高压设备放电紫外检测技术及其应用研究

论文摘要

检测高压设备放电可有效了解设备绝缘状态,为故障检测提供可靠的参考数据。因此,本文以高压设备放电中的理论及检测装置为中心,研究了高压设备的放电中的紫外光辐射及其特征量的提取,并在理论研究的基础上进行了检测装置的研究。主要工作和成果有:根据气体放电理论以及设备放电紫外光特性,提出了采用紫外脉冲法和紫外光功率法来检测设备放电,对两种检测方法进行了对比,总结出其优缺点。在两种检测方法的基础上,分别采用紫外光敏管和光电倍增管,研制了相应的检测装置。基于光电倍增管研制的紫外放电检测仪,在测量中采用了高速放大、高速比较、波形甄别技术,获取传感器接收到的紫外脉冲数。针对传感器所接收到的设备放电中的紫外光信号的特点,采用高速数字积分技术测量其光功率,并推导了传感器接收到的紫外光功率与传感器输出的电信号之间的数值关系。在此基础上,推导出整个设备的放电光功率,用以表征设备放电的紫外辐射光强。另外,该仪器还可以利用其特有的数字积分的方法描绘出整个放电的发展过程,为分析放电规律提供了一种有借鉴意义的方法。引入变异性理论来分析设备放电强度,并根据脉冲变异性和功率变异性提出了高压设备放电强度的时域和频域分析方法,根据时域分析指标与AR模型功率谱分析法,提取设备放电紫外辐射的信号特征量,该方法可以检测设备故障和绝缘子表面污秽程度。基于时域分析法研制了用于特高压验电的紫外验电仪与用于劣质绝缘子检测的绝缘子检测仪。采用紫外验电仪进行了输电线与设备的验电试验,试验结果表明:紫外验电仪能够通过检测高压输电线及设备的紫外放电脉冲,判断设备的带电状态,适用于高压到特高压输电设备的验电。采用绝缘子检测仪首先进行了劣质绝缘子检测试验,试验表明该仪器能够有效检测出绝缘子串中的劣质绝缘子。当绝缘子串出现劣质绝缘子的时候,其相对放电比变化幅度超过8%。另外,还采用绝缘子检测仪对污秽绝缘子的放电进行了检测试验。根据污秽绝缘子的紫外脉冲测量值,采用AR模型法对其放电变异性进行功率谱分析,提取了绝缘子放电脉冲的功率谱特征,根据提取的特征量表征绝缘子的污秽程度,结果表明:在污秽度极轻时没有明显的主谱峰频率,随着污秽度的增大,主谱峰频率开始出现向低频移动;总功率及各频段功率也随污秽度增大而逐渐增大;功率谱曲线λ值也呈现相似的增长趋势;而时域和频域之间的K值基本不变,其稳定值为1.80,可以采用时域特征和频域特征来确定绝缘子的污秽等级。研究了根据电晕放电的非电量（光能）测量值确定其电场强度的方法。采用有限元软件MAXWELL 3D仿真分析了电晕放电中的光场与电场之间的数值关系。并分析了设备附近紫外光辐射功率与电场的相对大小之间的对应关系。在实际的检测中,根据实际测量值进行定标,实现电场强度的间接测量。通过现场试验进行了数据对比分析,结果表明:紫外光通量密度数值与场强数值的数值保持同样变化规律,数据曲线基本吻合;光通量密度与场强值的相关系数落在5-9之间,占总数81%的数据偏差小于30%,相关性整体上比较好,但有少数偏差。将模糊集理论应用于高压设备放电紫外辐射测量中,根据测量得到的设备紫外辐射值以及环境温、湿度等因素进行综合模糊推理,形成了一种针对绝缘子绝缘状态评估的新方法。并在壁山田家湾变电站进行了试验,试验中绝缘子绝缘状态评估值始终稳定在0.1与0.2之间,表明了方法的有效性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 本课题的发展概况
• 1.2.1 国内外局部放电检测技术的研究现状
• 1.2.2 电晕检测技术的研究现状
• 1.2.3 紫外探测器的研究现状
• 1.3 本文主要的研究工作与创新点
• 1.3.1 本文主要的研究工作
• 1.3.2 本文主要创新点
• 2 气体放电理论与特性
• 2.1 气体放电基本理论
• 2.1.1 汤生电子崩理论
• 2.1.2 汤生电离系数的推导
• 2.1.3 汤生自持放电判据
• 2.1.4 流注理论
• 2.1.5 不均匀电场的击穿判据
• 2.2 气体放电的一般特性
• 2.2.1 电晕放电
• 2.2.2 放电模型
• 2.2.3 起晕电压
• 2.3 电晕放电影响因素
