本文是一篇电力论文，本研究结果表明，MUSIC算法结合8元椭圆麦克风阵列能够有效估计放电点的到达角度。在直流条件下，即使各放电电极的几何结构不同，所施加的电压也不同，但其产生的超声波信号主要集中在21-22 kHz频段。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 超/特高压电网的发展
中国电力工业在过去的几十年里发展迅速，电力供应能力持续增强，多项指标世界第一。至2020年底，累计发电装机容量22亿千瓦，其中水电、风电、光伏发电累计装机容量均居世界首位。至2019年底，在运在建核电装机容量6593万千瓦，居世界第二，在建核电装机容量世界第一。同时，2020年发电量77791亿千瓦时，相较2012年，年均增长率达5.72%。
为了实现能源资源的优化配置，我国逐渐形成了“三送端”、“三受端”的电网格局，西南、华北以及西北电网的电力能源通过长距离输电工程输送至华北、华中和华东电网。随着社会经济与工业水平的逐渐发展，电力需求不断增大，长距离输电工程的运行等级也在不断提高。1972年建成第一回330 kV交流线路，1981年建成第一回500 kV交流线路，1989年建成第一回±500 kV直流线路，2005年在西北电网建成第一回750 kV交流线路，2009年先后建成中国首个1000 kV特高压交流输电线路和首个±800 kV特高压直流输电线路，分别连接华北、华中电网和华南、华东电网。至2015年底，国家电网建成了以西北750 kV、东北500 kV为坚强送端的三大同步超/特高压电网，实现了电力能源的充分利用，解决了远距离输送电能的问题，对社会和经济的可持续发展做出了重要贡献。
尽管我国在超/特高压电网建设上取得了丰硕成果，并基于大量研究和实践经验编写了相关规定[1]-[4]。但输电线路长期暴露于大气环境，受恶劣天气和环境等不确定因素的影响，使得大部分组件在运行中需要承受较大的机械负荷，有的同时还需要承受较大的电气负荷，造成不可忽略的缺陷。同时，不当的施工行为和运维管理也会导致输电线路组件缺陷，使其在运行时出现电晕放电等现象。因此，对于超/特高压输电线路，必须结合现场实际对主要电晕缺陷进行研究，分析获得在各缺陷下输电线路组件的特性参数，以指导相应的运维管理。对输电线路的典型缺陷开展试验研究不仅是现实需要，同时也对我国电力系统安全稳定运行有着重大影响。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 电晕放电检测研究现状
电晕放电的检测是以电晕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。电晕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。相应的就出现了脉冲电流检测法、超高频检测法、红外检测法、紫外检测法以及超声检测法等多种检测方法。
(1)脉冲电流检测法
脉冲电流检测法是通过检测阻抗来检测导体电晕放电引起的脉冲电流，以反应导体发生电晕放电，其测试原理如图1.1所示[18][19]。
图中，u为试验电压，Z为阻塞阻抗，Cx为导体，Ck为耦合电容，ZM为检测阻抗，A为放大器，M为局放仪。耦合电容器为导体和测量阻抗之间提供一个低阻抗的通道。导体一旦发生电晕放电，由导体Cx、耦合电容Ck和检测阻抗ZM构成的回路内有电流流过。据此，可由检测阻抗把与脉冲电流成比例的脉冲电压检测出来，检测到的信号通过放大器送到测量仪器上。
第2章 输电线路典型缺陷的电场分析
2.1 标称电场强度有限元数值计算方法
计算表面标称电场强度主要有5种方法：Markt-Mengele法、模拟电荷法、逐步镜像法、Monte Carlo法和有限元法。其中，Markt-Mengele法对分裂数在4及4以下的分裂导线具有较好的适用性，但不能计算具有较高分裂数的分裂导线表面场强；模拟电荷法能够用简单的电荷分布代替实际复杂的电荷分布，但仅适用于无界的且电极形状较规律的电场求解；逐步镜像法需要多次镜像每个分裂导线内的模拟电荷，因此提高计算精度时需要付出更大的计算量，且受制于导线半径与分裂间距；同样地，Monte Carlo法在计算精度要求较高时计算量会陡增；有限元法虽然同样具备一定的计算需求，但计算量较Monte Carlo法较少，具备比逐步镜像法更高的计算精度，且能很好地适用于复杂条件下的计算求解。
有限元法是一种基于剖分插值和变分原理的求解偏微分方程边值问题近的数值技术。求解时，计算区域被分解成多个子区域，每个子区域都具备简单易解、计算区域小的特点，迭代求解各子区域进而获得所要求解的边值问题的数值解，这种方法称作为有限元法。
2.2 输电线路导线的典型缺陷
输电线路导线不仅具有传导电流、传输电能的作用，同时还承受机械负荷，在运行过程出现损伤的概率较高。正常运行过程中，造成导线损伤的因素通常有5种：
