（电气工程专业论文）全封闭组合电器局放超宽频天线检测与软硬滤波抑制干扰研究.pdf

墓苎塑茎 a b s t r a c t g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r s ( g i s ) h a v et h ea d v a n t a g e so fc o v e r i n gt h es m a l l e ra r e a , r u n n i n gm o r es a f e l ya n dr e l i a b l y ，l e s sc o n s t a n t m a i n t e n a n c e ，o v e r h a u l i n gi n al o n g e r p e r i o da n ds oo n ，s oi td e v e l o p sv e r yq u i c k l ya n dg e t sm o r e a n dm o r e a p p l i c a t i o n sw h e n i tc a m eo u t o p e r a t i o n e x p e r i e n c e s s h o wt h a ti n t r i n s i cd e f e c t si ng i ss t i l l c a u s e a c c i d e n t st h o u g hi t sh i g hr e l i a b i l i t y i n s u l a t i o nb r e a k d o w ni sp r i m a r yr e a s o nf o rg i s e l e c t r i c a lf a i l u r e s p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) p h e n o m e n aa r em o s tc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c b e f o r ei n s u l a t i o nb r e a k d o w ni ng i s b yp do n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m s ，g i si n t e m a l d e f e c t sc a nb ed i s c o v e r e di nt i m et oa v o i dt h eo c c u r r e n c eo f f a t a l 脚l u r e o n l i n em o n i t o ro fp d s i g n a l si ng i s i sa c o m p r e h e n s i v er e s e a r c hp r o j e c t ，w h i c h r e l a t e st ot h et h e o r i e sa n dk n o w l e d g eo fm a n yd i f f e r e n ta r e a s i nt h i sp a p e r ，b a s e do n m i c r o w a v ea n da n t e n n at h e o r y ，e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o da n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n ds oo nr e l a t e dt h e o r y ，o n l i n ed e t e c t i n gs y s t e mo fp ds i g n a l si ng i s u s i n gd i p o l ea n t e n n as e n s o ra r ed e v e l o p e d ，a n dw a v e l e tt e c h n o l o g y o fs u p p r e s s i n g w h i t en o i s ea n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ea r es y s t e m i c a l l ya n a l y z e da n dd e e p l ys t u d i e d m a i nr e s e a r c h e sa n dc o n c l u s i o n si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： b a s e do nm i c r o w a v ea n da n t e n n at h e o r y ，t h et r a d i t i o n a ln a r r o w b a n dd i p o l e a n t e n n ai sc h a n g e dt ot h eu l t r a - w i d ef r e q u e n c ya n t e n n aa c c