专利名称：变频高压电机绝缘局部放电测试方法及其专用测试仪的制作方法
所属领域本发明涉及一种电气设备局部放电的测试方法及其测试仪，尤其涉及一种用于变频高压条件下的电机绝缘局部放电的测试方法及其测试仪。
背景技术：
变频调速传动系统在电气传动中具有无可比拟的优越性，在交通运输、能源、机械等领域有广泛的用途。但由于变频调速技术容易导致电机绝缘系统过早失效，严重制约了该技术的推广应用。在变频调速系统的逆变输出回路中，输出电流信号是受脉宽调制器(PWM)载波信号调制的脉冲波形，这种调制波形因为受变频调速开关的高速转换产生了陡电压波，陡电压波通过长电缆又产生较大的反射电压波。由于变频电机的波阻抗显著大于电缆的波阻抗，致使变频电机会受到约两倍输入电压幅值的脉冲前沿电压，在运行中将导致变频电机线圈绝缘层发生严重的局部放电。此外变频系统的频率远大于普通工频，对于GTO型大功率逆变元件，其PWM的载波频率为500Hz-2kHz，而IGBT型大功率逆变元件的PWM最高载频可达40kHz，这使得电机绝缘层的局部放电现象显著增强，局部放电加速了匝间绝缘的电老化甚至累积击穿，直接影响变频调速传动系统的稳定工作。因此，局部放电是PWM变频电压作用下电机绝缘老化、失效的主要原因之一。需要对变频高压电机绝缘的局部放电现象进行监测，收集故障放电的信息，为变频高压条件下电机的绝缘状态评估建立研究平台，为确保变频调速传动系统的可靠运行提供技术基础。
在变频高压作用下，电机绝缘承受的是脉宽为20ns-5μs的陡上升沿的方波脉冲，其幅值达数千伏乃至更高。方波脉冲上升时间对应的等效上限频率与局部放电信号的等效上限频率相差2个数量级左右，但幅值却相差106级，即变频电源频带为100kHz～50MHz，电压一般为kV级，而局部放电信号频带范围上限可达500MHz，幅值多为mV级。在这种电压等级跨度很大的区域中提取出微弱的放电信号十分困难，要求传感器具有宽工作频带。现有的测试方法及其测试仪主要根据IEC60270以及GB7354-87标准拟定，仅适用于工频(50/60Hz)或直流条件。
现有的局部放电检测仪有RLC检测阻抗型和罗高夫斯基线圈型。其中RLC检测阻抗型实质上是一种高通滤波器，当其用于变频高压条件下检测放电信号时，由于其过渡带太宽，对电源脉冲信号衰减10-100倍，仍比放电信号高2-3个数量级，因此常不能有效地检测出放电信号；并且RLC阻抗检测型传感器和被测试的电路有直接的电连接，在变频高压作用下一旦发生试样击穿，容易对传感器及后继测试电路产生危害；同时，在连续高频脉冲电源下，电路杂散电容及寄生电感的影响较大，会使得检测阻抗的结构参数发生变化，测量频带等参数发生漂移，影响测试效果。
罗高夫斯基线圈型多为在空心磁芯上缠绕线圈而构成的电流传感器，通过电流互感来感应放电信号。磁芯材料多为锰锌，这样磁芯一般仅适用于1MHz以下的低频，高频性能较差；传统的线圈绕线方式使感应信号易受杂散电容的影响及外部干扰信号的影响。
这样构成的电流传感器的频带范围多为从几十kHz到几百kHz，无法完整地分辨出变频高压条件下的局部放电信号与电源脉冲信号；而且由于通频带过低，局部放电信号的能量都严重地被电源脉冲信号淹没，不能很好地获得所需的放电信号。总之，现有的在变频高压作用下电机绝缘的局部放电信号的检测法及其测试仪在国内外尚属空白。
发明内容
本发明的目的就是提供一种用于变频高压条件下的电机绝缘局部放电测试方法。能有效地解决变频高压条件下对变频电机绝缘系统进行局部放电检测，从而实现对电机绝缘状态的评估。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案是一种变频高压电机绝缘局部放电测试方法，其特征是采用100MHz-200MHz的高频电流传感器感应出变频电机绝缘的局部放电信号，送入宽频带滤波放大器进行滤波放大处理，并通过数据处理装置处理得出测试结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是采用100MHz-200MHz高频电流传感器通过互感方式来获取放电信号，既可以避开电源信号的主要能量，又能有效耦合到局部放电信号；并通过宽频带滤波放大器将放电信号准确、有效地提取出来，基于数据处理装置分析得出测试结果。
