超声波原理与在线局放(很不错的入门文章)

超声波和在线局放检测

摘要

绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因之一。如果电气设备在正常运行电压下，其绝缘中就已经出现局部放电现象，这意味着绝缘内部存在局部性缺陷，而且这种过程必然会在整个运行期间继续发展，达到一定程度后，就会导致绝缘的击穿和损坏。测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷已经介质老化的速度和目前的状态。因而电气设备制造厂和电力系统运行部门都很重视局部放电的检测，它已经成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。

本文叙述了用超声波法测局部放电的基本设计思路。并对局部放电产生的机理和局部放电产生超声波的机理以及局部放电信号的提取做了一定的介绍。

关键词：局部放电，超声波的产生，信号提取

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Abstract

Partial discharge in insulation is one of the important reasons of dielectric aging. If the phenomenon of partial discharge has occurred in the insulation of the electrical equipment under normal operating voltage, which means local flaws exist in insulation, and this process will certainly continue to develop during the whole operation, reached a certain level, it will lead to insulation breakdown and damage of insulation. Measuring intensity and trends of partial discharge of electrical equipment at different voltage, we can determine the existence of local defects in insulation and dielectric aging rate and the current state. Thus electrical equipment factory and power system operation departments attach great importance to the detection of partial discharge, it has become to determine the insulation quality of products and one of the important preventive tests of insulation.

This paper,in order to,partial discharge,describes the basic design ideas which are used ultrasonic method. In addition，the paper introduce mechanism of the partial discharge produced,the mechanism of ultrasonic generation of partial discharge and signal extraction of partial discharge.

Key words:Partial Discharge,ultrasonic generation , signal extraction

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目录

第一章 绪论 ........................................................ 1

1.1研究意义与目的 ............................................... 1 1.2国内外研究现状 ............................................... 1 1.3局部放电检测方法 ............................................. 2

1.3.1.脉冲电流法 ............................................. 2 1.3.2.介质损耗检测法 ......................................... 2 1.3.3.超声波检测法 ........................................... 3 1.3.4.化学检测法 ............................................. 3 1.3.5.光检测法 ............................................... 4 1.3.6超声波法检测局部放电的特点 ............................. 4 1.4局部放电基本概念 ............................................. 5 1.5局部放电与超声波的关系 ....................................... 6 1.6本文的主要工作 ............................................... 6 第二章 超声波法检测局部放电的原理与设计 ........................... 7

2.1局部放电的机理 ............................................... 7

2.1.1局部放电基本概念及原理 ................................. 7 2.1.2 放电过程 ............................................... 9 2.1.3表征局部放电的参数 .................................... 10 2.1.4 影响局部放电的因素 .................................... 14 2.2 局部放电产生超声波的机理 .................................. 16 2.3超声波法测局部放电的设计 .................................... 18

2.3.1超声波传感器 .......................................... 20

2.3.1.1超声波及其物理性质 ............................... 20 2.3.1.2超声波传感器原理 ................................. 21 2.3.2放大电路 .............................................. 22 2.3.3 滤波器电路的作用 ...................................... 24

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2.3.4触发电路的作用及其实现 ................................ 24

2.3.4.1触发电路的作用 ................................... 24 2.3.4.2触发电路实现的软件设计 ........................... 24 2.3.5数据采集模块 .......................................... 27

第三章 局部放电信号的提取 ....................................... 29

3.1局部放电信号产生干扰的原因 .................................. 29 3.2提取局部放电脉冲信号 ........................................ 29 第四章 MATLAB仿真结果 ........................................... 32

4.1 局部放电信号的模型 ......................................... 32 4.2 局部放电信号模型仿真结果 ................................... 32 第五章 结论与展望 ................................................ 36

5.1 结论 ....................................................... 36 5.2 展望 ....................................................... 36 致谢............................................................... 37 参考文献 .......................................................... 38 附录............................................................... 40

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第一章 绪论

随着我国现代化建设全面步入21世纪，国民经济的发展对电能的需求不断增加。电力系统必然要向超高压、大电网、自动化的方向发展。电压等级的提高使得电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的电气设备无论是大型关键设备如发电机、变压器，小型设备如电力电容器、绝缘子等，还是电力传输线，一旦发生故障就会引起局部乃至全地区的停电，给国民经济其他部门的生产和运作造成严重的后果。

1.1研究意义与目的

电气设备在高电压、高电场的作用下，运行过程中的放电、电磁力、热应力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘等都会造成绝缘材料性能的逐步劣化，同时这种劣化是不可逆的并且不断加速。因此在局部高电场作用下的高压设备中某些绝缘薄弱环节会发生局部放电。电力传输线是电力系统中的重要部分之一，其线路绝缘状况的好坏直接影响着电力系统是否能够安全运行。一旦发生故障，有可能发生大面积停电事故，给电力系统和国民经济带来巨大损失，因此电力系统非常重视电力传输线的状态，尤其是其绝缘介质的健康状况。随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力线路绝缘劣化的主要原因之一，因而测量电力传输线的局部放电是及时发现故障隐患、预测运行寿命、保障电力传输线可靠运行的重要方法。因此无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都越来越关心局部放电检测技术的发展，并广泛的把局部放电检测作为绝缘质量监控的重要指标。由于人们非常关注电力运行的安全问题，所以对其局部放电机理和检测方法进行了大量的研究。目的是实现在线检测是否存在局部漏电现象以及对放电量进行估计。

1.2国内外研究现状

清华大学研制的JFY3型局部放电在线检测系统能连续检测多台大型变压器的局部放电。系统中电流传感器采用环形铁心、宽带有源传感器，其带宽为10kHz-1.2MHz。通过硬件滤波电路幅值调整后的信号再利用程控带通滤波器进

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行滤波，滤波器带宽为50kHz，中心频率从50kHz到400kHz共7档。系统采用宽带多通道、大容量、高采样率数据采样，同时运用各种数字信号处理的方法抑制干扰。该系统利用程控带通滤波电路躲过各种连续的周期性干扰，这种方法对于消除工频及其谐波、载波通信、无线电广播等窄带干扰比较有效，但在局部放电在线检测中不够灵活，往往只适合于某个具体的变电站，针对具体变电站需仔细选择合适的通带。另外传感器只能获得放电信号中一部分能量，不仅降低了灵敏度，而且造成检测波形畸变，给用中仍然存在着灵敏度低，容易受外界干扰的缺点。但因为超声波法测量的不是电信号，这就有利于排除电气上的干扰；超声波定位系统硬件简单，算法成熟，所以在局部放电的在线检测中，它更多的是作为一种主要的辅助测量手段。

1.3局部放电检测方法[1]

局部放电的检测以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、气体生成物、超声波、电磁辐射、光、局部过热以及产生能量损耗等现象。因此，相应的就出现了电脉冲检测法、气相色谱检测法、超声波检测法、超高频检测法、电磁波检测法、光检测法和介质损耗检测法等多种检测方法[2][3]。 1.3.1.脉冲电流法

此法测量视在放电量。当发生局部放电时，试品两端会出现一个几乎是瞬时的电压变化，在检测回路引起一高频脉冲电流，将它变换成电压脉冲后就可以用示波器等测量其波形或幅值，由于其大小与视在放电量成正比，通过校准就能得出视在放电量（一般单位用pC）。此法灵敏度高、应用广泛。 1.3.2.介质损耗检测法

局部放电要消耗能量，使介质产生附加损耗。外加高压越高、放电频度越大、附加损耗也就越大。本法就是基于测量这种附加损耗来检测局部放电的，这时一般也可以利用西林电桥，测出介质的“tgδ—U”关系曲线，那么曲线开始突然升高处的E0相对应的电压即为局部放电的起始电压。

本法的优点是不需要添置专用的测量仪器，操作比较方便。其缺点是灵敏

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度比脉冲电流法低的多，而且tgδ随电压而增大的现象也可以因介质受潮等其它因素而引起，要排除这些因素的影响亦非易事。 1.3.3.超声波检测法

是用超声波传感器接收电气设备内部或电力传输线局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置。由于超声检测法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，因此人们对超声检测法的研究较为深入，近年来，由于声－电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高，尤其是在大容量电容器的局部放电检测方面，其灵敏度甚至高于电脉冲法。该方法具有可以避免电磁干扰的影响；可以方便地定位；可实现在线检测，且在线检测与离线检测的结果相同等优点。但由于超声波在电气设备内部的传播过程是一个很复杂的过程，造成在一些情况下超声定位实验不能成功；目前无法利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断，主要作为一种辅助测量方法。 1.3.4.化学检测法

