局部放电信号特征的提取

摘要

在局部放电量的实际测量中，测量的准确性经常会受到外界干扰的影响。如何正确判断局放脉冲和干扰脉冲成为一个重要环节。如何全面掌握设备内部局放的信息来进行绝缘诊断也一直是很多学者和现场试验人员研究的方向。本文介绍了一种用于正确区分局部放电脉冲和干扰脉冲，准确测量局部放电量，并能够分析局放发生过程中所记录的各种信息的图形分析方法。文章的第一章，作者从局部放电的产生、危害、一般测试方法以及测试技术的新发展等方面概述了一些基础知识。文章的第二、三、四章，作者从图形分析方法的原理、具体实现和现场应用等角度，全面阐述了这种新的局部放电测试方法。文章最后，作者对全文进行了总结，并展望了今后的工作。

关键词: 局部放电；图形分析；应用

Characteristic Extraction of Partial Discharge

Signal

Abstract

When measur the amount of partial discharge, the accuracy of measurement is varied constantly by outer interference. It's important to distinguish partial discharge pulse from interference pulse. So how to judge insulation quality according to partial discharge information became the study direction of many scholars and site personnel. A graphic analysis method is introduced in the paper, which can distinguish partial discharge pulse from interference pulse and measure the amount of partial discharge accurately, analyze all kinds of graphic that is recorded during the process of partial discharge. In chapter one, some fundamental knowledge of partial discharge is discussed. In chapter two、three and four. The new measurement is elaborated in the principle of graphic analysis and site application. In the end, the author summarized, and out looked the future.

Keywords;Partial discharge ;Graphic analysis;Application

摘要 ........................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................. II

1绪论 ............................................................................................................ 1

1.1 课题的背景 .................................................................................................................... 1

1.1.1 局部放电定义及其产生原因 ................................................................................... 2

1.1.2 局部放电的危害 ....................................................................................................... 3

1.2 局部放电的测试方法 .................................................................................................... 4

1.2.1 非电测法 ................................................................................................................... 4

1.2.2 电测法....................................................................................................................... 4

1.3 局放测试技术的新发展 ................................................................................................. 5

1.3.1 傅立叶变换 ............................................................................................................... 5

1.3.2 自适应滤波............................................................................................................... 5

1.3.3 专用滤波器 ............................................................................................................... 6

1.3.4 小波变换 ................................................................................................................... 6 2 局部放电的测量......................................................................................... 8

2. 1 工频电压下的局部放电 ................................................................................................. 8

2.2 局部放电的参数 .............................................................................................................. 9

3 图形分析方法及其实现 ............................................................................ 11

3.1 局部放电测试的图形分析方法 .................................................................................... 11

3.2 图形分析方法的硬件实现 ........................................................................................... 15

3.3 图形分析方法的软件实现 ............................................................................................ 16

4 图形分析方法的应用 ................................................................................ 17

4.1 局部放电脉冲的图形分析 ........................................................................................... 17

4.2 局部放电测量中的干扰图形分析 ................................................................................ 22

4.3 图形分析在局部放电现场测量中的应用 .................................................................... 28

4.3.1 局部放电测量中的电晕图形 ................................................................................. 28

4.3.2 局放图形的分析 ..................................................................................................... 30

4.3.3 图形分析方法在绝缘判断中的应用扩展 ............................................................. 33

4.3.4 图形分析方法应用中的遗留问题 ......................................................................... 35

结论 .............................................................................................................. 38

参考文献 ...................................................................................................... 39

致谢 .............................................................................................................. 40

1绪论

1.1 课题的背景

对电力设备进行在线检测是具有重大现实意义和应用前景的前沿课题，对提高电力系统的安全性和运行水平有巨大的作用。国外对局部放电在线检测技术的研究始于20世纪60年代，但直到20世纪70～80年代，随着传感、计算机、光纤等高新技术的发展和引用，在线检测技术才真正得到迅速发展。我国对在线检测技术的重要性也早有认识，早在20世纪60年代就提出过不少带电实验的方法，但由于操作复杂，测量结果分散性大，没有得到推广。20世纪80年代以来，随着高新技术的发展与引用，我国的绝缘在线诊断技术也得到了迅速的发展[1,2]，但由于在线诊断技术的难度，无论是国内，还是国外，除了个别项目以外，大多还很不成熟，仍处于研究发展阶段。随着电力工业的发展和技术进步，大型电力设备的容量和电压等级都在迅速增长。单机容量的增大为提高输电效率、降低成本，减轻电能传输对环境的影响提供了可能，同时也对电力设备运行的安全性提出了更高的要求[3]。由于随着单机容量和电压等级的增大，更有可能造成绝缘缺陷点的击穿；而大容量电力设备事故的波及面大，修理周期长．费用昂贵，停运损失尤其惨重。大量的实验表明，不同放电模式对绝缘的危害程度不同。如：变压器内部的气隙及油中杂质放电对变压器绝缘的危害程度较小，只有缓慢地老化作用；高压线圈端部的静电板处常发生的油隙放电、由线圈中的长垫块向围屏发展的沿面放电以及悬浮电极放电则会使绝缘在较短时间内损坏。因此监测变压器的局部放电不但要知道当前放电量的大小，而且要知道放电的类型。目前针对放电模式识别的研究很多，但实现电力设备的在线故障识别诊断仍是一项具有很大挑战性的工作。传统的放电类型识别主要靠有经验的专业人员来完成，在不考虑数据准确度的情况下，诊断结果的合理性主要取决于专业人员的责任心和经验的积累程度：随着计算机技术及数字信号处理技术的发展，人们提出了许多种自动模式识别方法，如基于隐式马尔可夫模型(Hidden Markov Models)[4]，人工神经网络(ANN)[5]、模糊理论[6]专家系统[7]等的模式识别法,其中人工神经网络以其大规模处理能力、分布式存储能力和自适应学习能力成为该领域研究人员的首选工具之一。特别是把现代数学分析技术与人工神经网络相结合用于放电类型的模式识别中，会大大提高识别效果。

