1、本科毕业论文（20 届）基于 Visual C+的局部放电数据采集系统的设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -基于 Visual C+的局部放电数据采集系统的设计摘 要随着城市电网用电负荷的不断增涨，电力电缆的故障概率也大大增加，开展电力电缆局部放电数据采集研究对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。近几年电力电缆在电力系统中得到了广泛的应用，对电缆绝缘的检测也成了研究的一个热点。由于局部放电信号与电缆绝缘老化的关系密切，可以通过检测局部放电来完成电缆绝缘状态的检测。本文在阅读国内外大量文献的基础上，对电
2、缆局部放电的相关理论进行了论述。在此基础上，研制与开发了基于高频和特高频联合检测法的电缆局部放电数据采集系统，包括硬件与软件的研制。硬件系统包括高频电流传感器、阿基米德平面螺旋天线、信号调理电路、采集卡和工控机。为实现对高频信号的采集，设计和制作了基于罗哥夫斯基线圈原理的高频电流信号传感器。为实现对特高频信号的采集，完成了阿基米德平面螺旋天线的制作与阻抗匹配。针对高频和特高频信号不同的信号特点分别设计了信号调理电路，包括滤波、检波和放大几部分。软件系统基于 VC+的开发平台。为实现对数据采集卡的采集控制、实时波形的显示以及相关数据处理，开发了包括数据采集、参数设置、波形显示、数据处理、标定和数
3、字滤波的软件系统。同时，为检验所设计的电缆局部放电数据采集系统的性能，在实验室搭建了局部放电试验平台，并对该系统的软、硬件分别进行了调试。实验证明，该系统能够达到设计要求，具有较好的现场应用前景。关键词 局部放电；数据采集；自适应滤波；哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The Design of Data Acquisition System for Partial Discharge Based on Visual C+AbstractWith the increasing development of power system, the rapid increase in electr
4、icity load and the continuous growth of transmission lines, the online-monitoring and diagnosis of power cable is more and more important for the entire power system to run safely and stable. In recent years，power cables has been widely used in the power system.The insulation detection has become a
5、hot topic.As PD signals is closely related with the aging of cable insultion, the testing of cable can be achieved by analysising the PD signal.On the basis of knowledge from many documents, the theories of ttcable partial discharge is mainly elaborated in this paper. According to these theories and
6、 the application of the combined measuring method of HF and UHF in the cable partial discharge detection, a new type of on-line PD monitoring system for the XLPE cable is developed，including hardware and software development. The hardware system is composed of the cuurent sensor, the signal prepocce
7、ssing circuit and the PD signal collecting unit. The software system is developed based on the VC+ software development platform，realizing function of controlling the data acquisition card.At the same time, in order to verify the performance of the designed cable PD monitoring system, the test platf
