何寧輝

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011）

帶電檢測(cè)裝備線性度誤差檢測(cè)的影響因素研究

何寧輝

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011）

針對(duì)目前局部放電帶電檢測(cè)儀器缺乏統(tǒng)一檢驗(yàn)規(guī)范的問題，根據(jù)超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀檢測(cè)原理與技術(shù)規(guī)范要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室線性度誤差校驗(yàn)結(jié)果，綜合分析了信號(hào)幅值、頻率、背景噪聲對(duì)檢測(cè)儀器線性度誤差的影響,提出了用線性度誤差表征超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀器性能的方法。研究結(jié)果表明:局部放電帶電檢測(cè)儀器線性度誤差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，選擇合適的信號(hào)幅值、頻率對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的精度至關(guān)重要。

線性度；帶電檢測(cè)；局部放電；幅值；頻率

建立高壓電氣設(shè)備檢測(cè)與診斷綜合系統(tǒng)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免突發(fā)事故，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，帶電檢測(cè)技術(shù)受到電力系統(tǒng)的高度重視，帶電檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)電氣設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)或隨時(shí)的檢測(cè)與判斷，能夠彌補(bǔ)離線測(cè)試的許多不足，帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)已成為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中運(yùn)行資料的重要組成部分。

電力設(shè)備在絕緣故障初期，常常伴隨著潛伏性的局部放電現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著電脈沖、超聲波、電磁輻射、光和化學(xué)反應(yīng)，超聲波和暫態(tài)地電位檢測(cè)方法可有效檢測(cè)到設(shè)備內(nèi)部的局放源向外輻射的超聲波和電磁脈沖信號(hào)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備潛伏性放電缺陷提供了一種重要手段。目前，超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)在開關(guān)柜、GIS、電纜和變壓器等設(shè)備故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用，并成功發(fā)現(xiàn)了大量的典型案例，使得超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)的應(yīng)用越來越廣泛。

但目前有關(guān)超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀器性能檢測(cè)還沒有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致各廠家產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不盡如人意，嚴(yán)重影響了帶電檢測(cè)工作的實(shí)效性。為此，本文根據(jù)超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，提出了用線性度誤差表征超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀性能的方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了影響線性度誤差的因素。

1 超聲波和暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)

1.1 超聲波和暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)方法

當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，不僅會(huì)以電的形式向外發(fā)射電磁波，而且還會(huì)以非電量的方式向外發(fā)射光、熱和超聲波等非電量信息。以高壓開關(guān)柜為例說明，當(dāng)高壓開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，同時(shí)伴隨著產(chǎn)生電磁波和超聲波［1］，如圖1所示。

圖1 超聲波和TEV局放檢測(cè)示意

產(chǎn)生的電磁波會(huì)在金屬壁形成趨膚效應(yīng)并且沿著金屬表面進(jìn)行傳播，同時(shí)在金屬表面產(chǎn)生暫態(tài)地電壓，故可利用專門的傳感器對(duì)暫態(tài)地電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以判斷開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電缺陷，同時(shí)可以利用同一放電源產(chǎn)生的暫態(tài)地電壓信號(hào)到達(dá)不同位置傳感器的時(shí)間差或幅值差對(duì)局部放電源進(jìn)行定位。

超聲波信號(hào)由局部放電源沿著絕緣介質(zhì)和金屬件傳導(dǎo)到電力設(shè)備外殼，并通過介質(zhì)和縫隙向周圍空氣傳播。通過在電力設(shè)備外殼或設(shè)備附近安裝的超聲波傳感器，可以耦合到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，進(jìn)而判斷電力設(shè)備的局部放電情況。其中接觸式超聲波主要用于變壓器、GIS等電力設(shè)備的檢測(cè)，非接觸式超聲波主要用于開關(guān)柜、電力電纜等電力設(shè)備的檢測(cè)，本文主要討論接觸式超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀的線性度誤差檢測(cè)方法。

1.2 線性度檢測(cè)

根據(jù)超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀技術(shù)條件，超聲波局部放電檢測(cè)儀的主要性能指標(biāo)包括檢測(cè)頻帶、線性度誤差、穩(wěn)定性和靈敏度，暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀的主要性能指標(biāo)包括檢測(cè)頻帶、線性度誤差［2］、穩(wěn)定性。表1為超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀主要性能指標(biāo)要求值。