在所有的高、低压设备的绝缘系统中，绝缘内部小空隙里或者绝缘的表面都有可能发生局部放电。对于电动机/发电机而言，局部放电是发生在高压定子绕阻绝缘中的小电火花。在通常情况下，质量良好的定子绕阻在良好的工作条件下仅有少量的局部放电发生。然而，多年的经验表明，由于绕阻长期受高温、高电压、振动以及油污、潮湿和化学物质的作用，定子绕阻绝缘将不断恶化，其产生的局部放电将呈10倍以上的速率增长，同时局部放电又加速了绕阻绝缘的恶化。因此，通过监测局部放电可有效监测定子绕阻的绝缘状态。根据近年来的事故统计表明，发电机和电动机的定子绕阻绝缘故障占总事故的40%以上，其中大部分是由于局部放电造成的。而通过安装局部放电监测系统，可在发电机和电动机带负荷运行的情况下及时在线评估绕阻的绝缘状态，掌握绕阻内部绝缘可能出现的劣化情况，并能提前给出绕阻绝缘故障的风险预报，避免突发性故障的发生。同时，通过局部放电监测系统，还可以辅助发现导致绝缘故障的主要原因。

1.1.1 局部放电定义及其产生原因

1 定义。绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿于施加电压的导体之间，这种现象称之为局部放电。局部放电可能发生在绝缘体的内部，也可能发生在绝缘体的表面，前者称为内部局部放电，后者称为表面局部放电。在国际电工委员会IEC-270文件中，局部放电的定义为:两个导体间的绝缘只有部分被短接的电气放电。这种放电可以是，也可以不是发生在导体的附近。固体介质中的空穴、液体绝缘中的气泡，介质的层间油隙，局部场强过高的介质表面等都能形成局部放电;绝缘表面污染或受潮等也能造成局部放电。

2 产生的原因。当绝缘体中局部区域的电场强度达到击穿场强时，该区域就发生放电。在实际的绝缘系统中，有的是由复合材料构成的，如液体与固体、气体与固体等复合绝缘系统。在这样的绝缘系统中，不同材料中的电场强度不同，而且击穿场强也不同，这就可能在某种材料中首先出现局部放电。有的绝缘系统虽然是由单一的材料做成，但由于在制造中残留的，或在使用中绝缘老化而产生气泡、裂纹或其他杂质，在这些绝缘缺陷中往往会首先发生放电。其中最常发生的是气泡的放电，因为气体的介电常数很小，在交流电场中，电场强度是与介电常数成反比的，所以气泡中的电场强度要比周围介质中高得多，而气体的击穿场强一般都比液体或固体低得多，因而很容易在气泡中首先出现放电。这在固体绝缘，如干式互感器、电机、胶纸套管以及塑料电缆等等中，尤为严

重。除了介质不均匀或有缺陷造成电场集中之外，导体表面的毛刺、导体尖端或导线的直径太小、在导体附近的电场过于集中也会造成放电，如电容器的电极边缘、高压架空导线、没有屏蔽好的变压器高压端头、电缆的端头以及电机线棒的出槽口等部位，都经常会出现局部放电。此外，在电气设备或电路中，还会因有悬浮电位的导体而出现感应放电，或者有连接点接触不好而发生放电等。改善电工设备的设计、工艺和所应用的绝缘材料，可以提高局部放电的起始电压，减小局部放电。但对于超高压电气设备，要求完全消除局部放电是不实际的，只能限制它不超过某一水平，以保证设备能够安全运行足够长的时间。

1.1.2 局部放电的危害

局部放电的能量虽然很小，但它会使绝缘材料老化，随着介质放电的通道逐渐

增长，最终可能使整个绝缘击穿或闪络。局部放电对绝缘的危害主要表现为:

(1) 由仅在局部放电区域内存在的具有强化学作用的活性基团，这些活性生成

物以及在放电作用下形成的聚合物支链的活性基团与气体介质的氧或与由局部放电造成的其它活性物质相作用，腐蚀绝缘体，使聚合物氧化。

(2) 放电点处介质发热可达到很高的温度，长期放电的部位很易被烧焦或化。

温度升高会产生热裂解、氧化裂解，同时温度提高会增大介质的电导和损耗，由此产生恶性循环，加速热老化。

(3) 放电过程产生的电子或离子能量很高，在电场作用下撞击介质表面，可能

打断绝缘体的化学键，使表面腐蚀，开裂或产生气体。

(4) 放电过程中所产生的紫外线与X射线的辐照作用，使分子裂解.使高分子分

解成单体。对于某些材料，上述射线会促使分子间的交联，使材料发脆。

(5) 断续爆破性的放电和放电产生的高压力气体，会使绝缘体开裂，从而形成

新的放电点。放电时产生的声波也会引起机械化学作用。机械振动波也会使高分子裂解成低分子。

以上几种破坏机理往往同时存在，对于不同材料和在不同条件下，可能以其中

某一种为主。局部放电主要是在交流正弦电压下产生的，直接危害着绝缘的正常运行.其它如雷电过电压、操作过电压，因其时间历程短，出现机率少，不足以引起大的放电危害.直流电压下，因放电出现的重复率比交流电压低得多，故不为人们重视。

