CN110146790B - 一种局部放电的异型波检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了局部放电的异型波检测装置，包括有任意信号发生器a、高压电源放大器a、高频分压器a、罗氏线圈、数据采集卡、前置微小信号放大器及PC机。该装置能够用于实验室检测绝缘缺陷局部放电的放电量和放电幅值。本发明还公开了局部放电的异型波检测方法，具体为：步骤1：制备电力设备典型绝缘缺陷试样，搭建局部放电的异型波检测装置；步骤2：设计异型波波形，并检测验证异型波性能，将所有已通过验证不存在畸变，且可以稳定用于局部放电研究的异型波保存；步骤3：应用步骤1所搭建的局部放电的异型波检测装置及步骤2所保存的无畸变且稳定的异型波为绝缘缺陷试样进行异型波局部放电实验操作，并为之匹配最佳的异型波。

Description

一种局部放电的异型波检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于电力设备绝缘检测装置技术领域，具体涉及一种局部放电的异型波检测装置，本发明还涉及应用该装置进行局部放电的异型波检测方法。

背景技术

局部放电作为一种非破坏性的试验，可以让我们掌握电力设备的绝缘状况。以及时发现设备存在的问题，采取维护措施，从而保障设备安全运行，因而得到人们越来越多的关注。局部放电发生的过程中会产生各种电、光、声、热等现象，因此，局部放电检测技术也相应出现了电检测法、光测法、声测法和红外热测法等检测方法^[1]。根据被测量的性质的不同，局部放电检测技术主要分为电测法和非电测法。电测法主要是脉冲电流法，其检测灵敏度很高，但信号的信噪比难以提高。与电测法相比，非电测法具有抗电磁干扰能力强的特点，但通常情况下灵敏度不高或者不能对放电性质、放电强度进行判断。因此，应用范围最广、使用频率最高的仍然是脉冲电流法^[2]。脉冲电流法就是通过获取测量回路耦合电容侧检测阻抗上的脉冲电压或者是电力设备接地点罗氏线圈上的脉冲电流的视在放电量，对局部放电进行检测^[3]，电路图如图1所示。其中，U为高压电源，Z为保护阻抗，Cx为绝缘缺陷试样，L为罗氏线圈，A为微小信号放大器。高压电源的输出通过保护阻抗连接到绝缘缺陷试样。试样与高压电源单点接地。给试样施加电压，随着电压的不断增高，试样会发生局部放电，此时会在回路中产生一个局部放电的脉冲电流信号，在试样的接地线上，通过罗氏线圈检测此脉冲电流信号，但是，这个信号一般极其微弱，因此，通过，微小信号放大器将此信号放大。高压电源U常为工频交流电压，但采用它进行局部放电试验，往往检测到信号信噪比低，信息不够丰富。

局部放电的原理是：在绝缘缺陷部位施加一个电压，该部位会产生一个与外施电压相对应的电压，但这个电压一般要小于缺陷部位的起始放电电压。随着外施电压的不断增大，缺陷部位的电压也随之增大。当缺陷部位的电压达到它的起始放电电压时，缺陷部位发生局部放电。放电过程中因为电荷的迁移使缺陷部位电压下降，此时的电压将小于它的起始放电电压，放电熄灭。随着外施电压的不断增大，缺陷部位的电压将会又一次达到它的起始放电电压，缺陷部位将再一次发生放电。如此循环直至外施电压达到峰值，放电停止。接着，外施电压将不断减小。缺陷部位的电压也随之减小，当外施电压减小至负值，直至缺陷部位的负的起始放电电压时，缺陷部位又将会发生反方向的局部放电。随着外施电压的不断减小，缺陷部位将会重复多次反方向的局部放电，直至外施电压达到负峰值，放电将停止。这样一个脉冲范围的局部放电已经完成，以后的局部放电将如此循环。基于局部放电的研究现状和局部放电原理，本方法及装置将异型波应用于局部放电研究。

参考文献

[1]郭俊,吴广宁,张血琴,等.局部放电检测技术的现状和发展[J].电工技术学报,2005(02):29-35.

[2]张仁豫,陈昌渔,王昌长.高电压试验技术[M].北京:清华大学出版社,2009.

[3]李军浩,韩旭涛,刘泽辉,等.电气设备局部放电检测技术述评[J].高电压技术,2015,41(08):2583-2601.

发明内容

本发明的目的是提供一种局部放电的异型波检测装置，能够用于实验室检测绝缘缺陷局部放电的放电量和放电幅值。

本发明的目的是还提供一种局部放电的异型波检测方法，该方法解决了现有的脉冲电流法局部放电检测技术，检测到信号信噪比低，信息不够丰富的问题。

本发明所采用的技术方案是，局部放电的异型波检测装置，包括有任意信号发生器a、高压电源放大器a、高频分压器a、罗氏线圈、数据采集卡及前置微小信号放大器；任意信号发生器a的输出端与高压电源放大器a的输入端连接，高压电源放大器a的高压输出端分两路，其中一支路上连接有保护阻抗，保护阻抗的一端用于与高压电源放大器a的高压输出端连接，保护阻抗的另一端用于与被检测的绝缘缺陷试样的一端连接，绝缘缺陷试样的另一端接地；高压电源放大器a高压输出端的另外一支路上连接有高频分压器a；高频分压器a的输入端与高压电源放大器a的高压输出端连接，高压电源放大器a、高频分压器a和绝缘缺陷试样单点接地；数据采集卡为多通道高速数据采集卡，高频分压器a的输出端及前置微小信号放大器的输出端分别连接至数据采集卡其中的两个输入通道，绝缘缺陷试样的接地线上连接有罗氏线圈，罗氏线圈的输出端与所述前置微小信号放大器的输入端连接，数据采集卡的输出端连接有PC机。

