【正文】 ............................................................................. 54 本章小結(jié) ...................................................................................................... 54 第七章 總結(jié)與展望 ................................................................................................... 56 總結(jié) ............................................................................................................. 56 展望 ............................................................................................................. 56 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 57 致謝 ............................................................................................................................... 59 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 .............................................................................. 60 上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 第 1 頁 第一章 緒論 局部放電 概述 局部放電的定義 所謂局部放電（ Partial Discharge），是絕緣介質(zhì)中的一種電氣放電，就是指在電場作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域，如絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣隙、油膜或?qū)w的邊緣，發(fā)生非貫穿性放電通道的一種放電現(xiàn)象 [1]。這種放電可以在導(dǎo)體附近發(fā)生也可以不在導(dǎo)體附近發(fā)生。 1) 視在放電電荷 (q) 在絕緣體中發(fā)生局部放電時(shí)，絕緣體上施加電壓的兩端出現(xiàn)的脈動(dòng)電荷稱為視在放電電荷 ,其單位為皮庫 (pC)，視在放電電荷為局部放電的基本表征參數(shù)之一。在工頻正弦電壓下，放電相位與放電時(shí)刻的電壓瞬時(shí)值密切相關(guān)，放電相位也是局部放電的基本表征參數(shù)之一。當(dāng)外施電壓升高時(shí)，局部放電次數(shù)增加，放電重復(fù)率也隨之增加，放電重復(fù)率屬于局部放電的累計(jì)表征參數(shù)。實(shí)際上，起始放電電壓 iu上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 第 2 頁 是局部放電量等于或超過某一規(guī)定低值的最低電壓。實(shí)際上放電熄滅電壓 eu 是局部放電量值等于或小于某一規(guī)定值時(shí)的最高 電壓。 局部放電產(chǎn)生的原因 局部放電的產(chǎn)生是由放電部位的電場強(qiáng)度所決定的 ， 尤其是絕緣結(jié)構(gòu)中電場分布不均勻 ， 在局部區(qū)域電場過于集中 [3]。 造成電場不均勻的因素有很多 ， 主要有以下幾點(diǎn)： 1）電氣設(shè)備的電極系統(tǒng)不對(duì)稱，如針對(duì)板、圓柱體等，如 果 變壓器的高壓引出線端的電場比較集中，不采取特殊的措施，就容易在這些部位首先發(fā)生局部放電； 2）介質(zhì)不均勻，如各種復(fù)合介質(zhì)：氣體－固體組合、液體－固體組合、不同的固體組合等。氣體的相對(duì)介電常數(shù)接近于 1，各種固體 、 液體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)都要比它大 1 倍以上，而固體、液體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)一般要比氣體介質(zhì)大幾倍到幾十倍，因此絕緣體中有氣泡存在是產(chǎn)生局部放電最普遍的原因。此外，在高場強(qiáng)中若有電位懸浮的金屬體存在，也會(huì)在其邊緣感應(yīng)出很高的場強(qiáng)；在電氣設(shè)備的各連接處，如果接觸不好， 也會(huì)在距離很微小的兩個(gè)接點(diǎn)間產(chǎn)生高 場強(qiáng) ， 這些都可能造成局部放電。而 長時(shí)間的局部放電會(huì)逐漸腐蝕 、 損壞絕緣 材料，使放電區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致整個(gè)絕緣體的擊穿。 表 11 絕緣破壞過程 Table 11 Insulation failure process 初期老化 局部放電量明顯變化，并增大 氣泡壁附著放電生成物，材料碳化 中期老化 放電生成物侵蝕、擴(kuò)大 形成空洞， 并向深層發(fā)展 末期老化 樹枝狀破壞性放電通道形成 絕緣最終破壞 因此，必 須 把局部放電限制在一定的水平之下。 局部放電的檢測方法 局部放電的檢測 是以局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)。局部放電過程除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會(huì)產(chǎn)生電磁輻射、超聲波、發(fā)光、發(fā)熱以及出現(xiàn)新的生成物等。其中電氣測量法主要包括脈沖電流法、無線電干擾法、超高頻檢測法等，而非電測量法則主要包括 光測法、 化學(xué)檢測法、超聲檢測法 等【 8】。 脈沖電流法是目前應(yīng)用最為廣泛的局部放電檢測方法，該方法 最早由英國電氣研究協(xié)會(huì)提出，因此亦稱 ERA（ Electrical Research Association） 法。這種方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、實(shí)時(shí)性好，可以方便地得到放電上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 第 4 頁 量、放電重復(fù)率、放 電能量等局部放電特征參量 。 2) 超高頻（ UHF）檢測法。超高頻檢測法分為超高頻窄帶檢測和超高頻超寬頻帶檢測。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(diǎn)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。 3) 光測法。