局部放電測試中的干擾及抗干擾措施.doc

局部放電測試中的干擾及抗干擾措施一、局放干擾的來源廣義的局放干擾是指除了與局放信號一起通過電流傳感器進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)的干擾以外，還包括影響監(jiān)測系統(tǒng)本身的干擾，諸如接地、屏蔽、以及電路處理不當(dāng)所造成的干擾等?，F(xiàn)場局放干擾特指前者，它可分為連續(xù)的周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲。周期型干擾包括系統(tǒng)高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等。脈沖型干擾分為周期脈沖型干擾和隨機(jī)脈沖型干擾。周期脈沖型干擾主要由電力電子器件動作產(chǎn)生的高頻涌流引起。隨機(jī)脈沖型干擾包括高壓線路上的電暈放電、其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的局部放電、分接開關(guān)動作產(chǎn)生的放電、電機(jī)工作產(chǎn)生的電弧放電、接觸不良產(chǎn)生的懸浮電位放電等。白噪聲包括線圈熱噪聲、地網(wǎng)的噪聲和動力電源線以及變壓器繼電保護(hù)信號線路中耦合進(jìn)入的各種噪聲等。電磁干擾一般通過空間直接耦合和線路傳導(dǎo)兩種方式進(jìn)入測量點(diǎn)。測量點(diǎn)不同，干擾耦合路徑會不同，對測量的影響也不同；測量點(diǎn)不同，干擾種類、強(qiáng)度也不相同。二、局放干擾的分類 由種種原因引起的干擾將嚴(yán)重地影響局部放電試驗(yàn)。假使這些干擾是連續(xù)的而且其幅值是基本相同的(背景噪聲)，它們將會降低檢測儀的有效靈敏度，即最小可見放電量比所用試驗(yàn)線路的理論最小值要大。這種形式的干擾會隨電壓而增大，因而靈敏度是按比例下降的。在其他的一些情況中，隨電壓的升高而在試驗(yàn)線路中出現(xiàn)的放電，可以認(rèn)為是發(fā)生在試驗(yàn)樣品的內(nèi)部。因此，重要的是將干擾降低到最小值，以及使用帶有放電實(shí)際波形顯示的檢測儀，以最大的可能從試樣的干擾放電中鑒別出假的干擾放電響應(yīng)。根據(jù)測量試驗(yàn)回路中可能的干擾源位置可將干擾源分為兩類：第一類與外施高壓大小無關(guān)的干擾，第二類是僅在高壓加于回路時(shí)才產(chǎn)生的干擾。 干擾的主要形式如下： (1)來自電源的干擾，只要控制部分、調(diào)壓器與變壓器等是接通的（不必升壓）即可能影響測量； (2)來自接地系統(tǒng)的干擾，通常指接地連接不好或多重接地時(shí)，不同接地點(diǎn)的電位差在測量儀器上造成的干擾偏轉(zhuǎn)； (3)從別的高壓試驗(yàn)或者電磁輻射檢測到的干擾，它是由回路外部的電磁場對回路的電磁耦合引起的包括電臺的射頻干擾，鄰近的高壓設(shè)備，日光燈、電焊、電弧或火花放電的干擾； (4)試驗(yàn)線路的放電； (5)由于試驗(yàn)線路或樣品內(nèi)的接觸不良引起的接觸噪聲。三、常用的抑制干擾方法局部放電產(chǎn)生的檢測信號十分微弱，僅為微伏量級，就數(shù)值大小而言，很容易被外界干擾信號所淹沒，因此必須考慮抑制干擾信號的影響，采取有效的抗干擾措施。對上述這些干擾的抑制方法如下： (1)來自電源的干擾可以在電源中用濾波器加以抑制。這種濾波器應(yīng)能抑制處于檢測儀的頻寬的所有頻率，但能讓低頻率試驗(yàn)電壓通過。 (2)來自接地系統(tǒng)的干擾，可以通過單獨(dú)的連接，把試驗(yàn)電路接到適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)來消除。