超声波原理与在线局放很不错的入门文章.docx

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超声波原理与在线局放很不错的入门文章

超声波和在线局放检测

摘要

绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因之一。

如果电气设备在正常运行电压下，其绝缘中就已经出现局部放电现象，这意味着绝缘内部存在局部性缺陷，而且这种过程必然会在整个运行期间继续发展，达到一定程度后，就会导致绝缘的击穿和损坏。

测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷已经介质老化的速度和目前的状态。

因而电气设备制造厂和电力系统运行部门都很重视局部放电的检测，它已经成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。

本文叙述了用超声波法测局部放电的基本设计思路。

并对局部放电产生的机理和局部放电产生超声波的机理以及局部放电信号的提取做了一定的介绍。

关键词：

局部放电，超声波的产生，信号提取

Abstract

Partialdischargeininsulationisoneoftheimportantreasonsofdielectricaging.Ifthephenomenonofpartialdischargehasoccurredintheinsulationoftheelectricalequipmentundernormaloperatingvoltage,whichmeanslocalflawsexistininsulation,andthisprocesswillcertainlycontinuetodevelopduringthewholeoperation,reachedacertainlevel,itwillleadtoinsulationbreakdownanddamageofinsulation.Measuringintensityandtrendsofpartialdischargeofelectricalequipmentatdifferentvoltage,wecandeterminetheexistenceoflocaldefectsininsulationanddielectricagingrateandthecurrentstate.Thuselectricalequipmentfactoryandpowersystemoperationdepartmentsattachgreatimportancetothedetectionofpartialdischarge,ithasbecometodeterminetheinsulationqualityofproductsandoneoftheimportantpreventivetestsofinsulation.

 Thispaper,inorderto,partialdischarge,describesthebasicdesignideaswhichareusedultrasonicmethod.Inaddition，thepaperintroducemechanismofthepartialdischargeproduced,themechanismofultrasonicgenerationofpartialdischargeandsignalextractionofpartialdischarge.

Keywords:

PartialDischarge,ultrasonicgeneration,signalextraction

目录

第一章绪论1

1.1研究意义与目的1

1.2国内外研究现状1

1.3局部放电检测方法2

1.3.1.脉冲电流法2

1.3.2.介质损耗检测法2

1.3.3.超声波检测法3

1.3.4.化学检测法3

1.3.5.光检测法3

1.3.6超声波法检测局部放电的特点4

1.4局部放电基本概念5

1.5局部放电与超声波的关系5

1.6本文的主要工作6

第二章超声波法检测局部放电的原理与设计7

2.1局部放电的机理7

2.1.1局部放电基本概念及原理7

2.1.2放电过程9

2.1.3表征局部放电的参数10

2.1.4影响局部放电的因素14

2.2局部放电产生超声波的机理16

2.3超声波法测局部放电的设计18

2.3.1超声波传感器20

2.3.1.1超声波及其物理性质20

2.3.1.2超声波传感器原理21

2.3.2放大电路22

2.3.3滤波器电路的作用24

2.3.4触发电路的作用及其实现24

2.3.4.1触发电路的作用24

2.3.4.2触发电路实现的软件设计24

2.3.5数据采集模块27

第三章局部放电信号的提取29

3.1局部放电信号产生干扰的原因29

3.2提取局部放电脉冲信号29

第四章MATLAB仿真结果32

4.1局部放电信号的模型32

4.2局部放电信号模型仿真结果32

第五章结论与展望36

5.1结论36

5.2展望36

致谢37

参考文献38

附录40

第一章绪论

随着我国现代化建设全面步入21世纪，国民经济的发展对电能的需求不断增加。

电力系统必然要向超高压、大电网、自动化的方向发展。

电压等级的提高使得电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的电气设备无论是大型关键设备如发电机、变压器，小型设备如电力电容器、绝缘子等，还是电力传输线，一旦发生故障就会引起局部乃至全地区的停电，给国民经济其他部门的生产和运作造成严重的后果。