化学检测法又叫气相色谱检测法，是根据局部放电时会使SF6分解所产生的气体（SOF2，SO2F2）的含量来判断局部放电的程度和局部放电的模式。此方法最初显得很有吸引力，因为局部放电不可避免出现化学分解物，由于稳定的放电，诊断气体的浓度会逐渐上升到能检测到的水平，而且这种检测方法不受电气干扰。但是电气设备中发生局部放电时诊断气体会被SF6气体强烈地稀释而短脉冲放电不一定会产生足够多的分解物，因此诊断将需要较长地时间，实时性差，存在很大的时延，另外电气设备中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量断路器动作时产生的电弧从而引起误判，因此化学方法对电气设备中的局部放电检测不太敏感只能反映电气设备内局部放电的总体程度无法精确测定局部放电而且测量需要较长时间，仅适合在实验室内对小容量SF6气体的研究。总之，该方法对发现早期潜伏性故障较为灵敏，但不能反映突发性故障。

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1.3.5.光检测法

包括两种一种是荧光光学检测法，通过荧光光纤检测局部放电所产生的荧光来检测局部放电[4]。另一种是超声-光学检测方法，通过提取局部放电超声信号传播到光纤上时光纤的形变信号来检测局部放电。该方法测量时，光信号不受电磁干扰；灵敏度高；可以方便的确定局部放电位置。但由于电气设备结构复杂，光纤的埋法复杂，且不能记录非透明装置的局部放电；目前光纤传感器的分辨率尚不能满足工程需要，不能进行定量分析与局部放电的模式识别。

除此之外，还有一些其他方法如电磁波检测法、射频检测法等也正在研究。这些检测方法的研究都取得了一定的进展，主要表现在所用传感器灵敏度的提高、数字处理技术水平的提高以及各种数学方法的应用，大大提高了测量的精度与可靠性。使这些方法从实验室或离线应用开始向在线应用转换，但还存在一些问题需要进一步解决。例如对电脉冲测量法来讲，最主要的是如何在检测现场的强大干扰中进行信号的检测和识别问题，尽管很多方法（数字信号处理方法、极性鉴别方法、差动平衡法、选频平衡法、小波分析法等）都在这方面进行了尝试，但还没有能够在各种场合的情况下都适合的方法。

尽管电脉冲法是局部放电研究的基础，但是电脉冲信号在现场中检测时会有很大的干扰，很难正确得到放电信号，另外在线标定的问题和在线结果与离线结果的等效性等问题，也是长期困扰电脉冲法在线检测局部放电的问题，目前在现场中，工程技术人员往往更关心运行电气设备和电力传输线的局部放电检测问题，特别是当放电量较大时，通过检测局部放电以确定电气设备、电力传输线绝缘的损坏程度。而这种情况适合超声波法检测，因此本文从在线检测的角度出发，选择超声波法进行电气设备和电力传输线局部放电的研究。 1.3.6超声波法检测局部放电的特点

1、易于实现在线检测

目前采用的超声波法检测局部放电是利用超声波传感器贴在接地的电气设备外壳上或者将传感器靠近被检测的电气设备或电力传输线进行检测，对电气设备和电力传输线的正常运行和操作没有任何影响，传感器与检测设备之间采用光纤来连接，光纤具有良好的绝缘性能，检测设备与高电压设备之间有很好的隔离，

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使设备和测量人员的安全可以得到保证，同时不存在在线结果与离线结果的等效性问题，因此利用超声波法可以较容易的实现在线检测局部放电。

2、可望实现利用超声波法进行模式识别和定量分析

利用超声波法进行局部放电模式识别和定量分析，一直是超声波法检测局部放电研究中的重点，上世纪80年代，德国和日本科学家曾在此方面进行过研究，但并未得到理想的结果，近年来，人们又对利用频谱识别局部放电模式提出了新的见解，随着非线性科学和非确定性科学的发展，为利用超声波对局部放电进行模式识别和定量提供了新的方法，其研究也取得了一些新的成果，因此在先进的传感器以及数学分析工具的支持下，有望利用超声波检测法来实现局部放电的模式识别和定量分析。

3、超声波法的进一步研究有望得到一些新的放电信息

当电脉冲通过测试品时，会产生与电荷分布相关的超声波脉冲，且与空间电荷成比例，这样测量超声波就能获得电荷的组成部分及存在位置，因此利用超声波法可以对绝缘材料中的电荷分布进行测量，这是目前利用电流脉冲法所无法测量的。另外从局部放电产生超声波的机理考虑，辉光放电和亚辉光放电同样产生超声波，对这些超声波信号的测量将弥补电脉冲法在局部放电测量时的不足，对它的进一步研究将有可能产生新的局部放电测量标准。

目前，在局部放电检测中主要还是采用脉冲电流法和超声测量法，因为超声检测法具有以上优点，本文正是基于这种方法获得局部放电脉冲信号。

1.4局部放电基本概念

局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿。它可产生在固体绝缘孔隙、液体绝缘气泡或不同介质特性的绝缘层间。如果电场强度高于介质所具有的特定值，也可能发生在液体或固体绝缘中。

局部放电逐渐发展，会对其周围的绝缘介质不断侵蚀，最终可能导致整个绝缘系统的失效，所以局部放电是造成绝缘恶化的主要原因，同时它也是绝缘恶化的重要征兆和表现形式，它与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，能有效地反映电力设备内部绝缘的故障，尤其对突发性故障的早期发现，它比介质损耗测量、油中气体含量。分析等方法要有效得多。

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1.5局部放电与超声波的关系

1.在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与放电量大小成正比[5][6][7]。

在利用超声波法研究局部放电中，很多文献都提到在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与视在放电量大小成正比，当局部放电量在一定范围内时，真实放电量与视在放电量成线性关系，即在一定的范围内，超声波信号幅值与视在放电量成正比。这样就可以根据超声波的幅值来判断放电量的大小。

2.随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动。

随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动。在实际实验中我们也观察到相同的现象。

3.不同的局部放电情况所发出的超声波信号波形不同。

从局部放电产生超声波的力学等值电路可知，局部放电电流是超声波产生的激励源，因此不同模式的局部放电产生的超声波波形不同，另外当同一种放电模型处于不同的介质环境中时（如固体介质中的气泡放电与油中的气泡放电）其力学等值电路中的电路参数也不同，造成产生的超声波波形不同，因此利用检测到的超声波波形的不同可以进行局部放电的模式识别。

根据以上几点可以利用超声波法进行局部放电检测，放电的模式由放电的波形决定，放电量由超声波信号的幅值、频率、放电周期决定。。

1.6本文的主要工作

1. 分析局部放电产生的原因，局部放电的原理； 2. 局部放电产生超声波的机理 3. 采用的超声波法测局部放电的设计。 4. 局部放电信号的提取。

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第二章 超声波法检测局部放电的原理与设计

2.1局部放电的机理[1]

2.1.1局部放电基本概念及原理

绝缘介质内部含有一个气隙时的放电情况是最简单的，如图2.1(a)所示。图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分的介质。

+ U d a  b c b  uc Cc a ub Cb Rc Ca Rb Ra U （b） （a）

δ－气隙厚度 d－整个介质的厚度 Rc、Cc－气泡的电阻和电容

Rb、Cb－与气泡串联部分介质的电阻和电容 Ra、Ca一其余部分介质的电阻和电容

图2.1含有单气隙的绝缘介质，（a）绝缘介质中的气隙，（b）放电等效电路

假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用图2.l(b)所示的等效电路来分析。

假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向相垂直，则按电流连续性原理可得

Y（2.1） Ucc  U bY b

 分别为气隙和介质的等效电导 。 、Y分别气隙和介质上的电压, Y、U式中Ubccb工频电场中若c和b均小于10－11(·m)-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为

2(C)2ucUCbbbcb （2.2） 22ubUC(d)c(Cc)ccb式中c、b分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数，气隙和介质中的电场强度

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Ec、Eb 的关系为

EcuCb （2.3） Ebub(d)c由式（2.3）可见：

(1) 气隙放电在工频电场中气隙中的电场强度是介质中电场强度的bc倍。通常情况下c1，而b1，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比气体的击穿场强低，因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道。

(2) 油隙放电在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的间隙，这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质为低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。

(3) 在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其它金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强时，则介质局部击穿而形成了局部放电。