o r d i n gt ol i n e a n t e n n aw i d e f r e q u e n c yt e c h n o l o g y t h ea n t e n n ai m p e d a n c em a t c h i sv e r yg r e a tb e c a u s eo f u s i n go f u n i q u ei m p e d a n c ev a r i a t i o nm e t h o d s oa nu l t r a w i d eb a n da n du l t r a - h i g hf r e q u e n c y d i p o l ea n t e n n as e n s o ru s i n g o fp d d e t e c t i n gi ng i si ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h e t e s t c o m p a r e dt h ei n n e rl o o ps e n s o rw i t hd i p o l ea n t e n n ai nt h el a bs h o wt h a tu l t r a h i g h f r e q u e n c y p d s i g n a l sc a n b er e c e i v e db yo u t e r d i p o l ea n t e n n a , a n ds i g n a l sb r e a d t h i st h e b i g g e r ，f r e q u e n c ys p e c t r u mi st h ew i d e r t h ea n a l y s i sa b o u tt r a n s m i s s i o n , a t t e n u a t i o na n dl e a k a g ec h a r a c t e r i s t i ce x c i t e d b y p di ng i si n d i c a t et h a tu l t r a h i g hf r e q u e n c yp d s i g n a l sc a n t r a n s m i ti ng i sa l t h o u g h al i t t l ea t t e n u a t i o n t h el e a k a g eo fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sw i l li n c r e a s eo w i n gt o s u p p o r t i n gi n s u l a t o r ，w h i c hp r o v i d e sa d v a n t a g e sf o rd e t e c t i n gp d i ng i sb yu l t r ah i g h f r e q u e n c yo u t e r ( u h f ) s e n s o r m e t h o d t h eh i g hp e r f o r m a n c ea m p l i f i e ra n dt h eh a l f - d i s t r i b u t i n gp a r a m e t e ru h f f i l t e r a r ed e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c eo fa n t e n n as e n s o ra n dt h ef i l t e ra n da m p l i f i e ra r eg r e a t a n de a c hf r e q u e n c ym a t c h e sa n o t h e r , s od e m a n do fu h f s i g n a l sd e t e c t i n ga n ds i g n a l p r e t r e a t m e n tc a n b e g o t 重庆大学硕士学位论文 f o u rp dh i g hf r e q u e n c ys i m u l a t i v es i g n a lm o d e l sa r ec o n s t r u c t e d c o m p a r e d w i t hn o r m a ll o wf r e q u e n c ys i m u l a t i v em o d e l s ，t h eh i g hf r e q u e n c ys i m u l a t i v es i g n a l sa r e a d v a n t a g e t od e p r e s s i n gp d n o i s e ，w h i c hp r o v e sm o r es u p e r i o r i t yo f u h fm e t h o d p ds i m u l a t i v es i g n a l sa n dd e t e c t i n gd a