1.2 局部放电的测试方法

局部放电测量的方法很多，都是根据局部放电过程所发生的物理和化学效应，通过测量局部放电所产生的电荷交换、能量的损耗、放射的电磁波、发出的声和光以及生成一些新的生成物等信息、，来表征局部放电的状态。这些信息中有电信息和非电信息两大类，由此可分为电测量法和非电测量法两大类。

1.2.1 非电测法

非电测法它包括:(l) 声检测法，(2) 光检测法，(3) 红外摄像法，(4) 放电产物分析法，如色谱分析。非电测法有一明显的优点，即在测量中不受电气的干扰其目的在于对局部放电部位的定位检测。目前非电测量法应用最多的是声测法，这种方法在电力电容器、电力变压器等电工设备的局部放电检测中己得到实际应用，而其他非电测法目前还达不到电测法的精度。

1.2.2 电测法

电测量法中有脉冲电流法(ERA)、电桥法、脉冲极性鉴别法以及无线电干扰电压法(RIV)等等，其中脉冲电流法是最普遍采用的一种方法，它由于灵敏度高和使用方便而被广泛采用，也是IEC-Pub-270关于局部放电测量的标准中推荐的方法。

1 脉冲电流法(ERA法)。脉冲电流法就是利用检测阻抗检测局部放电产生时出现的电压脉冲信号。

2 无线电干扰测量法(RIV)。这种测量方法是利用无线电干扰仪对设备进行局部放电测量，其测试原理和脉冲电流法的测试原理相同，RIV法在美国和西欧有较广泛的应用，其测量方法有美国国家电气制造协会的NEMA107-64及国际防止无线电干扰委员会的ClsPRIA1996，在IEC-270也列入了此法。它的结构和操作比较简单，对于气体中的放电检测有较高的灵敏度。对于放电形成时间较长的油中局部放电的情况，检测灵敏度将显著下降，但因RIV法频带窄及中心频率可变，故抗干扰性较好。

1.3 局放测试技术的新发展

局放监测系统发展到今天，己经有了很大的进步。无论是实验室使用还是现场使用，都对局放监测系统提出了更高的要求。高速数据采集方式和PCI总线的数据采集卡应是局放监测系统在硬件上的发展趋势，这种配置方式有利于局放信号的实时显示与分析，从而有利于对局放的信号特点和机理作进一步研究。信号处理，就是对观测数据进行所需的变换或按预定的规则进行运算，使之更便于对它们进行分析、识别。在局放信号的提取方面，目前应用较广泛的数字信号处理方法主要有四大类:傅立叶变换、自适应滤波、专用滤波器、小波变换。

1.3.1 傅立叶变换

傅立叶变换是数字信号处理的一个强有力工具，它的实质是将时域信号变换为频域信号，从而信号处理大为简化，直观地讲，用傅立叶变换可将信号分解成许多不同频率的正弦波之和，这些频率的范围代表信号的频谱，傅立叶变换的滤波功能体现在以下两个方面:

（1）就连续的正弦信号而言，傅立叶正变换本身就是滤波器，因为它己将信号分解为不同频率的正弦信号，从其变换结果即可获得所需要分析的某一频率信号的幅值和相位。

（2）就离散的脉冲型信号而言，傅立叶反变换可成为滤波器，因为信号经过傅立叶正变换后，在频域可将某一正弦信号对应的实部和虚部置零，再经过傅立叶反变换后即实现对该正弦信号的带阻滤波。例如，在50 Hz的正弦信号中混杂若干脉冲信号，在经傅立叶正变换后，将50 Hz对应的实、虚部置零，再经傅立叶反变换仅会剩下脉冲信号。

1.3.2 自适应滤波

自适应滤波与傅立叶变换不同，它是以信号本身为对象对当前观察的数据进行处理。它自动调节本身的冲激响应特性，或者说，自动调节数字滤波器的系数以适应信号变化的特性，从而达到最优化滤波。自适应滤波器不需要关于输入信号的先验知识，计算量小，特别适用于实时处理，就局放信号的提取而言，正弦性信号和其它干扰信号被

认为是噪声，其自适应滤波原理是:一个输入信号Yk含有所要提取的信号Sk，它淹没在噪声Nk中，Yk=Sk+Nk。另一个输入信号Xk，Xk是Yk的一种度量，并以某种方式与噪声Nk有关。Xk被数字滤波器所处理，产生对噪声Nk的估计值Nk，这样就可以从Yk中减去Nk，得到对所要提取的信号的估计值。

1.3.3 专用滤波器

滤波器的作用是滤除信号中某一部分的频率分量。数字信号经过数字滤波器的处理，其效果就相当于对应的模拟信号经过由RLC构成的滤波网络后的输出。根据局放监测中可能产生的干扰，并分析这些干扰分布的频带，从而设计出专用的滤波器，使之对干扰具有带阻特性，而对局放信号具有带通特性，这种数字滤波器也是比较适用于局放信号监测的。