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+ u uC    E外 E内 + + +  (a)

um u3 u2 u1 0 u 2 3 1 4 t q uc us ur -ur -us

t (b) 图2.2 放电过程示意图（a）绝缘介质内气隙放电空间电荷分布 （b）外部电压u、空间电荷q、气隙电压uc的时间变化图

2.1.2 放电过程

在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子(或负离子)沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反的电场 (如图2.2（a）所示)，这时气隙内的实际场强为

EcE外E内 (2.4)

即气隙上的电场强度下降了E内，或者说气隙上的电压降低了Uc。于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强ECB，气隙中放电暂停。在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10-8数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间

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比较长，可达10-6数量级。

如果对照图2.2（b）分析放电过程，外施电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压uc达到气隙的击穿电压UCB时，气隙发生放电。由于放电的时间极短，可以看作气隙上的电压由于放电而在瞬间下降了uc，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿电压，放电暂停（这相应于图2.2(b)中的点1）。此后气隙上的电压随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压UCB时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降uc，于是放电又暂停。假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中放电电荷建立的反向电压为-2uc。依此类推如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了n次放电，每次放电产生的电荷都是相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为-nuc。在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压分量u外逐渐减小，当u外=nuc时，气隙上的实际电压为零(图2.2(b)中点2)。 外施电压的瞬时值继续下降，当u外-nuc =UCB时，即气隙上实际的电压达到击穿电压时，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于此前放电电荷所建立的电场E内，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为u外-nuc 随着电压回升，在一段时间内u外+nuc 由此可见，在正弦交流电压下，局部放电是出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。

2.1.3表征局部放电的参数

局部放电是比较复杂的物理现象，必须通过多种表征参数才能全面地描绘其状态。在气隙中产生局部放电时，气隙中的气体分子被游离而形成正负带电质点，

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在一次放电中这些质点所带的正或负电荷总和称为实际放电量qr。

根据图2.1(b)所示的等效电路可以推算出，由于Cc上电荷改变了qr所引起的Cc上的电压变化Δuc。

ucqr (2.5)

CcCaCb/(CaCb)通常气隙总是很小的，且Ca>>Cb，因此上式可写作

ucqr (2.6)

CcCb 由于气隙经常是处于介质内部，因而无法直接测得qr或ΔUc。但根据图2.1(b)所示的等效电路当Cc上有电荷变化时，必然会反映到Ca上电荷和电压的变化，即试样两端出现电荷和电压的变化，因此可以根据这种变化来表征局部放电。通常有以下表征局部放电的参数。 一、视在放电电荷

视在放电电荷是指产生局部放电时，一次放电在试样两端出现的瞬变电荷。 根据图2.1(b)所示的等效电路，并考虑到介质电阻Ra、Rb以及气隙电阻Rc都很大，而局部放电的放电时间又极短，可以假定在放电过程中，一方面电源来不及供给补充电荷，另一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉。因此当气隙放电而造成Cc上电压下降Δuc时，各电容上的电荷重新分配，因此Ca上的电压也下降了Δua，且

uauc这时Ca上的电荷变化为

CbCucb (2.7)

CbCaCaqaua[CaCcCb/(CcCb)]uaCa (2.8)

将(2.7)代入上式可得

qaCbUc (2.8)

将(2.6)代入上式得

qaqrCb (2.9)

CcCb其中qa就是视在放电电荷，(2.9)表明了视在放电电荷与实际放电电荷的关系，可以看到：

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（1）通常气隙是很薄的，即Cc>>Cb，因此qa往往比qr小得多；

（2）应当注意，真正代表放电大小的是qr，只有在Cb/(Cb+CC)相同时才能通过qa的大小来比较实际放电的大小；

（3）两个视在放电量qa相同的产品，如果Cb/(Cb+CC)差别很大，则qa的差别也很大，因此，对材料的破坏作用也就可能大不相同。这点在局部放电的实际测试中要做具体分析。 二、放电重复率

放电重复率是指单位时间内局部放电的平均脉冲个数。通常以每秒放电次数来表示。从图2.2可以看出，假定气隙中每次放电后残留的电压ur可以忽略，则在外施电压的1/4周期内放电的次数约为

ucmumCb n （2.10） UcBUcBCbCc式中ucm为气隙中不放电时电压的峰值。如果外施电压的频率为f，则一秒钟内放电次数为

N4fn4fumCb （2.11） UcBCbCc 在气隙中的放电次数与反映到试样两端电压脉冲的次数是完全相等的，但要注意的是实际测量中脉冲计数器需要大于一定电平的信号才能触发计数，因此，测得的放电次数只是放电量大于一定值或在一定范围的放电次数。 三、放电的能量

放电能量是指在一次放电中所消耗的能量。单位用焦耳表示(J)。假定在气隙中发生放电时，气隙上的电压从UCB下降到零，即Δuc=UCB。则在这一次放电中消耗的能量为

W111qruc[CcCaCb/(CaCb)]uc2(CcCb)uc2 （2.12） 222UCB时，施加在试样两端的电压峰值为uim（即起始

设当

放电电压的峰值），则

ucUCB将上式代入式（2.12）得

Cbuim （2.13）

CcCb1

11WuimCbucuimqa （2.14）

22 上式表明放电能量为视在放电电荷与起始放电电压（峰值)乘积的一半。同时也是实际放电电荷和气隙的击穿电压乘积的一半。 四、放电的平均电流

平均电流是指在一定时间间隔T内视在放电电荷绝对值的总和除以时间间隔T。

I1[qa1qa2qam] （2.15） T当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，放电的平均电流I为安培（A）。 五、放电的均方率

均方率是指在一定时间间隔T内视在放电电荷的平方之和除以时间间隔T。

D1222[qa1qa2qam] （2.16） T当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，均方率D的单位为C2/s。 六、放电功率

放电功率是指局部放电时，从试样两端输入的功率，也就是在一定时间内视在放电电荷与相应的试样两端电压的瞬时值之乘积除以时间间隔T。

P1[qa1u1qa2u2qamum] （2.17） T当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，放电功率P的单位为W。 七、局部放电起始电压Ui

局部放电起始电压是指试样产生局部放电时，在试样两端施加的电压值。在交流电压下用有效值表示。

在实际测量中，施加电压必须从低于起始放电的电压开始，按一定速度上升。同时，为了能在灵敏度不同的测试装置上所测的起始电压进行比较，一般是以视在放电电荷超过某一规定值时的最小电压值为起始放电电压。 八、放电的熄灭电压Ue

放电熄灭电压是指试样中局部放电消失时试样两端的电压值。在交流电压下是以有效值来表示。在实际测量中电压应从稍高于起始放电电压值开始下降。为

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了能在不同灵敏度的测试装置上测得的放电熄灭电压进行比较，一般是以视在放电电荷低于某一规定值时的最高电压为放电熄灭电压。

上述八个表征局部放电的参数中，视在放电电荷、放电重复率和放电能量是基本的表征参数。平均电流、均方率和放电功率是表征放电量和放电次数的综合效应，并且是在一定时间内局部放电累积的平均效应。放电起始电压和熄灭电压则是以施加在试样两端的电压特征值来表示局部放电起始和熄灭的。

2.1.4 影响局部放电的因素

局部放电的特性与很多因素有关。如介质和气隙（油隙）的特性、形状、尺寸，电场的均匀程度，外施电压的波形以及环境条件等。它们都是影响局部放电特性各参数的因素。 一、影响视在放电电荷的因素 由前述可知

qaCbUcbAUCB （2.18）

c(d)式中=0.1~0.8，表示当气隙比较大时，每次放电只是发生在一部分气隙面积当中。因此实际放电的面积应以·A来表示，其中A为气隙的面积。从(2.18)可以看出：

1、气隙面积增大时，qa也增大；

2、当外加电压升高时，值增大，即实际放电面积增大，qa也增大。如果介质中存在多个气隙，则电压升高时就会有更多的气隙同时放电，这时qa增加更为明显；

3、气隙的击穿电压增高，qa也增大。在气隙中气体的性质和气体的压力都会影响气隙的击穿电压。在同样尺寸的间隙中，油的击穿电压比气体高一到二个数量级。所以油隙的放电量一般比气隙的放电量大1~2个数量级；