1.1研究意义与目的

电气设备在高电压、高电场的作用下，运行过程中的放电、电磁力、热应力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘等都会造成绝缘材料性能的逐步劣化，同时这种劣化是不可逆的并且不断加速。

因此在局部高电场作用下的高压设备中某些绝缘薄弱环节会发生局部放电。

电力传输线是电力系统中的重要部分之一，其线路绝缘状况的好坏直接影响着电力系统是否能够安全运行。

一旦发生故障，有可能发生大面积停电事故，给电力系统和国民经济带来巨大损失，因此电力系统非常重视电力传输线的状态，尤其是其绝缘介质的健康状况。

随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力线路绝缘劣化的主要原因之一，因而测量电力传输线的局部放电是及时发现故障隐患、预测运行寿命、保障电力传输线可靠运行的重要方法。

因此无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都越来越关心局部放电检测技术的发展，并广泛的把局部放电检测作为绝缘质量监控的重要指标。

由于人们非常关注电力运行的安全问题，所以对其局部放电机理和检测方法进行了大量的研究。

目的是实现在线检测是否存在局部漏电现象以及对放电量进行估计。

1.2国内外研究现状

清华大学研制的JFY3型局部放电在线检测系统能连续检测多台大型变压器的局部放电。

系统中电流传感器采用环形铁心、宽带有源传感器，其带宽为10kHz-1.2MHz。

通过硬件滤波电路幅值调整后的信号再利用程控带通滤波器进行滤波，滤波器带宽为50kHz，中心频率从50kHz到400kHz共7档。

系统采用宽带多通道、大容量、高采样率数据采样，同时运用各种数字信号处理的方法抑制干扰。

该系统利用程控带通滤波电路躲过各种连续的周期性干扰，这种方法对于消除工频及其谐波、载波通信、无线电广播等窄带干扰比较有效，但在局部放电在线检测中不够灵活，往往只适合于某个具体的变电站，针对具体变电站需仔细选择合适的通带。

另外传感器只能获得放电信号中一部分能量，不仅降低了灵敏度，而且造成检测波形畸变，给用中仍然存在着灵敏度低，容易受外界干扰的缺点。

但因为超声波法测量的不是电信号，这就有利于排除电气上的干扰；超声波定位系统硬件简单，算法成熟，所以在局部放电的在线检测中，它更多的是作为一种主要的辅助测量手段。

1.3局部放电检测方法[1]

局部放电的检测以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。

局部放电过程中会产生电脉冲、气体生成物、超声波、电磁辐射、光、局部过热以及产生能量损耗等现象。

因此，相应的就出现了电脉冲检测法、气相色谱检测法、超声波检测法、超高频检测法、电磁波检测法、光检测法和介质损耗检测法等多种检测方法[2][3]。

1.3.1.脉冲电流法

此法测量视在放电量。

当发生局部放电时，试品两端会出现一个几乎是瞬时的电压变化，在检测回路引起一高频脉冲电流，将它变换成电压脉冲后就可以用示波器等测量其波形或幅值，由于其大小与视在放电量成正比，通过校准就能得出视在放电量（一般单位用pC）。

此法灵敏度高、应用广泛。

1.3.2.介质损耗检测法

局部放电要消耗能量，使介质产生附加损耗。

外加高压越高、放电频度越大、附加损耗也就越大。

本法就是基于测量这种附加损耗来检测局部放电的，这时一般也可以利用西林电桥，测出介质的“tgδ—U”关系曲线，那么曲线开始突然升高处的E0相对应的电压即为局部放电的起始电压。

本法的优点是不需要添置专用的测量仪器，操作比较方便。

其缺点是灵敏度比脉冲电流法低的多，而且tgδ随电压而增大的现象也可以因介质受潮等其它因素而引起，要排除这些因素的影响亦非易事。

1.3.3.超声波检测法

是用超声波传感器接收电气设备内部或电力传输线局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置。

由于超声检测法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，因此人们对超声检测法的研究较为深入，近年来，由于声－电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高，尤其是在大容量电容器的局部放电检测方面，其灵敏度甚至高于电脉冲法。

