文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.014
中文引用格式： 劉子超，張文斌，李天文，等. 基于脈沖點云圖的局放儀線性度測評方法研究[J].電子技術應用，2015，41(10)：55-57，61.
英文引用格式： Liu Zichao，Zhang Wenbin，Li Tianwen，et al. Studying the method of pulse point cloud image to evaluation the PD instrument linearity[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：55-57，61.
0 引言
局部放電是當外加電壓在電氣設備中產生的場強足以使絕緣部分區域發生放電，但在放電區域內未形成固定放電通道的放電現象。局部放電常常出現在高壓電氣設備中，其危害性很大，表現在它會對設備的絕緣介質有嚴重影響[1]，而且絕緣失效往往以局部放電活動為前兆。局部放電測量是近代發展起來的一種對絕緣損害很小的分析絕緣缺陷的先進方法，可以避免對高電壓設備進行有破壞性的交流耐壓試驗。局部放電測量儀（簡稱局放儀）用于測量電氣設備局部放電信號的波形和幅值，并用視在放電量的大小表示絕緣結構中微放電的強度[2]。由于局部放電測量是高壓電力設備必不可少的絕緣試驗項目，因此局放儀的準確度直接影響到電氣設備的絕緣可靠程度，關系到電力系統的安全運行水平，為此需要定期對局放儀進行測評，其中線性度測試是必須進行的實驗項目之一。
線性度是指測量裝置輸入、輸出之間的關系與理想比例關系（即理想直線關系）的偏離程度。目前多通過電荷量的輸入輸出關系來對局放儀進行線性度測評。文獻[3]通過注入10 pC至1 000 pC、重復率為每秒100個正負極性的脈沖進行線性度測試。但是沒有考慮校準電容容量誤差和脈沖相位的影響。考慮到局放是一個暫態快速隨機信號，通過捕獲脈沖相位、脈沖電壓（電荷量）的統計方式測評局放儀線性度更具客觀性，因此本文提出了基于脈沖點云圖測評局放儀線性度的方法，為局放儀線性度的測評提供一種參考。
1 測試方法
1.1 點云圖法
局放信號是一個暫態快速的隨機過程，測得的局放信號具有很大的隨機性，所以通過統計分析的方法來研究局部放電具有更高的可信度。為此必須采集儲存大量的局放信號作為樣本進行統計分析，為了減少數據量，局放儀一般以電荷量Q、放電相位φ為主要存儲對象。
基于統計的特性提出點云圖的概念：通過對多個周期內的局放信號進行統計，可得到3個基本量：n(放電次數)、Q(放電電量)、φ(放電相位)，并以φ為橫軸(0°～360°)，相同相位折疊得到φ-Q-n圖，即點云圖(n作為統計信息)。圖1所示為一脈沖序列(11個等幅值脈沖，脈沖間隔18°)，起始于35°，n=6 850時形成的點云圖。
利用點云圖的方式測評局放儀的線性度更能客觀體現出局放儀的性能參數。而且脈沖點云圖是識別模式放電的重要依據，文獻[4-6]根據相關原理進行模式匹配，以分析各種工況下的局部放電與故障診斷。
1.2 直接脈沖電流注入法
從局放儀測評系統角度分析，可將局放儀系統分為三部分：校準裝置、傳感器、局放信號采集裝置，如圖2所示。
通常局放儀的線性度測評是：校準器從1處的校準端注入脈沖信號，利用多組視在電荷量與局放儀檢測電荷量的對比實驗來實現。但是此法不夠精確，因為可能是校準電容容量誤差，傳感器2的非線性、漂移等引起的局放信號采集誤差，或者是局放信號采集裝置3測量不夠準確。為了消除上述因素，提出直接脈沖電流注入局放儀本體的測試方法，即無線傳感器2，直接對局放信號采集裝置3進行測試，以更準確反映出局放儀本體的線性度，其結構如圖3所示。由此必須輸入小幅度的工頻同步信號和已知電荷量的脈沖信號。
2 測評系統設計
