電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)-電力變壓器局部放電現(xiàn)場測量方法與技術(shù)(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　電力變壓器局部放電現(xiàn)場測量方法與技術(shù)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及

2、其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　電力變壓器局部放電現(xiàn)場測量方法與技術(shù)</p&g

3、t;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電力變壓器是電力系統(tǒng)重要的樞紐設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行條件惡劣。隨著電力設(shè)備容量及數(shù)量的增加，及電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力變壓器故障給人們的生產(chǎn)和生活帶來的影響也越來越大。</p><p>　　在電力變壓器故障中，絕緣故障一直占有較高的比重。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級的提高，局部放電已經(jīng)成為電力變壓

4、器絕緣劣化的重要原因。發(fā)生絕緣故障原因主要是絕緣薄弱處的局部放電所引起絕緣的老化和失效，并最終導(dǎo)致絕緣擊穿。所以，局部放電是變壓器內(nèi)部絕緣劣化的前兆，通過局部放電的在線監(jiān)測，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣存在的潛伏性缺陷，判斷變壓器內(nèi)部絕緣劣化的程度，避免變壓器發(fā)生突發(fā)性絕緣故障。這對保證電力變壓器安全運(yùn)行具有十分重要的意義。對于變壓器制造廠家和現(xiàn)場監(jiān)護(hù)人員來說，在確定變壓器內(nèi)部存在局部放電后，快速準(zhǔn)確地對局部方電源進(jìn)行定位，可以為變壓器的狀

5、態(tài)維修提供科學(xué)的信息和指導(dǎo)，有利于迅速排除故障，避免惡性事故的發(fā)生，減少停電所帶來的損失和降低維修成本，因而倍受電力部門重視。</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)從局部放電概念出發(fā)，簡述了多種變壓器局部放電的現(xiàn)場測量方法，并主要介紹了超高頻檢測和超聲波檢測兩種方法，最后本文還針對變壓器局部放電現(xiàn)場測量時(shí)的干擾進(jìn)行闡述，并介紹了干擾消除的方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞　變壓器，局部放電，超高

6、頻，超聲波，檢測</p><p>　　The Transformer Partial Discharge Field Measurement Method and Technology</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Power transformer is the electric power sys

7、tem important hub equipment, its structure is complex, operation conditions. As the electric power equipment capacity and the increase in the number of, and the expansion of the scale of power, power transformer faults t

8、o people's production and life of the impact of the also more and more big.</p><p>　　In power transformer fault, insulation fault has held high proportion. Along with the development of electric power sy

9、stem and voltage levels increase, power transformer partial discharge has become the important reasons for insulation degradation. Happen insulation fault are the main reasons why weak insulation in partial discharge of

10、the insulation caused by aging and failure, and finally result in insulation breakdown. So, partial discharge is transformer insulation of internal degradation pr</p><p>　　The graduation design from the conc

11、eption of partial discharge, and expounds the transformer partial discharge of field measurement methods, and mainly introduces the uhf detection and ultrasonic testing two methods, finally, this paper also in transforme

12、r partial discharge measurement in site describes the interference, and introduced the interference of eliminating the scheme.</p><p>　　Keywords　Transformer，Partial Discharge，Uhf，Ultrasonic，Detection </p&

13、gt;<p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p>

14、<p>　　1.1 選題的背景及意義1</p><p>　　1.2 局部放電的概念及其研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1局部放電的概念2</p><p>　　1.2.2局部放電的研究進(jìn)展2</p><p>　　1.3 電力變壓器局部放電檢測方法5</p><p>　　1.3.1 檢測方法5

15、</p><p>　　1.3.2 研究方向7</p><p>　　1.4 本文所研究的內(nèi)容7</p><p>　　第2章 超高頻檢測法在局部放電中的應(yīng)用8</p><p>　　2.1 超高頻法檢測局部放電的基礎(chǔ)研究8</p><p>　　2.1.1 超高頻檢測技術(shù)的介紹8</p><p&g

16、t;　　2.1.2 超高頻檢測系統(tǒng)硬件和軟件的構(gòu)成9</p><p>　　2.2 超高頻傳感器的設(shè)計(jì)與分析11</p><p>　　2.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)11</p><p>　　2.2.2 超高頻傳感器的選取與分析12</p><p>　　2.3 基于超高頻法的變壓器局部放電檢測系統(tǒng)13</p><p>　　

17、第3章 超聲波檢測法在局部放電中的應(yīng)用16</p><p>　　3.1 超聲波法檢測局部放電的基礎(chǔ)研究16</p><p>　　3.1.1 超聲波檢測技術(shù)的介紹16</p><p>　　3.1.2 局部放電的等效電路17</p><p>　　3.1.3 局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理和傳播途徑分析18</p><p&g

18、t;　　3.2 變壓器局部放電超聲波法定位20</p><p>　　3.2.1 超聲波法定位方法及其存在的問題20</p><p>　　3.2.2 基于廣義互相關(guān)的聲－聲定位方法22</p><p>　　3.2.3 多聲源的判斷24</p><p>　　3.3 基于超聲波法的變壓器局部放電檢測系統(tǒng)25</p><

19、p>　　第4章 變壓器局部放電檢測中的干擾識別與抑制28</p><p>　　4.1 局部放電測量中的干擾的識別28</p><p>　　4.2 變壓器局部放電測量時(shí)干擾的抑制29</p><p>　　4.2.1 抗干擾措施29</p><p>　　4.2.2 干擾去除方案30</p><p><

20、b>　　結(jié)論33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附錄A38</b></p><p><b>　　附錄B43</b></p

21、><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　選題的背景及意義</b></p><p>　　伴隨著我國智能電網(wǎng)的全面

22、覆蓋，電力變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的樞紐設(shè)備，越來越突顯出其重要的位置和作用。電力變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行條件惡劣，隨著電力設(shè)備容量及數(shù)量的增加，及電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力變壓器故障給人們的生產(chǎn)和生活帶來的影響也越來越大。在電力變壓器故障中，絕緣故障一直占有較高的比重。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級的提高，局部放電已經(jīng)成為電力變壓器絕緣劣化的重要原因。發(fā)生絕緣故障原因主要是絕緣薄弱處的局部放電所引起絕緣的老化和失效，并最終導(dǎo)致絕緣擊穿。所以，局部

23、放電是變壓器內(nèi)部絕緣劣化的前兆，通過局部放電的在線監(jiān)測，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣存在的潛伏性缺陷，判斷變壓器內(nèi)部絕緣劣化的程度，避免變壓器發(fā)生突發(fā)性絕緣故障。這對保證電力變壓器安全運(yùn)行具有十分重要的意義。對于變壓器制造廠家和現(xiàn)場監(jiān)護(hù)人員來說，在確定變壓器內(nèi)部存在局部放電后，快速準(zhǔn)確地對局部放電源定位可為變壓器的狀態(tài)維修提供科學(xué)的信息和指導(dǎo)，更有利于迅速排除故障，避免惡性事故的發(fā)生，減少停電所帶來的損失和降低維修成本，因而倍受電力部門重視

