局放仪统一测评平台优化方案

5.3.5.1平台简介

云南电科院设计的局放仪统一测评平台基于计算机技术、可控脉冲信号产生技术及同步触发技术，提出了将测评功能模块进行组合的新型局放仪测评架构，实现对脉冲电流法、特高频法、暂态对地电压法、超声波法等多种类型局放仪的测评。该测评平台产生的脉冲信号频率范围宽，从声波的低频信号到电磁波的特高频信号；脉冲信号的幅值和正负极性可调；脉冲信号相对于50Hz工频信号的相位可以编程控制；可产生各种缺陷的局部放电脉冲序列实现局放仪的模式识别测评。可以对局放仪的通频带、灵敏度、线性度、模式识别等性能指标进行系统的测评。

该测评平台的原理框图如图5-54所示，主要由计算机、可控脉冲信号发生器、同步触发装置、陡化电路模块、特高频天线、超声波换能器、暂态对地电压金属板和测评软件等几个部分组成。统一测评平台的实物如图5-55所示。其中，以计算机控制的可控脉冲信号发生器为统一测评平台的核心模块，用于产生不同频率、幅值的测评脉冲。同步触发装置可以输出幅值可调的50Hz工频信号，并可以根据用户命令在特定的相位处输出触发脉冲，可触发信号发生器输出脉冲的相位。对脉冲电流法局放仪测评，通过将脉冲信号直接注入局放仪检测阻抗的方式进行测评。而其他类型的局放仪测评时需要加入一些模块，其中，通过陡化电路模块可以产生测评特高频局放仪的高频脉冲信号；超声波换能器、特高频天线和暂态对地电压金属板为能量转换装置，把脉冲信号转换为超声波信号和电磁波信号来测评超声波、暂态对地电压和特高频局放仪。

图5-54 统一测评平台原理框图

可控脉冲信号发生器基于现场可编程门阵列（FPGA）的架构进行设计，FPGA的实时性，可以保证信号的低延时输出，而且FPGA在逻辑处理和信号处理方面有很强的灵活性，并使用高速DAC、高速程控运放来保证正负极性的可控脉冲信号，原理如图5-56所示。

图5-55 统一测评平台实物图

图5-56 可控脉冲信号发生器

对于脉冲电流法、暂态对地电压法、超声波法，上述设计的可控脉冲信号发生器产生的脉冲信号已经可以满足测试要求，而对于特高频法，就无法满足其频率的测试要求，为此需要进行频带的扩展，根据特高频的频率要求需要达到GHz，其他的测评内容要和脉冲电流法尽量保持一致。为了得到更高的测试能力，需要产生脉冲边沿更加陡化的电路，产生皮秒级（上升沿）脉冲信号，以满足特高频检测方法的测试要求。为此设计图5-57所示的特高频脉冲发生电路。射频晶体管工作在雪崩开关特性区域，利用射频晶体管可以产生皮秒级（上升沿）窄脉冲。

图5-57 特高频脉冲发生电路

在没有加入触发脉冲信号时，电源电压V_CC通过R_C对储能电容C进行充电，C两端所充的电压约等于集电结雪崩击穿电压βV_CBO，使得晶体管的集电结偏置在临界雪崩状态。当触发脉冲信号输入时，晶体管发生雪崩击穿，由于雪崩电流很大，又由于电容C存储的电荷很有限（一般电容量只有几皮法至几百皮法），因此脉冲宽度很窄。

局放仪统一评测软件与测评硬件相配套，可以设置测评所需的各种脉冲信号。在计算机上运行测评软件配合可控脉冲信号发生器、同步触发模块以及其他功能模块完成局放仪的测评，软件界面如图5-58所示。

图5-58 局放仪评测软件界面

5.3.5.2测评指标

局放仪统一测评平台的测评指标主要包括：通频带、中心频率；电压脉冲信号幅值的灵敏度；电压脉冲信号间隔时间的分辨率；脉冲极性不对称误差；模式识别。

1.通频带、中心频率

局放仪的通频带和中心频率的测试是测评局放仪的必要选项之一。连接仪器设备，保持信号输入幅度U_Z及仪器增益不变，降低信号发生器输出频率至仪器输出指示刻度为0.707U_Z，此值即为下截止频率f_L。升高信号发生器输出频率至仪器输出指示刻度为0.707U_Z，此值即为上截止频率f_H。按下式计算每个通频带的中心频率f_c：