1.3.4 小波变换

小波变换是20世纪90年代兴起的一种新的数学工具，在信号处理方面，小波分析以其优良的局部时频特性而得到日益广泛的应用。小波变换中的多尺度分析方法可将数据分割成一块块的信息，不同的信息块表现为不同频带的信号，并且直接从时域上反映出来。多尺度分析方法从根本上可以认为是由两个滤波器组成，一个带通滤波器，一个低通滤波器。同时，多尺度分析又是一个递推算法，即信号进入两个滤波器后，由低通滤波器输入的信号仍可继续由这两个滤波器进行分解。这两个滤波器由小波函数生成，它们是完全正交的，从而避免了频带的混叠或泄漏，与傅立叶变换相比，小波变换具有良好的局部性，即提取信号并不需要象傅立叶变换那样需要整个时域信号，对计算机内存要求不高，计算时间也较短。另外小波变换也是仅在时域进行，信号的位置、幅值和波形都十分直观。小波变换与其他信号分析处理方式相比，其优点是不会丢失时域信息。

综上所述，在应用最广泛的电测法中，主要的工作集中在如何区分局部放电脉冲和干扰信号，而无论是傅立叶变换、自适应滤波，还是专用滤波器、小波变换等，均是此目的。但是，进一步考察干扰和信号的特性，局部放电是脉冲性的，时间很短(微秒级)，而能量上又不大;而干扰除了有周期性的(如工频电的干扰及其谐波干扰)，也有阶跃性和脉冲性的(如开关的操作引起的操作干扰、可控硅触发的干扰等)；若采用如上所述的滤波，滤除干扰的同时，信号也被大大地缩减，甚至无法再用。本文试图将信号与干扰一

并直观地展现给人，由人进行剔除和判断。首先将一种数字式局部放电仪与计算机接口，将局部放电仪测量的数据存储到计算机的硬盘上；充分利用计算机的图形显示功能，将局部放电的数据进行整理，以二维(Q-Φ、N-Φ)、三维(N-Q-Φ、Q-Φ-t)的形式显示出来，直观形象地展现干扰或局放信号，并通过大量的实验，分析总结各干扰、局放的图形特征和规律，以便于高压试验人员掌握并应用。

2 局部放电的测量

2. 1 工频电压下的局部放电

在工频交流、直流、和冲击电压下，局部放电的机理和种类有很大差别。根据有关研究表明，直流电压和冲击电压引起的局部放电所带来的危害要远小于工频电压下局部放电所造成的危害。因此只对工频电压下的局部放电进行分析。

2.1.1 局部放电形式

高压电气设备中发生的局部放电，形态虽然各异，但比较典型的主要有以下几种类型:

1 内部局部放电。在介质内部或介质与电极之间的气隙放电，都属于内部局部放电。放电的特性与介质的特性和气隙的形状、大小、位置以及气隙中气体的性质有关。局部放电总是首先出现在试验电压的瞬时值上升接近90o的相位。随着试验电压的升高，出现放电脉冲的相位范围逐渐扩展，甚至可以超过0o，但在之后的一段相位总是不会有放电脉冲的。每次放电大小不等、疏密度不均、放电量小的间隔短，放电次数多；放电量大的间隔时间长，放电次数少。当气隙的四周都是介质时，在试验电压的正负半周出现的放电波形是对称的

2 表面局部放电。绝缘体表面的局部放电过程与内部放电过程基本上相同。所不同的是气泡壁只有一边是介质，另一边是导体，放电产生的电荷只能累积在介质的一边，因此累积的电荷少了，放电更不容易出现在二、四象限。另外，若两个电极是一大一小:放电只发生在一个电极的边缘，则出现的放电图形是不对称的。当放电的电极接高压，不放电的电极接地时，在外加电压的负半周中出现的放电脉冲幅值小而次数多,而在正半周出现的脉冲出现少而幅值大。这由于导体在负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极，产生二次电子发射，使得负极性电极附近的气体容易产生放电，即起始放电电压低，于是放电次数多而放电脉冲的幅值小。在正板性下，情况正好相反，于是出现的放电脉冲次数少而幅值大。如果电极是对称的，在两个电极边缘的电场强度是一样的，那么在两个电极边缘出现的放电情况也是相同的，在正负两个半周出现的放电的图形基本上是对称的。

3. 电晕放电。电晕放电是发生在导体周围都是气体的情况下，以针对板电极系统

为例，在针尖导体附近的电场强度最高，当针尖附近的电场强度达到气体的击穿场强时，这部分气体发生放电。如果针尖施加的电压是负极性的，则正离子移向针尖电板，电子在迁移过程附着到中性分子上变为负离子，负离子迁移比较慢，就在针尖外围形成了负离子层，使得针尖附近的电场强度降低，于是放电停止。随着外加电压瞬时值的提高，或者即使电压不变，负离子也随着时间延长而移向正电极，则针尖附近的电场又提高，于是又出现第二次放电。

这样放电产生的脉冲，大小一样而且间隔的时间也基本相同。由于在负极性下电子容易发射，所以放电总是首先出现在负半周。当电压很高时，也可能在正半周出现次数少而幅值大的放电。同时，由于放电产生的空间电荷都能流动而消失，而不会固定累积起来，所以放电脉冲出现在对称于电压峰值的相位上，即在过峰值的相上也会出现放电。