该方法具有可以避免电磁干扰的影响；可以方便地定位；可实现在线检测，且在线检测与离线检测的结果相同等优点。

但由于超声波在电气设备内部的传播过程是一个很复杂的过程，造成在一些情况下超声定位实验不能成功；目前无法利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断，主要作为一种辅助测量方法。

1.3.4.化学检测法

化学检测法又叫气相色谱检测法，是根据局部放电时会使SF6分解所产生的气体（SOF2，SO2F2）的含量来判断局部放电的程度和局部放电的模式。

此方法最初显得很有吸引力，因为局部放电不可避免出现化学分解物，由于稳定的放电，诊断气体的浓度会逐渐上升到能检测到的水平，而且这种检测方法不受电气干扰。

但是电气设备中发生局部放电时诊断气体会被SF6气体强烈地稀释而短脉冲放电不一定会产生足够多的分解物，因此诊断将需要较长地时间，实时性差，存在很大的时延，另外电气设备中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量断路器动作时产生的电弧从而引起误判，因此化学方法对电气设备中的局部放电检测不太敏感只能反映电气设备内局部放电的总体程度无法精确测定局部放电而且测量需要较长时间，仅适合在实验室内对小容量SF6气体的研究。

总之，该方法对发现早期潜伏性故障较为灵敏，但不能反映突发性故障。

1.3.5.光检测法

包括两种一种是荧光光学检测法，通过荧光光纤检测局部放电所产生的荧光来检测局部放电[4]。

另一种是超声-光学检测方法，通过提取局部放电超声信号传播到光纤上时光纤的形变信号来检测局部放电。

该方法测量时，光信号不受电磁干扰；灵敏度高；可以方便的确定局部放电位置。

但由于电气设备结构复杂，光纤的埋法复杂，且不能记录非透明装置的局部放电；目前光纤传感器的分辨率尚不能满足工程需要，不能进行定量分析与局部放电的模式识别。

除此之外，还有一些其他方法如电磁波检测法、射频检测法等也正在研究。

这些检测方法的研究都取得了一定的进展，主要表现在所用传感器灵敏度的提高、数字处理技术水平的提高以及各种数学方法的应用，大大提高了测量的精度与可靠性。

使这些方法从实验室或离线应用开始向在线应用转换，但还存在一些问题需要进一步解决。

例如对电脉冲测量法来讲，最主要的是如何在检测现场的强大干扰中进行信号的检测和识别问题，尽管很多方法（数字信号处理方法、极性鉴别方法、差动平衡法、选频平衡法、小波分析法等）都在这方面进行了尝试，但还没有能够在各种场合的情况下都适合的方法。

尽管电脉冲法是局部放电研究的基础，但是电脉冲信号在现场中检测时会有很大的干扰，很难正确得到放电信号，另外在线标定的问题和在线结果与离线结果的等效性等问题，也是长期困扰电脉冲法在线检测局部放电的问题，目前在现场中，工程技术人员往往更关心运行电气设备和电力传输线的局部放电检测问题，特别是当放电量较大时，通过检测局部放电以确定电气设备、电力传输线绝缘的损坏程度。

而这种情况适合超声波法检测，因此本文从在线检测的角度出发，选择超声波法进行电气设备和电力传输线局部放电的研究。

1.3.6超声波法检测局部放电的特点

1、易于实现在线检测

目前采用的超声波法检测局部放电是利用超声波传感器贴在接地的电气设备外壳上或者将传感器靠近被检测的电气设备或电力传输线进行检测，对电气设备和电力传输线的正常运行和操作没有任何影响，传感器与检测设备之间采用光纤来连接，光纤具有良好的绝缘性能，检测设备与高电压设备之间有很好的隔离，使设备和测量人员的安全可以得到保证，同时不存在在线结果与离线结果的等效性问题，因此利用超声波法可以较容易的实现在线检测局部放电。