所有附近的接地金屬均應(yīng)接地良好，不能產(chǎn)生電位的浮動。 (3)來自外部的干擾源，如高壓試驗(yàn)、附近的開關(guān)操作、無線電發(fā)射等引起的靜電或磁感應(yīng)及電磁輻射，均能被放電試驗(yàn)線路耦合引入，并誤認(rèn)為是放電脈沖。如果這些干擾信號源不能被消除，就要對試驗(yàn)線路進(jìn)行處理，使其表面光潔度好，曲率半徑大，并加以屏蔽。需要有一個(gè)設(shè)計(jì)良好的薄金屬皮、金屬板或鐵絲鋼的屏蔽。有時(shí)樣品的金屬外殼要用作屏蔽。有條件的可修建屏蔽試驗(yàn)室。(4)試驗(yàn)電壓會引起的外部放電。假使試區(qū)內(nèi)接地不良或懸浮的部分被試驗(yàn)電壓充電，就能發(fā)生放電，這可通過波形判斷與內(nèi)部放電區(qū)別開。超聲波檢測儀可用來對這種放電定位。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證所有試品及儀器接地可靠，設(shè)備接地點(diǎn)不能有生銹或漆膜，接地連接應(yīng)用螺釘壓緊。干擾的抑制總是從干擾源、干擾途徑、信號后處理三方面考慮。找出干擾源直接消除或切斷相應(yīng)的干擾路徑，是解決干擾最有效最根本的方法，但要求詳細(xì)分析干擾源和干擾途徑，且一般不允許改變原有的變壓器運(yùn)行方式，因此在這兩方面所能采取的措施總是很有限。對于經(jīng)電流傳感器耦合進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)的各種干擾，采取各種信號處理技術(shù)加以抑制。一般從以下幾方面區(qū)分局放信號和干擾信號；工頻相位、頻譜、脈沖幅度和幅度分布、信號極性、重復(fù)率和物理位置等。在抗干擾技術(shù)中有兩種不同的思路：一種是基于窄帶(頻帶一般為10kHz至數(shù)10kHz)信號的。它通過合適頻帶的窄帶電流傳感器和帶通濾波電路拾取信號，躲過各種連續(xù)的周期型干擾，提高了測量信號的信噪比。這種方法只適合某一具體的變電站，使用上不方便。此外，由于局部放電信號是一種寬頻帶脈沖，窄帶測量會造成信號波形的失真，不利于后面的數(shù)字處理。另一種是基于寬頻(頻帶一般為10至1000kHz)信號的處理方法。檢測信號中包含局放的大部分能量和大量的干擾，但信噪比較低。對于這些干擾的處理步驟一般是：a.抑制連續(xù)周期型干擾；b.抑制周期型脈沖干擾；c.抑制隨機(jī)型脈沖干擾。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及模式識別方法在局放中的應(yīng)用，這種處理方法往往能取得較好的效果。在后級處理中，很多處理方法是一致的?？蓺w納為頻域處理和時(shí)域處理方法。頻域方法是利用周期型干擾在頻域上離散的特點(diǎn)處理之；而時(shí)域處理方法是根據(jù)脈沖型干擾在時(shí)域上離散的特點(diǎn)處理。有硬件和軟件兩種實(shí)現(xiàn)方式。由于局部放電脈沖信號是很微弱的信號，現(xiàn)場的電磁干擾都將對測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，因此，要做到準(zhǔn)確測量很困難。為了提高測量精度，除了采取上述介紹的抗干擾措施外，在測量中還應(yīng)可采取如下措施：（1）試驗(yàn)中所使用的設(shè)備應(yīng)盡量采用無暈設(shè)備，特別是試驗(yàn)變壓器和耦合電容Ck。（2）濾波器的性能要好，要做到電源與測量回路的高頻隔離。（3）試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)盡量選擇在干擾較小的時(shí)段，如夜間等。（4）測量回路的參數(shù)配合要適當(dāng)， 耦合電容要盡量小于試品電容Cx，使得在局部放電時(shí)Cx與Ck間能很快地轉(zhuǎn)換電荷。