2.1.1 局部放电特征

从以上的分析，可以看出一些局部放电的基本特征:无沦是绝缘内部局部放电还是表面局部放电、电晕放电，都和试验电压的高低有直接关系。这些局部放电信号一般由多个幅值不等、发生相位有一定规律的脉冲组成。绝缘内部局部放电和表面局部放电只出现在瞬时电压绝对值上升靠近峰值附近，在第二和第四象限内几乎都没有放电脉冲;电晕放电则是在峰值(正或负)两侧呈现出对称的特点。这些特征对于正确区分放电和干扰是至关重要的。

2.2 局部放电的参数

在一定条件下，试品中发生的局部放电可以用不同的参量表示。而且也必须通过多种表征参数才能全面描绘其状态，同时局部放电对绝缘破坏的机理也很复杂，也需要通过不同的参数来评定绝缘的情况。

1 视在电荷量q。在试品两端注入一定电荷量，使试品端电压的变化和由局部放电本身引起的端电压的变化相同，此注入量即为局部放电的视在电荷置，一般用皮库(pC)表示。应注意:（1）视在在电荷量与放电处所涉及的电荷量不相等，后者不能直接测量。

（2）实际上，由于局部放电引起的电流脉冲在测量阻抗端子上所产生的电压脉冲波形可能不同于校准脉冲引起的波形。可以认为视在电荷乃是将此电荷瞬时注入试品两端，在测量仪器上读到的数值与局部放电引起的仪器读数相等的电荷。试品具有行波或衰减

现象的特殊情况，

2 重复率n。在选定的时间间隔内，所测得的每秒钟局部放电脉冲的平均数。注:实际上，仅能考虑超过规定量值或在规定量值范围内的脉冲。其结果有时以局部放电量的累积频率分布曲线表示。

3 平均放电电流I。在某一时间间隔内，电荷绝对值的平均值。

4 放电功率P。某一时间间隔隔内，视在电荷量与产生脉冲时的瞬时电压值乘积的总和除以时间间隔。

5 局部放电起始电压Ui。当加于试品上的电压从观测不到局部放电的较低值逐渐增加到在试验回路中观测到局部放电时的最低电压.在实践中，起始电压Ui是局部放电幅值等于或小于某一规定值时的最低电压。

6 局部放电熄灭电压Ue。当加于试品上的电压从观测到局部放电的较高值逐渐降低到在试验回路中能观测到局部放电时的最低电压。在实践中、熄灭电压Ue是局部放电幅值等于或小于某一定值的最低电压。

7 局部放电试验电压。局部放电试验电压，是在某一规定程序中在试品上所加的规定电压，在此电压下局部放电量不应超过某规定值。

3 图形分析方法及其实现

3.1 局部放电测试的图形分析方法

通常，局部放电的测试是利用脉冲电流测试法在具有椭圆基线示波器的模拟式局放仪上进行的，它可以实时地显示局部放电的脉冲和相位的关系，测试波形如图3.1。

图3.1椭圆基线上的典型局部放电波形

在通常的测量过程中，整个回路和测试仪器会受到外界各种干扰的影响，因此，如何判断、分辨出干扰和局部放电是准确测量局部放电的关键。以往，这种判别干扰的经验是在模拟式局放仪上长期积累所得到的，不易被人们认识掌握。随着计算机应用技术的进步，近几年国内外局部放电测试理论有了新的进展，其中之一就是图形分析方法。图形分析方法实际上是将与局部放电有关的各种指标如N、Q、、t等以一定的对应关系绘制成图形来分析的一种方法。严格说来，前面的椭圆基线上的局部放电波形也是一种图形分析方法，但是它只反映了某一时刻放电量Q和相位小的关系，其提供的信息已经远远不能满足现代局部放电测试的需要。需要进一步探讨的是经过统计处理的某个时间段的信息。这些信息组成各种图谱，使其更能够表征局部放电的概貌。

1 Q-N图谱。将测得的视在放电电荷Q按大小排列，并取等区间，统计出各区间内的放电次数，作出分布谱图，即为Q-N谱图。如图3.2所示为两电机线棒的Q-N谱图，A试品放电量大，放电次数也多，说明此线棒绝缘状态不如线棒B。

图3-3所示为电机线棒老化过程。若试品放电量较大的放电出现次数增多或有新的峰值出现，这种新的峰值可能对应着一种新的放电状态。它反映老化进入了一个新的阶段。目前许多生产单位都已采用测量Q-N图谱来诊断绝缘状态，当Q-N图谱有明显变化时，说明绝缘特性明显劣化。

图3.2电机线棒的Q-N图

图3.3电机线棒老化过程的Q-N图变化

2 W-N图谱。将测得的每次放电的放电能量按大小进行排列，并按等区间统计出各区间内的放电次数，作出直方图即为W-N图谱，这时在试品电老化前后测得的W-N图谱如下，显然，老化后放电能量大的放电次数增加了，放电能量小的放电次数也增加了。如图3.4所示。

图3.4 油纸绝缘老化前后W-N的变化

3 Φ-N图谱。将一周期的试验电压按相位依次氛分为若干等区间，统计出各区间内出现放电的次数，作出直方图即为Φ-N图谱。通过这图谱可以看出，在正负半周内放电是否对称，放电是否扩展到零相位附近，从而可以判断放电的类型以及放电的水平。放电向零相位扩展，说明绝缘性能变坏。如图3-5。

图3.5 环氧内部气隙放电的Φ-N图

4 q-Φ图谱。将试验电压一周期的相位分为若干等区间，再取不同周期中同一相位区间内的视在放电电荷的平均值作出直方图即为碌中图谱。如图3-6。以上四种图谱是已经得到了部分应用的局部放电图形分析方法，本文要重点介绍的是在分析了前几种图谱的基础上发展出来的Q-Φ、N-Φ组合图，N-Q-Φ图和Q-Φ-t图。