24、。</p><p>　　由于變壓器絕緣故障原因大多是變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電，其發(fā)展使局部絕緣老化并終致?lián)舸虼耍瑱z測局部放電是變壓器絕緣故障在線監(jiān)測的主要方式。對運(yùn)行中的變壓器進(jìn)行局部放電在線檢測，了解運(yùn)行變壓器內(nèi)部局部放電的發(fā)展情況和材料的老化程度，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行，這樣有利于實(shí)現(xiàn)變壓器的預(yù)知性維修。而且，通過對變壓器局部放電進(jìn)行在線檢測，可以大大減少維修、試驗(yàn)等的盲目性，并積累變壓器可靠性評定所需的大量

25、數(shù)據(jù)，減少停電損失和維修費(fèi)用，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。電力變壓器是電力系統(tǒng)重要的輸變電設(shè)備，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對運(yùn)行中的電力變壓器進(jìn)行在線檢測，能及時(shí)取得各種反映絕緣狀況變化的信息，并對其進(jìn)行全面處理和綜合分析，監(jiān)測和診斷故障的類型和故障的程度，這樣可有效避免因絕緣缺陷發(fā)展而導(dǎo)致的設(shè)備事故。</p><p>　　本文針對變壓器局部放電檢測的方法進(jìn)行了現(xiàn)狀分析，主要研究電力變壓器局部放電現(xiàn)場測量的電檢測法

26、和非電檢測法。并同時(shí)提出了超高頻檢測方法和超聲波檢測方法相比于其他方法的優(yōu)勢以及現(xiàn)階段研究所存在的問題。</p><p>　　局部放電的概念及其研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1局部放電的概念</p><p>　　局部放電是在電場作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電，而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，即尚未擊穿，這種現(xiàn)象稱之為局部放電。放電的概念是指由電子雪崩開

27、始，二次過程通常局部放電是在高電場強(qiáng)度下，在絕緣體內(nèi)電氣強(qiáng)度較低的部位發(fā)生的。它表現(xiàn)為絕緣體內(nèi)氣體摻入物的擊穿，小范圍內(nèi)氣體或液體介質(zhì)的局部擊穿或固體介質(zhì)局部的沿面放電等。產(chǎn)生局部放電的條件取決于絕緣裝置中的電場分布和絕緣的電氣物理性能。局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但是可以導(dǎo)致電介質(zhì)（特別是有機(jī)電介質(zhì)）的局部損壞。若局部放電長期存在，則在一定條件下可能造成絕緣裝置的電氣強(qiáng)度的降低。因此局部放電對絕緣設(shè)備的破壞是一個(gè)緩慢的發(fā)展過

28、程，對于高壓電氣設(shè)備來說是一種隱患。局部放電的特性一般可與絕緣的缺陷相互很好的印證。即根據(jù)局部放電特性可以確定電氣設(shè)備絕緣的局部損壞程度。在某種情況下，絕緣的性能是可以按某種特性來判斷的，而對于不同設(shè)備的絕緣不同特性可能各不相同。在多數(shù)情況下，綜合測量局部放電各種特性可以較客觀的評價(jià)產(chǎn)品的絕緣水平。</p><p>　　1.2.2局部放電的研究進(jìn)展</p><p>　　正是由于局部放電的測

29、量能夠很好的反映絕緣的狀態(tài)，因此目前很多專家學(xué)者都對局部放電作了大量的研究工作。目前在局部放電的研究方面取得的進(jìn)展主要有：</p><p>　?。?）局部放電的模型問題。通常的局部放電采用傳統(tǒng)的三電容模型來描述局部放電的機(jī)理，這對于分析測試回路中的脈沖電流是具有實(shí)際意義的。但是，現(xiàn)在國內(nèi)外新的研究認(rèn)為把絕緣介質(zhì)中的氣泡看成一個(gè)電容器卻并不十分確切，因?yàn)闅馀輧啥耸墙橘|(zhì)，不是等位面，并且氣泡放電后，氣泡中又存在空間電

30、荷，因此提出了新觀點(diǎn)，將氣泡設(shè)為一個(gè)電荷系統(tǒng)，由N個(gè)電極組成，每個(gè)電極面積很小，可認(rèn)為是等位面，放電過程是由其中兩個(gè)以上的放電極放電，從而組成一個(gè)多電容的局部放電模擬系統(tǒng)。荷蘭科學(xué)家Pedersen A等進(jìn)一步利用電位移矢量場D計(jì)算了氣隙中產(chǎn)生的電荷和測量電極上電荷的關(guān)系，再由感應(yīng)電荷推導(dǎo)出放電脈沖電流，這樣得到的放電量是實(shí)際放電量。</p><p>　　（2）局部放電的放電形式問題。加拿大科學(xué)家Bartnika

31、s R等根據(jù)放電的表現(xiàn)形式將放電分為三類：火花放電、輝光放電和亞輝光放電?；鸹ǚ烹?，持續(xù)時(shí)間1~100ns，屬于脈沖型放電，包括低幅度、慢上升時(shí)間的湯遜型火花放電和大幅度、快上升時(shí)間的似流注火花放電，輝光放電，不具有脈沖性質(zhì)，占據(jù)半個(gè)工頻周期的大部分區(qū)域。亞輝光放電，具有微小幅度的離散脈沖，是輝光放電和火花放電之間的過渡形式。放電時(shí)三種放電形式的轉(zhuǎn)變與放電部位過電壓以及內(nèi)部氣壓等因素有關(guān)。研究表明，運(yùn)行中電力設(shè)備的氣隙，有的承受較高的過

32、電壓，而有的則承受較低的過電壓，表現(xiàn)出三種放電形式將同時(shí)存在。即使對于一個(gè)固定的放電點(diǎn)而言，由于有效電子的統(tǒng)計(jì)性，氣隙所承受的過電壓也具有隨機(jī)性，使得同一氣隙的放電也表現(xiàn)出多種放電形式。利用傳統(tǒng)的脈沖電流檢測法只能檢測出一小部分上升時(shí)間較快、幅度較大的脈沖型放電。而對其它類型的放電則很難撿測出來，所以由此得到的視在放電量并不能完全反映內(nèi)部的實(shí)際放電水平。</p><p>　　(3)局部放電的物理模擬問題。早在19

33、84年，Niemeyer、Petroner和Wesmann就提出分形介質(zhì)擊穿模型，即Niemeyer-Petroner-Wesmann（NPW）模型。后來對該模型的改進(jìn)又提出WZ模型（應(yīng)用于針-板電極結(jié)構(gòu)）和NKL模型（應(yīng)用于不均勻絕緣體系的放電生長）。最近，基于上述三種模式的局部放電樹狀通道模擬被許多學(xué)者所運(yùn)用。有的學(xué)者還采用由尖端半徑幾μm、直徑幾十μm的金屬鎢被作為樣品，在具有不同長度的單通道中發(fā)生局部放電，基于此建立了一種局部放

34、電的物理模型，此物理模型得到的局部放電進(jìn)展特征與實(shí)際電樹枝放電的進(jìn)展特征相似。1995年，Niemeyer又提出關(guān)于氣隙和SF6氣體中絕緣局部放電的物理模型，通過該模型可以模擬湯遜放電中的前導(dǎo)和火花，該模型也可以對固體和液體中的相似放電形式進(jìn)行模擬。英國科學(xué)家J.C.Fothergill等也提出利用放電雪崩理論來解釋電樹枝的發(fā)展，從而建立了一種基于電壓的放電物理模型，利用該模型可以很好的對電樹枝的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行分析。2001年，日本科學(xué)

