【电力电子与电力传动硕士论文】超高频方法用于gis局部放电检测的研究

上海交通大学硕士学位论文超高频方法用于GIS局部放电检测的研究院系电子信息与电气工程学院专业电力电子与电力传动姓名指导教师日期上海交通大学电气工程系2010年1月ADISSERTATIONSUBMITTEDTOSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYFORTHEMASTERDEGREERESEARCHONGISPARTIALDISCHARGEMONITORINGWITHUHFMETHODAUTHORMAJORHIGHVOLTAGEANDINSULATIONTECHNOLOGYSUPERVISORSCHOOLOFELECTRONICINFORMATIONANDELECTRICALENGINEERINGSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYSHANGHAI，PRCHINAJANUARY2010上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日目录目录III第一章绪论111局部放电概述1111局部放电的定义1112局部放电的表征参数1113局部放电产生的原因2114局部放电产生的危害312局部放电的检测方法313超声检测法概述514本文的主要研究内容及章节安排7141主要研究工作内容7142本文的章节安排8第二章超声局放信号的产生机理和传播特性921局部放电产生超声波原理9211电力声类比9212局部放电产生超声波机理1122超声局放信号的传播特性12221声波的传播速度12222声波传播中的衰减13223超声信号路径13224声波传播形式1423本章小结17第三章超声局部放电检测仪的系统方案设计1831系统功能定义18311系统的应用目标18312系统的功能特点19313系统的性能指标1932系统设计方案20321系统总体结构20322各部分功能定义2133本章小结22第四章信号调理电路的设计2341前置放大器2342主放大器26421数字电位器26422主放大器设计方案28423主放大器的实现2943本章小结31第五章基于FPGA的数据采集处理子系统3251设计方案32511数据采集处理板整体结构3252主要器件选型33521FPGA33522AD转换芯片35523DDRSDRAM3653主要功能模块的实现37531数据存储与传输系统37532信号调理参数控制42533GPMC通信模块43534数字信号处理模块47535工频同步控制模块4954本章小结49第六章专家诊断系统与实验5061专家诊断系统50611故障判据50612故障诊断流程51613故障类型诊断52614故障位置诊断5362实验验证54621实验内容及步骤54622实验结果分析5463本章小结54第七章总结与展望5671总结5672展望56参考文献57致谢59攻读硕士学位期间已发表的学术论文60第一章绪论11局部放电概述111局部放电的定义所谓局部放电（PARTIALDISCHARGE），是绝缘介质中的一种电气放电，就是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域，如绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘，发生非贯穿性放电通道的一种放电现象1。根据国际电工委员会标准IEC60270的定义“局部放电是指导体间绝缘仅部分桥接的一种电气放电。这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。2”112局部放电的表征参数局部放电可以通过多种表征参数来描绘其状态，局部放电表征参数主要有视在放电电荷Q、放电相位、放电重复率、起始放电电压、放电熄灭电压IU等。EU1视在放电电荷Q在绝缘体中发生局部放电时，绝缘体上施加电压的两端出现的脉动电荷称为视在放电电荷,其单位为皮库PC，视在放电电荷为局部放电的基本表征参数之一。2放电相位在外加电压作用下，放电发生的外加电压相位即为局部放电的相位。在工频正弦电压下，放电相位与放电时刻的电压瞬时值密切相关，放电相位也是局部放电的基本表征参数之一。3放电重复率在放电测试时间内，每秒钟出现放电次数的平均值称为N放电重复率，其单位为次/S。