图3.6 环氧树脂电老化过程的Q-Φ图谱

5 Q-Φ、N-Φ组合图。它是将一段时间内的局放检测系统所采集到的信号按照局放量与相位的关系，每个相位上所发生的放电次数的关系，分别绘制出来，然后进行分析和判断局部放电信息，它代表了一段时间内局部放电的统计结果，具体如图3.7所示。

图3.7 局部放电信号的Q-Φ,N-Φ组合图

此图是和图3.1的椭圆图相对应的，可以看出，同样是对标准局部放电信号的反映，Q-Φ、N-Φ组合图比椭圆图的信息量大得多，从图中我们可以看出，标准的局部放电不是在某个相位上固定出现，其局部放电量也不是定值，而是在相位分布和放电量上都表现出一定的正态分布规律，符合前面对交流电压下局部放电产生的机理分析和特征描述。这些信息是无法在椭圆图上表现出来的。

6 Q-Φ-t图。是将每一时刻的放电量和相位的关系按时一间先后用三维图形直观的展出来。具体如图3.8所示。此图也是和图3.1的椭圆图相对应的。这种图谱是将仪器连续采集到的40组信号排列在一起，它代表了一段时间内局部放电量的变化过程，对于观察局部放电的发展，区分局部放电和干扰非常有利。这一点在后面的具体应用一章中将会有更深入的分析。

图3.8 局部放电信号的Q-Φ-t组合图

7 N-Q-Φ图。是将一段时间内采集到的放电次数，放电量和相应的相位用三维图谱来表征出来。如图3.9。

图3.9 局部放电信号的N-Q-Φ图

此图也是和图3.1的椭圆图相对应的。从图中可以看出局部放电量的密度和分散性，能够准确反映试品放电的内在规律。以上三种图形分析的方法，从各个角度表征了局部放电的特征，为了进行全面分析，我们经常要将这三种图形结合起来综合判断，这将在以后的章节里详细介绍。

3.2 图形分析方法的硬件实现

为了使图形分析方法可以在局部放电测试中达到预想的结果，以往的模拟测量系统远远达不到所需的局部放电脉冲信息量，所以必须利用数字式检测系统。数字式局部放电检测系统是将局部放电测试技术和计算机技术有机结合为一体实验接线如图 3.10

。

图3.10 局部放电信号测量系统

Cx为试品；T为工频高压无晕试验变压器，最高输出电压为30 kV；R为10 kΩ的水阻，为试品提供短路保护；Ck为50 kV、1 800 pF的高压耦合电容，用于耦合试品Cx产生的局部放电电流。另外，Ck一方面可用于抑制来自电源的干扰，另一方面可用于提高检测系统的灵敏度。S为专门设计的高频脉冲电流传感器，具有非常高的频率响应特性和良好的线性度。实验系统建立在双层屏蔽试验室内。

在局部放电测量中，常用的获取局部放电信号的方法是阻抗检测法。

传统的阻抗检测法需要改变原有的电气回路，影响原有电气回路的完整性，同时使得实验主回路与测量回路有直接的电接触，容易对测量系统造成干扰，且影响测量系统的安全。为此，采用一种脉冲电流传感器来获取局部放电信号。这种传感器在获取局部放电信号时不需要改变原有的电气回路，使实验主回路与测量回路电隔离，安装也很方便快捷，同时又具有较高的灵敏度。

3.3 图形分析方法的软件实现

通过数字化局放仪得到了局部放电的数字信号后，便可以利用软件对其进行处理分析。本文利用C++语言编制的一套程序，可以实现如前所述的Q-Φ、N-Φ组合图，N-Q-Φ图和Q-Φ-t图。程序将数字局放仪采集到的40组局部放电信息，包括局部放电量Q、发生的相位Φ，进行组织、统计，得到各种图谱。具体程序结构不再赘述。

4 图形分析方法的应用

4.1 局部放电脉冲的图形分析

在交流电压下，被试品中其内部的局部放电，一般发生在正弦波的I, III象限中，如图4.1椭圆图所示。

图4.1 局部放电脉冲的椭圆图形

如果将一段时间内所得局部放电脉冲进行统计和处理，就得到如图4.2 , 4.3 , 4.4所示的局放图形。

图4.2 局部放电脉冲的Q-Φ,N-Φ组合图

图4.3 局部放电脉冲的Q-Φ-N图

图4.4 局部放电脉冲的N-Q-Φ图

从以上的局部放电图形中，可以看到，利用多周波局部放电信号所形成的图形，由于它是一个的局放脉冲信息的集合概念，因此它比利用一个周波中局放脉冲椭圆图形，更能形象的分析和判断局部放电现象及试品的局放量大小，更由于局放图形反映的局放信息量增大，因此，它也更充分反映试品其内部的局部放电规律。同时，可以看到，由于试品其内部放电，是一个能量的积累，释放过程，因此，其局放脉冲是在正弦波I , III象限中，以45度, 225度为中心，在试品发生的放电量、放电次数等参数上，形成一个正态分布过程，由此，可以看到局部放电脉冲它不可能是出现在固定相位，固定幅值的脉冲。