局放儀線性度測評系統由計算機、數控脈沖信號發生器、工頻同步觸發裝置以及待測局部放電檢測儀本體組成，如圖4所示。數控脈沖信號發生器產生電壓幅值、重復頻率可控、納秒級脈沖信號，并可外部觸發。工頻同步觸發裝置：一是產生50 Hz幅值可控的正弦信號，二是接收計算機控制命令，在設定相位處觸發脈沖信號發生器產生信號。系統產生的脈沖信號和同步信號同時注入局放儀本體。
數控脈沖信號發生器和工頻同步觸發裝置采用雙通道可編程DAC板卡實現，其輸出信號幅值、頻率等參數可數控。注入局放儀本體的脈沖信號為方波[7]，其電荷量Q=Idt，即方波的面積表示電荷量的大小，而非視在電荷量，并且電荷量Q與方波電壓成正比。
3 實驗及結果分析
為了驗證上述測試局放儀線性度方法的可行性，實驗選用OMICRON公司的MPD600本體進行線性度測試，同時使用安捷倫MSO7104B 1 GHz 4 GSa/s示波器，以輔助觀測脈沖電壓、相位、同步信號等。整個測試系統如圖5所示。
實驗過程：在設定相位處打出10個每個相差50 pC的單脈沖，并且每一電荷量值記錄1 000點左右，重復多次實驗。例如，圖6(a)是在293°處形成的負脈沖點云圖，圖6(b)分別是66°、156°處形成的正脈沖點云圖。
以圖6(a)為例進行說明，為了表述方便，在圖7中已標注說明。圖7中一共出現12簇點云圖，點4、5，7、8之間標注的是測試產生的干擾。數字處的注入電荷量為：數字值×50 pC，實際檢測值通過軟件讀取，并且每點重復1 000次左右。
直觀分析可以發現：(1)MPD600對正脈沖檢測的線性度優于負脈沖，表現在圖6(b)中的點云圖呈點圓狀，各個量值的點云圖分布均勻，接近理想值。圖6(a)中對于大于300 pC的脈沖測量誤差較大，出現上下抖動，表現在點云圖為豎條狀。(2)MPD600對脈沖相位捕捉準確，無相位抖動，表現在位于同一相位處點云圖處于同一豎線上，左右抖動很小，并無影響電荷量的測量。(3)圖中左側矩形區域為改變脈沖電壓而引起的散點噪聲脈沖，其極性、電荷量、相位、點數分布離散，但對整體測試結果并無影響。
根據實驗過程，將多次實驗結果進行統計，記錄在表1中，以分析MPD600的線性度。并根據表1，作圖8所示的正負脈沖的電荷量統計圖。
MPD600檢測正負脈沖的線性誤差通過式(1)計算得到。
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通過式(1)得到：正脈沖的檢測線性度誤差為3%，負脈沖的檢測線性度誤差為7%，說明了MPD600對正脈沖檢測的線性度優于負脈沖。根據技術手冊MPD600校準后，檢測的不確定度在±2%[8]，即在5%±2%的范圍內，說明MPD600對負脈沖檢測的線性度是可接受的，而且通過校準定標可以進行修正。由此也進一步說明了點云圖測評局放儀線性度是可行的，測量的誤差在合理范圍內。
4 結論
(1)對于局放儀線性度的測評，考慮到局放信號的隨機性和相位性，提出了利用點云圖(φ-Q-n)的概念進行線性度的測試方法，并以實驗驗證了此法的可行性和合理性，并得到MPD600對正脈沖檢測的線性度優于負脈沖的結論，其測量誤差是也在合理范圍內。
(2)為了排除傳感器、校準電容容量誤差等不確定因素的影響，提出了直接脈沖電流注入局放儀本體的測試方式，以最大程度地保證對局放儀本體測試的準確性，并與局放儀校準國標中的脈沖電流法具有一致性。
(3)注入局放儀本體的脈沖信號是上升沿為納秒級的方波，其面積表示電荷量的大小，而非視在電荷量，并且電荷量與方波電壓成正比。
(4)本文目前只對局放儀本體進行了線性度測評研究，下一步可以利用類似的方式對局放信號傳感器進行研究測試，以構成對整個局放儀系統的測評。同時可為局放儀校準標準中的相關測試提供參考指標。
參考文獻
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