4、介质的相对介电系数大，介质的厚度小，气隙的厚度大，都会使qa增大。这时qa就比较接近于实际放电电荷qr ，反之就远小于qr；

1

5、当气隙表面形成半导电层或导电层时，会使放电量显著减小，甚至于停止放电。

二、影响放电重复率的因素

根据(2.11)式可以进一步推导出放电重复率 N4fn4f由此可见：

1、增加试验电压的频率和峰值，都会使放电重复率增加；

2、气隙的击穿电压低，放电的重复牵就大。从图2.2可以清楚地看到，当外加电压一定时，每周期内放电次数随UCB的减少而增加。因此，在其他条件相同时，油隙的放电重复率要比气隙的小；

3、在试验电压峰值不变的条件下，介质的相对介电系数越大，介质厚度与气隙厚度之比越小，则气隙所承受的电压峰值就越高，因此，放电重复率也就增大；

4、气隙表面电阻小，放电电荷容易泄漏掉，气隙中由于每次放电所建立的反电场ΔUc就比较小，因此，在一周期中放电次数增多，即重复率增大。这在交流电压下尤为明显；

5、介质中存在许多气隙时，由于各次放电的时间比放电间隔的时间短得多，各气隙的放电正好叠加在一起的几率很小。因此，放电的次数也会增多。 三、影响放电能量和放电功率的因素

假定在1秒钟内各次放电的能量都一样，则每次发生放电功率为

umCbum4f （2.19） UcBCbCcUcB1c(d)/(b)PNqauim (2.20)

式中N为放电重复率，uim实际上就是用峰值表示的起始放电电压。将式(2.14)与(2.20)比较可以看出放电能量W与放电功率P都与视在放电电荷及起始放电电压有关。因此，所有影响视在放电电荷和放电电压的因素都会影响放电功率或放电能量。此外，放电功率还与放电重复率有关，因此，影响放电重复率的因素也会影响放电功率。

四、影响放电平均电流和均方率的因素

1

根据平均电流和均方率的定义，可以看出每秒钟内放电的次数越多，每次放电的放电量越大，则平均电流或均方率就越大。因此，影响放电次数和放电量的因素也都会影响平均电流和均方率。 五、影响放电起始电压和放电熄灭电压的因素

凡是对气隙中的电场分布和气隙中气体击穿场强有影响的因素，如介质和气体的相对介电系数、介质和气隙的厚度、气隙的形状、气隙中气体的性质及压力等都会影响放电起始电压和放电熄灭电压。

有些绝缘材料中的气隙放电起始电压还与施加电压的时间有关，如环氧纸板在20℃时，用快速升压测得的放电起始电压比逐级升压测得的高3.5倍。而在温度为60℃时这种差别就小得多。有的实验指出，当气隙直径小时，这种起始放电的延迟效应更为明显。

在有延迟效应的情况下，起始放电电压的测定最好补充规定电压上升到起始放电时所需的时间不少于某一规定值，或者规定采用逐级升压法升压，并规定每级停留的时间。放电熄灭电压一般略低于放电起始电压，在放电过程，气隙状态发生了变化，或由于局部放电产生了新的气隙，则在较低的电压下仍然可以保持放电，这时放电熄灭电压将明显地降低。

2.2 局部放电产生超声波的机理[8]

设变压器油中含有一半径为r的气泡q，气泡的质量为Mm，气泡处于一定的电场中，由于局部放电的原因，气泡携带一定的电荷，因此气泡收到一定的外加的电场力Fe，气泡内部将有一定的弹性作用力Fq，气泡维持平衡状态，如图2.3A所示。由于局部放电过程（ns级）相对于超声波的产生过程（μs级）来讲，局部放电过程很快，因此可以忽略局部放电的震荡过程，认为局部放电过程为单个脉冲。

当发生局部放电时刻，气泡所受的外在电场力突然消失，气泡平衡状态被打破，气泡在弹性力的作用下，产生振动，此时气泡在受到三条力线：一条为弹性力，穿过力顺元件Cm，终止于气泡壁；另一条为摩擦力，穿过力阻元件Rm，终止于气泡壁；一条为惯性力，穿过质量元件Mm，终止于气泡壁；这三条力线都汇合于气泡壁，如图2.3B所示。

从物理上看，质量Mm，力顺Cm，力阻Rm，三个元件的速度都相同，因

1

此其在阻抗型类比线路图中应当是串联的。因此得到的电－力类比电路图如图2.3所示。其中气泡的质量Mm等于气泡的体积乘以气泡的密度，力顺Cm、力阻Rm与气泡中的气体成分有关。

从图2.3中明显的可以看出，气泡局部放电的力学过程类似于电路中的二阶电路的零输入响应。因此气泡中弹性力的受力满足下式的二阶方程

d2ucduLmCm2RmCmcuc0 （2.21）

dtdt一般情况下，对于油介质来讲，其力阻较小，式中存在：

r Fp Rm r Cm Mm Cm 图2.3A 图2.3B

图2.3

R<2L （2.22） C说明气泡中的局部放电力学过程为振荡过程。

等效电路中的电压uc表示气泡壁的的对外作用力，其值乘上气泡的表面积 即超声波的声压，忽略局部放电的振荡过程以及气泡的体积变化，则uc正比于 超声波的声压，得到：

uc式中：

u00esint （2.23）

RR122m m 0 arctg

2LmLmCm2Lm

21

可以看出当气泡内发生局部放电时，气泡在脉冲电场力的作用下将产 生为衰减的振荡运动，在气泡振动的作用下周围的介质中将产生超声波。 则设气泡上真实放电量为q，气泡的击穿电场为E，则力顺Cm的初始值 U0即等于击穿前施加在气泡上的电场力。得到：

U0UcqE （2.24）

忽略局部放电的振荡过程时，由式2.23、2.24可知，超声波幅值与真实 放电量成正比。

2.3超声波法测局部放电的设计

整体设计思路：

从传感器输出的局部放电信号往往十分微弱，必须对其进行预处理后才能送入高速数据采集单元进行模数转换。本文中的信号预处理单元主要完成两方面的工作，一方面完成信号的放大，使信号的幅值满足A/D的要求；另一方面对信号的频带加以，其目的是抑制高频干扰和抗频域混叠。实际的模拟信号预处理单元共有两路信号预处理电路，一路是用于检测是否有放电信号的整流触发电路，一路是在触发信号出现以后对放电信号进行滤波放大处理后再送给采样电路的处理电路。系统的整体框图如图2.4

1

传感器 前置放大器 滤波器 主放大器 触发电路 模数转换 数据采集 单片机

图2.4

1

2.3.1超声波传感器

2.3.1.1超声波及其物理性质

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。如图2.5为声波的频率界限图：

次声波 声波 0.25106 音乐 探测 超声波 20106 微波 语言 101 102 103 104 105 106 107 f/Hz

图2.5声波的频率界限图

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为

axPxPe （2.25） 0IxI0e2ax （2.26）

式中：Px，Ix——声波在距声波x处的声压和声强； P0，I0——声波在生源处的声压和声强； x——声波与声源间的距离； ——衰减系数。

声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。

1

2.3.1.2超声波传感器原理

接收超声波的装置叫做超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波探头常用的材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应将接收的超声波振动转换成电信号。也有使用导磁材料制作的超声波探头，它是利用导磁材料的压磁效应将接收的超声波振动转换成电信号。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。

在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转化元件，压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。应用较多的压电材料主要有五大类，即压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电高分子聚合物、压电复合材料以及压电半导体。压电陶瓷是目前超声研究及应用中极为常用的材料。其优点在于以下几个方面[9]： 1、机电转换效率高，一般可以达到80%左右；

2、容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、矩形以及球形等； 3、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型、接收型以及收发两用型；

4、造价低廉，不易老化，机电参数的时间和温度稳定性好，易于推广应用。 2.3.1.3超声探头的选择原则

在超声检测中，传感器的种类很多，性能各异，因此，须根据检测对象，合理的选择传感器。传感器的选择主要是对晶片尺寸、角度、频率等几个方面选择。

1)传感器晶片尺寸大时，其覆盖范围大，晶片小时，覆盖范围小。角度的选择应尽可能使其便于接受超声波，就检测灵敏度而言，如果忽略超声波在材料中的衰减，灵敏度随被测物到传感器距离的增大而降低。另外探头型式的选择也要视具体情况而定，选择直探头或斜探头主要取决于待测设备缺陷的部位及方位。