本发明所采用的另一个技术方案是，局部放电的异型波检测方法，具体的实施步骤如下：

步骤1：制备电力设备典型绝缘缺陷试样，搭建局部放电的异型波检测装置；

步骤2：设计异型波波形，并检测验证异型波性能，将所有已通过验证不存在畸变，且可以稳定用于局部放电研究的异型波保存；

步骤3：应用步骤1所搭建的局部放电的异型波检测装置及步骤2所保存的无畸变且稳定的异型波为绝缘缺陷试样进行异型波局部放电实验操作，并为之匹配最佳的异型波。

本发明的特点还在于：

步骤1中，局部放电的异型波检测装置包括有任意信号发生器a、高压电源放大器a、高频分压器a、罗氏线圈、数据采集卡及前置微小信号放大器；任意信号发生器a的输出端与高压电源放大器a的输入端连接，高压电源放大器a的高压输出端分两路，其中一支路上连接有保护阻抗，保护阻抗的一端用于与高压电源放大器a的高压输出端连接，保护阻抗的另一端用于与被检测的绝缘缺陷试样的一端连接，绝缘缺陷试样的另一端接地；高压电源放大器a高压输出端的另外一支路上连接有高频分压器a；高频分压器a的输入端与高压电源放大器a的高压输出端连接，高压电源放大器a、高频分压器a和绝缘缺陷试样单点接地；数据采集卡为多通道高速数据采集卡，高频分压器a的输出端及前置微小信号放大器的输出端分别连接至数据采集卡其中的两个输入通道，绝缘缺陷试样的接地线上连接有罗氏线圈，罗氏线圈的输出端与前置微小信号放大器的输入端连接，数据采集卡的输出端连接有PC机。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1：通过软件ArbExpress Application设计异型波波形，设计异型波函数式为：

或

其中，A为振荡幅值，ω₁为显示比，ω₂为振荡个数，

为相位，t为时间；

此外，设置异型波的时间范围，即开始时间t₁、结束时间t₂，通过调节t₁和t₂改变异型波的开始时间以及结束时间，让波形的起始时间晚于零点，结束时间早于终点；

将异型波函数式类型以及以上参数A、ω₁、ω₂、

t₁、t₂确定之后，将异型波函数式以及t₁和t₂输入到ArbExpress Application软件中，即可输出异型波波形图；

步骤2.2：检验异型波波形的性能：使用异型波波形畸变检验装置检验异型波是否畸变，将通过检验不存在畸变的异型波再进行稳定性检验，最后将通过稳定性检验的异型波保存至U盘待用。

步骤2.2中，异型波波形畸变检验装置包括有依次连接的任意信号发生器b、高压电源放大器b、高频分压器b及数字示波器；任意信号发生器b的其中一个通道的电压输出端与高压电源放大器b的输入端连接，任意信号发生器b另一通道的电压输出端与数字示波器的其中一通道输入端连接，高压电源放大器b自身分压后的电压输出端与数字示波器的一通道输入端连接，高压电源放大器b高压输出端与高频分压器b的一个输入端连接，高频分压器b的输出端与数字示波器的一通道的输入端连接，高压电源放大器b和高频分压器b单点接地；

步骤2.2中，判断异型波是否存在畸变的方法是：通过任意信号发生器b输出异型波电压信号，任意信号发生器b的输出分两支路，一支路直接连接数字示波器，观察得到信号①；另一支路连接高压电源放大器b的输入，高压电源放大器b放大信号后，输出分为两支路，一支路通过高压输出连接高频分压器b的输入，高频分压器b分压后，输出连接数字示波器的输入，观察得到信号②；高压电源放大器b本身分压之后的输出直接连接数字示波器，观察得到信号③；将信号①②③进行对比，分析波形是否有畸变；

判断波形是否存在畸变的标准是：若①②③三个波形、频率完全一致，仅幅值按比例存在差别，且①、②、③电压幅值之比为5:1:5，则波形不存在畸变，否则波形发生畸变。

步骤2.2中，应用步骤1所搭建的局部放电的异型波检测装置判断异型波是否可以稳定用于局部放电实验，判断是否发生稳定的局部放电现象的标准是：每个周期内均可产生局部放电脉冲信号，且每个异型波周期内的局部放电脉冲个数之间的误差不大于2即可，若可以发生稳定的局部放电，则说明异型波可以稳定用于局部放电实验。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1：对步骤1制备的绝缘缺陷试样8进行抛光和倒角处理；应用步骤1搭建的局部放电的异型波检测装置，将步骤2.2中保存了无畸变且稳定的异型波的U盘插入到任意型号发生器a的USB接口；对步骤1搭建的局部放电的异型波检测装置的各金属端进行放电；