（5）必須對測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。第五節(jié) 局部放電信號特征分析一、局部放電嚴(yán)重程度判別有關(guān)局部放電的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中對局部放電的描述參數(shù)是局部放電量q（視在放電量）、放電相位和每個(gè)周波的放電次數(shù)n。人們習(xí)慣于根據(jù)這些參數(shù)來判斷局部放電的嚴(yán)重程度，尤其是局部放電量。在GIS局部放電特高頻在線檢測技術(shù)中，人們也期望得到有關(guān)放電量的數(shù)據(jù)。然而，就特高頻傳感而言，檢測信號的大小不僅與局部放電的真實(shí)放電量有關(guān)，還與放電源的類型和形狀、特高頻信號的傳播路徑等因素有關(guān)，因此，簡單的對監(jiān)測信號的大小進(jìn)行防電量標(biāo)定是無意義的。目前，對特高頻傳感下GIS局部放電的標(biāo)定及嚴(yán)重程度的判斷仍沒有成熟的方法和規(guī)程，有待于進(jìn)一步研究。以下是可能的途徑：（1）建立基于放電信號幅值測量、放電定位和放電類型判別的綜合判斷方法；（2）根據(jù)局部放電發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)和趨勢進(jìn)行判斷。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要積累大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)。這方面有待于進(jìn)一步的工作。二、故障信號特征以發(fā)電機(jī)為例，當(dāng)采用端部(便攜式)電容傳感器進(jìn)行局放測量時(shí)，對于正常的發(fā)電機(jī)，測試數(shù)據(jù)一般為1020mV；而有故障的發(fā)電機(jī)為50500mV。通常6kV以上的發(fā)電機(jī)其局部放電量超過100pC，甚至可以達(dá)到1000000pC；內(nèi)部放電脈沖的持續(xù)時(shí)間很短，只有幾個(gè)納秒(ns)；故障放電脈沖頻譜從幾kHz到1GHz；通常出現(xiàn)在外施電壓的090，180270，脈沖幅值中心分別為45和225。如果放電發(fā)生在兩相繞組或線圈之間，則可能產(chǎn)生30的相移。內(nèi)部放電正負(fù)放電脈沖次數(shù)和幅值基本相同，正負(fù)半周對稱性好；槽放電正放電脈沖比負(fù)放電脈沖次數(shù)多幅值大，均為負(fù)放電脈沖的2倍以上；端部放電正負(fù)放電脈沖極不對稱，正放電脈沖幅值大、數(shù)量少，負(fù)放電脈沖幅值小、數(shù)量多； 斷股電弧放電幅值高(放電強(qiáng)烈)，但電弧放電不存在固定的間隙，無固定的放電相位(外施電壓為交流電壓)，重復(fù)性差，且受負(fù)荷的影響。電弧放電與前三類故障放電相比有較大差異，一般采用頻域識別。通過對大型發(fā)電機(jī)(600MW850MW)繞組傳輸特性的分析，得出了監(jiān)測電弧信號的諧振頻率為1MHz數(shù)量級，在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，RFCT(Radio Frequency Current Transformer)監(jiān)測斷股電弧放電讀數(shù)受負(fù)載變化的影響，但對無斷股電弧發(fā)電機(jī)(600MVA850MVA)電壓表讀數(shù)在300V以下；如果電壓表讀數(shù)上升到500V1000V表示電機(jī)中有低水平斷股電弧放電；若讀數(shù)在3000V以上表示發(fā)生多股線斷股放電故障。