【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壞、產(chǎn)生新的生成物，尤其是一些融于油中的特殊氣體，如 COC 2HCH C 2H4 等。通過(guò)對(duì)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(shì)，對(duì)于檢測(cè)緩變的絕緣老化正確率較高。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不存在復(fù)雜的抗干擾問(wèn)題。但是該方法也存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一個(gè)是無(wú)法發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障，另一個(gè)是無(wú)法進(jìn)行故障定位。5) 超聲檢測(cè)法。局部放電伴有聲發(fā)射現(xiàn)象。早在七十年代末， 、 等學(xué)者就對(duì)變壓器內(nèi)部放電的超聲特性及超聲檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。這種將超聲波傳感器安裝在電力設(shè)備外殼上檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的聲信號(hào)的方法稱為超聲波檢測(cè)法。該方法抗電氣干擾的能力強(qiáng)，大量的研究表明，通過(guò)超聲波信號(hào)測(cè)量，可對(duì)變壓器等電氣設(shè)備的局部放電進(jìn)行檢測(cè)、檢測(cè)和定位[1516]。 上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論第 5 頁(yè) 對(duì)于以上所述的各種局放檢測(cè)方法，以對(duì)GIS的局放檢測(cè)為例，國(guó)際大電網(wǎng)組織（CIGRE）得出的普遍結(jié)論是：1) 聲學(xué)檢測(cè)法、常規(guī)電測(cè)法和UHF法都有良好的靈敏度。2) 聲學(xué)和UHF法可對(duì)局放源進(jìn)行定位，而常規(guī)電測(cè)法不可以。3) 脈沖電流法需要一個(gè)外部耦合電容，不能用于運(yùn)行中的GIS。目前聲學(xué)檢測(cè)法適宜于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，而UHF法可用于局放的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，化學(xué)和光學(xué)檢測(cè)法的靈敏度較低，一般不用于在線檢測(cè)。 表12為上述各種局部放電監(jiān)測(cè)方法的性能一覽表。表 11 GIS 中局部放電監(jiān)測(cè)方法的性能一覽表監(jiān)測(cè)方法 脈沖電流法 超高頻法 超聲波法 化學(xué)法 光學(xué)法優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)單；靈敏度較高靈敏度高；可用于運(yùn)行中設(shè)備靈敏度高；抗電磁干擾能力強(qiáng) 不受電磁干擾 不受電磁干擾缺點(diǎn)運(yùn)行設(shè)備不能使用；信噪比低造價(jià)高結(jié)構(gòu)復(fù)雜；要求豐富經(jīng)驗(yàn)的人操作靈敏度差；不能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)靈敏度差；需多個(gè)傳感器可達(dá)精度 5pC ~ 2pC 很差 差適用監(jiān)測(cè)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(dòng)的微粒；懸浮物放電情況嚴(yán)重時(shí)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(gè)傳感器僅能判斷哪個(gè)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(yīng)用 早期應(yīng)用較多 應(yīng)用較多 應(yīng)用較多 極少應(yīng)用 極少應(yīng)用 超聲檢測(cè)法概述在局部放電發(fā)生時(shí)，放電區(qū)域內(nèi)分子間會(huì)劇烈撞擊，同時(shí)介質(zhì)由于放電發(fā)熱而瞬問(wèn)體積發(fā)生改變，這些因素都會(huì)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(shí)，局部放電源可看作點(diǎn)脈沖聲源，聲波以球面波的形式向四周傳播，遵循機(jī)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(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。在設(shè)備外部安裝聲電轉(zhuǎn)換器，可將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)一系列的處理，就可得到代表設(shè)備局放信息的上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論第 6 頁(yè)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(cè)法的靈敏度有很大提高，現(xiàn)在對(duì)于大電容量的試品，如 以上的電力電容器，其靈敏度不比F?電測(cè)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(lái)測(cè)定局部放電的部位。目前聲測(cè)法在電力電容器、電力變壓器、GIS等電工設(shè)備的局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 同時(shí)，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(hào)在現(xiàn)場(chǎng)中檢測(cè)時(shí)會(huì)有很大的干擾，另外電測(cè)法還存在線標(biāo)定不方便和在線結(jié)果與離線結(jié)果的等效性等問(wèn)題。而目前現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員往往更關(guān)心運(yùn)行的電力設(shè)備的局部放電檢測(cè)問(wèn)題，特別是當(dāng)放電量較大時(shí)，通過(guò)檢測(cè)局部放電以確定設(shè)備絕緣的損壞程度，而這種情況適合超聲波法檢測(cè)。因此本文從電氣設(shè)備在線檢測(cè)的角度出發(fā)進(jìn)行超聲局部放電檢測(cè)儀的研究。超聲波法檢測(cè)GIS局部放電具有以下特點(diǎn): 易于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)目前采用的超聲波法檢測(cè)GIS局部放電是利用超聲波傳感器貼在接地的GIS外殼上進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)GIS的運(yùn)行和操作沒(méi)有任何影響。