本发明的另一目的是提供一种实现上述测试方法的专用测试仪，该测试仪的工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、可靠性强。
本发明实现上述测试方法的专用测试仪，其组成为频带为100MHz-200MHz的感应变频电机绝缘局部放电信号的高频电流传感器、对感应出的信号进行滤波放大处理的宽频带滤波放大器和对滤波放大信号进行统计分析处理的数据处理装置；高频电流传感器、宽频带滤波放大器和数据处理装置由高频同轴屏蔽电缆依次相连。
采用该专用测试仪即能方便地实现本发明的上述测试方法。试验证明，该专用测试仪工作频带宽，响应灵敏度高，并有良好的高频特性和动态特性。测试灵敏度可达到1皮库仑，频率响应范围在-3dB下100MHz～200MHz，阶跃响应的上升时间为20ns，具有较好的线性度。
实验测试时，将被测变频高压电机绝缘线穿过高频电流传感器的环柱状的屏蔽腔的内腔，变频脉冲发生器模拟产生电源脉冲电压施加于该试样上，调节脉冲电压，随着脉冲电压的升高，局部放电出现并幅值增大，并放电的次数增多。高频电流传感器的感应线圈上感应到试样中产生的放电信号，而得到感应电信号，该感应电信号与试样中电流的时间变化率(即对时间的微分)成正比关系，该信号通过积分电阻积分后，输出的信号是与被测试样中的局部放电电流成正比的电压信号。经过后级的宽带滤波器滤波放大后，即可检测出被测试样中的局部放电。对于电源脉冲电压的平顶区域的千伏级的高压信号，相对于放电信号，其随时间的变化率为零，因此在电流传感器上不会产生感应电压，即在放电测试仪中电源脉冲电压不会产生影响。这种实验测试可根据需要产生各种模拟的变频脉冲环境，为变频高压条件下电机的绝缘状态评估建立研究平台，方便地为确保变频调速传动系统的可靠运行提供技术基础。
本发明除了可进行上述模拟实验测试外，也可将现场使用的变频高压电机的绝缘引线直接置于高频电流传感器的环柱状的屏蔽腔的内腔进行现场测试。
上述的高频电流传感器的组成为感应线圈先在圆环状磁芯上环绕，然后再沿圆环磁芯的外周缘沿与线圈走向相反的方向绕一匝后引出；两引出端间并接积分电阻；高频电流传感器包裹于环柱状的屏蔽腔中，该屏蔽腔的内腔壁上开有平行于环柱中心线的缝隙。
当有垂直于圆环方向的干扰磁场时，环绕于磁芯的若干线圈的端部将产生感应电势，从而影响高频电流传感器的精度，产生测试误差。本发明的高频电流传感器中，感应线圈先在圆环状磁芯上环绕，然后再沿圆环磁芯的外周缘沿与线圈走向相反的方向绕一匝后引出。该外周缘线圈所产生的感应电势与环绕磁芯的线圈端部感应电势方向相反，可有效地抵消垂直于圆环方向的干扰磁场对高频电流传感器的影响，提高了本发明的信噪比。
高频电流传感器包裹于环柱状的屏蔽腔中，该屏蔽腔的内腔壁上开有平行于环柱中心线的缝隙。屏蔽腔既能有效地屏蔽减少外界磁场的干扰，减少对高频电流传感器的不利影响；同时在内腔开有缝隙，又能有效感应放电信号。
上述的感应线圈在圆环状磁芯的环上环绕30匝-40匝，圆环状磁芯为镍锌磁芯，积分电阻与高频同轴屏蔽电缆的阻抗均为50Ω。镍锌磁芯的高频特性好，可以保证传感器的高频性能；积分电阻与高频同轴屏蔽电缆的阻抗均为50Ω，这样可避免检测出的局部放电信号在向后的传输过程中发生反射，引起衰减。
上述的宽频带滤波放大器由四阶巴特沃思低通滤波器和四阶巴特沃思高通滤波器串联构成，低通滤波器中的低通滤波电阻和高通滤波器中的高通滤波电阻均为可调电阻；宽频带滤波放大器的外壳上紧贴包裹有双层金属屏蔽网，外壳与屏蔽网共同接地。
这样构成的频带可调的滤波放大器可在100MHz-200MHz之间调节带宽，针对不同的变频系统，对应调节带宽，实现对于特定变频系统的放电频带外信号衰减80dB，即衰减10000倍，也即将传感器耦合过来的电源高频脉冲信号衰减到10mV以下。保证特定系统的特定工况下较宽带宽的放电信号能完整地检测出来。将该滤波放大器置于双层金属屏蔽网中，有效地防止现场1kHz-300MHz电磁波干扰。且高频电流传感器与滤波放大器分别屏蔽，减少了两者之间的相互影响。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的描述。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中宽频带滤波放大器电路原理图。