当外施电压升高时，局部放电次数增加，放电重复率也随之增加，放电重复率属于局部放电的累计表征参数。4起始放电电压当试品上外加电压逐渐上升，达到能观察到出现局部IU放电时的最低电压，即为起始放电电压，其单位为KV。实际上，起始放电电压是局部放电量等于或超过某一规定低值的最低电压。IU5放电熄灭电压当加于试品上的电压从已测到局部放电的较高值逐渐EU降低时，直至观察不到局部放电时，外加电压的最高值就是放电熄灭电压。实际上放电熄灭电压是局部放电量值等于或小于某一规定值时的最高电压。对E于油纸绝缘，往往是，而对于固体绝缘结构，与相差不大，固体绝IUIUE缘内部的放电还可能出现。113局部放电产生的原因局部放电的产生是由放电部位的电场强度所决定的，尤其是绝缘结构中电场分布不均匀，在局部区域电场过于集中3。如油浸式变压器绝缘结构主要由油、纸、纸板和其它一些固体绝缘材料组成，由于绝缘材料性质不同，以及绝缘内部存在气泡及杂质，加上设计或制造上的原因，使油隙、油角、空气隙、有悬浮电位的金属体、金属尖角和固体绝缘表面等处极易产生局部放电。造成电场不均匀的因素有很多，主要有以下几点1）电气设备的电极系统不对称，如针对板、圆柱体等，如果变压器的高压引出线端的电场比较集中，不采取特殊的措施，就容易在这些部位首先发生局部放电；2）介质不均匀，如各种复合介质气体固体组合、液体固体组合、不同的固体组合等。在电场的作用下，介质的电场强度是反比于介电常数的，因此介电常数小的介质中的电场强度就高于介电常数大的；3）绝缘体中含有气泡或其它杂质。气体的相对介电常数接近于1，各种固体、液体介质的相对介电常数都要比它大1倍以上，而固体、液体介质的击穿场强一般要比气体介质大几倍到几十倍，因此绝缘体中有气泡存在是产生局部放电最普遍的原因。绝缘体中的气泡可能是产品制造过程留下的，也可能是在产品运行中由于热胀冷缩在不同的材料的界面上出现了裂缝，或者因绝缘材料老化而分解出气体。此外，在高场强中若有电位悬浮的金属体存在，也会在其边缘感应出很高的场强；在电气设备的各连接处，如果接触不好，也会在距离很微小的两个接点间产生高场强，这些都可能造成局部放电。114局部放电产生的危害虽然局部放电的放电能量很小，在短时间内不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏5,6。而长时间的局部放电会逐渐腐蚀、损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘体的击穿。表11表示这一破坏过程。表11绝缘破坏过程TABLE11INSULATIONFAILUREPROCESS局部放电量明显变化，并增大初期老化气泡壁附着放电生成物，材料碳化放电生成物侵蚀、扩大中期老化形成空洞，并向深层发展树枝状破坏性放电通道形成末期老化绝缘最终破坏因此，必须把局部放电限制在一定的水平之下。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造和安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及严重程度7。12局部放电的检测方法局部放电的检测是以局部放电所产生的各种现象为依据。通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、发光、发热以及出现新的生成物等。因此与这些现象相对应，局部放电的检测方法可分为电气测量法和非电测量法两大类。其中电气测量法主要包括脉冲电流法、无线电干扰法、超高频检测法等，而非电测量法则主要包括光测法、化学检测法、超声检测法等【8】。简单介绍如下【812】1脉冲电流法。脉冲电流法是目前应用最为广泛的局部放电检测方法，该方法最早由英国电气研究协会提出，因此亦称ERA（ELECTRICALRESEARCHASSOCIATION）法。它是通过检测线路中由局部放电产生的脉冲信号来判断局部放电的水平。这种方法最显著的优点是灵敏度高、实时性好，可以方便地得到放电量、放电重复率、放电能量等局部放电特征参量。但是该方法易于收到外部的电磁干扰，且该方法无法对局放源进行定位【11】。2超高频（UHF）检测法。该方法于20世纪80年代初期由英国中央电力局（CEGB）提出13。超高频检测法分为超高频窄带检测和超高频超宽频带检测。前者中心频率在500MHZ以上，带宽十几MHZ或几十MHZ，后者带宽可达数GHZ。