35、家T.Okamoto等在三電容法的基礎(chǔ)上建立了局部放電的隨機(jī)過程模型，這樣利用隨機(jī)</p><p>　　(4)局部放電在不同電壓波形下的特性問題。目前的局部放電研究通常是研究介質(zhì)在工頻交流電壓或直流電壓下的特性，然而一方面隨著電子元器件的高集成化和小型化，高頻電子元器件中的絕緣部分的局部放電問題已經(jīng)成為電子元器件制造的重要問題，因此十分有必要研究高頻下的局部放電問題，文獻(xiàn)提出高頻電子元器件的耐電壓老化與局部放電試

36、驗(yàn)的絕緣評價(jià)問題。另一方面隨著電力電子技術(shù)的推廣，電力系統(tǒng)中的諧波也大量產(chǎn)生，目前在諧波電壓畸變的條件下局部放電的研究還很不充分。文獻(xiàn)研究了室溫下施加雙重正弦電壓時(shí)空氣氣隙的局部放電特性，指出電壓中的高頻成分加速了含有氣隙的固體絕緣材料的老化。并在人工實(shí)驗(yàn)條件下，分析了局部放電在雙重正弦電壓下的發(fā)展過程以及影響局部放電特性的因素。</p><p>　　(5)局部放電的記憶效應(yīng)問題。長期以來，局部放電的記憶效應(yīng)問題

37、一直是困擾局部放電研究的關(guān)鍵問題。記憶效應(yīng)是指在一次放電過程中產(chǎn)生的空間電荷和介穩(wěn)粒子對隨后放電的產(chǎn)生和發(fā)展的影響。記憶效應(yīng)包括兩個(gè)方面的作用：一方面是在一定電壓作用時(shí)間內(nèi)控制著局放的統(tǒng)計(jì)性；另一方面是由于較長時(shí)間的局部放電，引起材料的變性以及氣隙結(jié)構(gòu)的變化等原因造成材料的永久性老化。長期記憶效應(yīng)的累積結(jié)果將造成局部放電統(tǒng)計(jì)特性的不穩(wěn)定，有可能改變局部放電的模式，給局部放電模式識別造成困難。短期的記憶效應(yīng)則說明了連續(xù)的局部放電序列之間存

38、在很強(qiáng)的相關(guān)性，而目前利用局放的各種譜圖進(jìn)行模式識別時(shí)并沒有考慮這種相關(guān)性。雖然局部放電分布在觀察的相位間隔意義上是條件分布，但在根據(jù)脈沖發(fā)生順序選擇單個(gè)放電脈沖上是無條件的。最近，日本科學(xué)家Tatsuo Takada等利用超聲波和激光對絕緣材料中的電荷分布測量進(jìn)行了研究，探討了局部放電的效應(yīng)問題。我國也開展了類似的工作，在理論和實(shí)驗(yàn)方面都取得了一定的進(jìn)展。</p><p>　　(6)局部放電的檢測物理量問題。在

39、局部放電電脈沖法的研究中，檢測的物理量往往是放電量、放電次數(shù)和放電相位（即q-n-φ）。以及放電起始電壓和放電熄滅電壓，實(shí)際中一些常用的局部放電模式識別經(jīng)常是建立在q-n-φ三維圖形的辯識基礎(chǔ)之上的。近年來，這些各自獨(dú)立的局部放電參數(shù)開始被一些與電壓相位角相聯(lián)系的分布參數(shù)所代替，如：放電量的相位分布圖，放電次數(shù)的相位分布圖以及它們的暫態(tài)變化等。最近瑞典科學(xué)家Martin Hoof等利用相鄰放電之間的電壓差特征進(jìn)行了局部放電的模式識別，這

40、樣的放電特征不但包含了所加電壓的幅值信息，同時(shí)它也在一定的范圍內(nèi)考慮了局部放電的記憶性問題，是一個(gè)值得認(rèn)真研究的放電特征量。</p><p>　　(7)局部放電的模式識別問題，局部放電的模式是與一定的缺陷相聯(lián)系的。就研究層次而言，這些缺陷分為標(biāo)準(zhǔn)缺陷、設(shè)備模型缺陷、運(yùn)行中設(shè)備缺陷。標(biāo)準(zhǔn)模型是一些簡單的二電極模型，代表了介質(zhì)中可能出現(xiàn)的缺陷典型形式。設(shè)備模型缺陷是在一些電力設(shè)備模型上人為制造的缺陷，運(yùn)行中設(shè)備缺陷是

41、指實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備中出現(xiàn)的缺陷，是局部放電模式識別研究的最終目標(biāo)。目前，有關(guān)局部放電模式的研究主要上局限于標(biāo)準(zhǔn)模型上，在限定的環(huán)境條件下，已經(jīng)可以較準(zhǔn)確地識別出各種典型的缺陷，取得了不少成果。但在設(shè)備模型上的局部放電識別，由于缺陷形式的多樣化，缺陷中的電壓不宜控制等原因，導(dǎo)致局部放電隨機(jī)性增強(qiáng)，誤識率增加，識別效果不理想。而在線情況下，由于強(qiáng)烈的電磁干擾以及多個(gè)缺陷的存在和環(huán)境條件的不可控，使得模式識別遇到了很大的困難。因此在局部放電的模

42、式識別方面除了原來的模糊聚類和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在繼續(xù)深入研究以外，基于中心分布?xì)w類的一些模式識別方法開始深入研究，目前一些新的數(shù)學(xué)工具也開始在局部放電的模式識別方面得到了應(yīng)用。最典型的就是Weibull分布、小波分析和分形方法，國內(nèi)外的科學(xué)家很多都在這方面進(jìn)行了嘗試，印度科學(xué)家E.M.La</p><p>　　(8)局部放電對絕緣的老化影響問題，近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微處理技術(shù)的發(fā)展，用局部放電特征參量分析絕緣

43、的老化及進(jìn)行狀態(tài)診斷己成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)。但是，絕緣的局部放電特性是十分復(fù)雜的物理、化學(xué)現(xiàn)象。要真正用局部放電的統(tǒng)計(jì)參量描述發(fā)電機(jī)主絕緣的老化過程還必須進(jìn)行大量而深入的試驗(yàn)研究。意大利科學(xué)家M.Di Lorenzo del.CasaleJ和丹麥科學(xué)家T.Holboll使用CIGIEⅡ的方法研究局部放電處于30~80℃之間的行為。在理論上和實(shí)驗(yàn)上利用局部放電的幅值和相位分布的特征，區(qū)別不同的老化機(jī)理。且在30℃ 和80℃ 觀察這種區(qū)別，指

44、出局部放電對老化的影響。國內(nèi)一些專家學(xué)者也發(fā)表了一些有價(jià)值的論文。給出了部分材料在不同環(huán)境下，局部放電對絕緣的影響及絕緣壽命的預(yù)估方法。我國的鄒健等人也基于碰撞電離的微觀機(jī)理，利用非平衡統(tǒng)計(jì)物理的方法建立缺陷長大的隨機(jī)微分方程，進(jìn)而求出擊穿幾率，壽命分布函數(shù)，壽命與外加電場的關(guān)系。張曉虹老師等人也在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上分析了大電機(jī)主絕緣老化的機(jī)理，研究了在不同老化因子作用下局部放電分布圖中統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨老化時(shí)間的變化規(guī)律并將之用在大電機(jī)主絕緣的老化