步骤3.2：将经步骤3.1已抛光和倒角处理后的绝缘缺陷试样固定于已经放电了的局部放电的异型波检测装置的试样位置；

步骤3.3：打开任意信号发生器a，将U盘中众多异型波中的一个导入到任意信号发生器a中；

步骤3.4：打开高压电源放大器a和PC机的采集卡软件端；观察PC机的采集卡软件端的数据，判断是否存在噪声；若不存在噪声，则直接通过任意信号发生器a输出步骤3.3中导入的异型波的电压信号；若存在噪声，则需在PC机的采集卡软件端保存此时的噪声数据，再通过任意信号发生器a输出步骤3.3导入的异型波的电压信号，调节任意信号发生器a的输出频率至工频50Hz，同时观察PC机的采集卡软件端是否出现放电脉冲信号，若出现放电脉冲信号，即已发生局部放电，则在PC机的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据，若没出现放电脉冲信号，则通过任意信号发生器a缓慢增大输出电压的幅值，直至出现放电脉冲信号，再在PC机的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据；然后，在上述发生局部放电时任意信号发生器a输出电压频率和幅值的基础上，保持电压幅值不变，缓慢增大任意信号发生器a输出异型波电压的频率；在增加异型波电压频率的过程中观察PC机采集卡软件端放电脉冲的个数和幅值，并进行下面1)、2)操作；1)在增加异型波电压频率时，会伴随着局部放电脉冲个数不断增大并趋于一个定值的过程，记录此时的异型波电压频率值为①，并在PC机的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据；2)、在增大异型波电压频率的过程中，伴随着局部放电脉冲电压幅值不断减小的过程，当局部放电脉冲电压幅值减小至10A时，其中，A为噪声信号的最大幅值，记录此时的异型波电压频率为②，并在PC机的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据，比较①和②数值大小，其中，最小值所对应的局部放电数据和外施电压数据，即为此异型波下的局部放电数据和外施电压数据；最后，缓慢降低任意信号发生器a输出的异型波的电压的频率和幅值，直至归零，对局部放电的异型波检测装置的各金属端进行放电；

步骤3.5：采用步骤2.2中U盘中保存的除步骤3.3所选用的异型波之外的所有异型波，对绝缘缺陷试样依此进行步骤3.4的所有操作；

步骤3.6：对步骤3.4和步骤3.5保存的所有异型波下的局部放电实验数据和放电现象进行对比，施加最小幅值就能够得到丰富局部放电谱图的那个异型波即为最佳异型波。

本发明装置的有益效果在于：

(1)本发明的检测装置将异型波应用到局部放电检测，用于实验室检测绝缘缺陷局部放电的放电量和放电幅值，同时也能够用于电力设备绝缘缺陷局部放电检测；

(2)本发明的检测装置基于局部放电的发生机理，将异型波应用于局部放电研究具有很多优势：①相比于工频交流电压，异型波的转换斜率大，更加容易激发缺陷部位发生局部放电，因此，施加较低的电压便可以测量局部放电；②一次加压可以得到多次的极性转换，以激发局部放电，可以缩短实验的时间和过程；③加压的时间短，因而对设备的二次伤害小；④因为异型波一周期内振荡幅值不同的特点，可以滤除部分噪声信号，提高信噪比。一般来说，在较低振荡幅值部位不会存在局部放电信号；如果，发现这些部位出现放电信号，那就可以认为这些信号为噪声，将这些以及其他部位类似的信号全部滤除，可以大大提高信噪比；

(3)本发明的检测装置采用传感器(罗氏线圈)对线路中的局部放电脉冲信号进行检测，灵敏度高、分辨率高、准确度高；

(4)本发明的检测装置采用了多通道高速数据采集卡，采集速度高，可有效地采集到细微的局部放电信号，使得检测更加灵敏；

综上所述，本发明的检测装置设计理念新型、结构简单，能够对电力设备典型绝缘缺陷试样的局部放电进行检测，精度高、灵敏性强。此外，此装置便于操作、实用性强，便于现场试验使用。

本发明方法的有益效果在于：

(1)异型波自身振荡幅值不同，应用本方法可以滤除部分噪声信号，提高局部放电信号的信噪比；

(2)异型波一次加压，可以得到多次的极性转换，以激发局部放电，从而缩短实验时间和过程；

(3)相比于工频交流电压，异型波具有较大的转换斜率，更容易激发缺陷部位发生局部放电，因此，施加较低的电压即可测量局部放电；

(4)因为加压时间短，施加电压小，因而，往往会对设备的二次伤害小；

(5)该方法解决了现有的脉冲电流法局部放电检测技术在检测电力设备典型绝缘缺陷试样时，检测到信号信噪比低，信息不够丰富的问题；

(6)该方法主要用于实验室检测局部放电的放电量和放电幅值的研究。

附图说明

图1为脉冲电流法测局部放电电路原理图；

图2为本发明方法中异型波波形图的参数设置示意图；

图3为本发明方法中的异型波波形图；

图4为本发明方法中采用软件设计的第一种异型波——对称振荡波波形图；

图5为本发明方法中采用软件设计的第二种异型波——不对称振荡波波形图；

图6为本发明方法中采用软件设计的第三种异型波——递增振荡波波形图；

图7为本发明方法中采用软件设计的第四种异型波——递减振荡波波形图；

图8为本发明方法中局部放电的异型波检测装置的电路接线图；

图9为本发明中使用的电力设备典型绝缘缺陷试样整体模型图；

图10为本发明中绝缘缺陷试样中使用的铜电极侧视图；

图11为本发明中绝缘缺陷试样中使用的铜电极俯视图；

图12为本发明中使用的典型绝缘缺陷试样的实物图；

图13为本发明中异型波波形畸变检验装置的电路接线图。

图中，1.任意信号发生器a，2.高压电源放大器a，3.高频分压器a，4.罗氏线圈，5.数据采集卡，6.前置微小信号放大器，7.PC机，8.绝缘缺陷试样，9.保护阻抗；10.透明玻璃板，11.铜电极，12.绝缘缺陷材料，13.塑料螺母柱，14.金属螺母柱，15.数字示波器，16.任意信号发生器b，17.高压电源放大器b，18.高频分压器b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种局部放电的异型波检测装置，如图8所示，包括有任意信号发生器a1、高压电源放大器a2、高频分压器a3、罗氏线圈4、数据采集卡5及前置微小信号放大器6；任意信号发生器a1的输出端与高压电源放大器a2的输入端连接，高压电源放大器a2的高压输出端分两路，其中一支路上连接有保护阻抗9，保护阻抗9的一端用于与高压电源放大器a2的高压输出端连接，保护阻抗9的另一端用于与被检测的绝缘缺陷试样8的一端连接，绝缘缺陷试样8的另一端接地；高压电源放大器a2高压输出端的另外一支路上连接有高频分压器a3；高频分压器a3的输入端与高压电源放大器a2的高压输出端连接，高压电源放大器a2、高频分压器a3和绝缘缺陷试样8单点接地；数据采集卡5为多通道高速数据采集卡，高频分压器a3的输出端及前置微小信号放大器6的输出端分别连接至数据采集卡5其中的两个输入通道，绝缘缺陷试样8的接地线上连接有罗氏线圈4，罗氏线圈4的输出端与所述前置微小信号放大器6的输入端连接，数据采集卡5的输出端连接有PC机7的软件端。

