CN101004436A - 大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，直流高压源(4)向平衡检测阻抗电路(1)提供高压直流电压，由平衡检测阻抗电路(1)提取出被测试样(C_X)的局部放电信号，该局部放电信号送差分放大滤波电路(2)进行差分放大滤波处理，然后送数据采集及分析系统(3)进行处理，得到局部放电信号的检测分析结果。该系统能对工作在直流状态下的大容量高压电力设备进行局部放电检测，该检测系统灵敏度高、信噪比高、可靠性强，可有效实现对大容量电力设备绝缘状态的评估。

Description

大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统

技术领域

本发明涉及一种大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统。

背景技术

随着电力工业的发展，工作在直流电压下的电气设备越来越多，如直流输电绝缘电缆，高压直流输电换流站的滤波电容器，电磁加速器、核聚变、脉冲激光电源等性能试验装置中的高密度储能电容器等。

绝缘电缆在直流输电过程中，污秽的环境使得绝缘在高电压的作用下容易发展树枝化老化，严重影响电流传输与安全。随着我国逐步建立起的±500kV和±800kV等级特高压直流输电线路，大量采用直流高压电容器在高电压大容量电压换流电源中作滤波电容器；由于电压等级高，在直流高电压的长期作用下，绝缘将逐渐老化，固有的缺陷将逐步扩大，并出现局部放电现象，导致绝缘性能下降，其内部绝缘故障成为威胁整个电网安全的重要问题。运行经验表明，直流电压下的局部放电虽然不影响电气设备的短时绝缘强度，但其长期累积作用却是导致绝缘性能下降和最终击穿的根本原因。

对于脉冲功率类系统中的小型高压器件，尤其是高密度储能电容器，更是有着高可靠性的要求；这种高密度储能电容器的工作过程是在高压直流下进行较长时间(秒级到分钟级)的充电，然后于很短的时间(纳秒级到微秒级)内放电，从而在负载上形成大电流、短时间的脉冲；该脉冲电流是这种高密度储能电容器绝缘老化的主要原因，由其引发的缺陷在直流充电过程中将产生局部放电现象，通过直流局部放电检测可了解电容器内部的绝缘状况。

因此，需要对直流工作条件下的电力设备进行局部放电检测，对提取到的直流局部放电信号进行模式识别和分类，这样既有利于揭示缺陷绝缘直流老化状况与局部放电信号之间的关系，也可丰富设备出厂及工作运行中的检验手段。

直流电压下与交流电压下的局部放电机理存在很大的不同，强烈的临界局部放电仅在施加电压足够高或电压变化时才发生，从而直流电压下的局部放电电压比交流时高很多，发生的次数比交流局部放电发生的次数少许多，而且放电电荷量小很多。因此测试信号幅值小，易被噪声信号淹没，给直流局部放电测试带来很大困难。尤其是大容量设备，其可测的最小局部放电量与试样容量的平方根成正比，对检测的灵敏度要求极高。由于直流条件下放电次数少，使得交流的信号采集与分析方法不完全适用于直流条件，就更要求信号的采集与分析系统能合理的提取到丰富有效的数据量。研制用于大容量电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，对直流条件下的局部放电研究起着重要的作用。

发明内容

本发明的目的就是提供一种大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，该系统能对工作在直流状态下的大容量高压电力设备进行局部放电检测，该检测系统灵敏度高、信噪比高、可靠性强，从而实现对大容量电力设备绝缘状态的评估。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其组成为：直流高压源向平衡检测阻抗电路提供高压直流电压，由平衡检测阻抗电路提取出被测试样的局部放电信号，该局部放电信号送差分放大滤波电路进行放大滤波处理，然后送数据采集及分析系统进行处理，得到局部放电信号的检测分析结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在直流局部放电测试过程中，干扰主要来自直流高压源的纹波及外界的干扰源，局部放电直测法将很难准确区别出局部放电信号和干扰信号。本发明采用的平衡检测阻抗电路，由于两条支路参数可达到平衡，再结合差分放大滤波电路，能有效抑制共模干扰(尤其是直流电源及外界干扰)。当被测试样发生局部放电时，因为与其完全平衡的另一条支路上的耦合电容是无局放电容，局部放电信号可通过具有差分放大和一定带宽滤波效果的差分放大滤波电路，充分有效地抵消、抑制干扰噪声的影响，并进行数字化的处理。使得本发明能够对工作在直流状态下的大容量高压电力设备进行有效的局部放电检测，其检测信号的灵敏度高、信噪比大、可靠性强。