2)压电晶体的固有机械振动频率取决于传感器的检测频带，并等于转换出的电信号的频率。

1

综合以上因素，本文选用的超声波传感器的中心频带最大宽度80kHz～150kHz。 2.3.2放大电路

本设计中的放大电路共有两级组成，第一级为前置级，主要作用完成阻抗匹配，由两级放大器级联组成，第二级为输出放大级，主要作用是使输出的模拟信号满足AD转换器的输入要求。

1. 放大电路的要求

 在微弱信号放大时应尽量减小放大电路的噪声，不能让噪声将有用信号

淹没；

 要保证采样电路能够获得足够频宽的信号，通常放大器带宽要比有用信

号的最高频率大十倍以上。

2. 放大电路的选择 前置放大电路的选择要求：

前置放大是超声波信号数据采集的关键环节，由于超声波传感器得到的超声信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大，为了适应后面采集电路的电压要求，须经过放大电路将超声波传感器的输出信号进行放大，加之电极引入的极化电压差值较大（比信号差值幅度大几百倍），因此，除了要求高的安全性外，通常还要求前置放大器具有以下性能： 1)放大倍数

超声波传感器在检测电气设备或电力电缆局部放电时，一般来说，所检测到的脉 冲信号是很微弱的，约为mV级。为了便于观察和读数，必须将被测信号经放大器放大后才能满足后续电路AD转换器的要求。 2)高分辨率

通常测量电路的灵敏度取决于前置放大电路的灵敏度，测量电路的分辨率取决于前置放大电路的噪音水平。由于信号源属于弱信号，这时噪声干扰不仅会影响有用信号，严重时还会淹没有用信号，使测量回路的灵敏度大为降低。 3)稳定的线性度

因为前置级的输入电压在一定范围内变化，所以要求在整个测量范围内放大

1

电路有较稳定的放大倍数。 4)较宽的频带

为了不失真地放大电流传感器的输出信号，要求放大电路的频带宽度与超声波传感器的频宽相匹配，即放大电路的频宽要大于超声波传感器的频宽。 5)稳定的工作性能

要求放大电路受周围工作环境温度等因素的影响较小，有较稳定的工作状态，即每级放大电路的各项指标不变化或变化很小。 6)高共模抑制比、高输入阻抗

由于采集现场存在强烈的电磁场，而且工作环境中不可避免的有干扰，这样就必然有共模信号进入放大电路的输入端。因此在设计放大电路时必须考虑抗干扰能力，所选用的运算放大器必须有高的共模抑制比。如前所述，高输入阻抗主要是为了减小后级电路对前级电路工作性能的影响。 7)低漂移

漂移经中间级和功率级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因温度引起的零点漂移尽可能小。 8)低噪声

若电放大器本身噪声较高，可能会将有用的微弱信号淹没。放大器输入噪声在μV级。

输出级放大电路的选择要求：

输出放大电路的作用是把经过带通滤波器输出的单边信号转换为AD转换器所需要的差分信号。

干扰是放大电路中应该考虑的重要因素，它直接影响着放大电路性能的优劣。 一般来说，干扰主要是外界的电磁场，接地线不合理和整流电源的交流纹波等原因造成的。所以在设计中，主要从以下几个方面来抑制干扰：

1)合理布局。放大电路的输入线与输出线，交流电源线要分开走线，尽量交叉布线，不要平行走线。同时布线要紧骤，以减少干扰。

2)并联去耦电容。为了减少因直流电源电压波动引起的干扰，在电源引脚和地端加一电容，防止高频干扰。

3)屏蔽。在放大电路外加一个金属屏蔽盒，并良好接地，能有效的屏蔽外界产生的静电场和磁场干扰。

1

2.3.3 滤波器电路的作用

滤波电路在这里的作用有两个：

1.滤除干扰信号。传感器在现场采集的信号不可避免地要受到来自外界的电磁干扰信号的影响，而传感器和放大电路本身也可能产生一些噪声信号，严重时待测信号将被淹没。若直接将信号输入采样保持器，将使采样得到的数据出现误差，严重时甚至于得不出正确的结论。为此我们需要对采集的信号进行滤波处理，抑制杂散干扰信号，提高系统的信噪比。

2.避免采样电路发生混叠现象。我们知道采样速率越高，采样点越多，采得的数据复原后的信号就越接近真实的模拟信号。但是采样速率不可能达到无限大，同样采样速率也不能太小，否则会导致信号关键信息的丢失；那么对采样速率有什么要求呢？假设以采样速率fs对带宽为fa的模拟信号进行采样，由香农采样定理和奈氏准则可知为了避免信息损失，采样速率必须满足fs>2fa。简单地说，采样频率至少是信号带宽的两倍，否则与信号有关的信息就会丢失。由于实际滤波特性不可能是完美的，而且，系统的动态范围与滤波器的特性和采样速率之间关系非常密切，因此，如何选择合理的动态范围、采样速率以及滤波器的参数是设计高速ADC系统的主要问题之一。 2.3.4触发电路的作用及其实现[10][11]

2.3.4.1触发电路的作用：采样触发电路是把信号经过放大、整流、滤波、AD转换后送到单片机中，单片机将该信号与设定的阈值进行比较，如果信号的值大于设定的阈值电压，则认为存在局部放电现象，单片机就会触发高速采样电路，对局部放电信号进行高速数据采集和存储，反之，如果采样信号的值小于我们设定的阈值电压，则认为电路中不存在局部放电现象，单片机不会触发采样电路，高速采集模块就不会进行数据采集和存储。

2.3.4.2触发电路实现的软件设计：

被放大的信号从Vin端输入，经电容滤波后再经过二极管1V2整流，再经过电容C和电阻R滤波后加到串行AD的模拟电压输入端。单片机的P2.5，P2.6，P2.7实现对TLC9的读取。如图2.6示：

1

图2.6

TLC9芯片简介:

●电源电压：6.5V；

●输入电压范围：0.3V～VCC＋0.3V； ●输出电压范围：0.3V～VCC＋0.3V； ●峰值输入电流(任一输入端)：±10mA； ●总峰值输入电流(所有输入端)：±30mA； ●工作温度：TLC9：0℃～70℃

TLC9是以八位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOS A/D转换器。其设计能通过三态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。TLC9仅用输入/输出时钟（CLK）和芯片选择（CS）输入做数据控制。TLC9的最高CLK输入频率为1.1MHz。

TLC9的内部提供了片内系统时钟，它通常工作在4MHz且不需要外部元件。片内系统时钟使内部器件的操作于串行输入/输出的时序，并允许TLC9像许多软件和硬件要求的那样工作。CLK和内部系统时钟一起，可以实现高速数据传送以及对TLC9为每秒40000次的转换。

内部时钟和CLK使用，且不需要任何特定的速度或二者之间的相位关系。这种性简化了硬件和软件控制任务。由于这种性和系统时钟的内部产生，控制硬件和软件只需关心利用I/O时钟读出先前转换结果和启动转换。

TLC9的其它特点包括通用控制逻辑，可自动工作或在微处理器控制下工作，且有片内采样保持电路，具有差分高阻抗基准电压输入端，易于实现定标以及与逻辑电路和电源噪声的隔离；整个开关电容逐次逼近转换器的设计，允许

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在小于17μs的时间内以最大总误差为±0.5最低有效位（LSB）的精度实现转换；电源范围为+3V～+6V，功耗小于15mW；能理想地用于包括电池供电便携式仪表的低成本、高性能系统中。

TLC9的CS为高电平时，DATA OUT处于高阻态且CLK（I/O时钟）被禁止。当使用另外的TLC9器件时，这种CS控制功能允许CLK与其共用同一时钟。当使用多个TLC9器件时，这也使所需的控制逻辑为最少。

TLC9可直接与C51单片机连接，编程采用串口方式。本设计中我们用P2口的P2.7、P2.6、P2.5三个IO口串行控制AD转换器TLC9。 下面给出了单片机读取TLC9的汇编程序： CS BIT P2.7 DCLK BIT P2.5 DOUT BIT P2.6

AD_DATA EQU 036H ;采集数据缓冲区 TIMER1 DATA 031H TIMER2 DATA 032H TIMER3 DATA 033H ORG 0000H

JMP MAIN ORG 0030H MAIN:

TCL9: MOV R3,#08H ;计数器

CLR CS ;开启芯片 ACALL DELAY ;延时

READ: CLR DCLK ;读9芯片数据

NOP

MOV C, DOUT SETB DCLK RLC A DJNZ R3, READ MOV AD_DATA, A SETB CS

LCALL DELAY_1S ;延时

1

SJMP START ;调数据处理程序 延时子程序1;