在局部放电的异型波检测装置连接过程中将任意信号发生器a1、PC机7、前置微小信号放大器6、数据采集卡5置于同一空间；高压电源放大器a2、保护阻抗9、高频分压器a3、绝缘缺陷试样8、罗氏线圈4放置于另一空间，目的是为了减少高压电源部分对局部放电部分的干扰。此外，系统中所有需接地设备均采用单点接地；

局部放电的异型波检测装置工作原理：首先，通过软件设计较为适宜的异型波，采用任意信号发生器a1将设计异型波电压输出。但是，此时输出的电压信号很小，无法激发绝缘缺陷试样发生局部放电，因此通过高压电源放大器a2将异型波电压放大，再施加于绝缘缺陷试样8上。为了防止试样击穿对设备的影响，以及高压端对局部放电的噪声干扰，在绝缘缺陷试样8与高压电源放大器a2之间连接有保护阻抗9。因此，将高压异型波电压施加在了绝缘缺陷试样8上。然后，当异型波电压升高到一定程度，试样即可发生局部放电，此时，在回路中会产生脉冲电流信号。采用罗氏线圈4，对此信号进行检测，罗氏线圈4具有积分和校准功能，可将电流信号转化为电压信号，但是，此时信号极其微弱，因此，通过前置微小信号放大器6，将电压信号放大。前置微小信号放大器6的功能是放大微小电压信号。最后，将前置微小信号放大器6放大后的电压信号传递给数据采集卡5，采集卡5采集到局部放电的电压信号，并传输给PC机7，PC机7的采集卡软件端可对此时的局部放电信号进行实时显示，并可人为操作将数据存储用于后期的数据处理。此外，为了对比外施电压和局部放电信号的关系，还将高压电源放大器a2的输出连接高频分压器a3，通过高频分压器a3将外施电压信号传输给数据采集卡5，然后通过PC机7采集卡软件端将绝缘缺陷试样8的局部放电信号和外施电压信号同步实时显示，再人为将数据保存，通过数据处理即可得到局部放电的放电量和放电幅值等信息。

任意信号发生器a1的型号为Tektronix AFG3051C，带宽为10MHz至240MHz，采样率可达2GS/s，振幅达20Vp-p，具有两个输出，提供相当于两个信号发生器的功能。

高压电源放大器a2的型号为TREK 20/20A，具有固定增益的同相放大器，直流电压增益2000V/V，DC电压增益精度优于满量程的0.1％，输出噪声小于1.5V rms。

保护阻抗9为RC并联电路，串接于高压电源放大器a2的高压端与绝缘缺陷试样8之间。

高频分压器a3的型号为NVR60，电压信号采集范围为，直流：0～60kV；脉冲电压：0～120kV，采集信号频率为0～20MHz，DC准确度0.1％(0.06kV)，10Hz～1MHz时准确度1％(1.2kV)，大于1MHz时准确度3％(3.6kV)。

罗氏线圈4(传感器)的型号为Pearson6585，电流信号采集范围为0-500A，精度为1mA，信号频率范围为400Hz-250MHz；具有积分和校准功能，可使电流信号转化为电压信号，并且与触发信号在时间上相对应。

前置微小信号放大器6的型号为ATA-5510，为单通道，BNC输入接口，输入电阻50Ω，BNC输出接口，最大输出电压2Vp-p，电压增益46dB，超低噪声电源。

数据采集卡5的型号为汉泰DSO3204，4路独立模拟通道，1GSa/s高速实时采样，1mV-10V/DIV高输入灵敏度，250MHz高带宽。

任意信号发生器a1和高压电源放大器a2之间、罗氏线圈4和前置微小信号放大器6之间、前置微小信号放大器6与多通道数据采集卡5之间、高频分压器a3与数据采集卡5之间均是通过BNC线缆连接。高压电源放大器a2与保护阻抗9之间、保护阻抗9与绝缘缺陷试样8之间、高压电源放大器a2与高频分压器a3之间均采用高压线缆连接。整个试验系统采用单点接地。进行简单局部放电实验检验异型波稳定性以及进行异型波下的局部放电实验为每种绝缘缺陷试样匹配最佳的异型波均是采用此实验电路。

本发明还提供一种局部放电的异型波检测方法，使用上述局部放电的异型波检测装置，如图2-8所示，具体的实施步骤如下：

步骤1：制备电力设备典型绝缘缺陷试样8，搭建上述局部放电的异型波检测装置；

步骤1中，搭建局部放电的异型波检测装置时所需的实验室条件为：环境温度在20～25℃的范围内，环境湿度在45％～50％之间；

步骤1中电力设备常见绝缘缺陷试样采用XLPE(交联聚乙烯)材料，选择气隙缺陷、金属颗粒缺陷、毛刺缺陷以及受潮缺陷，利用“三明治”模型对绝缘缺陷试样进行模拟。绝缘缺陷试样整体由一份绝缘缺陷材料、两个铜电极、两块透明玻璃板、四个塑料螺母柱、两个金属螺母柱组成，具体为：如图9所示，包括有上下分布的两块透明玻璃板10，两块透明玻璃板10之间设置有两个上下布置的铜电极11，两个铜电极11之间设置有绝缘缺陷材料12，两个透明玻璃板10的四角通过四个塑料螺母柱13固定，两个铜电极11分别通过金属螺母柱14与上下分布的两块透明玻璃板10固定，铜电极11采用圆角圆柱的黄铜，直径设置为25mm，高设置为8mm，圆角半径设置为2mm如图10和图11所示，并在铜电极11的一面上分别钻出与金属螺母柱14配型的螺纹。在上下分布的两块透明玻璃板10四个角的位置，分别钻四个和塑料螺母相配型的孔，在其中央位置钻和金属螺母柱配型的孔；绝缘缺陷材料的制作参数如表1所示：