• 2.3.1 温度、气压对电晕放电的影响
• 2.3.2 空气湿度对电晕放电的影响
• 2.4 气体放电光辐射的光谱分析
• 2.5 气体放电光辐射功率与放电功率的关系
• 2.6 小结
• 3 紫外辐射的基本传播原理与光学计量
• 3.1 电磁波谱与光辐射
• 3.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
• 3.1.2 光辐射
• 3.2 光辐射测量的基本定律
• 3.3 紫外测量三种模式辐照度计算
• 3.3.1 放射源视为点源
• 3.3.2 放射源视为线源
• 3.3.3 放射源视为面源
• 3.4 紫外辐射测量方法
• 3.4.1 紫外脉冲法
• 3.4.2 紫外光功率法
• 3.5 小结
• 4 紫外辐射测量技术和装置研究
• 4.1 日盲区紫外检测与传感器
• 4.1.1 日盲区概念
• 4.1.2 传感器介绍
• 4.2 脉冲测量原理和装置研究
• 4.2.1 总体设计框图
• 4.2.2 传感器驱动电路和电源
• 4.2.3 信号预处理和处理
• 4.2.4 处理器、数据存储和液晶显示模块
• 4.2.5 温湿度模块
• 4.3 紫外光功率测量原理和装置研究
• 4.3.1 总体设计框图
• 4.3.2 传感器部分
• 4.3.3 电源模块
• 4.3.4 信号处理电路
• 4.4 仪器测量值与辐射强度的数值关系
• 4.5 小结
• 5 高压设备放电紫外特征量的提取及故障检测研究
• 5.1 放电强度变异性的时域与频域分析方法
• 5.1.1 放电强度变异性
• 5.1.2 放电强度变异性时域分析方法
• 5.1.3 放电强度变异性频域分析方法
• 5.2 时域分析法在高压验电中紫外特征提取与应用研究
• 5.2.1 设备带电状态的DIR 特征量分析
• 5.2.2 带电设备紫外辐射状态
• 5.2.3 UHVES-I 型紫外验电仪
• 5.2.4 试验与结果分析
• 5.3 时域分析法在劣化绝缘子紫外检测中的应用研究
• 5.3.1 绝缘子劣化紫外辐射特征量的分析
• 5.3.2 绝缘子劣化紫外辐射检测
• 5.3.3 检测试验及结果分析
• 5.3.4 试验结论
• 5.4 AR 模型功率谱估计在污秽绝缘子的应用研究
• 5.4.1 污秽绝缘子检测系统
• 5.4.2 污秽绝缘子放电AR 模型的建立
• 5.4.3 污秽绝缘子放电AR 模型功率谱估计
• 5.4.4 谱分析结论与分析
• 5.5 小结
• 6 电场强度与紫外辐射场的关系分析
• 6.1 放电设备沿面电场仿真分析与紫外辐射功率密度分布
• 6.1.1 有限元法在静电场求解的原理
• 6.1.2 设备沿面电场与紫外辐射的数值关系推导
• 6.1.3 放电模型电场仿真
• 6.1.4 由电场分布获得光辐射场分布
• 6.2 设备附近场强与紫外辐射的关系推导
• 6.3 紫外辐射强度与电场强度相关性试验验证
• 6.3.1 试验方法及环境介绍
• 6.3.2 电场强度的测量
• 6.3.3 紫外辐射功率测量与数据分析
• 6.3.4 试验结论
• 6.4 小结
• 7 基于模糊集理论与紫外法的设备绝缘状况评估方法
• 7.1 模糊集理论的引出
• 7.2 模型建立
• 7.2.1 数据分析
• 7.2.2 P 与J 之间的关系
• 7.2.3 P 与T 之间的关系
• 7.2.4 T 与J 之间的关系
• 7.2.5 P 与H 之间的关系
• 7.2.6 H 与J 之间的关系
• 7.3 隶属度函数的求取
• 7.3.1 P 的隶属度函数的求取
• 7.3.2 H 的隶属度函数的求取
• 7.3.3 T 的隶属度函数的求取
• 7.3.4 J 的隶属度函数的求取
• 7.4 模糊推理规则
• 7.5 模型的测试
• 7.6 现场数据检验与分析
• 7.7 小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 论文工作的下一步研究目标
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目及获奖情况