使用PicoScope示波器的局部放电测量方案

1 局部放电的定义和分类

局部放电是指因无法完全桥接电极间的绝缘材料而发生的放电。其原因可能是固体绝缘材料中存在充满气体的空隙，或液体绝缘材料中存在有气泡。局部放电常见于电力系统的各个部件，例如开关设备、绝缘子、变压器、电缆等。

局部放电可分为三大类：内部局部放电、表面局部放电和电晕局部放电。内部（或空隙）局部放电发生在绝缘内部，它通常是由电缆、套管、GIS（气体绝缘开关设备）接头绝缘的固体绝缘缺陷引起的，这种内部局部放电对绝缘材料具有极大的破坏性，通常会持续扩大直至绝缘材料完全失效。表面局部放电发生在绝缘表面，而电晕局部放电(PD)则发生位于气体中的尖锐电极。

下图1为一条电缆的横截面示意图，位于高压导体和地之间的绝缘材料中的缺陷即可能会导致内部局部放电。

图1 电缆固体绝缘材料中的缺陷

2 局部放电测量

测量局部放电的方法有多种，例如超声波、电磁场、高频电流互感器等方法。高频电流互感器测量方法使用高频电流互感器和示波器或者相应的采集设备捕获局部放电产生的高频电流脉冲。如图2所示，如果导体的绝缘层中存在空隙，就会在导体中形成一些本不应该存在的电容，这些电容在电场作用下会进行充放电，充放电过程中会产生沿着导体如电缆方向传播的高频电流脉冲。因此，可以通过测试高频电流脉冲来检测和分析此类缺陷。图3为采用高频电流互感器方法对电力设备进行局部放电检测的示意图。

图2 局部放电时高频电流脉冲产生原理及电流脉冲波形示例

图3 使用高频电流互感器方法检测电力设备局部放电的示意图

采用高频电流互感器方法的局部放电检测系统通常由高频电流传感器、工频相位单元、信号采集单元以及信号处理和分析单元组成。PicoScope示波器因为具有一系列独特的优点而被广泛用于局部放电检测系统中的数据采集单元。图4所示为典型局部放电检测系统的原理框图。

图4 使用高频电流互感器方法检测局部放电信号的原理框图

图5所示为使用PicoScope 6000E示波器和高频电流互感器检测局部放电信号的连接示意图。安装在PC上的PicoScope标配的PicoScope7软件用于捕获、显示、处理、存储捕获到的局部放电波形。实际应用中，很多用户会将PicoScope作为采集部件与其它相关设备一起集成到一个系统中形成一个专用的局部放电测试仪或者局部放电监控系统。Pico提供免费的PicoSDK软件开发包支持用户将PicoScope集成到用户自己的系统中。

图5 使用PicoScope和高频电流互感器检测局部放电信号连接示意图

局部放电相位分布图谱（PRPD）和局部放电脉冲信号谱图（PRPS）是局部放电测试或检测系统测量中用于分析和观察局部放电信号的两种典型图谱。

局部放电相位分布图谱显示相对于交流电周期 360°的局部放电活动。随着电力系统中的电压随着时间而变化，施加在每个缺陷上的电压也随着时间而变化，这导致缺陷仅在特定时间和幅度下放电，将多个周期中的放电脉冲信息叠加到一个相位周期中得到的图形即为局部放电相位分布图谱，如图6所示为一局部放电相位分布图谱示例，不同颜色的放电点表示在一定时间内特定相位和幅度下发生的局部放电事件数量。水平X轴表示被测电力系统的相位，垂直Y轴表示局部放电脉冲的幅度。

图6 局部放电相位分布图谱（PRPD）

局部放电脉冲信号谱图是一个3D图形，X轴表示工频周期序列，Y轴表示0~360°的相位，Z轴表示放电脉冲的幅值，如图7所示。

图7 局部放电脉冲信号谱图（PRPS）

3 为什么选择PicoScope?