试验证明，本发明响应灵敏度高，具有良好的动态特性。对于nF～uF级的试验对象，测试灵敏度可达到0.5pC，频率响应范围：在-3dB下60kHz～250kHz，具有很好的线性度。

上述的平衡检测阻抗电路的组成为：两只完全相同的检测阻抗构成平衡检测阻抗，分别与被测试样、标准耦合电容相连构成两条支路，该两条支路并联构成的平衡检测阻抗电路；该平衡检测阻抗电路接限流电阻后，并联在直流高压源的两端；两只检测阻抗与被测试样、标准耦合电容之间的连接点，分别与差分放大滤波电路的两输入端相连。

测试时，直流高压源施加在平衡检测阻抗电路上，被测试样及与其规格相同的标准耦合电容分别接入平衡检测阻抗电路的两支路中；两支路信号同时输入到差分放大滤波电路中，由差分放大滤波电路输出两支路信号的差值，由于标准耦合电容是无局放电容，来自于电源及外界的干扰，在参数完全相同的两条支路上将被有效抵消，因此差分放大滤波电路输出的信号是放大了的局部放电信号，被测试样的局部放电信号从而被灵敏地提取出来。所以本发明的检测灵敏度高，信噪比大，可靠性好。

上述平衡检测阻抗中的两只检测阻抗的电阻值均为50Ω，频带均为60kHz-250kHz；且两只检测阻抗的两端均分别并联有两个方向相反的保护二极管。

两只检测阻抗的电阻值均为50Ω，这样检测阻抗可与其连接电缆的阻抗匹配；两只检测阻抗频带为60kHz-250kHz，便于将60kHz-250kHz内的局部放电信号提取出来；当标准耦合电容或被测试样被击穿时，检测阻抗上流过的电流增大，产生的压降大于保护二极管的门坎电压，保护二极管能对检测阻抗、差分滤波放大电路起保护作用，使其免受损坏。

上述的平衡阻抗检测电路和差分放大滤波电路均置于金属屏蔽盒中，输入输出均用同轴电缆连接。

金属屏蔽盒能有效地屏蔽外界电磁场对检测阻抗及放大滤波系统的干扰，输入输出均用同轴电缆连接，可减小信号在传输过程串入干扰的可能性，使本发明的检测灵敏度及信噪比得到进一步的提高。

上述的差分放大滤波电路由差分放大器、二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶巴特沃斯高通滤波器依次串联构成。

差分放大器抑制共模信号，可有效地抵消电源和环境中的噪声干扰。依次串联的二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶巴特沃斯高通滤波器构成带通滤波器，可将非放电信号频率段的噪声过滤，将需要获得的放电信号有效地提取出来。

上述的信号分析系统由数据采集系统与数据分析系统两部分构成；数据采集系统为脉冲触发，其采集的数据送入以客户端/服务器模式进行工作的数据分析系统。

数据采集系统采用局部放电脉冲触发方式。当产生的局部放电信号幅值超过阀值时，数据采集系统则启动并执行工作程序，直至完成一次数据采集。由于采用脉冲触发方式采集数据，避免了采集大量冗余数据，减轻了存储设备的负担与处理的难度，提高了处理速度，并且易于后期的数据统计分析。

数据分析系统采用客户端/服务器模式构成。数据采集系统采集的数据先上传至服务器，在服务器中形成局部放电测试数据库；数据分析软件安装在局域网内的任意一台Windows系统的计算机，此计算机即成为数据分析系统的客户端。数据分析时，软件自动从服务器的局部放电数据库中下载数据，根据用户选择的测量编号，浏览一次测量的放电图并计算二、三维放电谱图和统计算子、放电指纹图。数据分析系统可输出打印测量数据及其二、三维放电谱图和指纹图。这为大容量电力设备的绝缘状态评估建立网络化的研究平台，为丰富大容量电力设备的检测手段提供了强有力的技术支持。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理图。

图2是本发明实施例的差分放大滤波电路的电路原理图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其组成为：直流高压源4向平衡检测阻抗电路1提供高压直流电压，由平衡检测阻抗电路1提取出被测试样C_X的局部放电信号，该局部放电信号送差分放大滤波电路2进行差分放大滤波处理，然后送数据采集及分析系统3进行处理，得到局部放电信号的检测分析结果。