由于是将整个放电的过程展开表现出来，因此可以通过这些图谱清晰地看出放电的变化。下面的三组图即反映在试验过程中随电压的变化局部放电量也随之变化的过程。

图4.5 起始放电阶段的Q-Φ,N-Φ组合图,N-Q-Φ图和Q-Φ-t图

图4.6 预加电压阶段的Q-Φ,N-Φ组合图，N-Q-Φ图和Q-Φ-t图

图4.7 持续电压阶段的Q-Φ,N-Φ组合图，N-Q-Φ图和Q-Φ-t图

4.2 局部放电测量中的干扰图形分析

在局部放电测量时，受到的外界干扰是各种各样的，但按照其特性可大致分为两大类:一类是连续波形出现的；如电源中的谐波，空间无线电干扰，电磁辐射等；另一类是属于脉冲型干扰，如发电机、励磁机电刷火花，可控硅触发脉冲等。对于第一类干扰，由于它具有波形的连续性，因此，在一般的局放仪上较容易和局部放电脉冲分辨开来，也可以通过相应的滤波措施消除它的影响。而对于第二类型的干扰，由于其高频脉冲特性与局部放电的脉冲特性极为相似，因此，在一般的椭圆上较难予以区分，需有经验者才能识别，这给局部放电测量也带来极大困难。但是，在局部放电图形分析模式下，无论它是哪一种干扰信号，都可以以图形的方式得以充分的展现，并能够根据各种干扰和真正局部放电脉冲的特征区别开来。一般情况下干扰可能有以下四种。

(l) 具有固定相位的脉冲干扰，如图4.8和图4.9所示(a)为在二维分析图上的图形:(b)、(c)为在三维分析图谱上的图形。从图4.8和4.9中可以看到，此类干扰，它在每个正弦周波上，都出现在相同位置且具有相同或不同的幅值，因此，这种性质的干扰山于它的固定性，在N-Φ，N-Q-Φ的统计上展现出单个的次数峰值，在Q-Φ-t上展现出整齐的排列，这样在图形上较易与前述的局部放电图形分别出来。

(2) 与正波电压相位有时间相关规律的干扰脉冲，如图4.10所示。由于这种脉冲干扰与相位、时间有关，因此，它会在正弦波电压的某一相位范围内摆动，这样它在

Q-Φ-t三维图谱上呈现出有规律的图形(如椭圆形、圆形、S形、斜线型等)。这样就有利于运用抠图技术，将此类干扰从局放图形中剔出。

(3) 随机出现的干扰脉冲，如图4.12所示。随机出现的干扰脉冲，由于它在出现的相位、幅值、次数的不确定性，因此，它在三维图形(Q-Φ-t)上表现出相位的杂乱:可能与局放脉冲相混:但是，通过N-Q-Φ三维图谱的统计显示，它不可能具此，这种干扰较容易区分。

(4) 各种类型干扰的混合

在实际工作中，经常会遇到的不是某一种单一的干扰，而是多种干扰的组合，我们实测到的波形如图4.13。

图4.8 固定相位的干扰脉冲图形

图4.9 固定相位的干扰脉冲图形

图4.10 呈斜线排列的干扰脉冲图形

图4.11 其他有规律，周期出现的干扰

a 随机干扰脉冲图形

b 随机干扰脉冲图形2

图4.12 2种随机干扰脉冲图形

图4.13 各种干扰的混合

4.3 图形分析在局部放电现场测量中的应用

在现场中，所测量到的局部放电信号，总是和干扰脉冲混在一起，这些干扰脉

冲虽然与局放脉冲互相影响，但是在Q-Φ、N-Φ，N-Q-Φ，Q-Φ-t等统计图形中总会找到局放脉冲和干扰脉冲的特征规律。因此，只要通过图形分析、比较后，在测量中进行必要的开窗处理，就能避开这些干扰的影响。

4.3.1 局部放电测量中的电晕图形

电晕发生的情况有两种。当电晕发生在设备内部时，即是设备内部的局部放电;

当电晕发生在设备以外时，则是局放测试过程中的千扰。一般认为，如果电晕是发生在空气介质中，则是外部电晕;若发生在液体介质中，则认为是内部电晕，这两种

电晕从图谱分析中可以看出明显区别。图4.14是高压尖端电晕的一组图形。如前所述，此种电晕严格出现在电压的负峰值处，由图中也可以看出，其放电次数在270度两侧呈现出正态分布规律；其放电量也是从低到高各个段都有。图中还混杂了一些固定相位的干扰，它表现在N-Φ 图和N-Q-Φ图上则表现出某个固定相位处出现放电次数的独立峰值，很容易和真正的电晕区分开来。

图4.14 高压尖端电晕（含有固定相位干扰）

图4.15是地电位尖端电晕的图形。这种电晕和前一种电晕的区别在于它出现在

电压的正峰值处。

图4.15 地电位尖端电晕

4.3.2 局放图形的分析

为说明图形分析方法在现场局部放电测试中的应用效果，下面罗列出一些现场

测试的结果，并进行分析。图4.16是某设备的现场测量结果。可以看出，图中有固定相位的干扰，通过开窗或抠图技术，可以很轻松地将干扰排除。

又如图4.17所示，图a是该试品在合闸但未加压时的干扰背景图形，图b是试

品的局部放电起始电压时的局放脉冲与干扰脉冲图形，图C则记录了将试品施加电压从测量电压升到激发电压，及降到测量电压的整个局部放电脉冲的变化过程。将此3幅图进行比较可以发现，干扰脉冲的图形，在试品加压过程中，未发生变化，而局部放电量却随着电压的变化而变化。因此，可以利用Q-Φ-t的图形来分析局部放电随电压时间的变化过程。图4-18绝缘在外施电压变化时，局部放电的特性发生变化的N-Q-Φ图，图4-18为绝缘在外施电压变化时，局部放电的特性发生变化的一组N-Q-Φ图。比较可知，当电压升高到12 kV时，在负半周出现了更大量值的局部放电，并且密度很高，而8 kv时发生的局部放电图谱轮廓依然保留，变化不大。