45、狀態(tài)診斷方面。</p><p>　　電力變壓器局部放電檢測方法</p><p><b>　　檢測方法</b></p><p>　　電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其絕緣狀況的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級的提高，局部放電已經(jīng)成為電力變壓器絕緣劣化的主要原因之一，因而局部放電的檢測與評價(jià)也就成為變壓器絕緣狀況

46、檢測的重要手段。無論是研究機(jī)構(gòu)、制造廠商，還是電力系統(tǒng)運(yùn)行部門，都越來越關(guān)心局部放電檢測技術(shù)的發(fā)展，并廣泛的把局部放電檢測作為變壓器絕緣質(zhì)量監(jiān)控的重要指標(biāo)。由于人們非常關(guān)注電力變壓器運(yùn)行的安全問題，所以對其局部放電機(jī)理和檢測方法進(jìn)行了大量的研究。</p><p>　　局部放電的檢測以局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)，通過能描述該現(xiàn)象的物理量來表征局部放電的狀態(tài)。局部放電過程中會產(chǎn)生電脈沖、氣體生成物超聲波、電磁輻射

47、、光、局部過熱以及產(chǎn)生能量損耗等現(xiàn)象。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電脈沖檢測法、氣相色譜檢測法、超聲波檢測法、電磁波檢測法、光檢測法等多種檢測方法。</p><p>　?。?）脈沖電流法是通過檢測阻抗來檢測變壓器套管末屏接地線、外殼接地線、鐵心接地線以及繞組中局部放電引起的脈沖電流，獲得一些局部放電的基本量（如：視在放電量、放電次數(shù)以及放電相位）。它是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法，IEC對此制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)。該方法靈敏度

48、高；可以定量測量局部放電的特征參數(shù)；還可以與聲信號一起通過電—聲定位方法確定局部放電的位置等。但是脈沖電流法的檢測靈敏度隨著試品電容值增加而下降，在測量大容量電容器時(shí)，有時(shí)會出現(xiàn)靈敏度下降到無法進(jìn)行檢測的地步，還由于測試頻率低、頻帶窄，一般設(shè)置頻帶小于1MHz（IEC60270標(biāo)準(zhǔn)我國國家標(biāo)準(zhǔn)的推薦檢測頻帶為數(shù)kHz到數(shù)百kHz），這樣得到的信息量較少；受電磁干擾嚴(yán)重。</p><p>　?。?）超聲波檢測法是用

49、固定在變壓器箱壁上的超聲波傳感器接收變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波，由此來檢測局部放電的大小和位置。由于超聲法受電氣干擾小以及它在局放定位上的廣泛應(yīng)用，因此人們對超聲法的研究較為深入，近年來，由于聲－電換能器效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測法的靈敏度有了較大的提高，尤其是在大容量電容器的局部放電檢測方面，其靈敏度甚至高于電脈沖法。該方法具有可以避免電磁干擾的影響；可以方便地定位；在線檢測與離線檢測的結(jié)果相同等優(yōu)點(diǎn)。但由于超聲波

50、在變壓器內(nèi)部的傳播過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程，造成在一些情況下定位實(shí)驗(yàn)不能成功；目前無法利用超聲波信號對局部放電進(jìn)行模式識別和定量判斷，主要作為一種輔助測量方法。</p><p>　?。?）氣相色譜檢測法是根據(jù)局部放電所產(chǎn)生的分解氣體來判斷局部放電的程度和局部放電的模式。該方法已廣泛應(yīng)用于變壓器的油氣分析，在指導(dǎo)變壓器的安全運(yùn)行方面取得了一定的成績。該方法可以避免電磁干擾的影響；可以根據(jù)局部放電所分解氣體的成分和濃度

51、判斷局部放電的模式，目前已有三比值法和電協(xié)助研究法等等判斷方法，一些新的判斷方法如模糊數(shù)學(xué)、模糊模式多層聚類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的新的判斷方法也陸續(xù)提出。但該檢測方法存在很大的時(shí)延，即從局部放電的發(fā)生到可檢測的特征氣體往往需要較長的時(shí)間；且只能作定性分析，無法進(jìn)行定量判斷；氣體傳感器對所檢測的氣體均敏感，在線提取氣體成分存在一定的困難。</p><p>　?。?）超高頻檢測法是通過檢測變壓器局部放電的超

52、高頻電磁波信號來獲得局部放電信息。在變壓器局部放電測量時(shí)，現(xiàn)場干擾信號的頻譜范圍一般小于300 MHz，且在傳播過程中衰減很大，若檢測局部放電產(chǎn)生的數(shù)百M(fèi)Hz以上的電磁波信號，則可有效避開電暈等干擾，大大提高信噪比。正是由于超高頻法的特點(diǎn)及變壓器箱體的屏蔽效果，使其測量變壓器的抗干擾能力優(yōu)于目前傳統(tǒng)局部放電檢測法，利于變壓器局部放電的在線監(jiān)測。但需要該設(shè)計(jì)專用的超高頻傳感器，且傳感器一般需要預(yù)埋或伸進(jìn)變壓器油中。</p>

53、<p>　?。?）光檢測法包括兩種：一種是熒光光學(xué)檢測法，通過熒光光纖檢測局部放電所產(chǎn)生的熒光來檢測局部放電。另一種是超聲—光學(xué)檢測方法，通過提取局部放電超聲信號傳播到光纖上時(shí)光纖的形變信號來檢測局部放電。該方法測量時(shí)，光信號不受電磁干擾，因此靈敏度高可以方便的確定局部放電位置。但由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光纖的埋法復(fù)雜，且不能記錄非透明裝置的局部放電；目前光纖傳感器的分辨率尚不能滿足工程需要，不能進(jìn)行定量分析與局部放電的模式識別。

54、除此之外，還有一些其他方法如：電磁波檢測法和射頻檢測法等也正在研究。這些檢測方法的研究都取得了一定的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在所用傳感器靈敏度的提高、數(shù)字處理技術(shù)水平的提高以及各種數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用，大大提高了測量的精度與可靠性。使這些方法從實(shí)驗(yàn)室或離線應(yīng)用開始向在線應(yīng)用轉(zhuǎn)換，但還存在一些問題需要進(jìn)一步解決。例如對電脈沖測量法來講，最主要的是如何在檢測現(xiàn)場的強(qiáng)大干擾中進(jìn)行信號的檢測和識別，盡管很多方法（數(shù)字信號處理方法、極性鑒別方法、差動平衡法、選頻

55、平衡法、小波分析法等）都在這方面進(jìn)行了嘗試，但還沒有能夠在各種場合的情況下都適合的方法。</p><p><b>　　研究方向</b></p><p>　　目前，超高頻方法的研究也面臨著一些問題，由于測量機(jī)理與脈沖電流法不同，因此無法進(jìn)行視在放電量的標(biāo)定，而目前大多數(shù)工程人員已經(jīng)習(xí)慣于通過視在放電量來反映局放的嚴(yán)重程度，IEC規(guī)定有關(guān)局放的變壓器產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)中，其指標(biāo)

56、也是通過局放量的閾值來規(guī)定的。目前的研究表明，即使在局放源到傳感器之間的傳播路徑不變的情況下，脈沖電流法的視在局放量與超高頻方法所測得的脈沖信號幅值之間也沒有確定的對應(yīng)關(guān)系，這就更加大了應(yīng)用該方法進(jìn)行局放定量的難度。此外，由于變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，局放產(chǎn)生的電磁波在內(nèi)部的傳播將存在大量的散射、折反射以及衰減，因而傳播特性研究和局放源定位工作將注定是難度很大而且充滿挑戰(zhàn)的。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展