由于超高频超宽频带检测技术有噪声抑制比高、包含信息多等优点受到人们的关注，通常所说的超高频检测法即指超高频超宽频带检测。由于超高频检测法采用高频段的电磁信号作为检测信号，因而其可避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，从而提高了局部放电检测的信噪比【14】。3光测法。光测法是通过检测局部放电产生的光辐射作为测量依据的。通过局放光脉冲本身或光电转换后，可以进行局部放电光谱分析、局放光脉冲检测（单个核序列）、局放定位、电气绝缘老化机理以及局放电磁波传播特性等各种研究，从而以不同角度深入对局部放电机理的理解【12】，光检测法的优点是不受电气干扰，抗干扰能力强。但是由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光是透明的，所以现场应用的实例十分有限。4化学检测法，主要指油色谱分析法和SF6分解物分析法。当电力设备绝缘中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏、产生新的生成物，尤其是一些融于油中的特殊气体，如CO2、C2H2、CH4、C2H4等。通过对变压器油的定期抽样分析，就可以判断变压器的局部放电发展趋势，对于检测缓变的绝缘老化正确率较高。该方法最大的优点是不存在复杂的抗干扰问题。但是该方法也存在两个缺点一个是无法发现突发性故障，另一个是无法进行故障定位。5超声检测法。局部放电伴有声发射现象。早在七十年代末，THARROLD、EHOWELLS等学者就对变压器内部放电的超声特性及超声检测方法进行了研究。这种将超声波传感器安装在电力设备外壳上检测局部放电产生的声信号的方法称为超声波检测法。该方法抗电气干扰的能力强，大量的研究表明，通过超声波信号测量，可对变压器等电气设备的局部放电进行检测、检测和定位1516。对于以上所述的各种局放检测方法，以对GIS的局放检测为例，国际大电网组织（CIGRE）得出的普遍结论是1声学检测法、常规电测法和UHF法都有良好的灵敏度。2声学和UHF法可对局放源进行定位，而常规电测法不可以。3脉冲电流法需要一个外部耦合电容，不能用于运行中的GIS。目前声学检测法适宜于现场检测，而UHF法可用于局放的连续在线监测，化学和光学检测法的灵敏度较低，一般不用于在线检测。表12为上述各种局部放电监测方法的性能一览表。表11GIS中局部放电监测方法的性能一览表监测方法脉冲电流法超高频法超声波法化学法光学法优点简单；灵敏度较高灵敏度高；可用于运行中设备灵敏度高；抗电磁干扰能力强不受电磁干扰不受电磁干扰缺点运行设备不能使用；信噪比低造价高结构复杂；要求丰富经验的人操作灵敏度差；不能长期监测灵敏度差；需多个传感器可达精度5PC0508PCIFINNER_STATE0THENSTEP1SDA_ODATA_TDATADATAIFGPCS_P1THENCURRENT_STATEIDLEELSECURRENT_STATEWE_DATAENDIFWHENRD_DATAENDCASE534数字信号处理模块数字信号处理模块主要由FIR、FFT、峰值检测、有效值检测等模块组成，其中FIR模块作为其中FIR部分通过在ISE中调用IPCORE的形式实现，其余部分通过VHDL语言编写相关代码实现。在实现FIR数字滤波器之前，首先通过MATLAB自带的FDATOOL设计所需要的FIR滤波器。在本设计中，我们首先设计一个截止频带为300KHZ的高通滤波器。其设计步骤如下。（1）首先调用MATLAB中的FDATOOL，输入所需要设计的滤波器参数；在此，我们用窗函数法设计了一个80阶的低通滤波器，该滤波器的截止频带为300KHZ，滤波器相应曲线如图514所示。图514运用FDATOOL设计的FIR滤波器（2）输出滤波器系数，并保存为COE格式的系数文件。同时，在系数文件中将参数格式改写成如下格式RADIX10COEFDATA0000373,0000560,0000703,0000560,0000373（3）将系数文件导入ISE的FIRCOMPLIER中，可得如图515所示的相应曲线。该曲线与我们的设计目标基本吻合。图515FIRCOMPLIER中的响应曲线535工频同步控制模块54本章小结本章详细介绍了FPGA数据采集处理板的设计方案，包括器件介绍、各主要模块的实现等。其中重点介绍了数据存储与传输系统、GPMC通信模块和FIR滤波器的设计。