表1 XLPE圆柱体的制作参数

(1)含气隙缺陷的绝缘缺陷试样的制备：在两个2号XLPE圆柱中间放置一个1号XLPE圆柱。利用两块透明玻璃板10均匀固定在上下两个铜电极11之间，用来模拟固体绝缘中含有的气隙缺陷；

(2)含金属颗粒缺陷的绝缘缺陷试样的制备：在两个2号XLPE圆柱中间的中心位置放置5-8粒直径约0.5mm的铜屑，利用两块透明玻璃板10均匀固定在上下两个铜电极11之间，用来模拟绝缘中含金属颗粒缺陷；

(3)含毛刺缺陷的绝缘缺陷试样的制备：在一个3号XLPE圆柱中插入2-3个曲率半径为0.2mm，长度为2mm的针尖，利用两块透明玻璃板10均匀固定在上下两个铜电极11之间，用来模拟绝缘中含毛刺的缺陷；

(4)受潮缺陷的绝缘缺陷试样的制备：在密闭立方体内通入水蒸气，使其一直处于16℃左右以及90％以上湿度的环境中。将3号XLPE试样长期放置于这种环境中，使水分反复渗透，以保证在试验时，试样仍处在受潮状态。利用两块透明玻璃板10将处于受潮状态的XLPE圆柱均匀固定在上下两个铜电极11之间，用来模拟绝缘含受潮缺陷。

制备的试样实物图如图12所示。

步骤2：通过软件ArbExpress Application设计异型波波形，并检测验证异型波性能，将所有已通过验证不存在畸变，且可以稳定用于局部放电研究的异型波保存；

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1：异型波的波形设计：设计异型波函数式为：

或

两种类型，其中，A为振荡幅值，ω₁为显示比，ω₂为振荡个数，

为相位，t为时间。

因为通过任意信号发生器实际输出异型波电压的幅值主要取决于任意型号发生器的性能参数，所以，振荡幅值A不能调节实际输出异型波电压的幅值。显示比ω₁是指整个异型波波形图在输出界面的显示比例，不同的显示比可输出不同的异型波。例如，ω₁＝0.25，则这个异型波的波形图只可显示一半，在

的条件下，输出的是递增振荡波形图。振荡个数ω₂，顾名思义就是用来调节异型波的振荡个数，实际输出异型波图形的振荡个数为ω₂+1。相位

用来调节异型波初始相位。

此外，还需在软件ArbExpress Application编程部分设置异型波的时间范围，即开始时间t₁、结束时间t₂，通过调节t₁和t₂改变异型波的开始时间以及结束时间，让波形的起始时间晚于零点，结束时间早于终点。这样有利于局部放电研究完成之后再进行数据分析研究。

将异型波函数式类型以及以上参数A、ω₁、ω₂、

t₁、t₂确定之后，将异型波函数式以及t₁和t₂输入到ArbExpress Application软件中，即可输出异型波波形图。

下面举例简单说明。首先，打开ArbExpress Application软件点击equationeditor即可进入异型波波形的编辑界面。然后，选择一种函数式，并设置参数。这里选择函数式为

设置参数A＝10，ω₁＝0.5，φ＝0，ω₂＝6。即在界面函数输入部分(#Your equation goes here)输入10*sin(0.5*ω)*cos(6*ω)。接着，在编辑界面右下角的settings部分有关于total range、number of points和sampling rate的相关设置。这里的total range即为输出波形的时间范围，将total range设置为1ms。为了使输出波形的起始时间晚于零点，结束时间早于终点。设置t₁＝0.05ms，t₂＝0.95ms。即起始于0.05ms，结束于0.95ms。最后，在时间范围部分(#Change the range according to yoursettings)输入Range(0.05ms,0.95ms)，如图2所示。即可输出图3所示结果。

任意调节某一个参数即可得到不同异型波，因此改变参数，即可得到众多异型波。再将众多波形数据保存至U盘，将U盘插入任意信号发生器的USB接口，再在任意信号发生器中打开U盘，选择任意一个异型波数据，点击导入，即将异型波导入到任意信号发生器。可根据任意信号发生器的性能任意调节异型波的频率和幅值，点击任意信号发生器的output，即可通过任意信号发生器输出异型波电压。将输出的所有异型波分为四类，如图4-7所示：

对称振荡波：采用函数式

且ω₁＝0.5的前提条件下，改变其余参数可以得到众多对称振荡波。

不对称振荡波：采用函数式

且ω₁＝0.5的前提条件下，改变其余参数可以得到众多不对称振荡波。

递增振荡波：0＜ω₁＜0.25，

的前提条件下，改变函数式类型和其余参数可以得到众多递增振荡波。

递减振荡波：配合参数ω₁和

可得到递减振荡波形，再改变函数式类型和其余参数可得到众多递减振荡波。

步骤2.2：检验异型波波形的性能：在将步骤2.1保存至U盘的众多异型波用于局部放电研究之前，需要对所有保存至U盘的异型波的性能进行检验，检验异型波不存在畸变，且可稳定用于局部放电研究；使用异型波波形畸变检验装置检验异型波是否畸变，将通过检验不存在畸变的异型波再进行稳定性检验，最后将通过稳定性检验的异型波保存至U盘待用；

