chǔ) ， 但是電脈沖信號在現(xiàn)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(jié)果與離線結(jié)果的等效性等問題 。而目前現(xiàn)場 工程技術(shù)人員往往更關(guān)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(xiàn)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(jié)果與離線結(jié)果的等效性問題 ， 因此利用超聲波法可以較容易的實現(xiàn)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(chǎn)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(jù)衛(wèi)星定位原理 實現(xiàn)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(nèi)的變壓器局部放電定位系統(tǒng)多數(shù)采用電 聲定位法和聲 聲定位法 。 可望實現(xiàn)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(jié)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(shù)學分析工具的支持下 ， 有望利用超聲波法實現(xiàn)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(chǎn)生與電荷分布相關(guān)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(chǎn)生超聲波的機理考慮 ， 輝光放電和亞輝光放電同樣產(chǎn)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(chǎn)生新的局部放電測量標準 。 綜上所述 ， 由于局部放電產(chǎn)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(jié)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(nèi)容 及章節(jié)安排 主要研究工作內(nèi)容 本文以國內(nèi)外現(xiàn)有的超聲局放檢測儀的性能指標作為基本依據(jù)，并參考IEC60270 及 GB/T 73542022 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(tǒng)。具體方案是將超聲傳感器對局部放電過程中產(chǎn) 生的超聲信號進行聲電轉(zhuǎn)換；然后經(jīng)多級信號調(diào)理電路對信號進行處理得到待采集模擬信號；之后運用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對待采集模擬信號進行采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)字信號處理；最后上位機對采樣結(jié)果進行診斷，并顯示診斷結(jié)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(tǒng)的設計方案，性能指標和功能指標。 2) 根據(jù) 超聲 局部放電檢測系統(tǒng)的特點和功能要求，設計了系統(tǒng)模擬信號調(diào)理 電路 部分并給予實現(xiàn)。 3) 設計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ，實現(xiàn)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(jù)上 位機的要求，實現(xiàn)多種不同的采樣模式。 4) 設計專家診斷系統(tǒng)，對復雜的測量數(shù)據(jù)進行分析判斷，使系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的整體設計方案和設計參數(shù) ， 第四章介紹了模擬信號調(diào)理電路，其中包括 前置信號調(diào)理電路和程 控信號調(diào)理電路兩部分 ，詳細論述了各部分的設計思路并予以實現(xiàn)；第 五 章介紹了基于 FPGA 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的 設計 ，詳細介紹了各模塊的設計思路及實現(xiàn)方法 ；第 六 章介紹了 基于 ARM 的專家診斷系統(tǒng)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(jié)論。第七章介紹了系統(tǒng)驗證實驗，設計了實驗模型及實驗方法，驗證了系統(tǒng)功能和性能。第八章 為本課題做了總結(jié)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(chǎn)生機理和傳播特性 第 9 頁 第二章 超聲局放信號的 產(chǎn)生機理和 傳播特性 為了能有效地檢測局部放電產(chǎn)生的超聲波信號，首先要了解這種超聲波的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生劇烈的撞擊，這種撞擊在宏觀上就產(chǎn)生了一種壓力，由于放電是一連串的脈沖形式，有次產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(guān)，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(chǎn)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(chǎn)生超聲波過程，本文采用電 力 聲類比的方法 對局部放電產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生機理和傳播特性 第 10 頁 研究對象構(gòu)成了他們的特殊性；另一方面，他們雖然屬于不同的領(lǐng)域，表面上似乎互不關(guān)聯(lián)，但仔細研究他們的規(guī)律時，在數(shù)學上往往都歸結(jié)為相同形式的微分方程。集中參數(shù)用常微分方程，分布參數(shù)系統(tǒng)用偏微分方程。由于數(shù)學是從具體物理過程中抽象出來的“空間的形式和數(shù)量的關(guān)系”，因此數(shù)學形式上的相似性