t ai nt h el a bh a v eb e e np r o c e s sb y w a v e l e tt r a n s l a t e ，a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ra b o u td e p r e s s i n gw h i t en o i s eh a v eb e e n c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d ，w h i c h i n d i c a t et h a ts i m u l a t i v es i g n a l sc a nr e f l e c tr e a lp d s i g n a l sa n dw a v e l e t t r a n s l a t ec a l ld e p r e s sw h i t e n o i s e ，i m p r o v es n r b a s e do nw a v e l e tt r a n s l a t e ，t h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo fs t a n d a r dd e v i a t i o n t h r e s h o l dm e t h o d ( s t d m ) h a sb e e np u tf o r w a r dt or e j e c tt h en a r r o wb a n di n t e r f e r e n c e c o m b i n e dw i mh a r d w a r ef i l t e r s o f t - h a r df i l t e rm e t h o dh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r dt o r e j e c tt h en a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e k e y w o r d ：g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r s ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，d i p o l ea n t e n n a ，w a v e l e t t r a n s l a t e ，w h i t en o i s e ，s t a n d a r dd e v i a t i o nt h r e s h o l dm e t h o d 1 绪论 1 绪论 1 1g i s 中局部放电检测的意义 随着我国电力工业飞速发展，对发、输、供电提出了更高的可靠性要求，为 此，我国许多电力公司加强了对电气设备的选用，特别是在城网建设和改造中， 大量使用了技术性能先进、占地少、维护工作量小的气体绝缘组合电器设备i 。 全封闭组合电器( g a si n s u l a t i n gs w i t c h g e a r s ，简称g i s ) 是把变电站中除变压 器外的所有设备( 断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接 件和出线终端等) ，全部封闭在一个接地的金属压力密闭容器内，并充以4 5 个 大气压的s f 6 气体作为绝缘1 2 , 3 1 ，图1 1 是日本生产的一个典型5 0 0 k v g i s 。 图1 1 日本典型的5 0 0 k v g i s f i g 1 1t y p i c a l5 0 0 k vg i si nj a p a n g i s 与常规变电站相比，具有如下优点： 结构紧凑。若利用绝缘特性良好的s f 6 气体在表压为5 个大气压下起绝缘 作用，则这时的变电站面积可小到户外变电站的3 0 7 。且与常规设备比较，电 压等级越高，g i s 设备所占面积越小【4 】。 不受污染及雨、盐雾等大气环境因素的影响。因此，g i s 特别适合于工业 污染和气候恶劣的地方以及高海拔地区。 安装方便。g i s 一般是以整体或若干单元组成，可大大缩短现场安装工期。 检修周期长。根据国际大电网会议资料 一1 ，g i s 的故障率为o 0 1 0 0 2 站 年，一般认为约为常规设备故障的十分之一，g i s 的停电检修周期一般定为1 0 2 0 年，也有工厂提出不需要检修。 g 1 s 设备自6 0 年代实用化以来，由于上述一系列优点，越来越受到广泛的应 用，特别在城市高密度建筑群中，更是受到使用者的青睐。实践证明，g i s 运行安 全可靠、配置灵活、环境适应能力强、检修周期长、安装方便。g i s 不仅在高压、 重庆大学硕士学位论文 超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域变电站也被使用，在我国，6 3 5 0 0 k v 电力系统中，g i s 的应用己相当广泛。 g i s 在现场安装后，进行耐压试验，验证其运输和安装过程中是否受损以及检 查其重新组装的正确性。