图8 成功被应用于局部放电测试系统中的PicoScope 系列

PicoScope 3000D、PicoScope 5000D、PicoScope 4824A、PicoScope 4444和 PicoScope 6000D/E等多种型号的 PicoScope 示波器被广泛应用于局部放电测试或局部放电检测系统中，以检测不同类型的局部放电信号。

图9所示为一个内置 PicoScope 4000系列的局部放电测试系统。该用户基于 PicoSDK 使用第三方编程语言为测试系统开发了专用的应用软件。

图9 局部放电测试系统

用户喜欢将 PicoScope 示波器集成到他们的局部放电测试系统中是因为 PicoScope示波器所拥有的独特优势和强大功能：

1) 高可靠性

Pico Technology 成立于 1991 年，专注于基于 PC 的测试仪器和数据采集设备的研发和制造。数十年的产品迭代和严格的质量控制，使得 PicoScope 示波器拥有高可靠性。

2) 高性价比

与传统台式仪器不同，PicoScope 示波器没有内置 PC，故结构简单，从而可拥有更多独特的硬件优势，包括高带宽、高采样率、深存储、高ADC分辨率、灵活可调 ADC 分辨率、多个模拟和数字输入通道、高速数据传输等。基于外部PC 的强大性能，PicoScope示波器可拥有更丰富的软件功能和更强大的数据分析处理能力，如可提供 40 多个串行解码器、高级数学函数（FFT、滤波函数、测量参数追踪图等）。此外，PicoScope 示波器拥有数十种型号，用户更容易选择到一款经济实惠且与其应用相匹配的产品。

3) 高ADC 分辨率和灵活可调ADC 分辨率

PicoScope 示波器提供从 8 位到16 位的各种垂直分辨率选项。分辨率越高，垂直精度和动态范围就越大，波形显示就越清晰，测量结果会更精确。PicoScope 示波器的ADC 分辨率灵活可调，这个独特特点得益于 Pico 突破性的ADC 管理技术，该技术允许用户在一个设备中通过协调多个ADC 的工作从而实现从 8 位到16位的灵活切换。

4) 强大的软件开发包PicoSDK

PicoScope示波器提供了很多传统台式示波器通常不具备的互联和定制功能。SDK（软件开发工具包）允许用户为特定项目创建自定义应用程序。这使得PicoScope示波器不仅仅是一台通用的示波器。在 SDK下运行的PicoScope示波器拥有更加出色的性能，比如它可以以高达 312 MS/s的速度连续采集数据并将其传输到 PC，可实现最高200万段的分段存储，可以设置高级触发功能，可以编程控制示波器内置的任意波形发生器或函数发生器输出波形等。基于SDK编程控制PicoScope示波器简单容易，您可以在github.com/picotech上找到大量的基于各种编程语言的示例代码，而且我们也有专门的支持团队为用户自定义开发提供技术支持。

所有 Pico产品（包括PicoScope示波器）均附带免费的 SDK。SDK包含适用于Windows、macOS、Linux和 Raspberry Pi (ARM7)的驱动程序。它允许用户使用诸如C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW 和Microsoft Excel等通用的编程语言编写自己的应用程序来控制仪器。

5) 紧凑轻便

与往往比较笨重的传统台式示波器不同，PicoScope示波器紧凑、轻便且便于携带。与笔记本电脑配合使用时，PicoScope示波器可让您将整套电子工具与电脑一起装入一个包中。小巧的尺寸也使PicoScope示波器更易于集成到系统中，而几乎不会增加重量或体积。

图10 Pico 产品家族

关于 Pico Technology

Pico Technology 是高性能电子测试仪器的全球领先制造商。源于英国剑桥强大电子工程传统，自创立以来，通过创建和领导创新的基于PC的测试仪器，Pico 实现了连续33年的增长。其独特的解决方案和完整的产品线为电子工程师提供了高性能且经济高效的工具，涵盖了从物理层到协议层的整个设计验证周期：

具有内置AWG，FG，逻辑分析仪，频谱分析仪，串行协议分析仪的实时示波器，提供高达16位ADC分辨率，4G超深存储器，8个高分辨率通道和真正的差分探测。紧凑的30GHz采样示波器使工程师能够轻松实现TDR特征阻抗测试，眼图和时钟恢复等。 PicoVNA（矢量网络分析仪），RFSynthesizer（射频信号合成器）和PicoConnect高带宽探头可扩展到RF应用。此外，还有最畅销的PicoLogger系列数据记录仪产品。

SDK允许用户与实现测试自动化的其他仪器一起开发自定义应用程序。终身免费软件和5年保修可保护客户的投资。