表1 超聲波和暫態(tài)地電位局部放電檢測(cè)儀主要性能指標(biāo)

其中檢測(cè)儀線性度試驗(yàn)接線如圖2所示。

圖2 檢測(cè)儀線性度試驗(yàn)接線

設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為25 MHz的正弦波信號(hào)。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值使檢測(cè)儀顯示幅值大于等于30 dB，記錄信號(hào)發(fā)生器輸出電壓U和檢測(cè)儀響應(yīng)值A(chǔ)；調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為λ×U（λ=0.8、0.6、0.4、0.2），記錄檢測(cè)儀的響應(yīng)值A(chǔ)λ。按式（1）計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的線性度誤差［4］。

2 線性度誤差檢測(cè)影響因素研究

超聲波與暫態(tài)地電壓局部放電檢測(cè)儀線性度誤差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)置任意輸出幅值大小正弦波，并保持不變，在0～50 MHz范圍內(nèi)，以1 MHz步長調(diào)整頻率，當(dāng)頻率調(diào)至30 MHz時(shí)，被檢局放儀器測(cè)得結(jié)果達(dá)到最大值，因此確定被檢測(cè)傳感器中心頻率為30 MHz。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為f=10 MHz（中心頻率 f=30 MHz）并保持不變，輸出信號(hào)幅值為Uvpp=5 V和Uvpp=2.5 V時(shí)，測(cè)量得到線性度誤差不同；當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為Uvpp= 5 V并保持不變，輸出信號(hào)頻率為 f=30 MHz和f=10 MHz時(shí)，測(cè)量得到線性度誤差不同。

2.1 信號(hào)發(fā)生器輸出幅值對(duì)儀器線性度誤差的影響

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp= 5 V的正弦信號(hào)被檢測(cè)儀器的輸出響應(yīng)值A(chǔ)≥30 dB時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=5 V時(shí)被檢儀器的輸出響應(yīng)

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器幅值為5 V時(shí)，被檢測(cè)儀器輸出響應(yīng)值為43 dB，依次調(diào)節(jié)輸出幅值為0.8U、0.6U、0.4U、0.2U，得到對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)值，并計(jì)算獲得線性度誤差，如表2所示。

表2 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=5 V的線性度誤差

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp= 2.5 V的正弦信號(hào)被檢測(cè)儀器的輸出響應(yīng)值A(chǔ)≥30 dB時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=2.5 V時(shí)被檢儀器的輸出響應(yīng)

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為2.5 V時(shí)，被檢測(cè)儀器輸出響應(yīng)值為37 dB，依次調(diào)節(jié)輸出幅值為0.8 U、0.6U、0.4U、0.2U，得到對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)值，并計(jì)算獲得線性度誤差，如表3所示。

表3 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=2.5 V的線性度誤差

由測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相同，輸出信號(hào)幅值不同時(shí)，測(cè)量得到線性度誤差是不同的，并且其線性度誤差變化規(guī)律也不同，如圖5所示。

圖5 頻率相同，幅值不同情況下的線性度誤差比較

2.2 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率對(duì)儀器線性度誤差的影響

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=5 V的正弦信號(hào)被檢測(cè)儀器的輸出響應(yīng)值A(chǔ)≥30 dB時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=5V時(shí)被檢儀器的輸出響應(yīng)

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為5 V時(shí)，被檢測(cè)儀器輸出響應(yīng)值為43 dB，依次調(diào)節(jié)輸出幅值為0.8U、0.6U、0.4U、0.2U，得到對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)值，并計(jì)算獲得線性度誤差，如表4所示。

表4 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 MHz，幅值Uvpp=5 V的線性度誤差

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為30 MHz，幅值Uvpp=5 V的正弦信號(hào)被檢測(cè)儀器的輸出響應(yīng)值A(chǔ)≥30 dB時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為30 MHz，幅值Uvpp=5 V時(shí)被檢儀器的輸出響應(yīng)

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為5 V時(shí)，被檢測(cè)儀器輸出響應(yīng)值為60 dB，依次調(diào)節(jié)輸出幅值為0.8U、0.6U、0.4U、0.2U，得到對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)值，并計(jì)算獲得線性度誤差，如表5所示。