统一测评平台通过向局放仪注入正弦信号来进行通频带的测评。首先，设置正弦信号的幅值，保证注入正弦信号的幅值不变；其次，通过扫频，测得的上下限截止频率，据此可以确定中心频率。为了保证测评结果的有效性，需要多次测量。

2.电压脉冲信号幅值测量的线性度

局放仪测量脉冲幅值的线性度是输入局放仪脉冲幅度与局放仪输出脉冲幅度的关系，是确保测量一致性的保证。因为局放仪是基于统计的结果进行测量的，因此需要相同幅值的脉冲重复测试，并改变幅值多次试验，重复测量。

根据局放仪的中心频率设置脉冲信号发生器的输出频率，调节信号幅度使局放仪输出指示器满刻度，记下输入脉冲峰值电压U和指示器满度值A；依次降低脉冲峰值电压至λU（λ=0.8、0.6、0.4、0.2），记下输出指示器相应的显示值A_λ。输出指示器在各测量点的非线性误差按如下公式计算：

3.电压脉冲信号幅值的灵敏度

局放仪测量脉冲幅值灵敏度为局放仪能够分辨的脉冲信号幅值最小值。设置脉冲个数、脉冲间隔和脉冲幅值梯度，将脉冲注入待测局放仪。逐渐缩小脉冲幅值梯度，可测出局放仪对脉冲幅值变化的最小值分辨率，该值即为局放仪的灵敏度。

4.电压脉冲信号间隔时间的分辨率

局放仪对正（负）极性电压脉冲信号间隔时间的分辨率为局放仪可清晰分辨出脉冲序列的脉冲信号最小间隔值。测评可在局放仪对正负极性电压脉冲信号幅值的灵敏度测评的过程中实现，只需逐渐减小脉冲间隔时间即可获得。

5.脉冲极性不对称误差

保持注入被测局放仪的脉冲幅值U的绝对值不变，设为正极性脉冲，记录局放仪测得值U₁；将脉冲设为负极性，记录局放仪测得值U₂；根据测得值U₁、U₂计算脉冲极性不对称误差，并重复多次实验，以确保结果准确性。计算公式如下：

对于非自动式局放仪，需要手动选择各量程并按上述方法检测脉冲极性响应不对称误差。

6.模式识别

统一测评平台对局放仪的模式识别能力的测评是通过向被测局放仪注入某种已知局部放电模式的脉冲序列，测评局放仪对局部放电模式的检测能力。

生成特定放电模式的波形数据一般有四种方法：一是通过记录实际电力设备缺陷的波形来获得；二是通过搭建典型缺陷模型来产生局部放电信号，记录波形来获得；三是根据电力人员的经验合成波形获得；四是通过仿真缺陷的工况生成局部放电波形。根据以上四种方法获得的放电模式波形数据，利用统一测评平台中具有存储功能的可控脉冲信号发生装置，在计算机、可控脉冲信号发生器和同步触发装置协同工作下即可输出特定放电模式的脉冲序列，灵活性很高。首先根据波形数据通过程序生成特定放电模式的脉冲序列，并将该数据导入可控脉冲信号发生器的存储器中，其次设定脉冲序列的输出相对工频信号的相位，使可控脉冲信号发生器输出放电脉冲序列对局放仪进行测评。

7.方形眼图

方形眼图是一种能够测评局放仪多个指标的综合谱图。通过向局放仪注入预定的方形眼图脉冲序列获得图5-59所示的方形眼图。

图5-59 方形眼图

为了更好地说明方形眼图所表达的信息，将方形眼图进行标注，如图5-60所示。

方形眼图横边的实现是通过向局放仪注入相同幅值的脉冲，从相位触发位置开始，直至达到脉冲序列的等效宽度，即输出一条横边；然后改变脉冲的幅值，重复上述过程，得到另一条横边。方形谱图的纵边的实现是通过在等效脉冲宽度的起始位置和结束位置处，注入幅值递增的脉冲来获得纵边。通过上述过程即可得到一个方形眼图，从方形眼图可以获得以下局放仪综合指标。(www.xing528.com)

方形的横边可能不是一条细的直线，而是一个带状，横边越粗说明局放仪测量脉冲幅值（电荷量）的误差越大或者幅值测量漂移越大，测量稳定性不是很好；可能存在上横轴比下横轴宽，说明局放仪对幅值较大脉冲的测量误差要大于较小幅值脉冲，这说明局放仪测量的一致性不是很好。

杂点的多少可以表征局放仪抗内部噪声的能力，因为这些点可能是测量过程中局放仪内部噪声引起的点，所以会无规律地分布在谱图中，杂点越少，说明抗内部噪声能力越强，反之越弱。