异型波波形畸变检验装置为，图13所示。包括有依次连接的任意信号发生器b16、高压电源放大器b17、高频分压器b18及数字示波器15；数字示波器15的型号为TektronixTBS1104；任意信号发生器b16的其中一个通道的电压输出端与高压电源放大器b17的输入端连接，任意信号发生器b16另一通道的电压输出端与数字示波器15的一通道输入端连接，高压电源放大器b17自身分压后的电压输出端(VOLTAGE Output MonitorConnector)与数字示波器15的其中一通道输入端连接，高压电源放大器b17高压输出端与高频分压器b18的输入端连接，高频分压器b18的输出端与数字示波器15的一通道的输入端连接。高压电源放大器b17和高频分压器b18单点接地。其中，任意信号发生器b16与高压电源放大器b17之间、任意信号发生器b16与数字示波器15之间、高频分压器b18与数字示波器15之间、高压电源放大器b17与数字示波器15之间均是由BNC线缆连接。高压电源放大器b17与高频分压器b18之间通过高压电源放大器b17自带的高压电缆连接。将数字示波器15显示的波形进行对比，判断有无畸变。

判断异型波是否存在畸变的方法是：通过任意信号发生器b16输出异型波电压信号，任意信号发生器b16的输出分两支路，一支路直接连接数字示波器15，观察得到信号①；另一支路连接高压电源放大器b17的输入，高压电源放大器b17放大信号后，输出分为两支路，一支路通过高压输出连接高频分压器b18的输入，高频分压器b18分压后，输出连接数字示波器15的输入，观察得到信号②；高压电源放大器b17本身分压之后的输出直接连接数字示波器15，观察得到信号③；将信号①②③进行对比，分析波形是否有畸变。判断波形是否存在畸变的标准是：若①②③三个波形、频率完全一致，仅幅值按比例存在差别，且①、②、③电压幅值之比为5:1:5，则波形不存在畸变，否则波形发生畸变。

判断异型波是否可以稳定用于局部放电实验的方法是：将所有已通过畸变性能验证的异型波用于简单局部放电试验，采用局部放电的异型波检测装置进行简单的局部放电实验，验证异型波电压的稳定性。简单局部放电试验的方法是：将任意含绝缘缺陷的试样固定于局部放电的异型波检测装置的试样位置，然后，依次将通过检验不存在畸变的异型波高压施加于绝缘缺陷试样上，在PC机7的采集卡软件端观察是否可以发生稳定的局部放电。判断是否发生稳定的局部放电现象的标准是：每个异型波周期内均可产生局部放电脉冲信号，且每个周期内的局部放电脉冲个数之间的误差不大于2即可。若可以发生稳定的局部放电，则说明异型波可以稳定用于局部放电实验。最后，将所有已通过验证不存在畸变，且可以稳定用于局部放电研究的异型波保存至U盘。

步骤3：应用步骤1所搭建的局部放电的异型波检测装置及步骤2所保存的无畸变且稳定的异型波为绝缘缺陷试样8进行异型波局部放电实验操作，并为之匹配最佳的异型波；

步骤3.1：对步骤1制备的绝缘缺陷试样8进行抛光和倒角处理；应用步骤1搭建的局部放电的异型波检测装置，将步骤2.2中保存了无畸变且稳定的异型波的U盘插入到任意型号发生器a1的USB接口；对步骤1搭建的局部放电的异型波检测装置的各金属端进行放电；

步骤3.2：将经步骤3.1已抛光和倒角处理后的绝缘缺陷试样固定于已经放电了的局部放电的异型波检测装置的试样位置；

步骤3.3：打开任意信号发生器a1，将U盘中众多异型波中的一个导入到任意信号发生器a1中；

步骤3.4：打开高压电源放大器a2和PC机7的采集卡软件端；观察PC机7的采集卡软件端的数据，判断是否存在噪声；若不存在噪声，则直接通过任意信号发生器a1输出步骤3.3中导入的异型波的电压信号；若存在噪声，则需在PC机7的采集卡软件端保存此时的噪声数据，再通过任意信号发生器a1输出步骤3.3导入的异型波的电压信号，调节任意信号发生器a1的输出频率至工频50Hz，同时观察PC机7的采集卡软件端是否出现放电脉冲信号，若出现放电脉冲信号，即已发生局部放电，则在PC机7的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据，若没出现放电脉冲信号，则通过任意信号发生器a1缓慢增大输出电压的幅值，直至出现放电脉冲信号，再在PC机7的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据。然后，在上述发生局部放电时任意信号发生器a1输出电压频率和幅值的基础上，保持电压幅值不变，缓慢增大任意信号发生器输出异型波电压的频率。在增加异型波电压频率的过程中观察PC机7采集卡软件端放电脉冲的个数和幅值，并进行下面1)、2)操作。1)在增加异型波电压频率时，会伴随着局部放电脉冲个数不断增加的过程，但增加的速率逐渐减小并趋于0，所以局部放电脉冲个数将会趋于一个定值。因此，当局部放电脉冲个数趋于值B(B值根据异型波种类的改变，绝缘缺陷试样的改变而改变，不是一个固定不变的值)，记录此时的异型波电压频率值为①，并在PC机7的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据。2)、在增大异型波电压频率的过程中，伴随着局部放电脉冲电压幅值不断减小的过程。当局部放电脉冲电压幅值减小至10A时(A为噪声信号的最大幅值)，记录此时的异型波电压频率为②，并在PC机7的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据。比较①②两个数值大小，其中，最小数值所对应的局部放电数据和外施电压数据，即为此异型波下的局部放电数据和外施电压数据。最后，缓慢降低任意信号发生器a1输出的异型波的电压的频率和幅值，直至归零，对局部放电的异型波检测装置的各金属端进行放电；

