第 卷第 期 年 月西 安 交 通 大 学 学 报 ƒ÷ × ∂∞ ≥ ×≠∂ λ√ 超宽频带局部放电检测技术的初步研究3成永红 李 伟 杨继松 谢恒方方土西安交通大学 西安 吴广军西安高压开关厂摘要 研究了局部放电的超宽频带特性 分析了局部放电产生的电磁波的传输和耦合特性 研制了一种频率响应为 ∗ 的超宽频带局部放电检测装置 并用实验分析了其测量特性关键词 局部放电 超宽频带 检测技术中国图书资料分类法分类号 ×可靠的绝缘系统是电力设备安全运行的基本保障 统计表明电力设备一半以上的故障是绝缘故障 因而这就要求对绝缘系统进行有效的检测与诊断 特别是在电力系统朝着特高压!大容量方向发展的今天 绝缘系统的可靠性和绝缘检测与诊断的准确性就显得尤为重要 尽管现代科学技术为绝缘检测与诊断的发展提供了必要条件 但由于受传统绝缘检测与诊断理论的制约 对绝缘系统及其放电特征了解不够 所以在现代技术水平上全面了解绝缘系统及其放电的本质特性 就显得十分重要到目前局部放电测量仍是最有效的绝缘检测与诊断手段之一 随着现代科学技术的发展 一方面使绝缘检测理论出现了相对滞后现象 另一方面又使测量和检测手段有了很大进步 使我们能够更全面地研究局部放电的特征和检测技术在本文中 我们将重点研究一种在超宽频带 ∗ 范围内的局部放电测量技术局部放电脉冲的频谱特性分析传统的局部放电检测是采用检测阻抗来测量放电信号 其测量响应频率极限是 我们可以依据椭圆示波图来分析其放电特征 包括放电相位!放电量大小等等 目前这种方法仍被广泛地应用于电力设备绝缘系统的局部放电检测中 随着计算机分析技术的发展 这类仪收到日期 2 2 成永红 男 年 月生 电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室 副教授3国家自然科学基金资助项目____________________________________________________________________________器在数据处理方面也得到了发展 引入了数字滤波!三维谱图分析等但是如果我们仔细分析各类局部放电脉冲特性就会发现 一个局部放电脉冲信号不仅包含 以下的频率分量 它还包含频带宽到 甚至更高的信号分量 对这些典型的局部放电的频谱分析可清楚地表明这一点1 1内部放电和表面放电在电力设备中绝缘系统最经常发生的是内部气隙放电 通常认为绝缘系统中的气隙在电场作用下 会激发电子流和离子流 由于空气中电子速度比离子速度大得多 因此其局部放电电流是由一持续时间较短的电子脉冲 伴随着一个持续时间较长的离子脉冲组成 其中电子运动引起的局部放电脉冲 其脉冲宽度为 级 而离子运动产生的局部放电脉冲宽度约为几百 如图 所示 ≈绝缘体表面的局部放电过程与在介质与导体之间的内部放电过程基本相似 其放电主要表征为气体放电的特征1 2电晕放电电晕放电是在电场极不均匀的情况下 导体附近的电场强度达到气体的击穿场强时发生的 以针2板电极系统为例 无论针尖电极是负极性或正极性 均由针尖发射电子 正离子撞击针尖电极产生二次电子发射 而产生电晕 只是产生电晕的电压不同 同时 由于气体中离子在电场作用下迁移较快 各次放电产生的电荷很快被复合或扩散 不会像内部放电那样累积在介质表面 形成很强的反电场 电晕放电的一次放电波形如图 所示 波尾比较长 这是由于负离子在远离针尖电极电场强度较低的地方迁移比较慢形成的≈图 