57、，特別是信號分析技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、指紋分析、專家系統(tǒng)、模糊診斷和分形等都越來越多地應(yīng)用到變壓器局部放電檢測中，對通過脈沖電流法按照IEC270標(biāo)準(zhǔn)測量得到數(shù)據(jù)，進(jìn)行模式識別和絕緣壽命評估，推動了局放檢測技術(shù)的發(fā)展。超高頻檢測方法從一開始就是從數(shù)字化技術(shù)起步的，通過將成功的傳統(tǒng)方法移植到超高頻檢測之中，實(shí)現(xiàn)局放的連續(xù)在線監(jiān)測和自動識別的研究正在取得快速的進(jìn)展，上述超高頻法存在的問題是目前很多相關(guān)研究單位需要解決的課題。我認(rèn)為任何一種方法都有

58、一定的應(yīng)用范圍，有些問題它可以解決，有一些則不能解決。當(dāng)前通信技術(shù)的發(fā)展使人們充分認(rèn)識到,在線監(jiān)測是個(gè)跨學(xué)科、綜合性的研究領(lǐng)域，多種方法相結(jié)合，綜合運(yùn)行目前各種技術(shù)和知識，構(gòu)建統(tǒng)一的、綜合的在線監(jiān)測平臺，將是未來局部放電在線監(jiān)測的發(fā)展方向。</p><p><b>　　本文所研究的內(nèi)容</b></p><p>　　變壓器現(xiàn)場局部放電測試是一項(xiàng)敏感性的大型試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)

59、中遇到的現(xiàn)象多種多樣十分復(fù)雜，但只要對局部放電的各個(gè)環(huán)節(jié)充分了解，掌握其規(guī)律性，并采取有效的措施加以抑制，就可以有效提高大型變壓器局部放電量評估的性能。</p><p>　　對此本文首先論述了局部放電基礎(chǔ)知識及電力變壓器局部放電的概念及其研究現(xiàn)狀，然后介紹了電力變壓器局部放電現(xiàn)場測量的電檢測法和非電檢測法，并主要介紹了電檢測法中的超高頻檢測法，和非電檢測法中的超聲波檢測法做了詳細(xì)介紹和討論。</p>

60、<p>　　最后本文還詳細(xì)分析了電力變壓器局部放電測量時(shí)的干擾和抑制，其中包括電力變壓器局部放電測量時(shí)的干擾來源，以及干擾的抑制和識別干擾的依據(jù)。</p><p>　　超高頻檢測法在局部放電中的應(yīng)用</p><p>　　超高頻法檢測局部放電的基礎(chǔ)研究</p><p>　　超高頻檢測技術(shù)的介紹</p><p>　　變壓器中每一次局部

61、放電都發(fā)生正負(fù)電荷中和，并伴隨有一個(gè)陡的電流脈沖，向周圍輻射電磁波。變壓器油隔板結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度比較高，因此變壓器中的局部放電能夠輻射很高頻率的電磁波，最高頻率可達(dá)數(shù)GHz。超高頻檢測技術(shù)通過接收變壓器內(nèi)部局部放電所激發(fā)的超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測和定位，并實(shí)現(xiàn)抗干擾，它具有測量頻率高、檢測頻帶可調(diào)、抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以較全面地研究變壓器絕緣系統(tǒng)中局部放電的本征特征。</p><p>　　隨著傳感

62、器技和數(shù)據(jù)采集技術(shù)等的不斷發(fā)展，局部放電的檢測向著超高頻和超寬頻方向發(fā)展。局部放電超高頻檢測是通過超高頻天線傳感器提取變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻信號，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測。局部放電超高頻檢測技術(shù)作為電氣設(shè)備局部放電檢測的一種新的手段和方法，越來越受到重視，在國內(nèi)外得到了較快發(fā)展，并在電力設(shè)備如變壓器、同步電機(jī)、電纜等的檢測中得了到初步的應(yīng)用。</p><p>　　變壓器局部放電由于其絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁波在

63、傳播中會發(fā)生多次折反射及衰減，而且變壓器箱體結(jié)構(gòu)也會對電磁波的傳播帶來不利影響，這就大大增加了超高頻局部放電檢測的難度。因此，變壓器局部放電的超高頻檢測還處于起步和發(fā)展階段。</p><p>　　近年來，荷蘭研究人員Rutgers Pemen等人在實(shí)驗(yàn)室中對變壓器局部放電的超高頻檢測進(jìn)行了一些初步的研究，他們的研究結(jié)果表明：油中放電上升沿很陡，脈沖寬度多為納秒級，能激起1GHz以上的超高頻電磁波。在實(shí)驗(yàn)室中他們還

64、對幾種缺陷放電產(chǎn)生的超高頻信號進(jìn)行了研究，并研制了300～1200MHz的超高頻天線傳感器用于實(shí)際變壓器局部放電的超高頻檢測。在研究中，他們將天線傳感器插入變壓器事故放油閥中，天線面與油箱壁在同一平面上，所測得的信號通過一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從變壓器導(dǎo)出并送入檢測裝置。Rutgers等人還對變壓器超高頻檢測的模式識別與基于超高頻檢測的變壓器狀態(tài)評估進(jìn)行了的研究。英國Strath Clyde大學(xué)的研究人員Judd等人對變壓器局部放電的超高頻檢測也進(jìn)

65、行了大量實(shí)驗(yàn)研究，他們采用檢波法提取500~1500MHz高頻放電信號，并進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。在傳感器安裝和試驗(yàn)過程中，他們在變壓器頂部靠近高壓側(cè)的箱體上開一個(gè)介質(zhì)窗，傳感器通過介質(zhì)窗提取局部放電信號，并送入頻譜分析儀進(jìn)行分析。此外，法國ALSTOM輸配電研究中心的KaRaja等人在實(shí)驗(yàn)室對各種典型放電模型局部放電的超高頻特性進(jìn)行了研究，并發(fā)</p><p>　　目前，國內(nèi)外對變壓器局部放電超高頻檢測的研究還主要集中

66、在實(shí)驗(yàn)室中，現(xiàn)場的工作較少，并且檢測系統(tǒng)中所用儀器如頻譜分析儀、高速數(shù)字示波器等不但價(jià)格昂貴且不適合在現(xiàn)場長期運(yùn)行。而對變壓器箱體內(nèi)變壓器油中超高頻信號的傳播規(guī)律的研究仍不充分，同時(shí)也非常有必要對適合變壓器現(xiàn)場運(yùn)行特點(diǎn)的小型化、高檢測性能的超高頻傳感器進(jìn)行研究。在局部放電類型判別和檢測規(guī)程建立等方面，也需要進(jìn)行試驗(yàn)研究和經(jīng)驗(yàn)積累。</p><p>　　因此，對變壓器局部放電的超高頻檢測進(jìn)行研究，仍需針對上述問題開