具体实施例方式
实施例图1、2示出，本发明的一种具体实施方式
为一种变频高压电机绝缘局部放电测试方法是采用100MHz-200MHz的高频电流传感器1感应变频电机绝缘的局部放电信号，送入宽频带滤波放大器2进行滤波放大处理，并通过数据处理装置3处理得到测试结果。
一种用于实现上述测试方法的专用测试仪，其组成为频带为100MHz-200MHz的感应变频电机绝缘的局部放电信号的高频电流传感器1、对感应出的信号进行滤波放大处理的宽频带滤波放大器2和对滤波放大信号进行统计分析处理的数据处理装置3；高频电流传感器1、宽频带滤波放大器2和数据处理装置3由高频同轴屏蔽电缆4依次相连。
高频电流传感器1的组成为感应线圈15先在圆环状磁芯14上环绕，然后再沿圆环磁芯的外周缘沿与线圈走向相反的方向绕一匝后再引出；两引出端间并接积分电阻13；高频电流传感器1包裹于环柱状的屏蔽腔中，该屏蔽腔的内腔壁上开有平行于环柱中心线的缝隙。感应线圈15在圆环状磁芯14上环绕的匝数为35匝，圆环状磁芯14为镍锌磁芯，积分电阻13与高频同轴屏蔽电缆4的阻抗均为50Ω。
宽频带滤波放大器2由四阶巴特沃思低通滤波器21和四阶巴特沃思高通滤波器22串联构成，低通滤波器21中的低通滤波电阻R1、R2和高通滤波器22中的高通滤波电阻R3、R4均为可调电阻；宽频带滤波放大器2的外壳上紧贴包裹有双层金属屏蔽网，该屏蔽网与外壳共同接地。
高频电流传感器1圆环状磁芯14内径尺寸为45mm；感应线圈15采用漆包线绕制，屏蔽腔材料为铜，外径尺寸为90mm，内孔尺寸为18mm，屏蔽腔上、下部用螺钉紧固连接；宽频带滤波放大器2的外壳双层屏蔽网的一层由铜制成、另一层由铁制成。
本发明的数据处理装置3可采用现有的计算机数据处理系统对采集来的数据进行分析处理。
权利要求
1.一种变频高压电机绝缘局部放电测试方法，其特征是采用100MHz-200MHz的高频电流传感器(1)感应变频电机绝缘的局部放电信号，送入宽频带滤波放大器(2)进行滤波放大处理，并通过数据处理装置(3)处理得到测试结果。
2.一种用于实现权利要求1所述测试方法的专用测试仪，其组成为频带为100MHz-200MHz的感应变频电机绝缘局部放电信号的高频电流传感器(1)、对感应出的信号进行滤波放大处理的宽频带滤波放大器(2)和对滤波放大信号进行统计分析处理的数据处理装置(3)；高频电流传感器(1)、宽频带滤波放大器(2)和数据处理装置(3)由高频同轴屏蔽电缆(4)依次相连。
3.根据权利要求2所述的专用测试仪，其特征在于所述的高频电流传感器(1)的组成为感应线圈(15)先在圆环状磁芯(14)上环绕，然后再沿圆环磁芯的外周缘沿与线圈走向相反的方向绕一匝(15A)后引出；两引出端间并接积分电阻(13)；高频电流传感器(1)包裹于环柱状的屏蔽腔中，该屏蔽腔的内腔壁上开有平行于环柱中心线的缝隙。
4.根据权利要求3所述的专用测试仪，其特征在于所述的感应线圈(15)在圆环状磁芯(14)上环绕的匝数为30匝-40匝，圆环状磁芯(14)为镍锌磁芯，积分电阻(13)与高频同轴屏蔽电缆(4)的阻抗均为50Ω。
5.根据权利要求2所述的专用测试仪，其特征在于所述的宽频带滤波放大器(2)由四阶巴特沃思低通滤波器(21)和四阶巴特沃思高通滤波器(22)串联构成，低通滤波器(21)中的低通滤波电阻(R1、R2)和高通滤波器(22)中的高通滤波电阻(R3、R4)均为可调电阻；宽频带滤波放大器(2)的外壳上紧贴包裹有双层金属屏蔽网，该屏蔽网与外壳共同接地。
全文摘要
本发明公开了一种变频高压电机绝缘局部放电测试方法，其特征是采用100MHz－200MHz的高频电流传感器(1)感应变频电机绝缘的局部放电信号，送入宽频带滤波放大器(2)进行滤波放大处理，并通过数据处理装置(3)处理得到测试结果。该方法能有效地解决变频高压条件下对变频电机绝缘系统进行局部放电检测，从而实现对电机绝缘状态的评估。
文档编号G01R31/00GK1851489SQ20061002086
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者吴广宁, 张血琴, 佟来生, 郭俊, 刘曦, 高波, 周利军, 李瑞芳 申请人:西南交通大学