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1、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A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong UniversityFor the Master Degree RESEARCH ON GIS PARTIAL DISCHARGE MONITORING WITH UHF METHOD Author：Major： High Voltage and Insulation TechnologySupervisor： School
2、 of Electronic Information and Electrical EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai， P.R. ChinaJanuary 2010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 上海交通大学学位论文版权使用授
3、权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年月 日 日期： 年 月 日目录目录III第一章绪论11.1局部放电概述11.1.1局部放电的定义11.1.2局部放电的表征参数11.1.3局部放电产生的原因21.1.4局部放电产生的危害31.2局部放
4、电的检测方法31.3超声检测法概述51.4本文的主要研究内容及章节安排71.4.1主要研究工作内容71.4.2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92.1局部放电产生超声波原理92.1.1电-力-声类比92.1.2局部放电产生超声波机理112.2超声局放信号的传播特性122.2.1声波的传播速度122.2.2声波传播中的衰减132.2.3超声信号路径132.2.4声波传播形式142.3本章小结17第三章超声局部放电检测仪的系统方案设计183.1系统功能定义183.1.1系统的应用目标183.1.2系统的功能特点193.1.3系统的性能指标193.2系统设计方案203.2.1系
5、统总体结构203.2.2各部分功能定义213.3本章小结22第四章信号调理电路的设计234.1前置放大器234.2主放大器264.2.1数字电位器264.2.2主放大器设计方案284.2.3主放大器的实现294.3本章小结31第五章基于FPGA的数据采集处理子系统325.1设计方案325.1.1数据采集处理板整体结构325.2主要器件选型335.2.1FPGA335.2.2AD转换芯片355.2.3DDR-SDRAM365.3主要功能模块的实现375.3.1数据存储与传输系统375.3.2信号调理参数控制425.3.3GPMC通信模块435.3.4数字信号处理模块475.3.5工频同步控制模块
6、495.4本章小结49第六章专家诊断系统与实验506.1专家诊断系统506.1.1故障判据506.1.2故障诊断流程516.1.3故障类型诊断526.1.4故障位置诊断536.2实验验证546.2.1实验内容及步骤546.2.2实验结果分析546.3本章小结54第七章总结与展望567.1总结567.2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1.1 局部放电概述1.1.1 局部放电的定义所谓局部放电（Partial Discharge），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
7、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”1.1.2 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、放电熄灭电压等。1) 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
8、，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。5) 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