故障放電的特征也可以用-q-n三維譜圖表示。三維譜圖可以更形象、直觀地表示放電特征(放電幅值、相位、重復(fù)率三者之間的關(guān)系) 。三、局放超聲波信號的頻譜分析變壓器的局放超聲信號的頻譜分布很廣，且各頻率的超聲信號所占的分量也各不相同；超聲波在線檢測中的噪聲主要有勵(lì)磁噪聲、散熱器風(fēng)扇和油循環(huán)油泵噪聲、磁滯噪聲等。這些噪聲的強(qiáng)度超過局放超聲信號。因此，要有效的檢測局部放電超聲信號，就應(yīng)對局放超聲波信號進(jìn)行頻譜分析，以了解噪聲與超聲波信號的特征。1噪聲頻譜分析根據(jù)某500kV開關(guān)站變壓器的噪聲頻譜分析結(jié)果，變壓器兩側(cè)面的最強(qiáng)噪聲頻率為1.5kHz，強(qiáng)度較次的噪聲頻率為4.68kHz；散熱器側(cè)的噪聲強(qiáng)度高與非散熱器側(cè)，兩側(cè)面的噪聲頻率均低于15kHz范圍內(nèi)，屬于低頻可聽噪聲。變壓器鐵芯磁噪聲頻率分布在10-65 kHz范圍內(nèi)。用截止頻率為70 kHz的高通濾波器對這種低頻噪聲進(jìn)行濾波，濾波后的噪聲強(qiáng)度已相當(dāng)弱。經(jīng)濾波后的噪聲頻率分布范圍很寬，且各種頻率噪聲的頻譜幅值基本相當(dāng)，類似于白噪聲頻譜。對其他電壓等級變壓器的噪聲頻譜分布于上述500 kV變壓器大致相同，即分布在低于65kHz頻率范圍內(nèi)。2變壓器局部放電超聲波信號頻譜分析由于局部放電以及其產(chǎn)生的超聲波信號都具有一定程度的隨機(jī)性，使得每次局部放電超聲波信號的頻譜都有所不同，主要表現(xiàn)為頻譜峰值頻率的變化；但整個(gè)局部放電超聲波信號的頻率分布范圍卻變化不大。局放產(chǎn)生的超聲波，從聲學(xué)角度上分析有兩類。其一是氣泡或氣隙放電，由于氣泡的尺度為幾個(gè)微米至幾百個(gè)微米，其擊穿時(shí)聲發(fā)射頻率可從幾kHz至幾百kHz。另一類是介質(zhì)在高場強(qiáng)下游離擊穿，其聲發(fā)射的頻譜將更寬、聲譜將更高。第二類放電特征是間斷、大脈沖，如針對板放電。通過模擬局放的針、板放電試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)超聲波頻譜有一定的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。頻譜能量大都集中在50 kHz-300 kHz頻段。綜上所述，變壓器的噪聲頻率分布在低于65 kHz的范圍內(nèi)，局放超聲信號的頻率分布于擾動噪聲頻率分布有明顯差別。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，傳播媒質(zhì)對超聲吸收系數(shù)隨頻率的平方增長，即頻率越高，吸收系數(shù)越大，聲波在傳播途中的衰減越厲害。因此系統(tǒng)必須利用低頻段的超聲信號，以保證系統(tǒng)具有較高的檢測靈敏度，但又要盡量避開變壓器鐵芯自身振動、噪聲等干擾（小于60 kHz）和其他電磁噪聲干擾。故超聲定位系統(tǒng)通帶取70 kHz-180 kHz頻段較為合理。3聲壓幅度與放電量的關(guān)系當(dāng)放電量較大時(shí)，聲壓幅度正比與放電量，可認(rèn)為是線性規(guī)律。因此，根據(jù)檢測到的超聲信號幅值變化，可估計(jì)局放的大小和絕緣劣化進(jìn)程。電力變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但經(jīng)由浸泡后的絕緣介質(zhì)與變壓器有的聲阻抗十分相近，它們構(gòu)成許多間隙聲信道。當(dāng)變壓器油中或較外圍的電力變壓器局部放電故障時(shí)，其聲信號總能較強(qiáng)的傳輸?shù)接拖渫鈿ゑ詈狭己玫膫鞲衅魃?。