1.基建施工过程中导致的机械损伤； 2.微风振动； 3.严重恶劣天气影响； 4.外力破坏； 5.山火影响。
上述因素不仅会增大导线的机械负荷，还会对导线造成损伤，改变其表面的电极结构，导致电场畸变。本文选用500kV交流输电线路常用分裂导线型号4×LGJ500/45为例，计算分析缺陷情况下分裂导线表面标称电场强度大小，判断其是否能导致电晕现象发生。
(1)正常情况
LGJ500/45共计由7根钢线和48根铝线组成，其中单根钢线直径为2.8 mm，单根铝线的直径为3.6 mm。每根子导线由5层单股线构成，最外层的外径为30 mm[58]。虽然很多研究在计算分裂导线表面标称电场强度时采用光滑的模拟导线代替实际绞线[59][60]，但实际绞线的表面标称电场强度应大于光滑导线，如图2.1所示。
第3章 8元麦克风阵列DOA估计算法 .................. 25
3.1 波束形成测向算法 ..................... 25
3.1.1 算法原理 .................... 25
3.1.2 估计效果仿真分析 ...................... 28
第4章 基于MUSIC的DOA估计算法定位的实现 ................ 41
4.1 硬件平台 ...................... 41
4.1.1 麦克风 ................................. 41
4.1.2 前置放大器 ...................... 41
第5章 总结与展望 ....................... 56
5.1 工作总结 ................................ 56
5.2 展望 ............................. 57
第4章 基于MUSIC的DOA估计算法定位的实现
4.1 硬件平台
为了将超声波信号采集并保存，设计并搭建了8元椭圆麦克风阵列，其主要设备有麦克风、前置放大器、采样芯片和上位机。
4.1.1 麦克风
由电晕放电或局部放电产生的超声波信号的特征频率高达几万赫兹，因此，选择意法半导体公司(ST)生产的某型号MEMS麦克风来收集这些超声信号。该型号麦克风频率响应可达80 kHz，灵敏度为-38 dBV ±1 dB。麦克风内置电容传感元件和集成电路接口，是用一种专门的硅微加工工艺制造出来的能够探测声波的传感元，能够适应-40 ℃到+85 ℃的温度范围内的工作，具有高信噪比、高声过载点、低延时、小巧、超低功耗、增强的射频免疫等优点。
4.1.2 前置放大器
为了使MEMS麦克风的输出信号匹配采样芯片的输入电平，需要使用前置放大器放大麦克风的输出。前置放大器除了放大微弱的输入信号，改善信噪比，同时为高阻抗传感器与低阻抗传输电缆之间提供匹配，减小信号衰减。因此，选择意法半导体公司(ST)生产的某型号轨到轨双通道BiCMOS运算放大器放大麦克风的输出信号。该型号运算放大器具有低噪声、低失真和高速运算等优点。
4.1.3 采样芯片
由于电晕放电产生的超声波信号频段主要集中在20-50 kHz，为了更好地对超声信号进行采集，信号采集的频率应尽量高。因此，采样芯片选用意法半导体公司(ST)生产的嵌入式芯片，芯片内核配备了32位高性能处理器，时钟可达168 MHz，支持FPU和DSP指令。该芯片支持SWD和JTAG调试，具有响应快、功耗低、可靠性高、处理能力强、结构简单和多达24个外部测试通道等优点。
第5章 总结与展望
5.1 工作总结
本文针对输电线路典型电晕缺陷及其定位方法开展了仿真模拟和试验研究。论文工作获得的主要研究成果和结论如下：
1. 基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行了大量的模型建立和数值计算，获得了典型缺陷下输电线路导线和金具的表面标称电场强度：
(1)输电线路导线的典型缺陷均能导致电场畸变引起电晕放电。其中，表面毛刺缺陷对导线的电气性能影响最大。
(2)变形缺陷对输电线路金具的电气性能影响最小，不足以导致电晕的产生，而破断和锈蚀粗糙缺陷造成的电场畸变均能够引起电晕放电。
2. 使用Matlab计算软件，基于8元麦克风阵列，对DOA估计算法和信源数估计算法进行了大量仿真模拟，获得了少麦克风数、少采集数和较低信噪比的前提下各算法的估计和预测性能：
(1)波束形成算法在少麦克风数的条件下对声源位置的估计性能较差，不适用于少麦克风数量的天线阵列硬件设备中。
(2)MUSIC算法在多种形状阵列中均能够很好地适应少麦克风数、少采集数和较低信噪比的测量环境，其中，椭圆阵列下MUSIC算法的估计性能最优。
(3)通过改变调整因子值可以使GDE法适用于不同的测量环境。测量环境越差，合适的调整因子值越大，但相对过大的调整因子值也会使GDE法出现误判。
参考文献（略）