2、可望实现利用超声波法进行模式识别和定量分析

利用超声波法进行局部放电模式识别和定量分析，一直是超声波法检测局部放电研究中的重点，上世纪80年代，德国和日本科学家曾在此方面进行过研究，但并未得到理想的结果，近年来，人们又对利用频谱识别局部放电模式提出了新的见解，随着非线性科学和非确定性科学的发展，为利用超声波对局部放电进行模式识别和定量提供了新的方法，其研究也取得了一些新的成果，因此在先进的传感器以及数学分析工具的支持下，有望利用超声波检测法来实现局部放电的模式识别和定量分析。

3、超声波法的进一步研究有望得到一些新的放电信息

当电脉冲通过测试品时，会产生与电荷分布相关的超声波脉冲，且与空间电荷成比例，这样测量超声波就能获得电荷的组成部分及存在位置，因此利用超声波法可以对绝缘材料中的电荷分布进行测量，这是目前利用电流脉冲法所无法测量的。

另外从局部放电产生超声波的机理考虑，辉光放电和亚辉光放电同样产生超声波，对这些超声波信号的测量将弥补电脉冲法在局部放电测量时的不足，对它的进一步研究将有可能产生新的局部放电测量标准。

目前，在局部放电检测中主要还是采用脉冲电流法和超声测量法，因为超声检测法具有以上优点，本文正是基于这种方法获得局部放电脉冲信号。

1.4局部放电基本概念

局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿。

它可产生在固体绝缘孔隙、液体绝缘气泡或不同介质特性的绝缘层间。

如果电场强度高于介质所具有的特定值，也可能发生在液体或固体绝缘中。

局部放电逐渐发展，会对其周围的绝缘介质不断侵蚀，最终可能导致整个绝缘系统的失效，所以局部放电是造成绝缘恶化的主要原因，同时它也是绝缘恶化的重要征兆和表现形式，它与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，能有效地反映电力设备内部绝缘的故障，尤其对突发性故障的早期发现，它比介质损耗测量、油中气体含量。

分析等方法要有效得多。

1.5局部放电与超声波的关系

1.在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与放电量大小成正比[5][6][7]。

在利用超声波法研究局部放电中，很多文献都提到在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与视在放电量大小成正比，当局部放电量在一定范围内时，真实放电量与视在放电量成线性关系，即在一定的范围内，超声波信号幅值与视在放电量成正比。

这样就可以根据超声波的幅值来判断放电量的大小。

2.随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动。

随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动。

在实际实验中我们也观察到相同的现象。

3.不同的局部放电情况所发出的超声波信号波形不同。

从局部放电产生超声波的力学等值电路可知，局部放电电流是超声波产生的激励源，因此不同模式的局部放电产生的超声波波形不同，另外当同一种放电模型处于不同的介质环境中时（如固体介质中的气泡放电与油中的气泡放电）其力学等值电路中的电路参数也不同，造成产生的超声波波形不同，因此利用检测到的超声波波形的不同可以进行局部放电的模式识别。

根据以上几点可以利用超声波法进行局部放电检测，放电的模式由放电的波形决定，放电量由超声波信号的幅值、频率、放电周期决定。

。

1.6本文的主要工作

1.分析局部放电产生的原因，局部放电的原理；

2.局部放电产生超声波的机理

3.采用的超声波法测局部放电的设计。

4.局部放电信号的提取。

第二章超声波法检测局部放电的原理与设计

2.1局部放电的机理[1]

2.1.1局部放电基本概念及原理

绝缘介质内部含有一个气隙时的放电情况是最简单的，如图2.1（a）所示。

图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分的介质。

假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用图2.l（b）所示的等效电路来分析。

假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向相垂直，则按电流连续性原理可得

（2.1）

式中

、

分别气隙和介质上的电压,

、

分别为气隙和介质的等效电导 。

工频电场中若

和

均小于10－11（·m）-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为

（2.2）

式中

、

分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数，气隙和介质中的电场强度Ec、Eb的关系为

（2.3）

由式（2.3）可见：

（1）气隙放电在工频电场中气隙中的电场强度是介质中电场强度的

倍。

通常情况下

，而

，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比气体的击穿场强低，因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道。