9、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，固体绝缘内部的放电还可能出现。1.1.3 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
10、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
11、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。1.1.4 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1-1表示这一破坏过程。表1-1 绝缘破坏过程Table 1-1 Insulation failure process初期老化局部放电量明显变化，并增大气泡壁附着放电生
12、成物，材料碳化中期老化放电生成物侵蚀、扩大形成空洞，并向深层发展末期老化树枝状破坏性放电通道形成绝缘最终破坏因此，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。1.2 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
13、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【8-12】：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（Electrical Research Association）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
14、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（
15、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
16、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，T.Harrold 、E.Howells 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15-16。 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
17、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1-2为上述各种局部放电监测方法的性能一览表。表1-1 GIS 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
18、传感器可达精度5pC0.50.8pC2pC很差差适用监测的放电源固定微粒；悬浮物；气隙和裂纹各种缺陷类型都适用自由移动的微粒；悬浮物放电情况严重时的缺陷固定微粒；针状突出物能否故障定位不能精确度较高：0.1m适用，但条件苛刻，需多个传感器仅能判断哪个气室发生放电能，但条件苛刻，成本很高能否判别故障类型能能能不能不能是否已应用早期应用较多应用较多应用较多极少应用极少应用1.3 超声检测法概述在局部放电发生时，放电区域内分子间会剧烈撞击，同时介质由于放电发热而瞬问体积发生改变，这些因素都会在宏观上产生脉冲压力波，超声波就是其中频率大于20 kHz的声波分量。此时，局部放电源可看作点脉冲声源，声波以
19、球面波的形式向四周传播，遵循机械波的传播规律，在不同介质中传播速度不同，且介质交界处会产生反射和折射现象。在设备外部安装声电转换器，可将声信号转化为电信号，然后经一系列的处理，就可得到代表设备局放信息的特征量。由于声电传感器效率的提高和电子放大技术的发展，声测法的灵敏度有很大提高，现在对于大电容量的试品，如以上的电力电容器，其灵敏度不比电测法低。另外，根据超声波的定向传播特性，在一定的媒介中有一定的定向传播速度，可以用它来测定局部放电的部位。目前声测法在电力电容器、电力变压器、GIS等电工设备的局部放电检测中的应用越来越广泛。 同时，尽管脉冲电流法是局部放电研究的基础，但是电脉冲信号在现场中检
