《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于脈沖點云圖的局放儀線性度測評方法研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
劉子超1，張文斌1，李天文1，索春光1，譚向宇2，彭 晶2
(1.昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明650504；2.云南電網(wǎng)責(zé)任有限公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明650011)
摘要： 局部放電檢測儀是確保電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，需要定期對其進(jìn)行測評，其中線性度測試是必須進(jìn)行的實驗項目之一。從局部放電信號的隨機性出發(fā)，提出了基于統(tǒng)計法和φ-Q-n圖的點云圖概念，用于測評局放儀線性度。為更準(zhǔn)確測試局放儀本體的線性度，采用直接脈沖電流注入局放儀本體的測量方式。根據(jù)本文的測試方法，針對MPD600局放儀本體的線性度測評，給出了詳細(xì)的實驗過程和線性度分析，并驗證了此法的可行性。
中圖分類號： TM93
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.014

中文引用格式： 劉子超，張文斌，李天文，等. 基于脈沖點云圖的局放儀線性度測評方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：55-57，61.
英文引用格式： Liu Zichao，Zhang Wenbin，Li Tianwen，et al. Studying the method of pulse point cloud image to evaluation the PD instrument linearity[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：55-57，61.
Studying the method of pulse point cloud image to evaluation the PD instrument linearity
Liu Zichao1，Zhang Wenbin1，Li Tianwen1，Suo Chunguang1，Tan Xiangyu2，Peng Jing2
1.College of Science，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China； 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute of LLC，Kunming 650011，China
Abstract： Partial discharge(PD) instruments were the key to ensure the power equipments and system safety, it was need to regularly check and test. The evaluation of the PD′s linearity test, which was one of experiments, must be carried out. This paper considered the partial discharge signal was random, and proposed the concept of point cloud image, which was based on statistical method and φ-Q-n image, using it to evaluation of the PD′s linearity. For more accurate testing PD instruments host linearity, with the direct pulsed current injection method to evaluation the PD instruments host. According to the test method in this paper, as a test case of MPD600’s linearity, giving a detailed analysis of the linear and experimental process, to verify the feasibility of this method.
Key words : partial discharge；linearity；point cloud image；direct pulse current injection

　

0 引言

　　局部放電是當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在放電區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的放電現(xiàn)象。局部放電常常出現(xiàn)在高壓電氣設(shè)備中，其危害性很大，表現(xiàn)在它會對設(shè)備的絕緣介質(zhì)有嚴(yán)重影響[1]，而且絕緣失效往往以局部放電活動為前兆。局部放電測量是近代發(fā)展起來的一種對絕緣損害很小的分析絕緣缺陷的先進(jìn)方法，可以避免對高電壓設(shè)備進(jìn)行有破壞性的交流耐壓試驗。局部放電測量儀（簡稱局放儀）用于測量電氣設(shè)備局部放電信號的波形和幅值，并用視在放電量的大小表示絕緣結(jié)構(gòu)中微放電的強度[2]。由于局部放電測量是高壓電力設(shè)備必不可少的絕緣試驗項目，因此局放儀的準(zhǔn)確度直接影響到電氣設(shè)備的絕緣可靠程度，關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行水平，為此需要定期對局放儀進(jìn)行測評，其中線性度測試是必須進(jìn)行的實驗項目之一。

　　線性度是指測量裝置輸入、輸出之間的關(guān)系與理想比例關(guān)系（即理想直線關(guān)系）的偏離程度。目前多通過電荷量的輸入輸出關(guān)系來對局放儀進(jìn)行線性度測評。文獻(xiàn)[3]通過注入10 pC至1 000 pC、重復(fù)率為每秒100個正負(fù)極性的脈沖進(jìn)行線性度測試。但是沒有考慮校準(zhǔn)電容容量誤差和脈沖相位的影響?？紤]到局放是一個暫態(tài)快速隨機信號，通過捕獲脈沖相位、脈沖電壓（電荷量）的統(tǒng)計方式測評局放儀線性度更具客觀性，因此本文提出了基于脈沖點云圖測評局放儀線性度的方法，為局放儀線性度的測評提供一種參考。

1 測試方法

　　1.1 點云圖法

　　局放信號是一個暫態(tài)快速的隨機過程，測得的局放信號具有很大的隨機性，所以通過統(tǒng)計分析的方法來研究局部放電具有更高的可信度。為此必須采集儲存大量的局放信號作為樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析，為了減少數(shù)據(jù)量，局放儀一般以電荷量Q、放電相位φ為主要存儲對象。

　　基于統(tǒng)計的特性提出點云圖的概念：通過對多個周期內(nèi)的局放信號進(jìn)行統(tǒng)計，可得到3個基本量：n(放電次數(shù))、Q(放電電量)、φ(放電相位)，并以φ為橫軸(0°～360°)，相同相位折疊得到φ-Q-n圖，即點云圖(n作為統(tǒng)計信息)。圖1所示為一脈沖序列(11個等幅值脈沖，脈沖間隔18°)，起始于35°，n=6 850時形成的點云圖。

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　　利用點云圖的方式測評局放儀的線性度更能客觀體現(xiàn)出局放儀的性能參數(shù)。而且脈沖點云圖是識別模式放電的重要依據(jù)，文獻(xiàn)[4-6]根據(jù)相關(guān)原理進(jìn)行模式匹配，以分析各種工況下的局部放電與故障診斷。