傳感器與檢測(cè)設(shè)備之間采用光纖來(lái)連接，光纖具有良好的絕緣性能檢測(cè)設(shè)備與高電壓設(shè)備之間有很好的隔離，使設(shè)備和測(cè)量人員的安全可以得到保證，同時(shí)不存在在線結(jié)果與離線結(jié)果的等效性問(wèn)題，因此利用超聲波法可以較容易的實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)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(duì)GIS的危害程度,還可以減少檢修時(shí)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(diǎn)傳播到繞組兩端的時(shí)間差來(lái)確定故障點(diǎn)的大概位置；X射線法利用外加X(jué)射線來(lái)加大局部放電從而進(jìn)行定位 [14]；超聲波定位法利用局部放電時(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)和聲信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間差或聲信號(hào)和聲信號(hào)之間的時(shí)間差對(duì)局部放電進(jìn)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(jué)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)上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論第 7 頁(yè)星定位原理實(shí)現(xiàn)的，從理論上講，可以做到精確定位，在線檢測(cè)方便。所以很多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)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(shí)現(xiàn)利用超聲波法進(jìn)行模式識(shí)別和定量分析利用超聲波法進(jìn)行局部放電模式識(shí)別和定量分析，一直是超聲波法檢測(cè)局部放電研究中的重點(diǎn)。上世紀(jì)80年代，德國(guó)和日本科學(xué)家曾在此方面進(jìn)行過(guò)研究 [16]，但并未得到理想的結(jié)果。近年來(lái)人們又對(duì)利用頻譜識(shí)別局部放電模式提出了新的見(jiàn)解，隨著非線性科學(xué)和非確定性科學(xué)的發(fā)展，為利用超聲波對(duì)局部放電進(jìn)行模式識(shí)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(jìn)的傳感器以及數(shù)學(xué)分析工具的支持下，有望利用超聲波法實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電的模式識(shí)別和定量分析。 超聲波法的進(jìn)一步研究有望得到一些新的放電信息當(dāng)電脈沖通過(guò)試品時(shí)，會(huì)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(cè)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(duì)絕緣材料中的電荷分布進(jìn)行測(cè)量，這是目前利用電流脈沖法所無(wú)法測(cè)量的。另外從局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理考慮，輝光放電和亞輝光放電同樣產(chǎn)生超聲波，對(duì)這些超聲波信號(hào)的測(cè)量將彌補(bǔ)電脈沖法在局部放電測(cè)量時(shí)的不足，對(duì)它的進(jìn)一步研究將有可能產(chǎn)生新的局部放電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，由于局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)包含了局部放電測(cè)量的多種信息，但是對(duì)這些信息的分析卻剛剛起步，因此對(duì)于局部放電超聲波法測(cè)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(dá)到一個(gè)新的高度。 本文的主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 主要研究工作內(nèi)容本文以國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的超聲局放檢測(cè)儀的性能指標(biāo)作為基本依據(jù)，并參考IEC60270 及 GB/T 73542022 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了功能齊全、性能優(yōu)異的超聲局部放電檢測(cè)系統(tǒng)。具體方案是將超聲傳感器對(duì)局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的超聲信號(hào)進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換；然后經(jīng)多級(jí)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到待采集模擬信號(hào)；之上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論第 8 頁(yè)后運(yùn)用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對(duì)待采集模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)字信號(hào)處理；最后上位機(jī)對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)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(shè)計(jì)方案，性能指標(biāo)和功能指標(biāo)。2) 根據(jù)超聲局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路部分并給予實(shí)現(xiàn)。3) 設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電信號(hào)的連續(xù)高速采樣和處理，以滿足對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理的要求。同時(shí)并根據(jù)上位機(jī)的要求，實(shí)現(xiàn)多種不同的采樣模式。4) 設(shè)計(jì)專家診斷系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，使系統(tǒng)能自動(dòng)判斷故障類型及故障嚴(yán)重程度，并提供簡(jiǎn)要的故障定位信息。