67、展工作。傳統(tǒng)的局部放電檢測方法，其檢測信號的頻率一般不超過1MHz，而且現(xiàn)場局部放電檢測特別是在線檢測，常常會受到各種電磁干擾的影響。當(dāng)干擾信號與局部放電信號具有相同或者相似的特征時(shí)，被測信號往往被干擾所淹沒。而在變壓器運(yùn)行現(xiàn)場，變電站背景噪聲和空氣中電暈干擾其頻率通常小于400MHz。此外，在超高頻范圍內(nèi)（500~1500MHz）提取局部放電產(chǎn)生的超高頻信號，外界干擾信號少，因而檢測系統(tǒng)受外界干擾影響小，可以極大地提高變壓器局部放電檢

68、測，特別是在線檢測的可靠性和靈敏度。此外，由于電力變壓器的箱體厚度一般在厘米數(shù)量級，將測量傳感器置于變壓器油箱內(nèi)，可有效屏蔽變壓器油箱外部空間的各種電磁干擾信號，進(jìn)一步提高變壓器局部放電檢測系統(tǒng)的抗干擾能力。正因?yàn)槌哳l局部放電檢測具有極強(qiáng)的抗干擾能力和較高的靈敏度，用超高頻法檢測變壓器局部放電具有良好應(yīng)用前景和工程價(jià)值。</p><p>　　超高頻檢測系統(tǒng)硬件和軟件的構(gòu)成</p><p>

69、;　　近幾年來，我國學(xué)者深入研究了油紙絕緣系統(tǒng)中局部放電的產(chǎn)生、傳播、接收及信號分析技術(shù)，研制成功了可用于變壓器局部放電帶電檢測和在線監(jiān)測的局部放電超高頻檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括超高頻傳感器、信號傳輸電纜、信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集卡、便攜式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)的控制單元。變壓器中局部放電產(chǎn)生的電磁波經(jīng)超高頻傳感器接收后，放電信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過同軸通訊電纜傳送到信號調(diào)理單元，信號經(jīng)過調(diào)理后送入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號的

70、采集、存儲等處理。檢測系統(tǒng)主要完成變壓器局部放電信號的自動循環(huán)檢測和手動檢測，整個(gè)檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 2-1所示。</p><p>　　圖2-1局部放電超高頻檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　超高頻傳感器可通過專門的機(jī)構(gòu)由變壓器油閥伸入變壓器內(nèi)，并且可以帶電操作，變壓器無需停電。信號調(diào)理單元組成如圖2-2所示。</p><p>　　1-帶通濾波器; 2-前置放

71、大器; 3-混頻器; 4-頻率綜合器;</p><p>　　5-低通濾波器; 6-中頻放大器; 7-檢波對數(shù)放大器</p><p>　　圖2-2信號調(diào)理單元組成框圖</p><p>　　它通過計(jì)算機(jī)并行接口控制，即實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)選通頻帶的中心頻率和濾波器帶寬的選擇和控制。這樣既可以濾掉頻率較低的電暈放電等干擾信號，也能有效避開移動電話、載波通訊等頻帶比較固定的干擾信號，

72、極大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡記錄并處理數(shù)據(jù)。</p><p>　　監(jiān)測系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程后臺數(shù)據(jù)處理兩部分，主要包括監(jiān)測顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析及報(bào)警、數(shù)據(jù)保存及歷史查詢等功能。該軟件提供Hqmax(φ)、Hqn(φ)、Hn(φ)三種二維譜圖、傳統(tǒng)的橢圓放電譜圖以及φ-q-n三維放電譜圖，放電譜圖的指紋示意圖提供直觀、形象的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，可反映不同類型局部放電的特點(diǎn)。該軟件對放電譜圖提

73、供37個(gè)特征量，可計(jì)算并顯示按照年月日累計(jì)的變壓器放電趨勢圖，通過自適應(yīng)遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行模式識別，可對變壓器內(nèi)部的幾種典型局部放電類型進(jìn)行識別。圖2-3為某一放電對應(yīng)的φ-q-n三維譜圖和橢圓譜圖。</p><p>　　圖2-3變壓器中某一放電的譜圖</p><p>　　超高頻傳感器的設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　設(shè)計(jì)依據(jù)</

74、b></p><p>　　要實(shí)現(xiàn)對變壓器局部放電的超高頻檢測，一個(gè)重要的途徑就是對局部放電產(chǎn)生的以TEM波形式傳播的電磁波進(jìn)行耦合，并且要求這種耦合器具備以下基本特性：</p><p>　　（1）結(jié)構(gòu)尺寸靈巧，在不改變變壓器運(yùn)行和變壓器結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。</p><p>　　（2）能實(shí)現(xiàn)帶寬為500~1500 MHz的局部放電信號檢測，具有良好的頻率響

75、應(yīng)特性。</p><p>　?。?）具有較高的抗干擾能力及干擾信號區(qū)分能力。</p><p>　?。?）具有較高的信號檢測靈敏度。</p><p>　?。?）能將局部放電特征明顯的頻段加以區(qū)分和提取。</p><p>　　根據(jù)變壓器局部放電的特性及變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了一種小型寬帶超高頻傳感器。傳感器的設(shè)計(jì)從以下方面著手：</p&

76、gt;<p>　?。?）用于變壓器、電機(jī)、電纜的超高頻法，檢測頻帶較窄（通常為幾十MHz），從而丟失了大量的放電信息，因而檢測靈敏度受到一定的限制。研究表明，局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比當(dāng)只考慮檢測儀元件（如放大器等）的熱噪聲對靈敏度的影響時(shí)，用寬頻帶檢測有更高的靈敏度，例如對在半峰值處有1.5 ns寬度的局部放電脈沖，在1 MHz帶寬的局放靈敏度為0.1 PC，在350 MHz帶寬靈敏度達(dá)0.01 PC。因而檢測

77、電力變壓器局部放電用的超高頻傳感器選用寬頻帶是有利的。</p><p>　?。?）在檢測現(xiàn)場，干擾源多且干擾信號幅值大，這極大地增加了局部放電信號提取的難度。大量研究表明，在變壓器使用現(xiàn)場，變電站背景噪聲的頻率通常小于200 MHz，而空氣中電暈干擾的頻率通常小于400 MHz。因此，選擇天線的下限截止頻率為500 MHz，這樣可以較好地抑制噪聲干擾（電臺和移動通信干擾有固定的頻率，可以通過軟件加以去除）。對于變

78、壓器內(nèi)部的局部放電，到達(dá)接收天線的電磁信號經(jīng)多次折、反射和衰減后已發(fā)生畸變，高頻分量不易精確提取，因此選擇天線的上限截止頻率為1500 MHz。這樣既能有效地抑制大部分外部干擾，又能獲取盡可能多的局部放電信息。</p><p>　　超高頻傳感器的選取與分析</p><p>　　從上述分析著手，本文研制了一種超高頻傳感器——雙臂阿基米德平面螺旋天線。由天線理論可知，如果天線以任意比例變換后仍

79、等于它原來的結(jié)構(gòu)，那么它的電性能將與頻率無關(guān)，即為非頻變天線。如果天線的結(jié)構(gòu)滿足“角度條件”，即完全由角度決定，當(dāng)角度變化時(shí)可得到連續(xù)的縮比天線。若將天線的終端部分截尾，對天線的電性能沒有顯著的影響，則有限尺寸的天線就可以在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)具有非頻變天線的電特性。螺旋天線是根據(jù)無限長天線設(shè)計(jì)出的一種僅由角度表征其特征的天線，并且天線電流在離開饋電點(diǎn)時(shí)逐漸減小，因此在電流足夠小處把天線截?cái)鄬⒉粫绊懰膶拵匦?。它既滿足“角度條件”又具