20、测时会有很大的干扰，另外电测法还存在线标定不方便和在线结果与离线结果的等效性等问题。而目前现场工程技术人员往往更关心运行的电力设备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设备绝缘的损坏程度，而这种情况适合超声波法检测。因此本文从电气设备在线检测的角度出发进行超声局部放电检测仪的研究。超声波法检测GIS局部放电具有以下特点: 1、易于实现在线检测目前采用的超声波法检测GIS局部放电是利用超声波传感器贴在接地的GIS外壳上进行检测，对GIS的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
21、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GIS局部放电13。 2、便于空间定位确定局部放电位置可以判断局部放电对GIS的危害程度,还可以减少检修时间。目前提出并采用的主要局部放电定位方法有：电脉冲电流电容分量定位法，利用电脉冲的电容分量从局部放电点传播到绕组两端的时间差来确定故障点的大概位置；X射线法利用外加X射线来加大局部放电从而进行定位14；超声波定位法利用局部放电时所产生的电信号和声信号之间的相对时间差或声信号和声信号之间的时间差对局部放电进行空间定位15。这几种方法都能帮助人们寻找局部放电位置，前两种方法只能确定大致部位，
22、而不是空间精确位置；X射线法需要外加X射线发生装置在线定位存在一定的困难；而超声波定位方法是根据卫星定位原理实现的，从理论上讲，可以做到精确定位，在线检测方便。所以很多学者都对此进行了大量的研究目前世界范围内的变压器局部放电定位系统多数采用电-声定位法和声-声定位法。 3、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16，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
23、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17，因此在先进的传感器以及数学分析工具的支持下，有望利用超声波法实现变压器局部放电的模式识别和定量分析。 4、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。
24、综上所述，由于局部放电产生的超声波信号包含了局部放电测量的多种信息，但是对这些信息的分析却刚刚起步，因此对于局部放电超声波法测量的深入研究将可能得到令人鼓舞的结果，从而使局部放电的整体研究达到一个新的高度。1.4 本文的主要研究内容及章节安排1.4.1 主要研究工作内容本文以国内外现有的超声局放检测仪的性能指标作为基本依据，并参考IEC60270及GB/T 7354-2003标准，设计了功能齐全、性能优异的超声局部放电检测系统。具体方案是将超声传感器对局部放电过程中产生的超声信号进行声电转换；然后经多级信号调理电路对信号进行处理得到待采集模拟信号；之后运用数据采集子系统对待采集模拟信号进行采样
25、，并对采样数据进行必要的数字信号处理；最后上位机对采样结果进行诊断，并显示诊断结果。本课题的主要工作有以下几部分：1) 查阅大量科研资料，提出了本系统的设计方案，性能指标和功能指标。2) 根据超声局部放电检测系统的特点和功能要求，设计了系统模拟信号调理电路部分并给予实现。3) 设计高速数据采集系统，实现对局部放电信号的连续高速采样和处理，以满足对局部放电信号进行检测和处理的要求。同时并根据上位机的要求，实现多种不同的采样模式。4) 设计专家诊断系统，对复杂的测量数据进行分析判断，使系统能自动判断故障类型及故障严重程度，并提供简要的故障定位信息。5) 进行局部放电实验，验证了系统的可操作性和可行
26、性。1.4.2 本文的章节安排 本文的章节安排如下： 第一章论述了局部放电的基本概念和常见的局放检测方法，重点介绍了超声检测法的概念及其现状；第二章介绍了超声局放信号的信号特征和传播特性；第三章介绍了系统的整体设计方案和设计参数，第四章介绍了模拟信号调理电路，其中包括前置信号调理电路和程控信号调理电路两部分，详细论述了各部分的设计思路并予以实现；第五章介绍了基于FPGA的高速数据采集系统的设计，详细介绍了各模块的设计思路及实现方法；第六章介绍了基于ARM的专家诊断系统的设计，设计了具体的诊断策略，并给出了多种不同的诊断结论。第七章介绍了系统验证实验，设计了实验模型及实验方法，验证了系统功能和性