步骤3.5：采用步骤2.2中U盘中保存的除步骤3.3所选用的异型波之外的所有异型波，对绝缘缺陷试样依此进行步骤3.4的所有操作；

步骤3.6：对步骤3.4和步骤3.5保存的所有异型波下的局部放电实验数据和放电现象进行对比，施加最小幅值就能够得到丰富局部放电谱图的那个异型波即为最佳异型波。

本发明的局部放电的异型波检测装置，包括一台任意信号发生器，实现稳定输出ArbExpress Application软件编辑的异型波电压信号；一台高压电源放大器，实现将任意信号发生器输出的小信号稳定放大；一个保护阻抗，实现对高压电源放大器及实验线路的保护作用；一个高频分压器，实现对高压高频异型波电压信号的分压，便于在示波器输出显示；一个传感器(罗氏线圈)，实现对回路中局部放电脉冲电流信号的检测；一个前置微小信号放大器，实现对微小脉冲电压信号的放大；一个多通道高速数据采集卡，实现对放大后的局部放电脉冲信号以及施加于试样的异型波电压信号的实时采集；一台PC机，实现对异型波的设计以及对采集到的局部放电脉冲信号和施加的异型波电压信号的实时显示以及后期的数据处理；在检验异型波是否畸变时使用一台数字示波器，实现对信号的实时准确显示。

本发明首先制备电力设备典型绝缘缺陷试样，搭建局部放电的异型波检测装置；接着设计四个类型的异型波，并验证了异型波的性能，包括它是否会产生畸变，是否可以稳定地用于局部放电研究；对绝缘缺陷试样，采用设计的所有已验证过性能较好的异型波进行局部放电实验，对实验现象、实验数据进行记录；最后，对实验数据进行处理和对比，为绝缘缺陷试样确定一个最佳的异型波和与之对应的局部放电数据。本方法提出基于脉冲电流法测局部放电原理，采用异型波进行局部放电检测，不仅避免了非电测法的问题，同时，因为异型波自身的优势，提高了检测到局部放电信号的信噪比和信息的丰富度。

Claims (2)

1.局部放电的异型波检测方法，采用局部放电的异型波检测装置，包括有任意信号发生器a(1)、高压电源放大器a(2)、高频分压器a(3)、罗氏线圈(4)、数据采集卡(5)及前置微小信号放大器(6)；所述任意信号发生器a(1)的输出端与高压电源放大器a(2)的输入端连接，所述高压电源放大器a(2)的高压输出端分两路，其中一支路上连接有保护阻抗(9)，所述保护阻抗(9)的一端用于与所述高压电源放大器a(2)的高压输出端连接，所述保护阻抗(9)的另一端用于与被检测的绝缘缺陷试样(8)的一端连接，所述绝缘缺陷试样(8)的另一端接地；所述高压电源放大器a(2)高压输出端的另外一支路上连接有高频分压器a(3)；所述高频分压器a(3)的输入端与高压电源放大器a(2)的高压输出端连接，高压电源放大器a(2)、高频分压器a(3)和绝缘缺陷试样(8)单点接地；所述数据采集卡(5)为多通道高速数据采集卡，所述高频分压器a(3)的输出端及前置微小信号放大器(6)的输出端分别连接至数据采集卡(5)其中的两个输入通道，所述绝缘缺陷试样(8)的接地线上连接有罗氏线圈(4)，所述罗氏线圈(4)的输出端与所述前置微小信号放大器(6)的输入端连接，所述数据采集卡(5)的输出端连接有PC机(7)，其特征在于，具体的实施步骤如下：

步骤1：制备电力设备典型绝缘缺陷试样(8)，搭建局部放电的异型波检测装置；

步骤2：设计异型波波形，并检测验证异型波性能，将所有已通过验证不存在畸变，且可以稳定用于局部放电研究的异型波保存；

步骤3：应用步骤1所搭建的局部放电的异型波检测装置及步骤2所保存的无畸变且稳定的异型波为绝缘缺陷试样(8)进行异型波局部放电实验操作，并为之匹配最佳的异型波；

步骤1中，所述局部放电的异型波检测装置包括有任意信号发生器a(1)、高压电源放大器a(2)、高频分压器a(3)、罗氏线圈(4)、数据采集卡(5)及前置微小信号放大器(6)；所述任意信号发生器a(1)的输出端与高压电源放大器a(2)的输入端连接，所述高压电源放大器a(2)的高压输出端分两路，其中一支路上连接有保护阻抗(9)，所述保护阻抗(9)的一端用于与所述高压电源放大器a(2)的高压输出端连接，所述保护阻抗(9)的另一端用于与被检测的绝缘缺陷试样(8)的一端连接，所述绝缘缺陷试样(8)的另一端接地；所述高压电源放大器a(2)高压输出端的另外一支路上连接有高频分压器a(3)；所述高频分压器a(3)的输入端与高压电源放大器a(2)的高压输出端连接，高压电源放大器a(2)、高频分压器a(3)和绝缘缺陷试样(8)单点接地；所述数据采集卡(5)为多通道高速数据采集卡，所述高频分压器a(3)的输出端及前置微小信号放大器(6)的输出端分别连接至数据采集卡(5)其中的两个输入通道，所述绝缘缺陷试样(8)的接地线上连接有罗氏线圈(4)，所述罗氏线圈(4)的输出端与所述前置微小信号放大器(6)的输入端连接，所述数据采集卡(5)的输出端连接有PC机(7)；

所述步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1：通过软件ArbExpress Application设计异型波波形，设计异型波函数式为：

