基于脉冲点云 的局放仪线性度测评方法研究

　　摘  要： 局部放电检测仪是确保电网安全运行的关键设备，需要定期对其进行测评，其中线性度测试是必须进行的实验项目之一。从局部放电信号的随机性出发，提出了基于统计法和φ-Q-n图的点云图概念，用于测评局放仪线性度。为更准确测试局放仪本体的线性度，采用直接脉冲电流注入局放仪本体的测量方式。根据本文的测试方法，针对MPD600局放仪本体的线性度测评，给出了详细的实验过程和线性度分析，并验证了此法的可行性。

　　关键词： 局部放电；线性度；点云图；直接脉冲电流注入法

0 引言

　　局部放电是当外加电压在电气设备中产生的场强足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的放电现象。局部放电常常出现在高压电气设备中，其危害性很大，表现在它会对设备的绝缘介质有严重影响[1]，而且绝缘失效往往以局部放电活动为前兆。局部放电测量是近代发展起来的一种对绝缘损害很小的分析绝缘缺陷的先进方法，可以避免对高电压设备进行有破坏性的交流耐压试验。局部放电测量仪（简称局放仪）用于测量电气设备局部放电信号的波形和幅值，并用视在放电量的大小表示绝缘结构中微放电的强度[2]。由于局部放电测量是高压电力设备必不可少的绝缘试验项目，因此局放仪的准确度直接影响到电气设备的绝缘可靠程度，关系到电力系统的安全运行水平，为此需要定期对局放仪进行测评，其中线性度测试是必须进行的实验项目之一。

　　线性度是指测量装置输入、输出之间的关系与理想比例关系（即理想直线关系）的偏离程度。目前多通过电荷量的输入输出关系来对局放仪进行线性度测评。文献[3]通过注入10 pC至1 000 pC、重复率为每秒100个正负极性的脉冲进行线性度测试。但是没有考虑校准电容容量误差和脉冲相位的影响。考虑到局放是一个暂态快速随机信号，通过捕获脉冲相位、脉冲电压（电荷量）的统计方式测评局放仪线性度更具客观性，因此本文提出了基于脉冲点云图测评局放仪线性度的方法，为局放仪线性度的测评提供一种参考。

1 测试方法

　　1.1 点云图法

　　局放信号是一个暂态快速的随机过程，测得的局放信号具有很大的随机性，所以通过统计分析的方法来研究局部放电具有更高的可信度。为此必须采集储存大量的局放信号作为样本进行统计分析，为了减少数据量，局放仪一般以电荷量Q、放电相位φ为主要存储对象。

　　基于统计的特性提出点云图的概念：通过对多个周期内的局放信号进行统计，可得到3个基本量：n(放电次数)、Q(放电电量)、φ(放电相位)，并以φ为横轴(0°～360°)，相同相位折叠得到φ-Q-n图，即点云图(n作为统计信息)。图1所示为一脉冲序列(11个等幅值脉冲，脉冲间隔18°)，起始于35°，n=6 850时形成的点云图。

　　利用点云图的方式测评局放仪的线性度更能客观体现出局放仪的性能参数。而且脉冲点云图是识别模式放电的重要依据，文献[4-6]根据相关原理进行模式匹配，以分析各种工况下的局部放电与故障诊断。

　　1.2 直接脉冲电流注入法

　　从局放仪测评系统角度分析，可将局放仪系统分为三部分：校准装置、传感器、局放信号采集装置，如图2所示。

　　通常局放仪的线性度测评是：校准器从1处的校准端注入脉冲信号，利用多组视在电荷量与局放仪检测电荷量的对比实验来实现。但是此法不够精确，因为可能是校准电容容量误差，传感器2的非线性、漂移等引起的局放信号采集误差，或者是局放信号采集装置3测量不够准确。为了消除上述因素，提出直接脉冲电流注入局放仪本体的测试方法，即无线传感器2，直接对局放信号采集装置3进行测试，以更准确反映出局放仪本体的线性度，其结构如图3所示。由此必须输入小幅度的工频同步信号和已知电荷量的脉冲信号。

2 测评系统设计

　　局放仪线性度测评系统由计算机、数控脉冲信号发生器、工频同步触发装置以及待测局部放电检测仪本体组成，如图4所示。数控脉冲信号发生器产生电压幅值、重复频率可控、纳秒级脉冲信号，并可外部触发。工频同步触发装置：一是产生50 Hz幅值可控的正弦信号，二是接收计算机控制命令，在设定相位处触发脉冲信号发生器产生信号。系统产生的脉冲信号和同步信号同时注入局放仪本体。