经过验收投运的g i s ，总的来说运行情况是良好的 1 7 1 。 然而运行经验表明【7 l ，g i s 内存在一些缺陷。这些缺陷最初可能无害，也不容易发 现，但随着运行年限的延长，在开关操作震动和静电力作用下，异物碎屑的移动 或是绝缘的老化等可能产生局部的放电现象，以致最终发展为击穿放电事故，需 要停电检修g t s ，造成很大的经济损失。g i s 电压等级越高，停电造成的损失越大。 根据c i g r e 的2 3 1 0 工作组国际调查报告的统计数字，在日本1 9 8 5 年以前投入 的全封闭组合电器的5 6 2 次故障中绝缘故障占6 0 ，1 9 8 5 年以后投入的g 1 s 的 2 4 7 次故障中绝缘故障占5 1 8 1 。从上可以看出g i s 的内部故障以绝缘故障的比 例为多。绝缘故障产生的主要原因有 7 1 ：载流导体表面缺陷。如毛刺、尖角等引 起导体表面电场强度不均匀；绝缘子表面缺陷。如制造质量不良，绝缘子有气泡 或裂纹，以及安装遗留下的污迹、尘埃等；g i s 筒内在制造和安装过程中存留的 自由导电微粒引起的缺陷；导电部分接触不良引起的缺陷。鉴于g i s 故障时影响 面大、修复周期长、后果严重、维修成本高f 8 ，” ，故g i s 的可靠运行和故障的预 防措施开始引起人们的注意。 目前所进行的工厂交流耐压试验或现场交流耐压试验虽然有可能检查出g i s 中的自由金属微粒的存在，但不能检查出g i s 中的固有微粒的存在，况且这类试 验是破坏性试验，不宜首选。实际运行中需要一种对( 3 i s 进行检测的有效手段， 能及早发现g i s 内部绝缘故障，并能准确定位，使得g i s 的检修工作能有计划地 进行，缩短检修时间和节省检修费用，提高g i s 运行可靠性。 g i s 绝缘早期故障的主要形式是局部放电。局部放电既是设备绝缘的劣化征 兆，又是造成绝缘劣化的重要原因| ，因此对局部放电进行有效的离线或在线监 测对于电力设备的安全稳定运行具有重要意义。并且局放测量可以在比较低的工 频电压下发现g i s 的缺陷而不必使其发生破坏性放电，因而局放测量是g i s 现场 试验中最常使用的方法之一。 当前虽有一些g i s 局部放电监测诊断装置已投入运行，却远未推广j ，一是 价格昂贵，二是故障诊断技术本身尚需完善提高，从而使此项研究开发工作仍在 继续开展并形成热点。因此对g i s 局部放电及其在线检测的研究有着很好的发展 和应用前景。 1 2 g l s 内局部放电产生的原因及缺陷类型 造成g i s 内发生局部放电的原因往往是多方面的，影响介质性能的缺陷主要 2 1 绪论 有严重的装配错误、自由金属微粒、导体之间电气或机械接触不良、电极突出物、 绝缘子缺陷、s f 6 中混有水蒸气等几类 】1 3 1 4 1 。 严重的装配错误 有些影响介质性能的严重装配错误在交接试验时可能会被漏检。比如，本来 只做运输途中用的袋装干燥剂，但在组装时却忘了从g i s 部件中取出来，组装后 不易被检测到。它虽然不会立即引起故障，却对今后g i s 的运行带来了后患。 自由金属微粒 自由金属微粒是气体绝缘装置中最常见的缺陷，它一直是导致g i s 故障的主 要原因。这些微粒可能是制造或组装过程中产生的，也可能是开关装置动作过程 中产生的。g i s 中的自由金属微粒能够在交流电压下获得电荷并在电场的作用下移 动，如果电场足够强，微粒就能完全地穿过外壳和高压导体之问的间隙。微粒运 动的程度取决于微粒的材料、形状等因素。当微粒靠近而未接触到高压导体时， 更容易发生局部放电。微粒迁移并附着在绝缘子表面时也很危险，此时的固定微 粒行为同自由微粒行为将有所不同。为此，对有关微粒的行为和故障机理已开展 了大量的工作旧j 。 接触不良的电位浮动 在g i s 内，静电屏蔽广泛地用来控制危险部位的电场强度。屏蔽电极与高压 导体或接地导体间的电气连接通常是轻负载接触。由于这些连接部分只传输小的 容性电流，通常对连接部分要求不高。然而一些连接部分在最初安装时虽然接触 很好，但随着时间推移会老化和位移，造成接触不良，导致电位浮动。 屏蔽或导体连接点机械上的不良接触会导致因静电力引起的机械振动。这种 振动会导致接触进一步恶化，最终出现电极电位浮动。 对于大多数电位浮动的电极，所形成的充电电容会产生局部放电并产生相对 较强的电磁和超声信号。这种放电信号会形成腐蚀性的分解物和微粒，从而加速 恶化过程，污染附近的绝缘表面直至造成绝缘失败。 固定微粒 固定微粒通常有两种存在形式：一是金属突起，一是微粒附着在固体绝缘或 绝缘子表面。 金属突起通常是由于不良加工、机械破坏或组装时的擦刮而出现的，尖头突 出形成的绝缘气体中的高场强区。这些突出物通常异常尖锐，在工频电压下电晕 会变得稳定化，因而在稳态工作条件下不一定会引起击穿。然而，在快速暂态现 象下，譬如在雷电波，尤其是在快速暂态过电压下这些缺陷会引起故障。 绝缘子表面的微粒若是暂时粘在绝缘子表面的，通常会移动到低场强区而不 发生局部放电，但在某些情况下会长期地固定在绝缘子表面。作为固定微粒，它 3 重庆大学硕士学位论文 粘贴在绝缘表面的作用类似于金属突起物。 绝缘子缺陷 绝缘子表面异常是由其它的缺陷类型引起的二级效应，比如局部放电产生的 分解物、金属微粒或者绝缘气体中可能过多的水气引起的破坏。另外，现场测试 时闪络产生的树痕在某种情况下也可以被视为缺陷。 