FPGA数据采集处理板担负着数据采集、存储、处理及连接ARM主控板和信号调理板等各部分电路，是整个超声局放检测系统设计的关键。第六章专家诊断系统与实验专家诊断系统作为超声局放检测仪的人机交互界面，主要负责向局放检测人员提供局放水平、局放类型及局放定位等信息。61专家诊断系统611故障判据在进行专家诊断之前，系统需要比较诸如有效值、周期峰值等检测量与所设置的阀值的大小关系，并通过分析比较结果判断是否发生局部放电、是什么类型的局部放电及寻找局放源的位置等。具体的阀值如下所示。（1）有效值阈值测量时，“有效值”大于此值阈值表示有效值水平为高，否则为低。（2）周期峰值阈值测量时，“周期峰值”大于此值阈值表示周期峰值水平为高，否则为低。（3）有效值波动范围测量时，“有效值波动”超过此范围表示有效值波动水平为高，否则为低。（4）周期峰值波动范围测量时，“周期峰值波动”超过此范围表示周期峰值波动水平为高，否则为低。（5）50HZ频率成分阈值测量时，“50HZ频率成分”大于此值阈值表示50HZ频率成分水平为高，否则为低。（6）100HZ频率成分阈值测量时，“100HZ频率成分”大于此值阈值表示100HZ频率成分水平为高，否则为低。专家诊断系统根据实际测量的有效值阈值、周期峰值阈值、有效值波动范围、周期峰值波动范围、峰值系数、频率成分1阈值以及频率成分2阈值，与设置的故障判据比较，并按照表61所示的所示故障判据判断局放类型。表61局放类型诊断依据自由颗粒缺陷电晕缺陷局放缺陷信号水平高低高峰值/有效值高低高50HZ频率相关性无有有100HZ频率相关性无无有612故障诊断流程根据上一节所描述的故障判据，所设计的超声局放检测仪按照如图61所示的流程图进行故障诊断，包括故障类型判定和故障源定位。整个过程可自动完成也可手动完成。信号中有50HZ或100HZ信号100HZ信号50HZ信号结束是100HZ信号值很大PD信号溢出否测量完成否检查相位模式与电源周期相关性存储数据否是决定PD是在中心导体上还是外罩上，根据流程4调整设定50HZ信号大否弱局放否屏蔽脱落或强PD图61专家诊断系统故障诊断流程613故障类型诊断所设计的超声局放检测仪主要用于GIS和电缆的故障诊断，具体故障类型如表62所示。表61主要故障类型故障类型故障位置测量对象局放电晕自有颗粒中心导体壳体GIS电缆（一）连续测量模式连续测量方式检测一个工频周期内的均方根信号和峰值信号，提供了信号的原始信息并可以显示缺陷的种类。50HZ（频率1）或者100HZ（频率2）内容提示了存在一次局部放电。波动的峰值信号显示产生了一次或多次的放电。当检测到峰值或有效值过大，而50HZ频率成分和100HZ频率成分不大时，可初步判断被测试品存在自由颗粒缺陷，此时可使用脉冲测量模式进行确认。当检测到峰值或有效值过大，且50HZ频率成分过大，而100HZ频率成分不大时，可初步判断被测试品存在电晕放电。此时可使用相位模式进行确认。当检测到峰值或有效值过大，且50HZ频率成分和100HZ频率成分都过大时，可初步判断被测试品存在局放缺陷。此时可使用相位模式进行确认。连续模式用来测量与区别局放和电晕，在识别局放的过程中，需要使用到脉冲测量模式。（二）脉冲测量模式脉冲方式主要用于自由颗粒的测量。颗粒每碰撞壳体一次，就发射一个宽带瞬态声脉冲，它在壳体内来回传播。这种颗粒的声信号是颗粒端部的局放和颗粒碰撞壳体的混合信号。如果在连续测量方式中初步判断有颗粒故障，可采用脉冲方式进行进一步确认。（三）相位测量模式相位方式主要用于局放和电晕的测量。使用同步单元（内置）得到一个与工频有关的幅值与相位关系图，给出有关放电或碰撞发生在工频周期的哪个位置的重要信息，用来判断是否和工频周期存在关系。适用于GIS的电晕、局放故障和电缆接头放电的故障分析。如果在连续测量方式中初步判断有放电/电晕故障，可采用相位方式进行进一步确认。614故障位置诊断当待测试品为GIS设备时，所设计的超声局放检测仪可对故障源进行简单的定位。若测到一个50HZ或100HZ信号源，检测仪可用于区别放电来自中心导体还是GIS的外罩。局放定位采用信号幅值比较法，即利用超声或信号传播的衰减特性，移动传感器的位置，通过比较各处局放信号幅值，信号最大处表示靠近放电源位置，但该方法测量并不精度不高，只适合粗略定位。首先，在轴向进行定位，移动传感器、观察信号变化。如果在GIS的一个很宽区域内信号都保持最大，局放源象是位于中心导体。