5) 進(jìn)行局部放電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(jiàn)的局放檢測(cè)方法，重點(diǎn)介紹了超聲檢測(cè)法的概念及其現(xiàn)狀；第二章介紹了超聲局放信號(hào)的信號(hào)特征和傳播特性；第三章介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，第四章介紹了模擬信號(hào)調(diào)理電路，其中包括前置信號(hào)調(diào)理電路和程控信號(hào)調(diào)理電路兩部分，詳細(xì)論述了各部分的設(shè)計(jì)思路并予以實(shí)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(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了各模塊的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法；第六章介紹了基于 ARM 的專家診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)方法，驗(yàn)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(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 9 頁(yè)第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性為了能有效地檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，首先要了解這種超聲波的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性。如前所述，GIS發(fā)生局部放電時(shí)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(hào)的傳播特性對(duì)于準(zhǔn)確檢測(cè)并衡量局部放電水平，并進(jìn)而對(duì)局放源進(jìn)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(jī)械振動(dòng)波。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，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(shí)爆裂，把大氣泡分裂成更小的氣泡；也可能擾動(dòng)液體，氣泡在液體中移動(dòng)，所有這些都會(huì)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(shù)枝的過(guò)程，也會(huì)伴隨著微弱的爆破，爆破產(chǎn)生的壓力變化也會(huì)發(fā)出聲波。對(duì)聚乙烯材料的實(shí)驗(yàn)證明，電樹(shù)枝的增長(zhǎng)率與測(cè)得的聲壓大小有關(guān)，樹(shù)枝增長(zhǎng)快時(shí)，測(cè)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(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過(guò)程。下面我們以氣泡為例分析局部放電產(chǎn)生超聲波過(guò)程[25]。從物理角度分析，當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，氣泡將會(huì)受到一個(gè)脈沖電場(chǎng)力的作用，為了直觀的分析局部放電產(chǎn)生超聲波過(guò)程，本文采用電力聲類比的方法對(duì)局部放電產(chǎn)生超聲波過(guò)程進(jìn)行分析。上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 10 頁(yè) 電力聲類比電磁振蕩、力學(xué)振動(dòng)和聲振動(dòng)作為不同的物理現(xiàn)象，一方面都有他們各自的研究對(duì)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(xì)研究他們的規(guī)律時(shí)，在數(shù)學(xué)上往往都?xì)w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(xué)是從具體物理過(guò)程中抽象出來(lái)的“空間的形式和數(shù)量的關(guān)系”，因此數(shù)學(xué)形式上的相似性必然在一定程度上反映了物理本質(zhì)上存在著某些共同的規(guī)律性 [26] 。在研究局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理問(wèn)題時(shí)，由于同時(shí)要考慮到電、力、聲的振動(dòng)問(wèn)題，運(yùn)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(shù)系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)的唯一變量是時(shí)間，為研究方便，首先對(duì)力學(xué)和聲學(xué)的一些相關(guān)概念進(jìn)行介紹。質(zhì)量M m：一種描述問(wèn)題慣性的量度，對(duì)于一個(gè)物體來(lái)講，由牛頓第二定律可知： （21）mdvFMt?其中F 為作用在物體上的力，v 為物體的運(yùn)動(dòng)速度，則稱Mm 為該物體的質(zhì)量。力順C m：一種描述系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的參數(shù)，它表征了一個(gè)系統(tǒng)具有彈性性質(zhì)，當(dāng)受力作用時(shí)，它的位移與力成正比按照胡克定律有 （22）1mFC??其中F為作用在系統(tǒng)中的力， 為物體的位移。則稱 Cm 為該系統(tǒng)的力順。?力阻Rm：一種描述系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的參數(shù)它表征了一個(gè)系統(tǒng)具有摩擦損耗，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受到力的作用，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與力方向相反，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)較小時(shí)按阻力定律有： （23）mFRv?其中F為作用在系統(tǒng)中的力，v為物體的運(yùn)動(dòng)速度，則稱Rm 為該系統(tǒng)的力阻。同樣的道理，在聲學(xué)系統(tǒng)中，也存在類似的聲質(zhì)量、聲容以及聲阻。分別對(duì)應(yīng)上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 11 頁(yè)其慣性、彈性與衰減，電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)中各參數(shù)的類比情況如表21所示。表21 電力聲類比表電學(xué) 力學(xué) 聲學(xué)電壓 力 聲壓電流 速度 體速度電感 質(zhì)量 聲質(zhì)量電容 力順 聲容電阻 力阻 聲阻 局部放電產(chǎn)生超聲波機(jī)理設(shè)GIS絕緣介質(zhì)中含有一半徑為r的氣泡q ， 氣泡的質(zhì)量為 Mm，氣泡處于一定的電場(chǎng)