对于谱图可能存在脉冲簇拖尾现象，类似于“彗星尾巴”，这个现象反映了局放仪对脉冲相位的同步准确性。拖尾越长，说明局放仪性能越差，反之越优。

图5-60 方形眼图详细说明

5.3.5.3测评案例

云南电科院利用局放仪统一测评平台对某种局放仪进行测评实验，下面介绍测评的过程及相关结论。首先按照图5-61所示的连接示意图将该局放仪接入测评平台；然后根据测评指标和方法分别对局放仪的多个指标进行测评实验，分析测评数据，获得测评结果。

图5-61 统一测评平台测评局放仪连接图

1.通频带、中心频率测评

在统一测评软件中进行扫频设置，产生不同频率的正弦波信号。在局放仪显示界面的“波形”框可以看到实际的波形输出，通过记录正弦信号的幅值变化情况即可实现通频带的测量，如图5-62所示。

图5-62 局放仪通频带测评显示界面

通过记录测评数据，获得被测局放仪的通频带的下限截止频率为17kHz，上限截止频率为18MHz，计算获得中心频率为553kHz。

2.分辨率和灵敏度测评

设置统一测评平台输出的脉冲序列如图5-63所示，这种脉冲序列可以同时测评局放仪的脉冲间隔时间分辨率和脉冲信号幅值的灵敏度。

图5-63 正负脉冲梯度序列

通过设置统一测评平台的脉冲信号的时间间隔，对局放仪的脉冲信号间隔时间的分辨率进行测评。首先设置较大的脉冲信号时间间隔，局放仪获得图5-64所示的可清晰分辨脉冲信号。然后逐渐减小脉冲信号间隔时间，找出局放仪不能分辨脉冲信号的时间间隔，即为电压脉冲信号间隔时间的分辨率，如图5-65所示，输出失真的波形，可以看出脉冲之间存在重叠，最坏的情况是，根本无法分辨单个脉冲。

图5-64 可清晰分辨脉冲信号图

图5-65 不可清晰分辨脉冲信号图

可控脉冲信号发生器产生的测评脉冲上升沿平均值1.8617ns，宽度平均值5.1032ns（安捷伦MSO7104B示波器测得）。通过实验测得被测局放仪的电压脉冲信号间隔时间的分辨率为55ns，小于该时间间隔脉冲区分度变差。

设置统一测评平台输出的脉冲序列的阶梯变化脉冲信号，通过不断减小输入局放仪脉冲间幅值梯度，读取局放仪输出脉冲波形，获得局放仪的电压脉冲信号幅值的灵敏度。

经过实验测试，被测局放仪的电压脉冲信号幅值的灵敏度为0.7mV，小于0.7mV时局放仪对脉冲幅值的分辨不准确。

3.脉冲极性不对称误差测评

实际测评实验分别产生正、负极性的脉冲序列输入到局放仪，测出局放仪测量正负脉冲的不对称度。测得数据见表5-12。

表5-12 局放仪脉冲极性不对称误差

4.尖端局部放电模式识别测评

统一测评软件选择尖端局部放电测评，产生尖端放电脉冲序列和脉冲相位，脉冲序列注入被测局放仪。局放仪的检测结果如图5-66所示，尖端放电的PRPD谱图主要集中在工频信号的波谷位置上。从图5-66上可以看出，该局放仪的模式检测结果为尖端放电（可能性为1.0），被测局放仪的模式识别结果如图5-67所示，说明该局放仪的模式识别功能较好。

5.方形眼图测评

图5-68为被测局放仪正负极性的方形眼图，发现局部放电PRPD实时放电谱图中的方形眼图的横边很大幅值漂移（一条带状），说明该局放仪测量稳定性不是很好。

图5-66 局放仪尖端放电模式识别实验

图5-67 被测局放仪的模式识别结果

图5-68 被测局放仪方形眼图

a）正极性方形眼图 b）负极性方形眼图

从图5-68a正极性方形眼图和图5-68b负极性方形眼图中可以看出两条横边的宽度差别较大，说明局放仪对幅值较大脉冲的测量误差要大于较小幅值脉冲，说明该局放仪测量的一致性一般。从图中可以测得正负极性的小幅值测量误差约为±0.04V，大幅值的测量误差约为±0.08V。

从图5-68中的实时放电谱图看出有少量的杂点出现，说明该局放仪抗内部噪声的能力较好。但谱图中可以看出脉冲簇拖尾现象比较严重，说明该局放仪对脉冲的同步能力或捕捉脉冲相位的能力一般。