绝缘子内的缺陷通常很小，常常是一些在制造过程中形成但又很难检测到的 缺陷，比如在制造过程中嵌入的金属微粒、环氧树脂在固化过程中的收缩以及环 氧树脂和金属电极不同的热胀系数而出现的空隙和层离。 s f 6 中混有水蒸气等 g i s 中使用的商气压s f 6 气体是一种良好的绝缘介质，在实际设计中，少量的 添加某些其它气体对s f 6 的介质行为没有大的影响，而水蒸气对s f 6 的介质性能影 响很大。当温度下降时，水蒸气就会出现凝露，结合其它混合物，影响介质表面 的导电性，改变它的老化特征或直接导致故障。目前还无法用局放在线监测和故 障诊断来探测判断该类型故障，这种故障产生于正常操作条件下，在g i s 装配时 控制湿度可防止该类故障发生。 上述任何一种缺陷可能单独发生，也可能其中某几种同时发生，掌握g i s 内 部的缺陷类型特征，研究各种缺陷的严重程度，将g i s 内的局部放电类型进行分 类，对于g i s 的检修工作有着重要的现实意义。 1 3g i s 局部放电检测研究现状 在电场作用下，导体间绝缘仅部分区域被击穿的电气放电现象称为局部放电。 对于被气体包围的导体附近发生的局部放电，可称之为电晕。局部放电可能发生 在导体边上，也可能发生在绝缘体的表面或内部，发生在表面的称为表面局部放 电，发生在内部的称为内部局部放电。g i s 内局部放电除了伴随电荷的转移和电能 的损耗之外，还会有声、光、电的产生和s f 6 气体的化学变化以及机械振动在外壳 的传播”l ，如图1 2 所示。国内外的研究者根据g i s 的放电特性对g i s 内部故 障检测方法作了研究，主要检测方法有包括声测法、光电法和化学方法等非电气 测试法和电气测试法| 1 8 “。 q 图1 2g i s 内部放电时引起的附属现象 f i 9 1 2p h e n o m e n o na t l a c h e dt od i s c h a r g e si ng i s 4 1 绪论 1 3 1 非电气测试法 声测法 g i s 中局部放电声测法是基于被检测缺陷在放电时所激发的几百k h z 的宽频 带声波信号8 1 ，它是g i s 中最早采用的绝缘诊断技术之一。这些信号可用安装在 g i s 外面的传感器来检测。由于这种方法对g i s 内部没有影响，因此可对任何g i s 在运行或试验时进行检测。虽然除了局部放电以外，还有不少原因可能引起外壳 振动，而且有的振动还很强烈，但它们的频谱有较大差异。声测法的优点是可在 g i s 外部进行测量，适用于委托试验和周期性的运行试验之局放检测。但是对长期 监测不实用，这主要是由于其检测范围有限，要求有大量传感器，测量比较费时。 由于无线电干扰及外部电晕，要求对试验回路采取必要的屏蔽措施。因此，传统 的声测法在现场基本上不采用，主要适用于实验室测量。 近年来，利用超声传感器测量局部放电和游动粒子被证实是有效的。然而， 随着电力通讯等的发展，对超声测量信号内的干扰成分也复杂化了。至今并没有 达到实用化在线监测定位程度，许多关键技术和基础性问题还需进一步研究。 总之，由于局部放电的本质是电现象而不是声现象，存在着根本性的缺陷， 即声测法检测的是声信号，但局部放电是电信号，声信号只是伴随信号。在密封 相中探测到的声信号与局部放电源可建立一个复杂的传递函数关系，但该传递函 数在试验中牵涉到许多未知因素影响。 化学检测法 在电弧和放电的作用下，s f 6 气体会产生分解物f 1 8 i ，放电初期，分解物为金属 氟化物粉末、s f 4 及低氟化硫。硫极易与氧发生反应在极短时间内形成氟氧硫化物， 最稳定的是s o f 2 和s 0 2 f 2 u 8 0 “i 。当放电发生在环氧材料附近时还会产生c f 4 。 气相色谱法( g a sc h r o m a t o g r a m ) 可对g i s 中分解物的特性进行分析。由于s o f 2 和s 0 2 f 2 很稳定，可用容器将气体样本带到实验室进行分析，也可在现场用便携 式气相色谱仪，其最大灵敏度可达几个p p m 。最常用也是最经济的分解物检测技 术是采用化学检测管( c d t ) 来确定s 0 2 和h f 的浓度。因为s f 6 分解物的产生 需较长时间才能达到可检测的灵敏度，所以化学方法只适用于运行过程中的定期 检测，但它可帮助确定委托试验中闪络放电发生的位置。 光学方法 从理论上讲，局部放电时产生光子发射，因此可用安装在g i s 中的光电传感 器如光电二极管或光电倍增器进行光测量来评价局部放电的强b b 【3 博二“。由于s f 6 气体的光吸收能力随着气体密度的增大而提高以及局放本身比较弱，因此这种方 法的灵敏度很低，同时光子发射存在些死角；另外，对实际g i s 因有许多气室 所以需要大量传感器，故这种方法对局放监测不实用p “。但它可用来检测放电的 5 重庆大学硕圭学位论文 位蚤，因为放电火花伴随着强燕的光辐射。这释光电检测系统静优点是不存在抗 干扰问题。 。3 2 毫气溯试法 目前可采用的髑部放电的电测法主要有传统局放脉冲电流法和超高频法 盼纠。 脉冲电流法 赫渖电流法是i e c 6 0 2 7 0 稼准推荐静方法，遴称藕合电容法，楚溅羹局部放电 的最常用方法，测量频率在1 0 v i h z 以内| | 8 l 。