　　数控脉冲信号发生器和工频同步触发装置采用双通道可编程DAC板卡实现，其输出信号幅值、频率等参数可数控。注入局放仪本体的脉冲信号为方波[7]，其电荷量Q=Idt，即方波的面积表示电荷量的大小，而非视在电荷量，并且电荷量Q与方波电压成正比。

3 实验及结果分析

　　为了验证上述测试局放仪线性度方法的可行性，实验选用OMICRON公司的MPD600本体进行线性度测试，同时使用安捷伦MSO7104B 1 GHz 4 GSa/s示波器，以辅助观测脉冲电压、相位、同步信号等。整个测试系统如图5所示。

　　实验过程：在设定相位处打出10个每个相差50 pC的单脉冲，并且每一电荷量值记录1 000点左右，重复多次实验。例如，图6(a)是在293°处形成的负脉冲点云图，图6(b)分别是66°、156°处形成的正脉冲点云图。

　　以图6(a)为例进行说明，为了表述方便，在图7中已标注说明。图7中一共出现12簇点云图，点4、5，7、8之间标注的是测试产生的干扰。数字处的注入电荷量为：数字值×50 pC，实际检测值通过软件读取，并且每点重复1 000次左右。

　　直观分析可以发现：(1)MPD600对正脉冲检测的线性度优于负脉冲，表现在图6(b)中的点云图呈点圆状，各个量值的点云图分布均匀，接近理想值。图6(a)中对于大于300 pC的脉冲测量误差较大，出现上下抖动，表现在点云图为竖条状。(2)MPD600对脉冲相位捕捉准确，无相位抖动，表现在位于同一相位处点云图处于同一竖线上，左右抖动很小，并无影响电荷量的测量。(3)图中左侧矩形区域为改变脉冲电压而引起的散点噪声脉冲，其极性、电荷量、相位、点数分布离散，但对整体测试结果并无影响。

　　根据实验过程，将多次实验结果进行统计，记录在表1中，以分析MPD600的线性度。并根据表1，作图8所示的正负脉冲的电荷量统计图。

　　MPD600检测正负脉冲的线性误差通过式(1)计算得到。

　　通过式(1)得到：正脉冲的检测线性度误差为3%，负脉冲的检测线性度误差为7%，说明了MPD600对正脉冲检测的线性度优于负脉冲。根据技术手册MPD600校准后，检测的不确定度在±2%[8]，即在5%±2%的范围内，说明MPD600对负脉冲检测的线性度是可接受的，而且通过校准定标可以进行修正。由此也进一步说明了点云图测评局放仪线性度是可行的，测量的误差在合理范围内。

4 结论

　　(1)对于局放仪线性度的测评，考虑到局放信号的随机性和相位性，提出了利用点云图(φ-Q-n)的概念进行线性度的测试方法，并以实验验证了此法的可行性和合理性，并得到MPD600对正脉冲检测的线性度优于负脉冲的结论，其测量误差是也在合理范围内。

　　(2)为了排除传感器、校准电容容量误差等不确定因素的影响，提出了直接脉冲电流注入局放仪本体的测试方式，以最大程度地保证对局放仪本体测试的准确性，并与局放仪校准国标中的脉冲电流法具有一致性。

　　(3)注入局放仪本体的脉冲信号是上升沿为纳秒级的方波，其面积表示电荷量的大小，而非视在电荷量，并且电荷量与方波电压成正比。

　　(4)本文目前只对局放仪本体进行了线性度测评研究，下一步可以利用类似的方式对局放信号传感器进行研究测试，以构成对整个局放仪系统的测评。同时可为局放仪校准标准中的相关测试提供参考指标。

参考文献

　　[1] 吴白丁.局部放电测量仪校准方法[J].上海计量测试，

　　2011(226).

　　[2] 包玉树，朱琦，王乐仁.电力行业标准《局部放电测量仪校准规范》解读(上)[J].电测与仪表，2009(3)：77-79.

　　[3] Mario Chiampi，Gabriella Crotti，Yue Hu.Development and application of a programmable partial discharge calibrator[J].Transactions on Instrumentation and Measurement，2009，58(4).

　　[4] 潘瑞琼.GIS出厂试验局部放电缺陷特征分析及模式库的建立[D].北京：华北电力大学，2013.

　　[5] DESHPANDE A S，MANGALVEDEKAR H A，CHEERAN A N.Partial discharge analysis using energy patterns[J].International journal of electrical power and energy systems，2013，53：184-195.

　　[6] 李娟，李明，金子惠.GIS设备局部放电缺陷诊断分析[J].高压电器，2014，50(10)：85-90.

　　[7] 中华人民共和国电力行业标准.DLT 365-2010局部放电测量仪校准规范[S].国家能源局，2010.

　　[8] OMICRON.Partial discharge measuring systemMPD600 manual[S].OMICRON Electronics GmbH，2008.