27、能。第八章为本课题做了总结以及展望。第二章 超声局放信号的产生机理和传播特性为了能有效地检测局部放电产生的超声波信号，首先要了解这种超声波的产生机理和传播特性。如前所述，GIS发生局部放电时分子间剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力，产生超声波脉冲，其中包含横波、纵波和表面波。研究该超声信号的传播特性对于准确检测并衡量局部放电水平，并进而对局放源进行定位有重要意义。2.1 局部放电产生超声波原理众所周知，声波是一种机械振动波。当发生局部放电时，在放电的区域中，分子间产生剧烈的撞击，这种撞击在宏观上就产生了一种压力，由于放电是一连串的脉冲形式，有次产生的压力波也是脉冲形式的，它含有各种频率分量，也
28、是频带很宽的声波。在液体材料中，放电往往发生在液体含有的气泡中，气泡在放电时爆裂，把大气泡分裂成更小的气泡；也可能扰动液体，气泡在液体中移动，所有这些都会造成压力的变化而发出声波。在固体介质中，局部放电形成电树枝的过程，也会伴随着微弱的爆破，爆破产生的压力变化也会发出声波。对聚乙烯材料的实验证明，电树枝的增长率与测得的声压大小有关，树枝增长快时，测得的声压高15。局部放电的原因有多方面的，局部放电形式多种多样，局部放电过程是一个比较复杂的物理过程。下面我们以气泡为例分析局部放电产生超声波过程25。从物理角度分析，当局部放电发生时，气泡将会受到一个脉冲电场力的作用，为了直观的分析局部放电产生超声
29、波过程，本文采用电-力-声类比的方法对局部放电产生超声波过程进行分析。2.1.1 电-力-声类比电磁振荡、力学振动和声振动作为不同的物理现象，一方面都有他们各自的研究对象构成了他们的特殊性；另一方面，他们虽然属于不同的领域，表面上似乎互不关联，但仔细研究他们的规律时，在数学上往往都归结为相同形式的微分方程。集中参数用常微分方程，分布参数系统用偏微分方程。由于数学是从具体物理过程中抽象出来的“空间的形式和数量的关系”，因此数学形式上的相似性必然在一定程度上反映了物理本质上存在着某些共同的规律性26 。在研究局部放电产生超声波的机理问题时，由于同时要考虑到电、力、声的振动问题，运用电-力-声类比方
30、法分析具有明显的优越性，通常情况下，局部放电的空间很小，因此采用集中参数系统，这样系统的唯一变量是时间，为研究方便，首先对力学和声学的一些相关概念进行介绍。质量Mm：一种描述问题惯性的量度，对于一个物体来讲，由牛顿第二定律可知： （2-1）其中F 为作用在物体上的力，v 为物体的运动速度，则称Mm 为该物体的质量。力顺Cm：一种描述系统物理结构的参数，它表征了一个系统具有弹性性质，当受力作用时，它的位移与力成正比按照胡克定律有 （2-2）其中F为作用在系统中的力，为物体的位移。则称Cm 为该系统的力顺。力阻Rm：一种描述系统物理结构的参数它表征了一个系统具有摩擦损耗，当系统运动时，将受到力的作
31、用，且相对运动速度与力方向相反，当物体运动较小时按阻力定律有： （2-3）其中F为作用在系统中的力，v为物体的运动速度，则称Rm 为该系统的力阻。同样的道理，在声学系统中，也存在类似的声质量、声容以及声阻。分别对应其惯性、弹性与衰减，电学、力学、声学中各参数的类比情况如表2-1所示。表2-1 电-力-声类比表电学力学声学电压力声压电流速度体速度电感质量声质量电容力顺声容电阻力阻声阻2.1.2 局部放电产生超声波机理设GIS绝缘介质中含有一半径为r的气泡q，气泡的质量为Mm，气泡处于一定的电场中，由于局部放电的原因，气泡携带一定的电荷，因此气泡收到一定的外加的电场力Fe，气泡内部将有一定的弹性作
32、用力Fq，气泡维持平衡状态如图2-1a所示。由于局部放电过程（ns级），相对于超声波的产生过程（us级）来讲，局部放电过程很快，因此可以忽略局部放电的震荡过程，认为局部放电过程为单个脉冲。当发生局部放电时刻，气泡所受的外在电场力突然消失，气泡平衡状态被打破，气泡在弹性力的作用下，产生振动。此时气泡受到三条力线：一条为弹性力，穿过力顺元件Cm，终止于气泡壁；另一条为摩擦力，穿过力阻元件Rm ，终止于气泡壁；一条为惯性力穿过质量元件Mm，终止于气泡壁；这三条力线都汇合于气泡壁，如图2-1b所示。从物理上看质量Mm、力顺Cm,、力阻Rm 三个元件的速度都相同，因此其在阻抗型类比线路图中应当是串联的。