传统的脉冲电流法由于具有以下优 点露褥赘广泛应焉：技奄电流豫砖信号含鳖丰富，霹透过奄滚豫洚翰统谤特征 ( 如- q n 谱图) 和实测波形来判断放电的严重程度，进而邀用现代分析手殷了解 绝缘靛技猿及英发袋逡势；辩予突发信号菠瘟灵敏，易予准礁及酵逡发瑗毅薅； 易于定量。国内外不少单位研制的局部放电检测漩置普偏采用这种方法来提取 敖魄售号，键是实酝应溺效果往茬不够理怒 2 翻，主鬟霖嚣怒凝场噪声予莸太丈， 以至很难获取真正的局部放电信号。有效地削弱和抑止干扰是提高髑部放电检测 装嚣捡浏效聚熬重要爨涯，凌魏方甏已毒缀多方法，蠢懿基瘸予羧溅系统，毽仍 有不少测量设备抗干扰措施还远未达到实用化，难以确保系统的可靠性，其检测 灵敏发也寿德提毫。， 超高频法 趋裹频( u h - r ) 法是近每皋发展起来蜓一壕藐技寒。u l - i f 法溅鬣懿频率葱塑 3 0 0 m h z3 g h z 1 7 1 9 1 ( 目前国内外g i s 局部放融的现场实测中频率不超过 1 5 g h z i 9 1 ) 。它采用测量g t s 内绝缘臻患在运行电压下辐射嬲电磁波絮判甄g i s 内 是否发生局部放电，该方法w 以非接触测量及在线般测。u h f 法检测基础最高压 s f 6 气体中局部放电总是在缀小鲍范曝内发生，具有极抉击穿对阚的特性。这黏快 速上升时延的局部放电脉冲含有从赢流到超过lg h z 的频率成分。同辖结构的 g i s 是一个匙好的波导结构，超高频( 3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 电磁波可在其内部有效地传 播，而且信弩衰减褶对很小。电力系统中的电晕放电等主要电磁干扰信号的频率 一般在1 5 0m h z 以下，而且因其在空气中传播，衰减很快。另外，趣高频段内的 其它干扰也稽对较少。因诧，可选铎超高频段的电磁信号俸为检测信号，驻避开 常规电气测试方法难以避开的电力系统中的各种复杂干扰，从丽提高局部放电检 测静信噪眈| ，“。2 0 0 0 年新修订睡i e c 6 0 2 7 0 秘i e c 6 0 5 1 7 标凇中均已将超高频法作 为g i s 局放检测的主要方法乏- - 1 2 孙。 u h f 段信号虽筑于撬径麓簿，键该频段信号较猫，敌需要较精密斡纹器采测 量和煜示，该段信号的检测既可使用只有几m h z 诺宽的窄频法，也可使用达几 g h z 带宽懿懿额法l t 7 , 2 6 2 3 t 。窜频法一簸豫了需要频谱分褥饺羚，还器甏低瞟蓊离瓒 6 1 绪论 益的u h f 放大器来收集局部放电信号，在有特高频干扰的情况下比较适用，且要 求仪器较精密。宽频法在一般的场合使用更广泛，它需要可达n s 级采样的示波器 和截止频率为2 5 0 3 0 0m h z 的高通滤波器1 2 s lo u h f 法的灵敏度依赖于传感器等 测量装置的可靠性p 。局部放电信号的强弱及特性与产生的放电的缺陷类型和严 重程度有关。局部放电信号强度和传感器与放电源距离的关系可确定局放源所在 的隔室，不同位置传感器接收信号的时差可定位局放源，但方法需研究、完善。 有关g i s 局部放电的鉴别、定位还需更多试验。国外一些研究( 例如，瑞士a b b 高电压技术公司在5 5 0 k v 的g i s 试验装置中对u h f 法的适用性与灵敏度进行了研 究m l ，文献 3 0 l 中德国研究者对比了i e c 一2 7 0 法和超高频法，指出这两种检测方法 具有相同的灵敏度) 表明u h f 法具有灵敏度高、抗干扰能力强、能进行局放源定 位和识别绝缘缺陷类型等诸多优点，所以被认为是g i s 现场检测技术中具有广泛 应用前景的方法m7 。，”i 。 g i s 局部放电信号检测技术中传感器技术是一个非常关键的技术。由于局放信 号是时间宽度为1 2i t s 的单脉冲，频率可高达1g h z 以上，并且影响局放检测 传感器的外部噪声主要是电台或无线通讯所发射的电磁波，其频率范围从几k h z 到几十m - i z ，因此在强噪声环境中检测局放信号时，超高频传感器有较大优势。 超高频传感器对于安装在g i s 内部的传感器是有严格要求的：首先，传感器的安 装及结构不能影响g i s 内部的电场分布；其次，g i s 的密封也不应受影响。目前 常用的内部传感器有两种结构：圆板形传感器和锥形传感器1 3 3 1 。实验表明，当频 率在8 0 0m h z 以下时，其频率响应可保持线性，两种内部传感器对局部放电的检 测效果均较好。英国的j u d d 研制了一种等角螺旋天线用作内置接收天线，图1 3 ( a ) 为该天线实物图，该天线具有超宽频带，但是这种天线增益较差，只能用作 内置传感器。由于目前国内产品设计时未安装内部传感器，所以只能考虑采用外 部传感器。超高频外部天线传感器安装在盆式绝缘子外，即金属外壳的不连续处， 所以外部天线检测到的是g i s 中泄漏到外部的u h f 电磁波。目前国内关于g i s 外部超高频传感器的研究还处于起步阶段。 ( a ) 等角螺旋天线实物图 ( b ) 缝隙天线结构示意图 图1 3 用于g i s 局放检测的天线 f i g 1 3 a n t e n n a u s i n g f o r p dd e t e c t i n g i n g i s 7 重庆大学硕士学位论文 由于国外g i s 一般都安装有内部传感器，故关于外部天线传感器的报道相对 较少，而其中以日本对g i s 外部天线传感器的研究较多，但是也是处于对该研究 的初步阶段，对局部放电信号的特性还缺乏深入的研究。