這使得絕大多數(shù)局放超聲信號能被檢測到，只有發(fā)生在繞組內(nèi)部的較小的局放（數(shù)百PC），因繞組的衰減而難以檢測到。變壓器、發(fā)電機(jī)等運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部故障的原因往往不是單一的，一般存在局部放電的同時(shí)還有熱點(diǎn)，還可用油色譜分析來進(jìn)行檢測，而且故障是在不斷發(fā)展和轉(zhuǎn)化的，因此在判斷原因是應(yīng)注意綜合分析。在判斷設(shè)備是否有無故障極其嚴(yán)重程度時(shí)，要根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的歷史狀況和設(shè)備特點(diǎn)及外部環(huán)境等因素進(jìn)行綜合判斷，如負(fù)荷、溫度、油中含水量、油的保護(hù)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，油中絕緣紙類別等，以及與取樣和測試的許多可變因素有關(guān)。對變壓器故障部位的準(zhǔn)確判斷，有賴于對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的全面掌握，并結(jié)合歷年數(shù)據(jù)和其他試驗(yàn)（如直流電阻、絕緣、變比、泄漏、空載）等進(jìn)行比較，局部放電的判別技術(shù)應(yīng)借鑒新方法和技術(shù)，將有很大幫助。四、局部放電檢測分析在對電力設(shè)備的局部放電檢測中，按設(shè)備是否含有絕緣油分為充油設(shè)備和干式設(shè)備。對充油設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)檢測時(shí)，首先要對充油設(shè)備進(jìn)行油中溶解氣體的色譜分析，色譜分析法是檢測絕緣材料 (主要是固體絕緣材料、液體絕緣材料)在局部放電作用下發(fā)生分解產(chǎn)生的各種生成物，可以通過測定這些生成物的組成與濃度，來表征局部放電的程度。著重檢測乙炔氣體的含量，因?yàn)樵跍囟雀哂?000C時(shí)，例如在電弧弧道溫度(3000以上)的作用下，油裂解產(chǎn)生的氣體中含有較多的乙炔。當(dāng)乙炔氣體含量超過5ppm（每升油中含有乙炔氣體的5微升）時(shí)，應(yīng)引起注意，并結(jié)合產(chǎn)氣速率來判斷有無內(nèi)部故障。產(chǎn)氣速率是與故障消耗能量大小、故障部位、故障點(diǎn)的溫度等情況直接有關(guān)的。當(dāng)乙炔含量超過應(yīng)注意值時(shí)，并烴類氣體總的產(chǎn)氣速率在0.25ml/h(開放式)和0.5ml/h(密封式)或相對產(chǎn)氣速率大于10%/月可判斷為設(shè)備內(nèi)部存在異常(總烴含量低的設(shè)備不宜采用相對產(chǎn)氣速率進(jìn)行判斷)。當(dāng)判斷變壓器內(nèi)部可能存在潛伏性故障時(shí)，變壓器等設(shè)備涉及產(chǎn)氣的內(nèi)部故障一般可分為過熱和放電。過熱按溫度高低分為低溫、中溫和高溫過熱3種，此類故障的特征氣體主要是CH4與C2H4，一般二者之和常占總烴的80%以上，并隨著故障點(diǎn)溫度的升高，CH4、C2H4和H2的比例依次增大；放電又可分為局部放電、火花放電和高能量放電3種類型，此類故障的特征氣體主要是C2H2和H2，其次是C2H4和CH4；另外，變壓器內(nèi)部進(jìn)水受潮也是一種內(nèi)部潛伏性故障，它的特征是H2含量單純較高。對于局部放電，低能量或高能量放電以及熱故障可以簡單的用表3-1來解釋。表3-1 溶解氣體分析解釋簡表情況特征故障C2H2/ C2H4CH4/ H2C2H