通過局放光脈沖本身或光電轉(zhuǎn)換后，可以進(jìn)行局部放電光譜分析、局放光脈沖檢測（單個(gè)核序列）、局放定位、電氣絕緣老 化機(jī)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(duì)局部 放電機(jī)理的理解 【 12】，光檢測法的優(yōu)點(diǎn)是不受電氣干擾，抗干擾能力強(qiáng) 。 4) 化學(xué)檢測法， 主要 指油色譜分析 法和 SF6 分解物分析法。通過對(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，對(duì)于檢測緩變的絕緣老化正確率較高。 但是該方法也存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一個(gè)是無法發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障，另一個(gè)是無法進(jìn)行故障定位。局部放電伴有聲發(fā)射現(xiàn)象。這種將超聲波傳感器安裝在電力設(shè)備外殼上檢測局部放電產(chǎn)生的聲信號(hào)的方法稱為超聲波檢測法。 對(duì)于 以上所述的各種局放 檢測方法，以對(duì) 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(xué)檢測法 、 常規(guī)電測法和 UHF法都有良好的靈敏度 。 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。 表 12為 上 述各種 局部放電監(jiān)測方法的性能一覽表。 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。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)備局放信息的特征量。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。 上海交通大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 第 6 頁 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)場中檢測時(shí)會(huì)有很大的干擾，另外 電測法還存在 線標(biāo)定 不方便 和在線結(jié)果與離線結(jié)果的等效性等問題 。因此本文 從電氣設(shè)備 在線檢測的角度出發(fā) 進(jìn)行超聲局部放電檢測儀的研究 。傳感器與檢測設(shè)備之間采用光纖來連接 ， 光纖具有良好的絕緣性能檢測設(shè)備與高電壓設(shè)備之間有很好的隔離 ， 使設(shè)備和測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)果的等效性問題 ， 因此利用超聲 波法可以較容易的實(shí)現(xiàn)在線檢測 GIS局部放電 [13]。 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)間差來確定故障點(diǎn) 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(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]。 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 。 上世紀(jì) 80年代 ， 德國和日本科學(xué)家曾在此方面進(jìn) 行過研究 [16]，但并未得到理想的結(jié)果 。 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)行測量 ， 這是目前利用電流脈沖法所無法測量的。 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 。具體方案是將超聲傳感器對(duì)局部放電過程中產(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。 2) 根據(jù) 超聲 局部放電檢測系統(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)。 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。 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。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。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 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。研究該超聲信號(hào)的傳播特性對(duì)于準(zhǔn)確檢測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。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。在固體介質(zhì)中，局部放電形成電樹枝的過程，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。 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(gè)比較復(fù)雜的物理過程。 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(duì)局部放電產(chǎn)生超聲波過程進(jìn)行分析。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。 在研究局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理問題時(shí)，由于同時(shí)要考慮到電、力、聲的振動(dòng)問題，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。 力順 Cm：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 1mF C ?? （ 22） 其中 F為作用在系統(tǒng)中的力， ? 為物體的位移。 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： mF Rv? （ 23） 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。分別對(duì)應(yīng)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。由于局部放電過程（ ns級(jí)），相對(duì)于超聲波的產(chǎn)生過程（ us級(jí)）來講，局部放電過程很快，因此可以忽略局部放電的震蕩過程，認(rèn)為局部放電過程為單個(gè)脈沖。此時(shí)氣泡 受到三條力線 ： 一條為彈性力，穿過力順元件 Cm，終止于氣泡壁；另一條為摩擦力，穿