国内的研究还处于起步 阶段，西安交大李智敏博士论文中设计了宽窄两种缝隙天线对g i s 中的局部放电 作了开创性的研究，其设计的天线结构如图1 3 ( b ) 所示，但是他所设计的天线 频带较窄，其宽带天线有效带宽在4 3 0 - - 4 8 7 m h z 之间。文献 6 2 4 2 8 介绍了国 内外用于变压器局部放电检测的内部天线传感器。文献介绍了日本研究者使用 环形天线安装在罐式断路器的套管上检测其内局部放电。文献 3 4 ，3 5 中日本研究者 设计制造了双锥天线用于g i s 局部放电的检测系统。文献1 3 6 】是日本研究者设计制 造的对数周期天线用于模拟g i s 局部放电系统的检测，如下图所示： 图1 4g 1 s 模型中泄漏电磁波检测系统 f i g 1 _ 4e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rm e a s u r i n ge l e c t r o m a g n e t i cw a v e r a d i a t e d f r o ms p a c e ra p e r t u r em o d e lg i s 1 4 局部放电干扰抑制方法研究现状 g i s 的局部放电监测系统处于各种干扰的现场环境中，局放脉冲信号有时甚至 被干扰信号完全淹没。因此，如何最大限度地抑制干扰而获得可靠的局放信息就 成为局放在线监测中的重要研究课题。局部放电监测现场干扰源很多j ，按频带 可分为窄带干扰和宽带干扰。按其时域波形特征可分为连续的周期性干扰、脉冲 型干扰和白噪干扰3 类。于扰是多样的，表现出的特性也不同，用一种方法来有 效地抑制所有的干扰是不可能的，因此针对不同干扰源，需采取不同的措施综合 运用，达到抗干扰的目的。 从现有研究成果来看，局放在线监测信号处理技术主要有硬件滤波技术和数 字滤波技术、时频联合分析技术等软件滤波技术。硬件具有软件无法比拟的实时 和快速特性，因而被广泛地用作数据采集系统和信号的预处理。虽然硬件在一定 程度上可以抑制某些类型的干扰，但由于干扰的复杂性，单靠硬件滤波不能达到 满意的结果“”l 。随着现代数字信号处理技术的发展，局放在线监测去干扰的手段 ) 绪论 开始向软件的方向发展，软硬结合进行信号处理。 对于软件去干扰技术主要包括： f f l r 闽值滤波器。对于任意连续函数x ( r ) ，其频域分析方法主要是应用傅里 叶变换，即 f ( 国) = x ( 国) = e x ( f 一硝d t ( 1 1 ) 对于具体信号，需要先将其离散化，再利用离散傅里叶变换( d f t ) ，快速傅里 叶变换( f f t ) 来实现。傅立叶分析是现代信号处理的基础，这种方法一般是先把采 集到的含有干扰的局放信号运用快速傅立叶( f f t ) 技术变换到频域，通过局放信号 和干扰信号的在频域的不同幅度，设置阈值曲线，将干扰成分置零，再将其转换 到时域，从而达到滤波的目的，如快速傅立叶( f f t ) 阈值曲线法。傅立叶分析的方 法仅适用于平稳、缓变信号的分析，无法反映持续时问远小于时窗宽度的短时突 变信号。f f t 阈值滤波器的通带选择存在不确定性，且阈值大小影响着滤波效果。 有限冲击响应( f i r ) 滤波器。有限冲击响应数字滤波器的特点是稳定性 好，容易实现多个阻带，较多地运用于连续的周期性干扰的抑制，但有限冲击响 应滤波器抑制能力有限，在干扰很强的情况下难以达到预期的效果。 卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波是在递推滤波的同时利用观测数据提供的信 息，不断地由滤波本身在线估计模型参数和噪声的统计特性，提高滤波精度，减 小状态估计误差的一种现代滤波器。 自适应滤波器。自适应数字滤波是属于噪声中随机信号的线性均方估计问 题。目前研究撮多的是最小均方误差( l m s ) 自适应滤波，对于平稳随机信号而 言，l m s 自适应滤波器实质上是在数据不断的输入过程中逐渐逼近一个固定指数 的f i r 数字带通滤波器。实际使用中，其关键系数如时延、收敛因予等的选择直 接影响滤波器的收敛性能，滤波效果的很不稳定，而且输入数据序列的自协方差 矩阵特征值的分散度在很大程度上影响着算法的收敛性，在分散度甚大时，收敛 性质显著恶化甚至难以收敛。虽然很多文献给出了修正的的l m s 自适应滤波方式， 但均未用于实际现场。 二阶级联无限冲击响应( i i r ) 格型滤波器，文献 3 8 1 通过对各种数字滤波 器的综合比较和评判，指出自适应滤波器稳定性差，提出了一种信号失真小、抑 制能力强、滤波时间短的非自适应滤波器结构：无限冲击响应( i i r ) 非自适应格 型陷波器，用于抑制连续的周期性干扰效果非常明显。 基于人工神经网络( a n n ) 结构与算法的滤波技术。人工神经网络具有良 好的非线形和自适应性，可以处理环境信息十分复杂、背景不清楚的问题，类似 一个“黑匣子”。基于人工神经网络的滤波是通过大量的样本来训练网络，使其输 9 重庆大学硕士学位论文 出为输入的某种非线形映射，保留其中的有用信号，去除噪声。