8、orm for measuring PD is built in the lab, and the hardware and software of PD monitoring system are tested and debugged respectively.Keywords partial discharge; data acquisition; adaptive filter哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景、目的及意义 .11.2 国内外发展现状及未来发展趋势 .31.3 高频和特高频联合检测法 .4
9、1.3.1 特高频检测法 .41.3.2 高频检测法 .41.3.3 特高频和高频检测法对比分析 .51.4 本文主要内容 .5第 2 章 数据采集系统的硬件设计 .72.1 数据采集系统的硬件部分总体设计 .72.2 高频电流传感器 .72.2.1 高频信号传感器设计原理 .72.2.2 高频信号传感器磁芯的选择 .82.2.3 积分电阻的选择 .92.3 天线 .92.3.1 天线的设计原理 .92.3.2 微带线的设计 .102.3.3 超高频天线性能测试与分析 .102.4 信号调理电路 .112.5 数据采集卡 .142.6 本章小结 .15第 3 章 数据采集系统软件的设计 .16
10、3.1 虚拟仪器与 Visual C+开发平台 .163.2 数据采集系统的软件整体设计 .173.3 TDECAPI 动态库的调用过程 .183.4 数据采集部分 .193.5 参数设置部分 .203.5.1 参数设置面板 .203.5.2 参数设置面板的实现方式 .223.6 波形显示部分 .223.7 数据处理部分 .243.8 标定部分 .25哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -3.9 数字滤波 .253.10 本章小结 .26结论 .27致谢 .28参考文献 .29附录.30哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题的背景、目的及意义局部放电，是绝缘介质中的一
11、种电气放电，当局部区域的电场强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有击穿，仍保持绝缘性能能，这就是局部放电。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。随着我国国民经济的飞速发展，我国的电网建设取得了显著的进步，电力电缆由于其敷设于地下，跟架空线路相比，存在着诸多方面的优点，因此得到了广泛的应用。很多发电厂、变电所、工矿企业以及城市供电的动
12、力引入或引出线都选择用电力电缆。和架空线路不同，电力电缆因其铺设在地表以下，所以受气候的影响较小，安全可靠，隐蔽耐用，同时节约土地面积。随着电力电缆的大量投入使用，随之而来的电缆故障也迅猛增加，这就要求电力部门投入大量人力物力去进行电缆的故障检测，防患于未然，提高供电的可靠性。电力行业是国家的基础性行业，一旦电气设备出现故障，轻则导致大面积的停电事故，影响人民的生活和企业的生产，重则导致输电设备的损坏，甚至是整个电网的瘫痪。据统计，60%左右的电气故障都直接或间接与设备的绝缘有关，因此，在当前对供电可靠性要求不断提高的情况之下，电缆的绝缘检测就显得愈发重要，成为当下研究的热点。而由于局部放电信
13、号与电缆绝缘老化的关系密切，可以通过检测局部放电来完成电缆的检测。许多研究表明，在电场作用下绝缘老化的主要原因是局部放电。局部放电对电缆造成的破坏是一种侵蚀作用，主要有以下几个方面：1. 带电粒子冲击绝缘，破坏其分子结构；2 带电离子撞击绝缘，使绝缘出现局部温升，造成绝缘分子结构一定程度上的碳化破坏；3.局部放电对绝缘的破坏释放出臭氧或者氮的氧化物，加上空气中的水分等发生化学反应，对绝缘进一步腐蚀。若上述的局部放电侵蚀作用长期存在，就会造成电缆的永久性损伤，这种损伤在长期工作中还会不断的恶化，以至发生绝缘击穿，产生或大或小的电力故障，甚至是生命财产损失。研究绝缘，改善绝缘，不仅仅是经济问题，更
14、是安全问题，而局部放电就是表征电缆绝缘状况的一个指标，哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -对局部放电的存在，放电强度等进行检测是判断电缆绝缘性能的一种可靠的方法，如何能在不影响电力运行的情况下准确的检测局部放电就成为当前研究的重点。电力电缆的按绝缘种类可分为油浸纸电力电缆、塑料电力电缆、橡皮电力电缆、气体绝缘电力电缆和特种绝缘电力电缆，其中以油浸纸和塑料电力电缆最为常见。近几年，由于交联聚乙烯电力电缆在其电气性能和耐热性能上的突出特点，传输容量大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受落差限制，尤其是没有漏油和引起火灾危险等的优点，得到了广泛的推广和应用，并且向高压、超高压传输领