内部气隙放电的一次放电波形示意图图 电晕放电的一次放电波形示意图1 3放电脉冲的频谱分析上面的分析表明通常局部放电持续时间一般介于 ∗ 之间 它是一个非周期波 我们可以将它展开为傅里叶级数 分解为各次谐波的叠加 进而可以研究诸谐波的频率和振幅的关系 数理分析知识告诉我们 一个非周期波经过傅里叶变换可以得到一个连续的频率谱图≈如果我们将局部放电电流看成一个对称脉冲 通常局部放电电流脉冲是不对称的 为了简化分析将其视为对称型 这部分局部放电电流可以表示为Ι τ Ι ¬ τ Ù Ρ 式中 Ι为峰值电流 Ρ为脉冲宽度 在最大幅值一半处脉冲宽度为 1 Ρ 将其进行傅里叶频谱变换西安交通大学学报第 卷Φ Ξ Φ≈Ι τΘ ] ]Ι τ Ξτ τ Θ ]]Ι ¬ τ Ù Ρ Ξτ τ Π Ù ΡΥ ¬ Ξ Ρ Ù图 放电脉冲的频域变换图此式表示脉冲电流的频谱是与最大峰值电压及脉冲宽度有关 它是由不同的频率分量组成的连续谱图 它广泛分布在全频谱范围如图 所示我们给出了脉冲宽度为 的局部放电脉冲电流的频谱变换图局部放电信号的传输与耦合通常我们可以将局部放电信号看成是由一个点源所发出的 当介质某处有一个局部放电引起的电磁扰动 将会在空间产生电磁波 它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程 我们可以引入动态位的概念来解释这个问题 我们定义Α为动态向量位 Υ为动态标量位 它们既是空间坐标的函数又是时间的函数 于是由麦克斯韦基本方程可推导出动态位方程Α Λ∆χ ΛΕ5Υ5τ ØΑ ΛΕ5 Α5τ Υ Ø Α τ ΘΕ该方程组表示了动态位与波源∆χ!Θ之间的关系其解为Υ ξ ψ ζ τ ΠΕΘςΘ ξ ψ ζ τ ρϖ ρ ς Α ξ ψ ζ τ Λ ΠΘς∆χ ξ ψ ζ τ ρϖ ρ ς该解说明局部放电产生的电磁波是以速度ϖ沿着ρ方向传播出去的 它是时间与位置的函数 是一种横电波 ×∞ 波 ≈对这种以×∞ 波形式传输的局部放电信号 要检测它就需要对这种×∞ 波进行耦合 ×∞ 波耦合器种类和形式很多 结构上差异很大 工作原理也不尽相同 我们根据局部放电的特点 设计制作了一种微带耦合传感器 该耦合器具有频带范围为 ∗ 其频率响应特性如图 所示 图 是频率响应特性 测量结果为在 1 处为 1 在 1 处为 1 在 1 处为 1 图 是驻波比 测量结果为在 1 处为 1 在 1 处为 1 在 1 处为 1超宽频带局部放电检测技术的初步研究3 1 测量系统组成第 期成永红等 超宽频带局部放电检测技术的初步研究频率响应特性测量图 驻波比测量图图 微带耦合器频率响应特性图 测量系统示意图首先将我们研制的微带耦合传感器与高压设备一起组成一个测量系统如图 所示利用该测量系统我们可以测量 ∗之间的各类电磁信号 在该测量系统中超宽频带信号是通过微带耦合器采集信号 用高频同轴电缆将信号送至示波器 我们采用了泰克公司生产的×⁄≥ 示波器 该示波器带宽为 采样速率为 ≥Ù从而实现了实时采样 保证了能完整地采集整个放电信号 需要说明的是我们设计的微带传感器具有 ∗ 的超宽频特性 但受示波器的带宽限制 仅能测量 ∗ 范围的放电信号3 2 环境信号的测量在任何良好的测量环境中 都不可避免的存在环境干扰 我们用超宽频带传感器组成的测量系统测量了两种典型的干扰图 是用该测量系统测量的无电磁波干扰的情况下时域谱图 