如果最大值只出现在一个特定点，则有可能是在外罩上。SF6气体具有对高频信号的衰减大于低频信号的衰减的特点。这一特性可用来区分局放来自中心导体还是外罩上。一个PD信号根据位置不同具有不同的频谱。宽带局放在SF6气体中传播时，其高频区域信号衰减幅度远大于低频信号。测量PD和电晕时，其信号频谱从10到100KHZ，如果局放是在外罩上，则应是宽带局放，因为未经气体衰减，而对于中心导体来的信号，由于经过气体衰减高频成分，可以通过调整过滤器的设定来验证局放位置。其定位程序如图8，在设定菜单中将上限频率从100KHZ降到50KHZ，如果频率1和频率2信号显著减小，其位置可能在外罩上，这是因为过滤器能滤掉大于50KHZ的信号，说明测到的这个局放信号是宽带信号。如果两个信号几乎没有变化，其位置可能在中心导体上，其高频信号在气体中传播时已被衰减。对绝缘系统来说，普遍认为中心导体上局放比外罩上的局放更可怕。局放源定位流程如图62所示。决定PD是在中心导体还是外罩局放源定位否结束否找出信号最大点局放源定位于一点还是很宽范围50HZ/100HZ信号显著减少否局放源象是在外罩上信号来自外罩高频没有被气体衰减是降低上限截止频率，从100KHZ降至50KHZ局放源象是在中心导体上无高频信号被过滤信号来自中心导体是否宽范围点图62故障位置诊断流程62实验验证621实验内容及步骤622实验结果分析63本章小结本章详细介绍了专家诊断系统的设计。所设计的超声局放检测仪具有三种不同的测量模式连续测量模式、脉冲测量模式和相位测量模式。其中连续测量模式主要用于故障类型的初步诊断，而脉冲测量模式和相位测量模式可对诊断结果进行进一步确认。同时，本章还介绍了专家诊断系统用于故障位置诊断的方法和流程，对于GIS设备，超声局放检测仪可对故障源进行简单的定位，即判断故障是发生在中心导体上还是设备外壳上。第七章总结与展望71总结72展望参考文献1邱昌容，曹晓珑，电气绝缘测试技术，机械工业出版社，2002第一版2IEC60270,HIGHVOLTAGETESTTECHNIQUESPARTIALDISCHARGEMEASUREMENTS20013岳桂芳，局部放电产生的原因及分析，机械工程与自动化，2005年第4期5BARTNIKASRDETECTIONOFPARTIALDISCHARGEINELECTRICALAPPARATUSIEEETRANSONELECTRICALINSULATION19996KURTZM,LYLESJF,STONEGCAPPLICATIONOFPARTIALDISCHARGETESTINGTOHYDROGENERATORMAINTENANCE7吴广宁大型发电机故障放电在线监测及诊断技术成都西南交通大学出版社，200L8郭俊，吴广宁等，局部放电检测技术的现状和发展，电工技术学报，20052第20卷第2期9徐斌,王晶,李彦明,变压器中局部放电超高频信号传播的仿真研究高压电器,200710QINGGUO,C,WYONGHONG,WXINLAOTHEUHFMETHODFORMEASUREMENTOFPARTIALDISCHARGEANDINTERFERENCESUPPRESSIONINELECTRICALINSULATINGMATERIALS,2005ISEIM2005PROCEEDINGSOF2005INTERNATIONALSYMPOSIUMON200511钱勇,黄成军,江秀臣等,GIS中局部放电在线监测现状及发展高压电器,200412司文荣，李军浩等,局部放电光测法的研究现状与发展高压电器,200813BMPRYORREVIEWOFPARTIALDISCHARGEMONITORINGINGASINSULATEDSUBSTATIONSASCIENCE，EDUCATIONANDTECHNOLOGYDIVISIONCOLLOQUIUMONPARTIALDISCHARGESINGASINSULATEDSUBSTATIONSC1，LONDON，L99414李智敏,史保壮等,用超高频法检测GIS中的局部放电高压电器,199815邱昌容，王乃庆电工设备局部放电及其检测技术M北京机械工业出版社，199416LUYI，HUXIAOYUNPDDETECTIONANDLOCALIZATIONBYACOUSTICMEASUREMENTSINANOILFILLEDTRANSFOFINERJIEEPMCSCIMEASTECHNOL，2000，147281851