15、域发展，有逐渐替代油浸纸电力电缆的趋势。尽管交联聚乙烯电力电缆有诸多优点，但是电缆恶劣的运行环境还是会造成早期投入运行的电缆的电化、老化，破坏电缆绝缘，以致事故屡屡发生。一般认为，影响交联聚乙烯电缆及其附件绝缘性能的主要原因是局部放电和电水树枝，而局部放电是定量分析树枝劣化程度的有效方法之一。以现在普遍应用的交联聚乙烯电缆为例，在发生电树枝初期，其放电量只有 0.1pC，而在树枝发展到介质临界击穿状态时，放电量可达到 1000pC。众所周知，一旦发生绝缘击穿等严重的电缆故障，那么将会浪费更大的人力物力和财力，造成社会损失和经济损失。所以研究电缆早期绝缘检测方法对于延长电缆寿命，提高电网运行可靠
16、性有至关重要的作用。局部放电检测的意义就是判断检测到的放电量的大小，以此为依据判断电缆的运行状况。当此参数大于一定的阈值时，就需要相关部门作出相应的补救措施。交联聚乙烯电缆本体绝缘在制造过程中如混入金属杂质、出现气孔空洞，或由于内、外半导体层不规则突起引起高压场强的不均匀，或本体绝缘中存在的电树等，在电场长期作用下，在这些部位都有可能出现局放。另外，电缆终端头和中间接头等附件一般在现场制作，由于其绝缘结构复杂，影响其绝缘性能的原因更多。例如：1. 周围环境中的水分入侵使电缆附件绝缘局部受潮。2. 在安装或检修中，使电缆附件绝缘受到损伤；3. 长期在电场和水分的作用下，交联聚乙烯电缆附件绝缘中产
17、生了水树枝现象；4. 安装终端和接头时，在绝缘内留下了气隙；5. 在电缆或接头的导体表面上存在毛刺。在电场长期作用下，上述原因都可能引发交联聚乙烯电缆附件绝缘中产生局部放电，因而终端和中间接头发生事故的概率远远大于电缆本体。故电缆局部放电在线检测方法多侧重于电缆附件故障的检测，同时在电缆中间接头处获取信号的灵敏度比从电缆本体获取信号的灵敏度要高且容易哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -实现。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。
18、1.2 国内外发展现状及未来发展趋势近年来，随着电力设备电压等级的不断提高以及对设备运行可靠性要求的提升，局部放电作为评估设备绝缘状态的一个重要指标被大多数人所采纳。最初用于局部放电的检测设备是基于西林电桥的功耗电桥。该设备在1919 年开发出来，并在 1924 年首次用于局部放电检测。一年后，即 1925 年，Schwaiger 发现了电晕放电时的无线电频率特性。这项发现为设计测量电晕放电的无线电干扰仪奠定了基础。这种无线电干扰电压法（RIV ）至今仍在一些国家，尤其是在北美国家中广泛应用。 1928 年，Lloyd 和Starr 提出了平行四边形测量局部放电的方法，该方法可以认为是积分电桥
19、的始祖。积分电桥是 Dakin 和 Malinaric 在 1960 年提出的 1。这种方法在局部放电的物理研究中具有独到的优点，至今仍在应用 2。 此后，各种局部放电检测技术应运而生。伴随着局部放电会产生各种物理、化学现象,如:电荷的交换、电磁波、声波、发热、发光、产生分解物等,因而根据局部放电的物理化学以及电的特征可以将局部放电的检测方法分为非电气测量和电气测量两大类。非电气测量方法有超声波检测法、振动加速度法，红外检测法和化学检测法等。超声波检测法多应用于电缆接头的检测 3，由于声传播随距离的增加衰减较快，超声波检测法对长电缆的检测效果不佳。非电检测法具有不受电气干扰，抗干扰能力强的优点
20、，但是却存在着测量灵敏度低，不利于定量分析的缺点。电气测量方法主要有：脉冲电流检测法、超高频（UHF）检测法等 4。脉冲电流法是最基本最为广泛应用的一种局部放电检测方法。其中实验室局部放电测量常采用 IEC60270 推荐的脉冲电流法，采用分压器和RLC 电路以耦合几十到几百 kHZ 的局部放电信号，可以测得放电量、放电重复率及平均电流等，其测量灵敏度最高。但是该方法的测量频带较低，易受背景干扰的影响，抗干扰能力差。理论研究表明，XLPE 电力电缆局部放电脉冲包含的频谱很宽，最高可达到 GHz 数量级。因此，选择在信噪比高的频段测量能避免干扰的影响。目前国内外已把电缆局部放电测量的焦点转移到高
21、频和超高频测量上，这也是本文所采用的方法。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -电缆局部放电在线监测方法可根据信号采集方式，分为电磁耦合法和电容耦合法；根据采集信号频带，分为高频 HF 法（频带在300k30MHz ）甚高频 VHF 法（频带在 30M300MHz）和特高频 UHF法（频带在 300M3000MHz） ；根据采集信号的传输方式，分为电光法（电光变换与光纤通信）和非电光法（同轴电缆传输方式） 。传感器还有差动式（或桥式）和非差动式，侵入式和非侵入式之分，显而易见，差动式传感器抗外来干扰的能力强，非侵入式传感器容易安装，现场应用时将更受欢迎。对于电容耦合方式，可采用金属护套外贴电极和