以后的放电测量是在该环境下进行的 图 是在 Ù格时间分辨率下测量的某随机性空间电磁波干扰波形图 从图 我们看到 其干扰波形是由几个幅值较大 脉宽较窄的脉冲组成图 无电磁波干扰时域图 图 随机性空间电磁波干扰测量图3 3 典型绝缘试样的局部放电测量为了检验我们设计的传感器的超宽频带性能 利用该测量系统去测量一种典型的局部放西安交通大学学报第 卷电时域波形 并对其进行了频谱分析随意选取一个包含有气隙的环氧试样 图 是在 Ù格时间分辨率下测得的信号的示波图 图 是对测得的信号做出的频谱 测量外施电压为 1 ∂ 放电量为 ≤从图 和 中 可以看出 试样在电场作用下 其一次局部放电包含着丰富的信息 它的频谱分布是从低频到高频广泛分布的 在传统的局部放电测量中只测量其在低频下极窄的一段频段内的频率分量 损失了相当多的信息时域波形 频谱图图 绝缘试样局部放电时域图形及频谱分析采用较高的采样频率就会发现 局部放电脉冲波形是由一系列小脉冲波组成的 它们总体上是呈振荡衰减趋势 这些小脉冲波实际上是一些 级的放电信号 它们是一个完整放电波形的一部分 一个完整放电波形宽度可达几百我们反复测试了不同的试样 均发现其具有上述特性结 论各种局部放电均包含着丰富的信息量 突破传统的 以下局部放电信号的测量 在超宽频带范围内研究局部放电 可以使我们较以前更全面地了解局部放电采用微带耦合技术可以测量到以×∞ 波为主要形式传播的超宽频带局部放电信号 我们设计制作的微带耦合传感器在 ∗ 范围内具有良好的信号耦合特性 可用于在超宽频范围内研究局部放电特性 并用实验检验了该传感器测量系统的测量特性参考文献葛景滂 邱昌容 谢恒 局部放电测量 北京 机械工业出版社≥ ≥ ≤ ƒ∏ ∏ ∞∞∞× ∞ ∗南京工学院 积分变换 北京 高等教育出版社冯慈璋 电磁场 北京 人民教育出版社下转第 页第 期成永红等 超宽频带局部放电检测技术的初步研究参考文献王利祥 王佛松 导电聚合物聚苯胺的研究进展 ¬ 应用化学 ∗王利祥 王佛松 导电聚合物聚苯胺的研究进展 ­ 应用化学 ∗• ∞ 2∏曾幸荣 龚克成 新型导电聚合物聚苯胺的合成 塑料工业王佛松 唐劲松 可溶性聚苯胺的合成及研究 高分子学报 ∗孙以才 半导体测量技术 北京 治金工业出版社 ∗• ° ≥ ° ° ≤ ∗王佛松 聚苯胺的掺杂反应 武汉大学学报 自然科学版 ∗黄维垣 闻建勋 高技术有机高分子材料进展 北京 化学工业出版社Στυδψοντηε∆οπινγανδτηεΧονδυχτιϖιτψοφΠολψανιλινεΩειΩει ΛιυΨυψανγ÷ √ ÷Αβστραχτ × 2 ∏ ∏ ∏∏ √ ∏ ∏ ∞ 2∏ ∏∏ √ 2 ∏ ∏∏ √ ∏ εεΚεψωορδσ πολψανιλινε δοπινγ χονδυχτιϖιτψ διφφυσιον上接第 页 Στυδψοντηε∆ετεχτιονοφΠαρτιαλ∆ισχηαργεωιτηΥλτραΩιδεβανδΤεχηνιθυεΧηενγΨονγηονγ ΛιΩει Ψανγϑισονγ ΞιεΗενγκυν÷ √ ÷ ΩυΓυανγϕυν÷ ∂ ∏ •Αβστραχτ ∏ 2 ∏× ∏ √ 2√∏ ∏ 2 ∏ ∏ ∏Κεψωορδσ παρτιαλδισχηαργε υλτραωιδεβανδ δετεχτιοντεχηνιθυε第 期韦 玮等 聚苯胺的掺杂及其导电性能研究。