图4.16 某设备的现场局部放电图形

图4.17 电压互感器的现场局放图形

a. 绝缘8 kV时N-Q-Φ图谱 b 绝缘12 kV时N-Q-Φ图谱

图4.18 不同电压时的N-Q-Φ图谱

4.3.3 图形分析方法在绝缘判断中的应用扩展

由于N-Q-Φ图反映了试品发生放电的内在规律，我们可以利用这些图形来分析放电的特征，还可以通过观察它的变化来判断绝缘状态的变化。如图4.19是一绝缘沿面爬电的图谱，从中可知在正负半周其放电量的大小和次数密度是不一样的，而且在同一半周相位区域内，放电量的大小也并非是一常数，大量值和小量值的放电均有发生。图

4.20中的一组图则说明了绝缘在持续的局部放电的作用下绝缘老化，局部放电特性也随之改变的情况。图4.20绝缘在持续的局部放电的作用下绝缘逐渐老化的N-Q-Φ图从上面一组图可以看出，图a是绝缘在某一电压下开始发生局放时的图谱，其放电发生在正

图4.19 绝缘沿面爬电的N-Q-Φ图谱

a. 绝缘初始局放N-Q-Φ图谱

b. 绝缘局放4小时N-Q-Φ图谱

图4.20 绝缘在持续的局部放电的作用下绝缘逐渐老化的N-Q-Φ图

半周区域内，在此区域内一定量值范围的局部放电次数较高。保持此电压不变，维持4小时，其局放图谱如图4.2b所示，与前图比较可知，在另一半周也发生了局放，其量值

在一范围内摆动，且次数较少。而正半周的局放量值有一定增加，次数密度也发生了变化。显然绝缘的局放特征发生了变化。

从这一实例可以看出，我们能够利用图形分析方法的这种分析优势，充分地进行绝缘状态的诊断，即可以先对某设备测试一组图谱作为局部放电资料档案，到下一次试验时，我们只需要将再次测到的图谱与基础资料进行比较，就能够分析出这一段时间内设备绝缘状态的变化，从而掌握设备的绝缘变化趋势，做到心中有数。这种分析方法是以往常规局部放电测试方法所无法实现的。

4.3.4 图形分析方法应用中的遗留问题

由于这项工作的开展时间还比较短，还有待于继续积累各种放电的图谱，以求更深层次的分析。还有一些干扰图形或局放图形没有找到其产生原因，仅在下面罗列出来，以备共同探讨。

图4.21 两组不明原因的干扰图谱

综上所述，将局部放电的测量以图形的方式来分析，由于它集合了大量的数据，因此，具有信息量大，对局部放电脉冲和干扰特征，易于掌握和总结等优点；同时，也更加鲜明清晰地反映了试品内部局部放电内在规律的特点，这有利于在现场中的局放测量分析，也有利于人们对局部放电测试经验的积累，并将其用于绝缘状态的判断。

结论

1. 本文介绍的二维(Q-Φ，N-Φ)，及三维(Q-Φ-t，N-Q-Φ) 图形分析方法是局部放电信号分析的一种新方法，它通过对局部放电的多参数测量，使得在局放测试中，对局放的规律展示更加形象化，更能生动客观地描述试品局部放电现象的本质规律和特征，使局放检测进入了新的阶段。

2. 这种图形分析方法不同于其他的数字滤波技术。数字滤波技术是要通过各种手段尽可能的将干扰从采集到的局部放电信号集合中消除，而图形分析方法则是将干扰与局部放电信号都直观地展现在试验人员目前，通过人为的干预来剔除干扰。

3. 局放信号的Q-Φ-t图还能直观地反映局放信号随时间和电压的变化而发生的变化，这对于研究局部放电的放电特性有较好效果。

4. 局放信号的N-Q-Φ图可以反映出某一试品在某一条件下局部放电的内在规律，对于研究局部放电与外界因素的关系有一定帮助；并可以通过比较N-Q-Φ图的前后差异来对同一试品的局放水平的发展，绝缘的劣化，进行更细致、灵敏的比较。

5. 通过在现场局部放电试验中的应用，证明这种图形分析方法简便易行，大大减少了试验人员在现场的工作时间，降低了劳动强度，提高了工作效率，增强了现场局放测试中的干扰识别能力，提高了测试准确性。随着数据、图谱的逐渐积累和经验与规律的不断总结，它必将在局部放电测试中发挥更大的作用。

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致谢

本文的研究工作是在我的导师胡广振教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识、积极向上的人生态度、平易近人的师长风范和无私的奉献精神使我深受启迪，并将永远铭记在心。从导师的身上，我不仅学到了扎实的专业知识和技能，更学到了做人的道理。在此我要向我的导师胡广振老师致以最衷心的感谢和深深的敬意！

我要感谢一直培养支持我的父母和哥哥，是他们的关爱和鼓励给了我一直向前的动力！在此，再次向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学、家人和朋友表示由衷的谢意！

最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！

高慧平

2008年6月23日