平衡检测阻抗电路1的组成为：两只完全相同的检测阻抗Zm、Zm’构成平衡检测阻抗Z，分别与被测试样C_X、标准耦合电容C_K相连构成两条支路，该两条支路并联构成的平衡检测阻抗电路1；该平衡检测阻抗电路1接限流电阻5后，并联在直流高压源4的两端；两只检测阻抗Zm、Zm’与被测试样C_X、标准耦合电容C_K之间的连接点，分别与差分放大滤波电路2的两输入端相连。

平衡检测阻抗Z中的两只检测阻抗Zm、Zm’的电阻值均为50Ω，频带为60kHz-250kHz；且两只检测阻抗Zm、Zm’的两端均分别并联有两个方向相反的保护二极管D。

平衡阻抗检测电路1和差分放大滤波电路2均置于金属屏蔽盒中，输入输出均用同轴电缆连接。

图2示出，本例的差分放大滤波电路2由差分放大器21、二阶巴特沃斯低通滤波器22和二阶巴特沃斯高通滤波器23依次串联构成。

数据采集及分析系统3由数据采集系统31与数据分析系统32两部分构成；数据采集系统31为触发式数据采集，其采集的数据送入以客户端/服务器模式进行工作的数据分析系统32。

测试时，将直流电压调节到试样的测试电压后，由数据采集系统31采集直流电压作用下的局部放电信号，测试时间设为10min。如此测试过程至少进行10次。在局部放电数据采集软件控制下，数据采集系统31以脉冲触发方式采集局部放电脉冲数据，并对其数字化处理，将局部放电的表征参量，包括放电峰值和出现的时刻等，暂存在数据采集系统31的硬盘上。待一次测量完毕后，数据通过网络传输至数据分析系统32的服务器，保存在局部放电测试数据库内。

分析局部放电数据时，客户端计算机连接到服务器，从服务器的局部放电测试数据库中下载测试数据，根据用户选择的测量编号，浏览一次测量的放电图，并利用Δt方法计算直流下局部放电的二维统计图，包括：平均放电量分布图、最大放电量分布图、Δt-放电次数分布图，以及放电量-放电次数分布图，及三维统计谱图，即Δt-放电次数-最大放电量分布图。根据电容器局部放电二维谱图，计算每种谱图的偏斜度、峰度等参数，可得到二维谱图的22种统计算子，组成测量结果的放电指纹图，并可将测量数据及其二维放电谱图和指纹图打印输出。

Claims (6)

1、一种大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其组成为：直流高压源(4)向平衡检测阻抗电路(1)提供高压直流电压，由平衡检测阻抗电路(1)提取出被测试样(C_X)的局部放电信号，该局部放电信号送差分放大滤波电路(2)进行差分放大滤波处理，然后送数据采集及分析系统(3)进行处理，得到局部放电信号的检测分析结果。

2、根据权利要求1所述的大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其特征在于；所述的平衡检测阻抗电路(1)的组成为：两只完全相同的检测阻抗(Zm、Zm’)构成平衡检测阻抗(Z)，分别与被测试样(C_X)、标准耦合电容(C_K)相连构成两条支路，该两条支路并联构成平衡检测阻抗电路(1)；该平衡检测阻抗电路(1)接限流电阻(5)后，并联在直流高压源(4)的两端；两只检测阻抗(Zm、Zm’)与被测试样(C_X)、标准耦合电容(C_K)之间的连接点，分别与差分放大滤波电路(2)的两输入端相连。

3、根据权利要求2所述的大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其特征在于：所述的平衡检测阻抗(Z)中的两只检测阻抗(Zm、Zm’)的电阻值均为50Ω，频带为60kHz-250kHz；且两只检测阻抗(Zm、Zm’)的两端均分别并联有两个方向相反的保护二极管(D)。

4、根据权利要求1或2所述的大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其特征在于：所述的差分放大滤波电路(2)由差分放大器(21)、二阶巴特沃斯低通滤波器(22)和二阶巴特沃斯高通滤波器(23)依次串联构成。

5、根据权利要求1或2所述的大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其特征在于：所述的平衡阻抗检测电路(1)和差分放大滤波电路(2)均置于金属屏蔽盒中，输入输出均用同轴电缆连接。

6、根据权利要求1所述的大容量高压电力设备的高灵敏度直流局部放电检测系统，其特征在于：所述的数据采集及分析系统(3)由数据采集系统(31)与数据分析系统(32)两部分构成；数据采集系统(31)为触发式数据采集系统(31)，其采集的数据送入以客户端/服务器模式进行工作的数据分析系统(32)。