DELAY: MOV R5,#01H H0: MOV R7,#0FFH H1: DJNZ R7,H1

DJNZ R5,H0 RET

延时子程序2; DELAY_1S:

MOV TIMER1,#1

TEST_DYA: MOV TIMER2,#255 TEST_DYA1: MOV TIMER3,#255 TEST_DYA2: NOP

NOP

DJNZ TIMER3,TEST_DYA2 DJNZ TIMER2,TEST_DYA1 DJNZ TIMER1,TEST_DYA RET

2.3.5数据采集模块

现在基于高速数据采集系统多采用“快采慢读”[12]的方式来实现数据的高速采集，即在数据采集的过程中单片机不直接干预数据的采集，当单片机启动系统开始采集数据之后，在外部硬件电路的控制下直接将A/D输出数据依次存入到由地址发生器指定的数据缓存区，当采集的数据容量达到预定的值时，数据采集停止，单片机将数据缓存器中的数据读出作相应处理或直接传送给上位机（即

所谓的慢读）。常用的高速缓存有高速普通RAM、双口RAM和FIFO[13]。

双口RAM和FIFO可以实现很高的采样速率，并且控制相对于普通RAM简单，但存储容量一般较小，且价格远高于同容量的高速普通RAM（如一片存储容量为K×16的高速FIFO的价格在1000元左右，而同容量的高速普通RAM的价格只有十几元），多应用于小存储深度，数据需要实时处理的场合。而局部放电在线检测系统并不要求数据的实时处理，综合以上的分析和从性价比的角度

1

考虑，本系统采用了普通的高速RAM来实现数据的高速采集。

普通RAM只有一套数据、地址和读写控制总线，如果直接将地址发生器的地址总线，A/D的数据线以及单片机的地址、数据和读写控制总线接到存储器上必然会引起总线冲突。为了解决总线冲突问题，本系统采用了“读写总线隔离”技术，即在进行数据采集的时候把单片机与RAM的地址线屏蔽，只把AD采样的数据存储到RAM中，采集结束需要把数据传输到上位机时，把A/D转换器的数据线屏蔽掉，同时把单片机的地址、数据和读写控制总线打开，这样就有效的避免了总线冲突的问题。

1

第三章 局部放电信号的提取

采集的局部放电信号中还存在着部分噪声干扰，因此在分析局部放电脉冲之前需要进一步去除局部放电脉冲中的噪声干扰，尽可能真实复现局部放电信号。

3.1局部放电信号产生干扰的原因[14]

现场的各种干扰按时域信号特征可以分为连续的周期性窄带干扰、脉冲干扰和白噪声三类。而脉冲干扰又可分为随机脉冲干扰和周期脉冲干扰。干扰的主要来源有：

1)电力设备的载波通讯和高频保护信号：连续的周期性干扰； 2)无线电广播的干扰：连续的周期性干；

3)线路或其它临近设备的各种放电干扰和待测设备局部放电的波形类似的随机脉冲干扰，普遍存在于变电站；

4)可控硅整流设备引起的干扰，在工频周期上相对固定并随负载不同而变化，属脉冲型周期干扰；

5)其它随机干扰：如开关、继电器动作、电焊操作及雷电等的干扰，属随机性脉冲干扰；

6)白噪声：包括各种随机噪声，如绕组热噪声、地网噪声、配电线路及变压器、继电保护信号线路中由于耦合进入系统的各种噪声等。

3.2提取局部放电脉冲信号[15]

从检测点看，局部放电信号大致可分为指数衰减脉冲、高斯脉冲和三角脉冲。频率范围为几十kHz到几百兆Hz，包含丰富的频率信息。

下图3.1为从现场信号提取的局部放电波形，仍含有少量噪声。

1

图3.1 现场信号中提取的局部放电波形

采用与局部放电信号相频性贴近度最高的复小波

设被分析的信号s为：s=s0+s1+s2+s3其中：模拟的局部放电信号函数s0为：

s(t)Ae(tt0)/sin(2(tt0))；振幅为

1MHz；周期性干扰模拟信号s1为s(t)0.8；衰减时间常数为1us，u为

40sin(2t)信号s2为高斯随机分布

函数模拟的白噪干扰；信号s3脉冲干扰。四种信号如下图所示。

图(a) 图(b)

图(c) 图(d)

图3.2模拟的原信号与其它三种干扰的混合信号 (a) 局部放电模拟信号s0，(b) 周期性干扰模型信号s1 (c) 白噪干扰模拟信号s2，(d) 脉冲干扰信号s3

将以上三种干扰信号s1、s2、s3与局部放电信号混合s0，形成被三种干扰信号完全淹没的局部放电信号：如下图(a)所示。选择与其相频特性相近的复小波

22来进行分析，并用变换系数综合信息MRI作提取局部放电信号特征的特征值，

结果如下图(b)所示。

1

图(a) 图(b)

图3.3被三种干扰淹没的局部放电信号的复小波变换

(a)四种信号的混合信号，(b)图3.3中三种被干扰淹没的局部放电信号6尺度下

22

复小波变换系数的MRI

图3.2中模拟的原信号与其它三种干扰的混合信号，经这种新的复小波变换后采用6尺度下变换系数的

M2R2IWTMWTMWTRWTRWTIWT

作特征值，图3.3中(b)清楚地显示：各种干扰已被抑制，原信号特征突出显示。提取出局部放电信号的特征，信噪比达12:1。

1

第四章 MATLAB仿真结果

4.1 局部放电信号的模型

以下为两种局部放电信号模型虽然接近真实的放电波形，但用一般的传感器很难检测到。 (1) 单指数衰减模型

(tt)s(t)Ae0....................tt0 （4.1） s(t)0..............................其它(2) 双指数衰减模型

s(t)A(e1.3t/e2.2t/) （4.2）

在工程中，我们检测到的一般都是振荡信号，在研究中一般可以采用如下指数振荡衰减模型来处理，即： (3) 单指数衰减模型

s(t)Aet/sin(2f0t) （4.3）

(4) 双指数衰减模型

s(t)A(e1.3t/e2.2t/)sin(2f0) （4.4）

式中为信号的衰减时间常数，t0为信号发生的时间，A为信号的脉冲幅度，fc为振荡频率。

4.2 局部放电信号模型仿真结果

以下为接近真实的放电波形的局部放电信号模型的MATLAB仿真结果： (1) 双指数衰减模型即式(4.2),其仿真结果为图4.1：

注：单指数衰减模型即式(4.1),其仿真图几乎与双指数衰减模型结果相似，这里将省略。

1

图4.1 双指数衰减模型仿真图

其MATLAB仿真程序如下： >> clear n=101; s=zeros(n,1); for i=40:n

t=0:0.1:10;

s(i)=(exp(-1.3*t(i)/0.2)-exp(-2.2*t(i)/0.2)); end

>> plot(t,s)

在工程中，我们检测到的一般都是振荡信号，在研究中一般可以采用如下指数振荡衰减模型来处理。

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(2) 单指数衰减模型即式(4.3)，其仿真结果为图4.2：

图4.2 单指数衰减模型仿真图

其MATLAB仿真程序如下： >> clear n=101; s=zeros(n,1); for i=40:n

t=0:0.1:10;

s(i)=exp(-(t(i)/0.2))*sin(2*pi*500000*t(i)); end

>> plot(t,s)

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(3)单指数衰减模型即式(4.4)，其仿真结果为图4.3：

图4.3 单指数衰减模型仿真图

其MATLAB仿真程序如下： >> clear n=101; s=zeros(n,1); for i=40:n

t=0:0.1:10;

s(i)=(exp(-1.3*t(i)/0.2)-exp(-2.2*t(i)/0.2))*sin(2*pi*500000*t(i)); end

>> plot(t,s)

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第五章 结论与展望

5.1 结论

本文为超声波检测局部放电提供了一个基本的设计思路。本文所进行的工作包括超声波检测方法研究、超声波传感器，模拟信号处理，触发电路，数据采集等。具体包括：

1、对局部放电的原理和局部放电产生超声波的机理进行了详细的阐述； 2、对目前国内外局部放电检测方法进行了比较，选择超声波法作为局部放电检 的方法，同时根据实际需求，选择了合适的超声波传感器；