表5 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為30 MHz，幅值Uvpp=5 V的線性度誤差

由測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出幅值相同，輸出信號(hào)頻率不同時(shí)，測(cè)量得到線性度誤差是不同的，尤其當(dāng)輸出頻率接近傳感器中心頻率時(shí)，線性度誤差會(huì)明顯偏大，如圖8所示。

圖8 幅值相同，頻率不同情況下的線性度誤差比較

2.3 背景噪聲對(duì)線性度檢測(cè)的影響

以暫態(tài)地電壓局部放電測(cè)試儀檢測(cè)為例，測(cè)試金屬背景噪聲為7 dB，試驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)頻率為27 MHz，輸出電壓幅值為Uvpp=2.5 V，被檢儀器輸出響應(yīng)為58 dB，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為27 MHz，幅值Uvpp=2.5 V的線性度誤差

如果考慮背景噪聲干擾，線性度誤差按照公式（2）計(jì)算

式中，A0—檢測(cè)儀測(cè)試背景值。當(dāng)輸入某一幅值信號(hào)U時(shí)，檢測(cè)儀測(cè)試值為A；當(dāng)輸入某一幅值信號(hào)λU時(shí)，檢測(cè)儀測(cè)試值為Aλ。

3 研究結(jié)果

（1）信號(hào)幅值的大小影響檢測(cè)儀器的線性度誤差，即檢測(cè)儀器測(cè)量不同幅值局部放電信號(hào)時(shí)呈現(xiàn)的非線性特征是不同的。

（2）信號(hào)頻率的大小影響檢測(cè)儀器的線性度誤差，即檢測(cè)儀器測(cè)量不同頻率的局部放電信號(hào)時(shí)呈現(xiàn)的非線性特征是不同的。

（3）考慮測(cè)試背景噪聲和不考慮背景噪聲的情況下，計(jì)算得到的線性度誤差相同，所以背景噪聲對(duì)檢測(cè)儀器的線性度誤差檢測(cè)結(jié)果無影響。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)超聲波和暫態(tài)地電位局放檢測(cè)儀檢測(cè)原理與技術(shù)規(guī)范要求，提出了用線性度誤差表征超聲波和暫態(tài)地電位局放檢測(cè)儀性能的方法。

（2）研究結(jié)果表明，局放帶電檢測(cè)儀器線性度誤差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，選擇合適的信號(hào)幅值、頻率對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的精度至關(guān)重要。

（3）被測(cè)信號(hào)頻率越接近檢測(cè)傳感器中心頻率，測(cè)得信號(hào)的線性度誤差越大；背景噪聲干擾對(duì)局部放電檢測(cè)儀的線性度誤差無影響。

（4）針對(duì)這些影響因素的控制方法還需進(jìn)一步研究。

［1］ 葉會(huì)生，李欣，彭平，等.超聲波和暫態(tài)地電位局放檢測(cè)儀性能測(cè)試試驗(yàn)研究[J].湖南電力.2016（4）：32-35.

［2］ 朱慶保.智能檢測(cè)儀器非線性誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2000（10）：516-518.

［3］ 魏振，張強(qiáng)，齊波，等.高壓開關(guān)柜典型缺陷局部放電特征的研究[J].高壓電器，2014（2）：60-67.

［4］ 康健.傳感器的線性度及其線性化處理[J].電子質(zhì)量，2002（7）：35-38.

Research on influencing factors of linearity error detection for live testing equipments

HE Ninghui
（Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011，China）

Aiming at the problem of the present partial discharge live detector lacking unified detection regulation,based on test principles and technical specifications of ultrasonic and transient earth voltage partial discharge detector,combining with linearity error check result in laboratory, analyzes comprehensively the influences of signal amplitude,frequency,background noise on linearity error of detectors,puts forward the method of using linearity error to indicate the partial discharge detectors performance of ultrasonic and transient earth voltage.The research result shows that in the linearity error detection test of partial discharge live detector,selection of the appropriate signal amplitude and frequency is very important to the precision of the test results.

linearity;live detection;partial discharge;amplitude;frequency

TM83

A

1672-3643（2017）01-0012-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.003

2016-10-11

何寧輝（1986），男，工學(xué)博士，工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.003