80、有結(jié)尾后“終端效應(yīng)”小的特性，因此可以將其頻帶做到很寬，而尺寸可以做得很小。阿基米德平面螺旋線的方程為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中：r為曲線上任意一點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；r0為螺旋線起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離；α為常數(shù)，稱為螺旋增長率。</p><p>　　工程中常用的螺旋天線是由兩個(gè)反向饋電的阿基米德螺

81、旋對稱放置，得到兩條起始點(diǎn)分別為A和B的對稱螺線，如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4雙臂阿基米德平面螺旋天線</p><p>　　以這樣的兩條阿基米德螺線為兩臂，在A、B兩點(diǎn)對稱饋電，就構(gòu)成了阿基米德平面螺旋天線。通常用印刷技術(shù)制造這種天線，并使金屬螺線的寬度等于兩條螺線間的距離，以形成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)寬頻帶阻抗匹配。如果從A、B兩點(diǎn)對天線進(jìn)行平衡饋電，則從A點(diǎn)沿一條螺線繞

82、至P點(diǎn)的長度與從B點(diǎn)沿另一條螺線繞至Q點(diǎn)的長度相等，即P、Q兩點(diǎn)在以坐標(biāo)原點(diǎn)O為圓心、r為半徑的圓周上，但兩點(diǎn)上的電流是反向的。P′點(diǎn)到B點(diǎn)的螺線長度與P點(diǎn)到A點(diǎn)的長度相比較，當(dāng)螺旋增長率α較小時(shí)二者相差的弧長為: </p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　于是P、P′兩點(diǎn)的電流相位差為:</p><p>

83、;<b>　　(2-3)</b></p><p>　　若 (2-4)</p><p>　　則P、P′兩點(diǎn)上的電流相位差近似為2π，也就是說，當(dāng)螺線半徑近似為λ/2π時(shí)，天線兩臂上相鄰點(diǎn)的電流幾乎是同相位的。因此，周長約為一個(gè)波長的那些環(huán)帶就形成了螺旋天線的有效接收區(qū)

84、。工作頻率改變時(shí)，有效接收區(qū)沿螺線移動，但方向圖基本不變，具有寬頻帶特性。天線最大接收方向在螺旋線平面的法線方向上，且是雙向的，主瓣寬度約為60°～80°。嚴(yán)格說來，阿基米德平面螺旋天線并不是一個(gè)真正的非頻變天線，因?yàn)樗膸缀谓Y(jié)構(gòu)并不滿足自相似條件。但只要參數(shù)Or、Oa及天線的總長度取得適當(dāng)，并在其最外層螺旋線末端接以吸收電阻或吸收材料，則可使這種天線具有很高的工作頻帶。阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效

85、率高以及可以嵌裝等優(yōu)點(diǎn)。采用雙孔磁芯阻抗變換器（又稱傳輸線變壓器）來實(shí)現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)換和阻抗變換，可以避免方向圖傾斜并允許用同軸線饋電。</p><p>　　基于超高頻法的變壓器局部放電檢測系統(tǒng)</p><p>　　試驗(yàn)采用脈沖電流法的并聯(lián)測試回路與超高頻測試回路相結(jié)合的綜合測試系統(tǒng)。脈沖電流法用來檢測試品的放電量等特征參數(shù)，作為超高頻檢測的參照。測試系統(tǒng)接線如圖2-5所示。</p>

86、<p>　　Z—低通高阻阻抗； EVM—靜電電壓表； Ck—耦合電容；</p><p>　　CX—試品電容； Zm—RC檢測阻抗； C1—測量電纜</p><p>　　圖2-5超高頻局部放電測量系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)電源由自耦調(diào)壓器T1輸出后經(jīng)隔離變壓器T2接到無局放高壓試驗(yàn)變壓器T3上。隔離變壓器T2可有效地抑制電網(wǎng)中竄入的高次諧波，改善供電

87、電源的品質(zhì)。</p><p>　　超高頻局部放電測量系統(tǒng)由三部分組成：</p><p>　　(1)超高頻傳感器（超高頻天線）選用雙臂阿基米德平面螺旋天線(有效頻帶為500~1500MHz），實(shí)測所得該天線的輸入阻抗約為190Ω，因此，本文采用4:1傳輸線變壓器來實(shí)現(xiàn)天線與射頻電纜的平衡轉(zhuǎn)換和阻抗變換，它兼?zhèn)淞思倕?shù)變壓器和傳輸線的優(yōu)點(diǎn)，可以做到體積小、功率容量大、工作頻帶寬。</p

88、><p>　　(2)頻譜分析儀本文采用ADVANTESTR3131型頻譜分析儀，其工作頻帶為9 kHz~3.0GHz，文中選取測量頻帶為100~1500 MHz，輸入阻抗取為50Ω。</p><p>　　(3)計(jì)算機(jī)和測控軟件帶有A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析。實(shí)驗(yàn)室中的局部放電模擬和接收裝置如圖2-6所示。</p><p>　　1—模擬局放源；

89、 2—超高頻傳感器；</p><p>　　3—頻譜分析儀； 4—變壓器箱體</p><p>　　圖2-6超高頻檢測實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　將裝滿變壓器油的油杯置于一個(gè)封閉的變壓器箱體（體積50cm×60cm×50cm，箱體壁厚4mm）中，箱體外殼接地，形成屏蔽結(jié)構(gòu)。將各種放電模型置于油杯中來模擬變壓器中的局部放電，提取放電信號。高壓電源通過

90、箱體壁上的小孔給模擬局部放電源供電，放電產(chǎn)生的電磁波由安裝在箱體壁上的超高頻傳感器接收后，送入頻譜分析儀，超高頻傳感器置于箱體內(nèi)部，這樣既可以提高檢測靈敏度，又減少了外部干擾。</p><p>　　超聲波檢測法在局部放電中的應(yīng)用</p><p>　　超聲波法檢測局部放電的基礎(chǔ)研究</p><p>　　超聲波法是通過檢測變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號來測量局放的大小和

91、位置。超聲傳感器的頻帶約為70~150kHz(或300kHz)，以避開鐵芯的鐵磁噪聲和變壓器的機(jī)械振動噪聲。由于超聲波檢測法受電氣干擾小以及可以在線測量和定位，因而人們對超聲波法的研究較為深入。但目前該方法存在著很大的問題:目前的超聲傳感器靈敏度很低，無法在現(xiàn)場有效地測到信號，傳感器的抗電磁干擾能力較差因此，超聲檢測主要用于定性地判斷局部放電信號的有無，以及結(jié)合脈沖電流法或直接利用超聲信號對局部放電源進(jìn)行物理定位。在電力變壓器的離線和在

92、線檢測中,它是主要的輔助測量手段。</p><p>　　超聲波檢測技術(shù)的介紹</p><p>　　絕緣介質(zhì)局部放電有兩種類型：氣泡內(nèi)放電和介質(zhì)在高場強(qiáng)下游離擊穿。一些澆注、擠壓的絕緣介質(zhì)容易夾雜著氣隙或氣泡，空氣的介電常數(shù)較固體介質(zhì)小，而場強(qiáng)與介電常數(shù)成反比。因此，介質(zhì)中的氣隙或氣泡是第一種局部放電的發(fā)源地；當(dāng)局部電場更高時(shí)，在絕緣薄弱環(huán)節(jié)處將引起介質(zhì)的游離擊穿。以上兩種局部放電，在多數(shù)情