3、对模拟信号处理单元，对模拟信号进行前置放大、带通滤波和输出放大的基本要求和选择要求进行具体阐述；

4、较详细的设计了触发电路的硬件与软件部分； 5、对局部放电信号的提取进行了基本阐述； 6、对超声波局部放电检测系统的整体有了基本论述。

5.2 展望

随着多种检测方法的出现和数据融合技术的不断发展，具有数据融合检测与分析功能的局部放电检测设备必将越来越受到重视，在以后的研究中可以在以下几个方面做进一步的研究和改进： 1、简化硬件设计，提高采集速度；

2、引入多种检测方法，吸取每一种检测方法的优点，并对不同方法的检测结果进行比较处理，以提高检测可靠性和检测精度；

3、引入局部放电超声定位理论，实现对放电点的超声波定位；

4、进一步加强对局部放电信号提取的精确度，以实现对信号的更准确的分析。

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致谢

本文是在指导教师李学生老师的悉心指导下完成的，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我生活、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。论文从选题到定稿，无不凝聚着指导老师的辛勤付出，渊博的知识，严谨的治学态度和忘我的工作精神使我终身受益。对我的教诲和关怀我将终生铭记在心，在论文完成之际，特向表示诚挚的敬意和深深的谢意！

特别感谢同宿舍的舍友陈成毅、张德贵、梁文、牟超、曾志云对我的学习和毕业设计给予了大力的支持和热心的帮助。

感谢父母及家人，感谢他们对我的默默支持、无比信任和无私奉献，在此，谨向他们表示衷心的感谢。

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参考文献

参考文献：

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附录

局部放电对绝缘的损坏

造成绝缘老化的机理：实践证明局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的主要原因。在电场长期作用之下，因局部放电而造成的绝缘性能劣化，称为电老化。电老化机理是很复杂的，它包括局部放电所引起的一系列物理效应和化学变化。

局部放电对绝缘产生的破化作用可归纳为以下几种基本形式。 一、带电质点的轰击

由电极注人的电子和放电过程电离的电子、正负离子，在电场作用下具有的能量可达l0eV以上，而一般高聚物的键能，只是几个电子伏，因此，当这些带电质点撞击到气隙壁上时，就可能打断绝缘体的比学键，而产生裂解，破坏绝缘体的分子结构。

在这些带电粒子的轰击下，液体介质则析出气体。因此，在带电粒子作用下，介质表面不断腐蚀，形成坑并不断加深，最后导致击穿。

二、热效应

在放电点上，介质发热可达很高的温度。解剖经长期放电而尚未击穿的试品，可以看到绝缘材料在放电点上被烧焦炭化或熔化。温度升高会产生热裂解，或促进氧化裂解，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，加速电热老化过程，导致绝缘体破坏。

三、活性生成物

在局部放电过程中会生成许多活性生成物，如臭氧，有水分时产生、亚、草酸等，这些生成物进一步与绝缘材料起反应，腐蚀绝缘体，使介电性能劣化。

四、机械力的效应

断续爆破性的放电和放电产生的高压力气体，都会使绝缘体开裂，从而形成

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新的放电点在放电时产生的声波，也会引起机械化学作用。如橡胶通过滚筒滚压韧练，利用机械力将分子链拉断而降低分子量一样，机械振动波也会使高分子裂解为低分子。

以上几种破坏机理往往同时存在，对于不同材料和不同工作条件，可能以其中的某一种为主。显然，工作场强高、气隙大，带电质点的轰击作用大；工作温度高、材料的介质损失大、材料耐热性差，则热效应作用大；对于湿度大或有污染的情况下，放电产生的活性生成物的破坏就更为明显；主要是前三种效应，辐射效应和机械应力的效应的影响相对比较小。

局部放电对绝缘材料的老化过程，解剖运行中老化了的电工设备和观察人工加速电老化的试样，经常可以看到绝缘体表面或内部存在树枝状的放电痕迹，这些痕迹通常是由于局部放电使绝缘材料碳化所遗留下来的，因此树枝放电的发展过程，就是最普遍的电老化过程。

树枝放电的引发机理是很复杂的：a)可能是气隙、油隙或其它杂质引起局部放电而产生的；b)也可能是高场强下，电极电子注入介质，在很大的电流密度下，使介质气化爆裂而形成的；c)也可能是由于在交变电场下，麦克斯韦力的反复作用，使介质疲劳开裂而造成的。

不论树枝放电是怎样引发的，一旦引发之后，其发展过程和局部放电分不开。现以高聚物和油纸绝缘材料为例，说明材料在局部放电作用下的破坏作用。

内部放电对高聚物的破坏过程：

一、气隙表面材料受局部放电的腐蚀，在气隙中开始放电时，放电是随机地发生在气隙上下表面的各点上，经过一定时间后，放电逐渐集中到气隙的边缘上。用电子显微镜可以观察到，在放电的集中点上，开始出现坑，之后，在坑的尖端出现树枝状放电，随着放电时间延续，树枝的长度增长直到最后发生击穿。

二、树枝状放电的发展“树枝”的发展与很多因素有关，如：外加电压、针尖形状、介质特性、针尖端部的气隙状态以及周围的空间电荷效应等等。“树枝”发展过程速度变慢的原因很多，最主要的有两点：

(1) 空间电荷累积效应：静电荷累积在“树枝”的通道上，可能捕捉离子或电子，也可能使邻近的“树枝”分枝降低了电场强度(邻近的屏蔽效应)，这都会使得“树枝”放电减弱，降低其成长的速度；

(2)“树枝”通道内的气压增加，使放电熄灭，直到通道内的气体泄漏到重

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新达到起始放电电压时，放电又重新开始，“树枝”又开始增长。例如，用同一批聚乙烯试品，在同样的条件下进行试验，当试品是连续施加电压时，经4小时，试品发生击穿；当试品施加电压2小时后，去除电压停留l小时，之后再加电压，不到l小时就击穿；当试品施加电压1小时，停留一夜不加电压，之后再加电压，不到半小时就发生击穿。这说明：停留的时间长，气体泄湍充分，放电也充分恢复，于是“树枝”发展得快，击穿就很快出现。

可以用以下三个阶段来概括内部放电对这类材料造成破坏的过程： 第一阶段是局部放电产生的化学反应使介质表面上出现沉积物，它们的介电系数和电导系数一般都比气隙周围介质的高，因此在沉积物的附近发生电场集中，局部放电就逐渐转移到电场强度高的各点上。

第二阶段是在各个放电的集中点上，绝缘材料进一步被腐蚀。这些放电的集中点往往是在气隙底部边缘上，这是由于气隙壁底部的电阻因沉积物的覆盖而变小，放电电荷沿气隙壁流向底部，在气隙底部的边缘集聚了许多空间电荷，造成了电场集中，因此放电比较集中地发生在这一区域。

第三阶段是在较高的电压下，在绝缘材料被腐蚀的小坑尖端，电场强度可能到达该材料的本征击穿场强，这时材料被局部击穿；接着尖端又向前推移，在新的尖端附近又发生新的局部击穿，经过一定时间的发展，放电就逐渐由气隙的底部边缘向绝缘材料内部延伸，不但放电通道的长度逐渐增长，而且分枝也逐渐增多，形成了树枝状放电，最终放电的通道贯穿整个材料，就形成击穿。

影响电老化速度的诸因素局部放电对绝缘的破坏速度即电老化速度，影响电老化速度的因素很多，除了电介质本身的特性之外，大致可归纳为以下几方面。

一、电场强度

提高电场强度会使局部放电加剧，放电量、放电次数、放电功率都会相应增加。因此电老化速度必然加快。

二、频率

局部放电对绝缘体的破坏，与放电重复率有关，放电重复率高，绝缘体就被破坏得快，而放电重复率几乎与施加电压的频率成正比。因此，在一定的条件下，也可以用提高频率来加速电老化，并以等效的周期数来折算工频下的寿命。

三、气隙的状态与气体成分

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绝缘体中放电气隙的形状、大小、位置分布以及气隙中气体成分、压力等等都会影响局部放电的状态，从而影响电老化寿命。

四、环境的温度、湿度

温度和湿度对电老化的影响是比较复杂的，在不同的条件下往往会导致完全相反的结果。因此，应具体问题具体分析。

应当指出，不是在所有情况下，提高湿度都会减弱局部放电，许多材料特别是层压制品，在高湿度下吸收的水分，会在运行中因温度升高而蒸发，这就会使局部放电变得更为剧烈。此外，对于漆膜、油纸绝缘以及层压制品，如果绝缘系统受潮，还会使介质损耗增大，击穿电压降低，从而缩短了绝缘的寿命。

五、机械应力

试验证明存在机械应力会使电老化寿命缩短，这可能是由于机械应力的存在，促进了电老化过程微小裂纹的产生和发展，并且由于在较大应力下，材料内部物理、化学结构处于紧张疲劳状态，受到带电粒子轰击时，更容易裂解。因此，对机械力敏感的材料的电寿命比对机械力不敏感的材料受到机械力的影响大。

此外，在电工设备中，放电发生在不同的部位，对绝缘的损害也不一样，如电力电容器中，发生在元件内部的放电要比在引出线套管中的放电危害更大。变压器中在线圈内部的放电要比其他部位的放电危害更大。因为在这些部位的电场强度比较高，而且放电直接腐蚀关键的绝缘部位，因此造成的危害就更大。

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PD and assessing the damage on the insulation

Cause insulation aging mechanism: Practice has proved that PD is caused by high voltage electrical equipment, the main reason for eventual insulation breakdown. Under long-term effect of electric field due to partial discharge deterioration caused by insulation, called electrical aging. Electrical aging mechanism is very complex, which includes a series of partial discharge caused by physical effects and chemical changes.