或

其中，A为振荡幅值，ω₁为显示比，ω₂为振荡个数，

为相位，t为时间；

此外，设置异型波的时间范围，即开始时间t₁、结束时间t₂，通过调节t₁和t₂改变异型波的开始时间以及结束时间，让波形的起始时间晚于零点，结束时间早于终点；

将异型波函数式类型以及以上参数A、ω₁、ω₂、

t₁、t₂确定之后，将异型波函数式以及t₁和t₂输入到ArbExpress Application软件中，即可输出异型波波形图；

步骤2.2：检验异型波波形的性能：使用异型波波形畸变检验装置检验异型波是否畸变，将通过检验不存在畸变的异型波再进行稳定性检验，最后将通过稳定性检验的异型波保存至U盘待用；

步骤2.2中，所述异型波波形畸变检验装置包括有依次连接的任意信号发生器b(16)、高压电源放大器b(17)、高频分压器b(18)及数字示波器(15)；任意信号发生器b(16)的其中一个通道的电压输出端与高压电源放大器b(17)的输入端连接，任意信号发生器b(16)另一通道的电压输出端与数字示波器(15)的其中一通道输入端连接，高压电源放大器b(17)自身分压后的电压输出端与数字示波器(15)的一通道输入端连接，高压电源放大器b(17)高压输出端与高频分压器b(18)的一个输入端连接，高频分压器b(18)的输出端与数字示波器(15)的一通道的输入端连接，高压电源放大器b(17)和高频分压器b(18)单点接地；

步骤2.2中，判断异型波是否存在畸变的方法是：通过任意信号发生器b(16)输出异型波电压信号，任意信号发生器b(16)的输出分两支路，一支路直接连接数字示波器(15)，观察得到信号①；另一支路连接高压电源放大器b(17)的输入，高压电源放大器b(17)放大信号后，输出分为两支路，一支路通过高压输出连接高频分压器b(18)的输入，高频分压器b(18)分压后，输出连接数字示波器(15)的输入，观察得到信号②；高压电源放大器b(17)本身分压之后的输出直接连接数字示波器(15)，观察得到信号③；将信号①②③进行对比，分析波形是否有畸变；

判断波形是否存在畸变的标准是：若①②③三个波形、频率完全一致，仅幅值按比例存在差别，且①、②、③电压幅值之比为5:1:5，则波形不存在畸变，否则波形发生畸变；

步骤2.2中，应用步骤1所搭建的局部放电的异型波检测装置判断异型波是否可以稳定用于局部放电实验，判断是否发生稳定的局部放电现象的标准是：每个周期内均可产生局部放电脉冲信号，且每个异型波周期内的局部放电脉冲个数之间的误差不大于2即可，若可以发生稳定的局部放电，则说明异型波可以稳定用于局部放电实验。

2.根据权利要求1所述的局部放电的异型波检测方法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1：对步骤1制备的绝缘缺陷试样8进行抛光和倒角处理；应用步骤1搭建的局部放电的异型波检测装置，将步骤2.2中保存了无畸变且稳定的异型波的U盘插入到任意型号发生器a(1)的USB接口；对步骤1搭建的局部放电的异型波检测装置的各金属端进行放电；

步骤3.2：将经步骤3.1已抛光和倒角处理后的绝缘缺陷试样(8)固定于已经放电了的局部放电的异型波检测装置的试样位置；

步骤3.3：打开任意信号发生器a(1)，将U盘中众多异型波中的一个导入到任意信号发生器a(1)中；

步骤3.4：打开高压电源放大器a(2)和PC机(7)的采集卡软件端；观察PC机(7)的采集卡软件端的数据，判断是否存在噪声；若不存在噪声，则直接通过任意信号发生器a(1)输出步骤3.3中导入的异型波的电压信号；若存在噪声，则需在PC机(7)的采集卡软件端保存此时的噪声数据，再通过任意信号发生器a(1)输出步骤3.3导入的异型波的电压信号，调节任意信号发生器a(1)的输出频率至工频50Hz，同时观察PC机(7)的采集卡软件端是否出现放电脉冲信号，若出现放电脉冲信号，即已发生局部放电，则在PC机(7)的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据，若没出现放电脉冲信号，则通过任意信号发生器a(1)缓慢增大输出电压的幅值，直至出现放电脉冲信号，再在PC机(7)的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据；然后，在上述发生局部放电时任意信号发生器a(1)输出电压频率和幅值的基础上，保持电压幅值不变，缓慢增大任意信号发生器a(1)输出异型波电压的频率；在增加异型波电压频率的过程中观察PC机(7)采集卡软件端放电脉冲的个数和幅值，并进行下面1)、2)操作；1)在增加异型波电压频率时，会伴随着局部放电脉冲个数不断增大并趋于一个定值的过程，记录此时的异型波电压频率值为①，并在PC机(7)的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据；2)、在增大异型波电压频率的过程中，伴随着局部放电脉冲电压幅值不断减小的过程，当局部放电脉冲电压幅值减小至10A时，其中，A为噪声信号的最大幅值，记录此时的异型波电压频率为②，并在PC机(7)的采集卡软件端保存局部放电数据和外施电压数据，比较①和②数值大小，其中，最小值所对应的局部放电数据和外施电压数据，即为此异型波下的局部放电数据和外施电压数据；最后，缓慢降低任意信号发生器a(1)输出的异型波的电压的频率和幅值，直至归零，对局部放电的异型波检测装置的各金属端进行放电；

步骤3.5：采用步骤2.2中U盘中保存的除步骤3.3所选用的异型波之外的所有异型波，对绝缘缺陷试样依此进行步骤3.4的所有操作；

步骤3.6：对步骤3.4和步骤3.5保存的所有异型波下的局部放电实验数据和放电现象进行对比，施加最小幅值就能够得到丰富局部放电谱图的那个异型波即为最佳异型波。

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