显然，样本的质 量直接决定了滤波效果的好坏。人工神经网络在局部放电在线监测中目前较多的 用于放电模式识别，在去干扰方面只起辅助性作用。文献【3 9 】采用基于b p 网络的 结构与算法，成功地从干扰中提取出局放信号。 数字信号处理技术能够有效去除在线监测中的干扰，理论上讲，这些方法属 于时域分析或频域分析。近年来随着对傅立叶分析的发展和深入研究，出现了时 频联合分析的思想，如短时傅立叶变换、w i g n e r 分析及小波分析。联合时频分析 的特点是对信号分析提供了时频局部化的能力，特别适用于非平稳信号的分析和 处理卜i o l ，这很符合局部放电信号的非平稳性。 小波技术是近年来发展很快的信号处理工具，小波变换的尺度伸缩性能够局 部化地分析信号的特征，其窄时窗反映信号的高频成分，能捕捉到非平稳的奇异 瞬变信号，并将其放大；而宽时窗则反映信号的低频成分，即信号的趋势，这是 传统的离散傅立叶变换无法做到的。因此，许多学者对应用小波技术解决抗干扰 问题开展了一系列的探索研究工作，并取得了不少有价值的成果。小波变换应用 于局部放电在线监测的干扰抑制也发展很快并富有成果。 国内对小波变换在电力系统中的应用研究得较多。文献 4 1 ，4 2 介绍了国内基 于连续小波变化在强载波干扰中提取电力变压器局放信号，文献 4 3 1 将小波包分解 与重构算法用于强载波及无线电干扰下的变压器局部放电信号检测问题。文献 4 4 1 介绍了基于离散小波变换在窄带噪声中提取发电机组局部放电脉冲。文献 4 5 1 介绍 了自相关函数小波变化用于白噪声中提取局部放电信号脉冲。文献 4 6 j 介绍了利用 b d - ，j 、波从连续周期性干扰和白噪声干扰中提取放电脉冲的可行性，而文献【4 7 】介 绍了一种小波包算法抑制变压器局部放电中的这两种干扰。可以看出国内对变压 器局部放电的小波去噪方法做了许多研究，其中又主要是对周期窄带和白噪干扰 抑制的研究。 国外对局部放电小波变换在电力系统中的应用研究也较多。文献 4 8 i 介绍了实 验室条件下对变压器局部放电离散实小波去白噪。文献【4 9 】是离散小波包变化抑制 实验室和现场条件下变压器局部放电的窄带干扰。 小波变换作为一种新兴的信号处理工具已经广泛的应用在电力系统中，对于 局部放电干扰抑制的研究主要集中在变压器局部放电检测中出现的干扰的抑制， 并且采用的检测方法主要是传统电容耦合法，而针对g i s 局部放电信号超高频检 测中出现的干扰抑制的研究还不多见。 1 5 本论文的主要研究内容 从上述g i s 局部放电检测发展状况可以看到，在g i s 局部放电检测中，国内 o 1 绪论 外对多种检测方法和手段的研究都在积极开展。由于u h f 法的诸多优点，使得 u h f 法在g i s 局放检测中的应用已经成为国内外研究的热点。国外主要集中在对 内部传感器的研究上，而目前国内产品设计时未安装内部传感器，所以只能考虑 采用外部传感器。国内外对超高频外部传感器检测的研究都处于实验室研究和初 步应用的探索阶段。同时国内外已对电气设备局部放电噪声干扰的抑制进行了大 量研究工作，并取得了大量成果，但对于g i s 局部放电干扰抑制的研究，特别是 对超高频段干扰信号的特点及干扰的抑制的研究工作开展甚少。因此，研制g i s 局部放电信号的体外超高频检测传感器，并深入研究g i s 局部放电干扰的抑制， 具有重要的科学意义和工程应用价值。 基于以上分析，本论文主要研究目标及内容为： 根据实验室具体条件，结合局部放电以及现场干扰的特性，设计制作用于 g i s 局部放电超高频检测的振子天线传感器，使其能满足超高频体外检测的要求。 根据局放激发电磁波的泄漏特点，研制一套超高频检测系统，分析其各单 元的特性，通过大量实验研究探索用于超高频检测的实用性。 研制一种超高频前置信号放大滤波器以提高p d 信号的信噪比。 运用小波技术，在白噪干扰下提取p d 高频仿真信号和实测信号，研究在 超高频下小波变换提取局放信号的影响因素。 深入研究并提出一种小波去噪阈值选取方法，综合运用小波去噪技术和硬 件滤波技术抑制g i s 局放中出现的周期性窄带干扰。 1 6 小结 分析了气体绝缘组合电器的应用及内部绝缘缺陷类型，阐述了g i s 局部放 电在线监测的必要性与意义。介绍了国内外g i s 局部放电各种检测方法并进行了 分析比较，提出超高频法已成为g i s 局部放电检测的热点。 分析了g i s 局部放电干扰抑制方法以及国内外研究现状，提出小波变换作 为一种新兴的信号处理工具已经广泛的应用在电力系统信号处理中，而针对g i s 局部放电信号超高频检测中出现的干扰抑制的研究还不多见。 根据g i s 局部放电检测国内外研究现状及国内实际提出了本论文的研究内 容和目标。 2 检测局部放电的振子天线传感器设计 2 检测局部放电的振子天线传感器设计 超高频法检测g i s 局部放电的关键技术是传感器，即超高频天线，传感器的 好坏直接影响着信号的获取。目前g i s 局部放电内置传感器的研究相对较为成熟， 但是由于安装内置传感器可能破坏g i s 内部电场结构，且国内g i s 产品设计时没 有安装内置传感器，它主要用于实验室g i s 模拟装置局部放电机理的研究。本章 研制了一种外置天线传感器，用天线理论对该天线特性进行了分析，在实验室模 拟装置上进行了实测，为实现g i s 超高频局部放电在线监测奠定了