33、因此得到的电-力类比电路图，如图2-2所示。其中气泡的质量Mm等于气泡的体积乘以气泡的密度，力顺Cm、力阻Rm与气泡中的气体成分有关27。气泡局部放电的力学过程类似于电路中的二阶电路的零输入响应因此气泡中弹性力的受力满足下式的二阶方程： （2-4） a放电前 b放电后图2-1 气泡受力分析 图2-2 力学等效电路Fig.2-1 Bubble force analysis Fig2-2. Mechanical equivalent circuit 一般情况下，对于油介质来讲，其力阻较小，式中存在: （2-5）说明气泡中的局部放电力学过程为振荡过程。等效电路中的电压uc表示气泡壁的的对外作用力,其
34、值乘上气泡的表面积即超声波的声压。忽略局部放电的振荡过程以及气泡的体积变化,则uc正比于超声波的声压，得到： （2-6）式中，可以看出当气泡内发生局部放电时，气泡在脉冲电场力的作用下将产生为衰减的振荡运动，在气泡振动的作用下周围的介质中将产生超声波。则设气泡上真实放电量为q，气泡的击穿电场为E， 则力顺Cm 的初始值U0 即等于击穿前施加在气泡上的电场力。得到： （2-7）忽略局部放电的振荡过程时，由式2-6、2-7可知，超声波幅值与真实放电量成正比。2.2 超声局放信号的传播特性 电力设备中的局部放电，通常是发生在设备的内部，而用于测量声波的接收器一般都只能安装在设备的外壳上，于是声波要从放
35、电源传播到测量点才能被检测到。在这个过程中声波要发生衰减，声波的传播速度也可能发生变化。2.2.1 声波的传播速度用声测法测量局部放电的位置时，必须知道声波传播的速度。不同类型、不同频率的声波，在不同的温度下，通过不同媒质的速度都不相同。表2-2列出了20时纵波在几种不同媒质中传播的速度（）。表2-1 声波传播速度（）媒质速度媒质速度媒质速度氢1280油纸1420铝6400空气330油纸板2300钢6000140聚四氟乙烯1350铜4700矿物油1400聚乙烯2000铅2170水1483有机玻璃26402820铸钢35005600磁料56006200聚苯乙烯2320不锈钢56607390天然橡
36、胶1546环氧树脂24002900 气体媒质中声波传播速度在1301300范围内，这与气体分子的平均运动速度很接近。在矿物油中声波传播速度是随温度的升高而下降。不同频率的声波传播速度也不同，频率越高传播速度越快。不同声波的传播速度也不相同，纵波比横波要快约1倍，而表面波的速度大约是横波的90%。2.2.2 声波传播中的衰减 声波的幅值与声能的平方根成正比。当声波在均匀且无限的介质中传播时，声波的衰减与距发射源的距离的增加而减小。造成衰减的原因很多，如波的扩散、波的反射和热传导等。在气体和液体中，波的扩散是衰减的主要原因；在固体中衰减的主要原因是分子的撞击，把声能转变为热能。简单的说，声波衰减是
37、由于介质对声能的吸收和空间衰减而来。吸收是声波在气体介质的损耗，而在金属中的损耗较小,可在较短距离内忽略不计。在SF6气体中,声能的吸收基本不变,可谓一常数。若声能为100dBm，在40kHz时SF6吸收为26dBm30。空间衰减只简单受空间几何形状的影响，在点声源发射情况下,球形声波的波强与距声源的距离的平方成反比。对于柱形声波强的衰减正比于距离。一维直线波没有空间衰减。以上关系在一个波长内是无效的31。2.2.3 超声信号路径以跳动粒子和局部放电作为两个声波发射源。这一声信号有很宽的频带,且可达几百千赫。从GIS内部的声源和到外部声传感器的路径见图2-3所示。从图中可以看到,对于两个声源的
38、传播路径有很大的区别28。从粒子发出的声信号直接到达金属壳,然后通过金属到达传感器。另一方面,放电产生的声信号,同样也是在到达传感器之前通过SF6气体和金属壳体。由传感器测得的声信号幅值和形状,不但是发射源的函数,而且与路径有很大关系29。所以,对于传播中的声波形状特征要根据当时的GIS结构特征而定,尤其用超声定位,就更应考虑声的传播路径。图2-3 声的传播路径Fig.2-3 Sound transmission path2.2.4 声波传播形式在无限大的固体中,压力波和剪力波是共存的,而且两种波的传播速度并不相同,剪力波速大约为压力波速的60%。它们的频率可认为是相互独立的频率,在气体中只有
39、压力波存在,声速在一个大气压SF6气体中的传播速度为156m/s30。在复杂的结构中,如GIS中,声波形式变得更复杂。大量的附加波掺杂在其中。这些复杂的声波可分解为压力波和剪力波,而且依靠结构的几何形状、边界条件、材料等。一般情况下,每种形式都有其自己的相速度和波群速度,相速度和群速度都由频率决定。对于声波特性来说,当GIS密封的管壁厚度和平板厚度相同时,GIS管壁与平板具有的相同的特性。在管壁内存在零次和一次两种基本波30，如图2-4所示。零次波一般为弯曲波和半纵向波。相速度和波群速度随频率变化的关系见图2-5所示。如图中所示，速度取决于平板厚度和频率的乘积，如果乘积小于2mmMHz,则只产