　　1.2 直接脈沖電流注入法

　　從局放儀測評系統(tǒng)角度分析，可將局放儀系統(tǒng)分為三部分：校準(zhǔn)裝置、傳感器、局放信號采集裝置，如圖2所示。

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　　通常局放儀的線性度測評是：校準(zhǔn)器從1處的校準(zhǔn)端注入脈沖信號，利用多組視在電荷量與局放儀檢測電荷量的對比實驗來實現(xiàn)。但是此法不夠精確，因為可能是校準(zhǔn)電容容量誤差，傳感器2的非線性、漂移等引起的局放信號采集誤差，或者是局放信號采集裝置3測量不夠準(zhǔn)確。為了消除上述因素，提出直接脈沖電流注入局放儀本體的測試方法，即無線傳感器2，直接對局放信號采集裝置3進(jìn)行測試，以更準(zhǔn)確反映出局放儀本體的線性度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由此必須輸入小幅度的工頻同步信號和已知電荷量的脈沖信號。

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2 測評系統(tǒng)設(shè)計

　　局放儀線性度測評系統(tǒng)由計算機、數(shù)控脈沖信號發(fā)生器、工頻同步觸發(fā)裝置以及待測局部放電檢測儀本體組成，如圖4所示。數(shù)控脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生電壓幅值、重復(fù)頻率可控、納秒級脈沖信號，并可外部觸發(fā)。工頻同步觸發(fā)裝置：一是產(chǎn)生50 Hz幅值可控的正弦信號，二是接收計算機控制命令，在設(shè)定相位處觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生信號。系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖信號和同步信號同時注入局放儀本體。

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　　數(shù)控脈沖信號發(fā)生器和工頻同步觸發(fā)裝置采用雙通道可編程DAC板卡實現(xiàn)，其輸出信號幅值、頻率等參數(shù)可數(shù)控。注入局放儀本體的脈沖信號為方波[7]，其電荷量Q=Idt，即方波的面積表示電荷量的大小，而非視在電荷量，并且電荷量Q與方波電壓成正比。

3 實驗及結(jié)果分析

　　為了驗證上述測試局放儀線性度方法的可行性，實驗選用OMICRON公司的MPD600本體進(jìn)行線性度測試，同時使用安捷倫MSO7104B 1 GHz 4 GSa/s示波器，以輔助觀測脈沖電壓、相位、同步信號等。整個測試系統(tǒng)如圖5所示。

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　　實驗過程：在設(shè)定相位處打出10個每個相差50 pC的單脈沖，并且每一電荷量值記錄1 000點左右，重復(fù)多次實驗。例如，圖6(a)是在293°處形成的負(fù)脈沖點云圖，圖6(b)分別是66°、156°處形成的正脈沖點云圖。

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　　以圖6(a)為例進(jìn)行說明，為了表述方便，在圖7中已標(biāo)注說明。圖7中一共出現(xiàn)12簇點云圖，點4、5，7、8之間標(biāo)注的是測試產(chǎn)生的干擾。數(shù)字處的注入電荷量為：數(shù)字值×50 pC，實際檢測值通過軟件讀取，并且每點重復(fù)1 000次左右。

　　直觀分析可以發(fā)現(xiàn)：(1)MPD600對正脈沖檢測的線性度優(yōu)于負(fù)脈沖，表現(xiàn)在圖6(b)中的點云圖呈點圓狀，各個量值的點云圖分布均勻，接近理想值。圖6(a)中對于大于300 pC的脈沖測量誤差較大，出現(xiàn)上下抖動，表現(xiàn)在點云圖為豎條狀。(2)MPD600對脈沖相位捕捉準(zhǔn)確，無相位抖動，表現(xiàn)在位于同一相位處點云圖處于同一豎線上，左右抖動很小，并無影響電荷量的測量。(3)圖中左側(cè)矩形區(qū)域為改變脈沖電壓而引起的散點噪聲脈沖，其極性、電荷量、相位、點數(shù)分布離散，但對整體測試結(jié)果并無影響。

　　根據(jù)實驗過程，將多次實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，記錄在表1中，以分析MPD600的線性度。并根據(jù)表1，作圖8所示的正負(fù)脈沖的電荷量統(tǒng)計圖。

　　MPD600檢測正負(fù)脈沖的線性誤差通過式(1)計算得到。

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　　通過式(1)得到：正脈沖的檢測線性度誤差為3%，負(fù)脈沖的檢測線性度誤差為7%，說明了MPD600對正脈沖檢測的線性度優(yōu)于負(fù)脈沖。根據(jù)技術(shù)手冊MPD600校準(zhǔn)后，檢測的不確定度在±2%[8]，即在5%±2%的范圍內(nèi)，說明MPD600對負(fù)脈沖檢測的線性度是可接受的，而且通過校準(zhǔn)定標(biāo)可以進(jìn)行修正。由此也進(jìn)一步說明了點云圖測評局放儀線性度是可行的，測量的誤差在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

　　(1)對于局放儀線性度的測評，考慮到局放信號的隨機性和相位性，提出了利用點云圖(φ-Q-n)的概念進(jìn)行線性度的測試方法，并以實驗驗證了此法的可行性和合理性，并得到MPD600對正脈沖檢測的線性度優(yōu)于負(fù)脈沖的結(jié)論，其測量誤差是也在合理范圍內(nèi)。

　　(2)為了排除傳感器、校準(zhǔn)電容容量誤差等不確定因素的影響，提出了直接脈沖電流注入局放儀本體的測試方式，以最大程度地保證對局放儀本體測試的準(zhǔn)確性，并與局放儀校準(zhǔn)國標(biāo)中的脈沖電流法具有一致性。

　　(3)注入局放儀本體的脈沖信號是上升沿為納秒級的方波，其面積表示電荷量的大小，而非視在電荷量，并且電荷量與方波電壓成正比。

　　(4)本文目前只對局放儀本體進(jìn)行了線性度測評研究，下一步可以利用類似的方式對局放信號傳感器進(jìn)行研究測試，以構(gòu)成對整個局放儀系統(tǒng)的測評。同時可為局放儀校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)測試提供參考指標(biāo)。

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