93、況下往往同時(shí)發(fā)生或互相誘發(fā)。</p><p>　　變壓器在試驗(yàn)電壓(或工作電壓)下出現(xiàn)局部放電時(shí)，伴隨產(chǎn)生電脈沖、超聲波、光、熱和化學(xué)變化等物理現(xiàn)象。只要變壓器內(nèi)部存在局部放電，就一定會產(chǎn)生高頻的電氣擾動，并將向所有與其有連接的電氣回路傳播。利用連接到設(shè)備端子上的測試裝置接到放電信號，可對變壓器局部放電進(jìn)行定量檢測。同時(shí)，只要存在局部放電，在放電過程中，隨著放電的發(fā)生，伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波，且很快向四

94、周介質(zhì)傳播，通過安裝在變壓器油箱外壁上的超聲波傳感器，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，就能對變壓器內(nèi)的局部放電水平進(jìn)行測量，此即為變壓器超聲波局部放電測量法。</p><p>　　在變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，伴隨有聲波能量的放出，超聲波通過不同介質(zhì)(油紙、隔板、繞組、油等)向外傳播。這種超聲波信號以某一速度通過絕緣紙板、絕緣油等介質(zhì)向變壓器油箱外傳播，以球面波的形式向四周傳播，超聲波穿過絕緣介質(zhì)到達(dá)變壓器箱壁上的傳感器

95、有兩條途徑：一條直接傳播，即超聲波的縱向波穿過絕緣介質(zhì)、變壓器油等到油箱內(nèi)壁，并透過鋼板到達(dá)傳感器；另一條是以縱向波傳到油箱內(nèi)壁，后沿鋼板按橫向波傳播到傳感器，此波為復(fù)合波。 </p><p>　　超聲波具有很強(qiáng)的穿透能力，但是它在穿透各種介質(zhì)時(shí)都會使波形發(fā)生某種程度的畸變，而這種畸變主要表現(xiàn)為幅值的衰減。雖然超聲波在鋼板中的傳播速度比在變壓器油中的快得多，但是超聲波在鋼板中的衰減很大，所以到達(dá)傳感器的

96、直接波的幅值比復(fù)合波大得多。盡管電力變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但是經(jīng)絕緣油浸透的絕緣介質(zhì)和變壓器油的聲阻抗十分接近，它們構(gòu)成許多間隙聲通道。所以，產(chǎn)生在較外圍的電力變壓器局放故障，其超聲信號能夠較強(qiáng)地傳輸?shù)阶儔浩飨潴w上的傳感器。布置在油箱外壁上不同位置的超聲傳感器即檢測探頭相對于某一放電點(diǎn)之間的距離是不同的，放電產(chǎn)生的超聲信號到達(dá)探頭的時(shí)間也不同。通過超聲接受傳感器，測量超聲波的大小及通過測量超聲波傳播的時(shí)延時(shí)間，即可確定局部放電源的空

97、間位置。</p><p><b>　　局部放電的等效電路</b></p><p>　　經(jīng)典的局部放電理論是基于電子雪崩或流柱理論的。這種理論可以很好的解釋微秒級單脈沖現(xiàn)象，在電脈沖法檢測中也取得了很大的成功，但是大量的研究表明：局部放電是納秒級放電過程，其時(shí)域波形是包含多個(gè)連續(xù)的、振幅衰減的脈沖。此時(shí)采用碰撞電離或流柱無法解釋振蕩衰減特性，需要進(jìn)一步局部放電的產(chǎn)生過程

98、進(jìn)行研究。</p><p>　　一般來講，在局部放電的等效電路中，考慮到在分析納秒級的局部放電特性時(shí)，絕緣的容抗較小，其電阻可以忽略，另外從油中局部放電的產(chǎn)生過程來講，其局部的擊穿過程大都可以認(rèn)為是氣泡的擊穿，例如對于針板模型的局部放電來講，在外施電場較高時(shí)，電極尖端的高場強(qiáng)將會引起變壓器油氣化。形成氣泡，隨著電壓的升高，氣泡被局部擊穿，即產(chǎn)生局部放電。</p><p>　　因此可以對絕緣

99、介質(zhì)的模擬可采用三電容模型，再考慮外界電路對絕緣的充電電路，電源在瞬間可以等效為電容，充電回路等效為電感和電阻的串聯(lián)，則等效電路如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1放電測試等效電路</p><p>　　在局部放電檢測中的測量即充電電流I在測量阻抗上的電壓響應(yīng)。圖中Ca、Cb、Cc為局部放電三電容模型中的等效電容，Cc為絕緣介質(zhì)內(nèi)部的發(fā)生局部放電部分等效電容，Cb為與局部放電部分串

100、聯(lián)的絕緣等效電容，Ca為絕緣介質(zhì)其他部分的等效電容，Lc為局部放電部分放電時(shí)回路的等效電感，Rc為局部放電部分放電時(shí)回路的等效電阻，C0為耦合電容，L0為充電回路的等效電感，R0為充電回路的等效電阻。為計(jì)算和分析方便以及過程應(yīng)用的需要，上述各參數(shù)均采用線性集中參數(shù)。</p><p>　　圖3-2放電測試S域等效電路</p><p>　　考慮到局部放電的過程為納秒級的過程，工頻電壓變化可以忽

101、略不計(jì)，因此上圖可以轉(zhuǎn)化成圖3-2所示的S域等效電路。</p><p>　　局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理和傳播途徑分析</p><p>　　眾所周知，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。但由于變壓器內(nèi)局部放電的產(chǎn)生一般是在油中的氣泡或固體中的氣隙產(chǎn)生的，因此我們主要以氣泡為例分析局部放電產(chǎn)生超聲波過程。</p><p>

102、　　設(shè)變壓器油中含有一個(gè)半徑為r的氣泡q，氣泡的質(zhì)量為Mm，氣泡處于一定的電場中，由于局部放電的原因，氣泡攜帶一定的電荷，因此氣泡收到一定的外加的電場力Fe，氣泡內(nèi)部將有一定的彈性作用力Fq，氣泡維持平衡狀態(tài)。由于局部放電過程（ns級）相對于超聲波的產(chǎn)生過程（μs級）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。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)刻，氣泡所受的外在電場力突然消失，氣泡平衡狀態(tài)被打破，氣泡在彈性力的作用

103、下，產(chǎn)生振動，因此得到的電－力類比電路圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3力學(xué)等效電路</p><p>　　其中氣泡的質(zhì)量Mm等于氣泡的體積乘以氣泡的密度，力順Cm、力阻Rm與氣泡中的氣體成分有關(guān)。</p><p>　　圖3-4電場力發(fā)聲實(shí)驗(yàn)電路</p><p>　　從圖3-4中明顯的可以看出，氣泡局部放電的力學(xué)過程類似于電路中的

104、二階電路的零輸入響應(yīng)。因此氣泡中彈性力的受力滿足下式的二階方程：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　此時(shí)氣泡在受到三條力線：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，穿過力阻元件Rm，終止于氣泡壁；一條為慣性力，穿過質(zhì)量元件Mm，終止于氣泡壁；這三條力線都匯合于氣泡壁。從物理上看，質(zhì)量Mm，力順Cm，力阻Rm，三個(gè)