40、生了零次波。 :n阶非对称波 :n阶对称波图2-4 平板内的波形Fig.2-4 Wave modes in plates相速度决定波长,可用以下公式描述: （2-26）其中f为频率。声信号沿壁的传播速度由波群速度决定,波群速度亦可称信息传播速度。当研究平板中的局部放电时,搞清声波在SF6气体和壳体之间界面的传播情况是非常重要的。在气体中，平板中激发的平面波受一定的约束：平行于平板的成份，其波长必等于实际频率的波长，即为： （2-27）相应的，入射角度取决于频率和气体中信号相速度。对于最重要的平面波而言，最低频率成份以最倾斜角度入射到管壁，而高频成份则以稍小的角度入射。如果声信号的频率不满足图2
41、-6中所示的关系式，则不会入射到管壁32。此外，两种媒介的声阻抗是非常不同的，能够穿过两种媒介的很少。目前来说，提高气体压力可以提高穿透率29。a）b)图2-5 相速度和波群速度与频率的关系图中: S0、S1、S2剪力波;a0、a1、a2压力波Fig.2-5 The relationship between Phase velocity, wave group velocity and the frequency图2-6 管壁中平面波激发弯曲波Fig.2-7 Plane wave excitation of a flexural wave in a plate2.3 本章小结本章介绍了超声局放
42、信号的产生机理和传播特性，着重介绍了气泡中局部放电的超声波信号的产生过程，并对声波的传播特性进行了详细分析。本章的内容构成超声局放检测的基础。第三章 超声局部放电检测仪的系统方案设计本文通过设计完整的软硬件系统，完成对超声局放信号的信号调理、采样、存储和诊断，并最终通过人机交互界面将诊断结果直观准确地显示出来。使整个局部放电检测过程快速、简便。所设计的超声局放检测仪综合了模拟和数字电路理论，采用模块化设计方法，将整个系统分为信号调理部分、基于FPGA数据采集部分和基于ARM的专家诊断部分。本系统具有体积小、重量轻、检测灵敏度高、抗干扰能力强、操作简易等优点，可应用于GIS开关、电缆中间接头等设
43、备的局部放电检测。3.1 系统功能定义3.1.1 系统的应用目标随着电力工业的高速发展，绝缘电气设备（GIS, 断路器）和交流聚乙烯电缆（XLPE电缆）的应用越来越广泛，并逐步成为新建电力设施的首选设备。绝缘电气设备和XLPE电缆由于生产、安装及长时间的运行过程中都可能造成绝缘缺陷并进而发生局部放电，本文所设计的超声局部放电检测仪主要是针对这两类设备的局放检测而设计的。虽然绝缘电气设备具有故障率低，免维护等优点，但是这类设备一旦出现缺陷则不易查找，本文所设计的超声局部放电检测仪的功能之一是专门针对绝缘电气设备的绝缘诊断和局放故障定位所设计。所设计的超声局放检测仪应当能有效地寻找绝缘电气设备内的
44、自由颗粒缺陷和局部放电缺陷。而高压电缆中间接头发生局部放电故障的概率较高。对于运行中的高中压电缆，如何几十发现接头中存在的局部放电，可以及时有效地避免事故发生。本文所设计的超声局部放电检测仪的功能之二是专门为电缆中间接头盒终端头局部放电的在线测量而设计的。所设计的仪器应当可以在不停电的状态下检查电缆附件的运行状态，适用于高中压电缆中间接头和终端的状态诊断和放电故障的检测，使其适用于新施工的电缆附件的验收试验和运行中的电缆接头的状态检测。3.1.2 系统的功能特点在总结了国内外各种超声局部放电测试仪的功能指标之后，并参考国际标准IEC60270，给出了本文设计超声局部放电检测仪的功能特点如下所示
45、。(1) 便携式，适用于单人移动测量；(2) 在线测量，可带电检测，使用方便；(3) 高检测灵敏度，能检测微弱放电信号，如1pC（或1mV）；(4) 噪声抑制，能消除背景噪声干扰，具有背景测量功能；(5) 数据存储功能，能以记事本的形式保存诊断结果和检测数据；(6) 触摸屏显示，采用5.6英寸带触摸液晶显示器，方便结果显示；(7) 可外接计算机，计算机可通过USB等方式与检测仪互联；(8) 具有专家诊断系统，对检测到的故障进行报警，自动判断故障类型并寻找故障源位置；(9) 一体化设计，采用锂电池供电，内置前置放大器，内置可充电电路，无需外接电源；(10) 同步功能，具有光学同步、工频同步和内部模拟同步三种同步模式；(11) 具有多种测