Produced by partial discharge of the insulation break of the role can be summarized as the following basic form.

First, charged particle bombardment. Injected by the electrode discharge ionization of electrons and the electron, positive and negative ions, the electric field with the energy up to 10eV more general polymer bond energy, just a few electron volts, so when they charged particle impact to the air gap wall, the insulation may break than the school bond, and cracking, and undermine the molecular structure of insulator.

In the bombardment of charged particles, the liquid medium were precipitated gas. Therefore, the role of charged particles, the media continue to surface corrosion, the formation of pits and continue to deepen, leading to breakdown.

Second, thermal effects. In the discharge point, heat up to medium high temperature. Anatomy of the long trial discharge breakdown products have not yet, you can see insulation material in the discharge point on the burned char or melt. Pyrolysis temperature will produce, or promote oxidative cleavage, while the temperature increase will increase the conductivity and dielectric loss, thus creating a vicious cycle, accelerating the aging process of heating, resulting in insulation damage.

Third, active resultant. In the process of partial discharge activity

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will generate a number of resultant, such as ozone, are generated when water nitric acid, nitrous acid, oxalic acid, etc., these resultant further react with the insulating materials, corrosion insulator, so that degradation of dielectric properties.

Fourth, the effect of mechanical force. Intermittent burst of discharge and the discharge of a high-pressure gas, will cause the insulation cracking, to form a new discharge point in the discharge produced by sound waves, can cause mechanical and chemical effects. Such as rubber rollers rolling through the tough training, the use of mechanical force to pull off the lower molecular chain of the same molecular weight, mechanical vibration waves will also cause cracking to low molecular weight polymer.

Failure mechanism is often more than several-existence of different materials and different working conditions to which a particular may be based. Clearly, the work of high field strength, large air gap, the bombardment of charged particles large; operating temperature, the material loss at large, heat resistance is poor, then the role of large thermal effects; for humidity or pollution, the discharge produced activity of resultant damage is even more obvious; mainly the first three effects, radiation effects and the effect of mechanical stress is relatively small.

Partial discharge aging process on the insulating materials, anatomical aging operation of electric equipment and observation of accelerated electrical aging sample, often you can see there is dendritic insulator surface or within the discharge traces, these traces usually due to partial discharge insulation materials to the legacy of carbonation, and therefore the development of branch discharge is the most common electrical aging process.

Branch discharge initiation mechanism is very complex: a) may be the air gap, causing the oil gap, or other impurities generated PD; b) may

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also be of high field strength, the electrode into electronic media, a large current density, so that burst formed gasification medium; c) may be due to the alternating electric field, the role of Maxwell force repeatedly to media fatigue cracking caused.

Discharge regardless of what caused the branches, once triggered, the partial discharge of its development process and inseparable. Are polymers and oil-paper insulation materials to illustrate how material damage under partial discharge effect.

The destruction of the polymer within the discharge process: First, the air gap surface material by the partial discharge of the corrosion to start in the air gap discharge, the discharge is to occur randomly in the air gap top and bottom surfaces of each point, after a certain time, the discharge gradually concentrated to the gap edge. Can be observed with electron microscopy, the concentration of the discharge point, began to pit, after which the tip appeared in the tree discharge pit, with the discharge time extension of the length of branch growth in place until the final breakdown.Second, the development of dendritic discharge “branches” of the development related to many factors, such as: applied voltage, tip shape, dielectric properties, the Department of needle tip and the gap state and so on around the space charge effect. “Branches” slow down the development of many reasons, there are mainly two points:

First,the cumulative effect of space charge: electrostatic charge accumulated in the “branches”of the channel, may capture the ion or electron, it may close to the “branch” branch reduces the electric field strength (adjacent to the shielding effect), which will making the “branches”discharge decreased, reducing its growth rate.

Sencond,\"branch\" in the channel increased pressure to discharge off, until the channel back to the start of gas leakage to the discharge voltage, the discharge started again, “branch” is growing again. For example, test items with the same number of polyethylene, in the experiment under

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the same conditions, when the test sample is a continuous voltage is applied, after 4 hours, test sample breakdown occurs; when the test sample after the applied voltage is 2 hours, remove the voltage stays l hour, then add voltage, less than l hour breakdown; when the test sample applied voltage 1 hour, stay overnight without voltage, followed by plus voltage breakdown occurs less than half an hour. This shows: stay long, turbulent gas vent fully discharge and fully restored to a \"branch\" to develop faster, breakdown on soon.

Can be summed up in three stages within the discharge of such material damage process: The first stage is the partial discharge chemical reactions to occur on surfaces with sediment, their dielectric constant and conductivity coefficients were generally higher than the air gap around the medium, the electric field near the sediment concentration, partial discharge will gradually transferred to the electric field strength at various points.

The second stage is the focal point in each discharge, the insulating material to further corrosion.The focus of these discharges are often the bottom edge of the air gap, which is due to the resistance of the bottom wall of the air gap due to smaller coverage of the sediment discharge charge flow along the air gap wall bottom edge of the gap at the bottom of a lot of concentration space charge, resulting in the electric field concentration, the discharge are mainly in the area.

Affect the speed of electrical aging factors destruction of PD on the speed of the electrical insulation aging rate, affect the speed of electrical aging of factors, in addition to the characteristics of their own outside the dielectric, can be summarized into the following aspects.

First,electric field strength.PD will improve the electric field intensity increased, the discharge volume, discharge frequency, discharge power will be increased.Must therefore accelerate the pace of electrical aging.

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Second, the frequency. Partial discharge damage to the insulator, and the discharge repetition rate of the discharge repetition rate, faster insulator was damaged, but discharge repetition rate is almost proportional to the frequency of the applied voltage. Therefore, under certain conditions, also can increase the frequency to speed up the electrical aging, and to the equivalent number of cycles to life under the commutation frequency.

Third, the state of the air gap and gas composition Insulator in the discharge gap of the shape, size, location, distribution and air gap in the gas composition, pressure, etc. will affect the state of PD, thus affecting the electrical aging life.

Fourth, the environment temperature, humidity Temperature and humidity on the electrical effects of aging is a complex, under different conditions often lead to opposite results. Therefore, we should analyze specific issues.

It should be noted that not all cases, increased humidity, partial discharge will be reduced, and many materials, especially laminated products, in high humidity absorb moisture, will result in the operation of temperature and evaporation, which will become PD is even more severe. In addition, paint, oil-paper insulation and laminated products, if damp insulation system will also enable increased dielectric loss, breakdown voltage decreases, thereby reducing insulation life.

Five, mechanical stress Test will prove the existence of mechanical stress reduced life electrical aging, which may be due to the presence of mechanical stress, and promote the electrical aging process and development of small cracks, and stress due to higher materials within the physical, chemical structure in tension fatigue state, by the charged particle bombardment, it is easy cracking. Therefore, mechanical force sensitive electrical life of the material is not sensitive to mechanical forces than on the material by the mechanical force of a large.

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In addition, electrical equipment, the discharge occurred in different parts of the insulation damage is not the same, such as power capacitors, the discharge in the internal components than the discharge pipe in the Lead more dangerous. Transformer in the discharge within the coil than the other more dangerous parts of the discharge. Because the electric field strength in these areas is relatively high, and the discharge of key direct corrosion insulation, and thus, even greater harm.