22、内埋电极，外贴电极容易安装，但内埋电极可以提供最大的信噪比。对于电磁耦合方式，可安装在电缆外部，它只检测局放脉冲产生的磁场信号 5。未来局部放电测试技术的发展应有以下特点：1. 为了从需要测试的放电信号中区分开干扰信号，要开发出更有效的抗干扰技术。特别是在高压直流和高压连续脉冲条件下进行局部放电检测，抗干扰问题显得尤为突出。 2. 改善用于长期局部放电诊断监测系统的运行可靠性，这个系统的可靠性应高于被监测的高压设备。3. 为了快速识别局部放电缺陷的危险性，未来的专家系统应包括多元数据和同步处理技术。总之，对高压设备可靠性要求的不断增长将需要更高级的局部放电诊断工具。局部放电诊断工具的可靠性和经
23、济方面的问题已得到重视。1.3 高频和特高频联合检测法高频检测法符合标准，能获得试品的视在放电量指标;但抗干扰能力差，难于获得高的监测灵敏度。特高频检测法的抗干扰能力强，但无法进行放电量标定，限制了它在电力部门的应用。显然，将两种方法联合起来使用，取长补短，是一个提高局部放电数据采集灵敏度的可行办法。1.3.1 特高频检测法每一次局部放电都发生正负电荷的中和，伴随着一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明:局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小的时候，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强;而放电
24、间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时的电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。1.3.2 高频检测法高频检测法就是常用的脉冲电流法，这是最早研究并且也是迄今为止哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -使用最广泛的一种检测方法，IE 对此制定了专门的检测标准 6标准规定宽带局部放电测量仪的频率范围为:下限频率 f1 为 30kHzf1100kH，上限频率为 f2500kH，带宽 f 为 100kHf400kHz。窄带局部放电测量仪的中心频率 fm 为 50kHzfm1000kHz，带宽 f 为 9kHzf30kHz。因此，相对特高频而言，通常将脉冲电流法称为高频检测法。1.3.3
25、特高频和高频检测法对比分析1.特高频检测法的频率范围为 300MHz3000MHz。而常用的高频检测法的频率测量范围一般不超过 1MHz2.在高频检测法中，试品被看作一个集中参数的对地电容，发生一次局部放电时，试品电容两端产生一个瞬时的电压变化，通过耦合电容在检测阻抗中产生一个脉冲电流。而在特高频检测法中，试品不能看作一个集中参数的电容，需要用传输线的理论来分析，传感器是特高频天线，接收的是空间电磁波，由于天线的宽频带特性，使得接收的信号更丰富。3.局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正比，当只考虑检测仪元件（如放大器等）的热噪声对灵敏度的影响时，用超宽频带(UWB)检测(有更高的灵敏度，例如，对
26、半峰值处有 1.5ns 宽度的局部放电脉冲，在理想状态下，1MHz 带宽的检测灵敏度为 0.1pC,350MIHz 带宽的检测灵敏度可达0.01pC7。4.特高频检测法可以测量真实的局部放电脉冲，从而可以分析绝缘中局部放电的性质和物理过程。5.特高频检测法和高频检测法测量局部放电的方式不同，接收传感器也不同。高频检测法中传感器通过耦合局部放电回路中的电流来测量局部放电信号。传感器一般采用罗果夫斯基线圈(RogowskiCoil)原理制作的电流传感器。而特高频检测法中的传感器主要用于接收局部放电辐射出的电磁波，常用超高频天线作为传感器，要求其工作频带宽、瞬态响应好，线性度好，输出失真小，工作稳定及灵敏度高。1.4 本文主要内容本文对电缆局部放电的基本理论和检测的主要方法展开了研究，在参阅大量相关文献并对国内外学者的成果进行系统的分析、研究之后，对局部放电数据采集的相关理论、检测方法以及抗干扰措施等方面进行了论述。本文通过参阅大量相关文献，在掌握局部放电在检测技术的现状及发展趋势基础上，利用现代计算机及电子技术开发出一套携带方便、可以单独使用的智能局部放电数据采集系统。主要开展的研究工作包括：1.研究局部放电信号特征，确定局部放电数据采集系统的信号采集频