（2）油隙放电在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的间隙，这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质为低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。

（3）在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。

例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其它金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。

当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强时，则介质局部击穿而形成了局部放电。

2.1.2放电过程

在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子（或负离子）沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反的电场（如图2.2（a）所示），这时气隙内的实际场强为

（2.4）

即气隙上的电场强度下降了E内，或者说气隙上的电压降低了Uc。

于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强ECB，气隙中放电暂停。

在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10-8数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间比较长，可达10-6数量级。

如果对照图2.2（b）分析放电过程，外施电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压uc达到气隙的击穿电压UCB时，气隙发生放电。

由于放电的时间极短，可以看作气隙上的电压由于放电而在瞬间下降了uc，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿电压，放电暂停（这相应于图2.2（b）中的点1）。

此后气隙上的电压随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压UCB时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降uc，于是放电又暂停。

假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中放电电荷建立的反向电压为-2uc。

依此类推如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了n次放电，每次放电产生的电荷都是相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为-nuc。

在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压分量u外逐渐减小，当u外=nuc时，气隙上的实际电压为零（图2.2（b）中点2）。

外施电压的瞬时值继续下降，当u外-nuc=UCB时，即气隙上实际的电压达到击穿电压时，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于此前放电电荷所建立的电场E内，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为u外-nuc

此后随外施电压继续下降到负半周，当重新达到-u外-（n-1）uc=UCB时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为-u外-（n-2）uc

依此类推直到外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为nuc。

随着电压回升，在一段时间内u外+nuc

放电后气隙上的电压为u外+（n-1）uc

此后随着外加电压升高放电又继续出现。

由此可见，在正弦交流电压下，局部放电是出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。

2.1.3表征局部放电的参数

局部放电是比较复杂的物理现象，必须通过多种表征参数才能全面地描绘其状态。

在气隙中产生局部放电时，气隙中的气体分子被游离而形成正负带电质点，在一次放电中这些质点所带的正或负电荷总和称为实际放电量qr。

根据图2.1（b）所示的等效电路可以推算出，由于Cc上电荷改变了qr所引起的Cc上的电压变化Δuc。

（2.5）

通常气隙总是很小的，且Ca>>Cb，因此上式可写作

（2.6）

由于气隙经常是处于介质内部，因而无法直接测得qr或ΔUc。

但根据图2.1（b）所示的等效电路当Cc上有电荷变化时，必然会反映到Ca上电荷和电压的变化，即试样两端出现电荷和电压的变化，因此可以根据这种变化来表征局部放电。

通常有以下表征局部放电的参数。

一、视在放电电荷

视在放电电荷是指产生局部放电时，一次放电在试样两端出现的瞬变电荷。

根据图2.1（b）所示的等效电路，并考虑到介质电阻Ra、Rb以及气隙电阻Rc都很大，而局部放电的放电时间又极短，可以假定在放电过程中，一方面电源来不及供给补充电荷，另一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉。

因此当气隙放电而造成Cc上电压下降Δuc时，各电容上的电荷重新分配，因此Ca上的电压也下降了Δua，且

（2.7）

这时Ca上的电荷变化为

（2.8）

将（2.7）代入上式可得

（2.8）

将（2.6）代入上式得

（2.9）

其中qa就是视在放电电荷，（2.9）表明了视在放电电荷与实际放电电荷的关系，可以看到：

（1）通常气隙是很薄的，即Cc>>Cb，因此qa往往比qr小得多；

（2）应当注意，真正代表放电大小的是qr，只有在Cb/（Cb+CC）相同时才能通过qa的大小来比较实际放电的大小；

（3）两个视在放电量qa相同的产品，如果Cb/（Cb+CC）差别很大，则qa的差别也很大，因此，对材料的破坏作用也就可能大不相同。

这点在局部放电的实际测试中要做具体分析。

二、放电重复