高胜友1 张蕾1 谈克雄1 李福祺1 付旭涛2
1.清华大学电机工程系，北京100084；2.锦州电力电容器有限责任公司，锦州121000
0 引言
电力电容器长期工作在高场强下，常会由于制造过程中浸渍不充分等各种原因引起局部放电，导致降低使用寿命，严重时会发生事故。传统的局部放电测量采用电测法，因电容器容量较大导致测量灵敏度下降，甚至无法测出局部放电信号。声测法对电磁干扰不敏感，作者研制的局部放电声发射检测装置，可将所测局部放电声发射信号转化为便于存储和处理的数字信号，然后根据波形特征分析、谱分析、φ－ｑ－ｎ三维谱图指纹分析及人工神经网络等方法来判断故障类型，作为确定故障部位和改进电容器设计工艺的依据。
1 总体结构
检测装置总体结构如图1。局部放电产生的声发射信号由帖在电容器外壁上的四个声发射传感器拾取 ，将其转化为电脉冲信号，经前置放大单元、信号预处理单元、高速模数转换器将局部放电声发射模拟信号转化为数字信号，利用微机进行处理、分析与显示。整个系统的控制及处理均由CPU协调与管理。
2 传感及前置放大单元
传感和前置放大单元将电容器内部局部放电产生的声发射信号转换为电信号，并在现场将微弱的电信号进行放大处理。该部分的原理如图2。
声发射传感器的主要元件是压电晶体。为了深入地研究电力电容器不同模式局部放电所产生的声发射信号的频率特性，选用0.02～1 MHz的宽频带声发射传感器。为了减少微弱信号传输过程中干扰的影响，就地放大处理转换后的电信号，前置放大器频带0.02～1 MHz，增益为40 dB。前置放大器与电源及信号转换电路之间的同轴电缆提供24 V恒流源，同时传送信号，然后由同轴电缆将信号传送至位于测量装置主体仪器箱中的信号预处理单元。
3 预处理单元
信号预处理单元设计了可供灵活选择的带通滤波器，用来提取各个频段的信号分量以及去除一些低频或高频的周期性干扰。信号经滤波之后进一步放大处理，以满足A/D采样卡输入幅值的要求。其原理见图3。
滤波器由低通和高通组合而成，均为4阶巴特沃斯单元。其下限和上限截止频率均可由程序控制 ，切换方便。滤波后的信号经跟随器阻抗匹配后，进行程控衰减及固定倍数的放大，以保证在各个放大倍数下频带的一致性。信号由缓冲驱动电路输出，使其具有一定的负载驱动能力，以便直接连接到输入阻抗为50 Ω的A/D采样卡。
4 模数转换及信号处理显示单元
装置采用4路同步工作的高速采集卡完成数模转换，采样频率最高10 MHz，转换位数为12位，数据长度为每通道512 k数据点。采样与试验电压同步，以获取放电的相位信息。显示单元可实时显示放电波形、指定数据的波形及相关的统计信息。
5 外触发单元
工频电压和计算机共同产生一个外触发信号加到采样卡上使A/D转换与外施的工频试验电压同步 。其原理如图4。
6 模拟试验
该装置在实验室中检测用模型模拟的绝缘中气泡放电(见图5)。采取了一定的措施使声发射信号很快衰减，以便用φ－ｑ－ｎ谱图等方法分析，达到提高脉冲分辨率的目的。
图6是该检测仪采集到的一个典型波形，图7为其频谱。在试验中，外施电压为9 500 V，由局放仪上测得的放电脉冲经灵敏度校正之后对应的局放量为9 pC，而背景噪声被抑制在1 pC以下。如果不采用有源滤波等抗干扰措施，则信号被淹没在噪声之中，根本无法测出，而噪声所对应的局放量高达100 pC。在实际应用中，通过设置合适的滤波器频带以及采用数字抗干扰措施，可以测出<5 pC的局部放电。试验中所用采样频率为10 MHz。
从图6可见，该类模型中声发射信号衰减得很快，持续时间<10 μs，此为根据局部放电信息，分析提取放电三维谱图指纹提供了可能。提取图6时域波形特征，则可对放电模式进行识别。由图7可见，特征谱峰出现在100 kHz附近，在其他3个频率范围也存在较高的谱峰，这些都可用于放电模式识别。
7 结论
a.该检测装置适合于实验室和现场检测电力电容器的局部放电。
b.该装置可捕捉到试品缺陷引起的局部放电产生的声发射信号，记录下完整的波形。并可对记录的数据进行波形特征提取、谱分析及三维谱图指纹提取，供进一步分析与研究使用。
参考文献
1 Ghirelli L, Koltunowicz W etal.Acoustic method for partial discharge detection in high power capacitors. IEE Conference Publication proceedings of the International Conference on Partial Discharge, 1993, 92
2 Robert Meunier, Georges H V. Propagation behavior of acoustic partial discharge signals in oil-filled transformers. Roam: Conference Records of the ECDL96 12th International Conference and Breakdown in Dielectric Liquids, 1996, 401
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