隨著電力系統(tǒng)中變壓器的容量和電壓等級不斷提高，其安全穩(wěn)定運行越來越受到重視。其中，絕緣問題在變壓器故障中占有很大比重。

局部放電在線監(jiān)測比油中氣體分析法優(yōu)越的是，當(dāng)非脈沖型局部放電發(fā)展到脈沖型局部放電的過程中會使絕緣老化，進(jìn)而使絕緣突然損壞，這一發(fā)展過程它不能分解出氣體，因此油的氣體分析法不起作用，但局部放電的在線監(jiān)測能記錄整個過程,因此研制現(xiàn)場運行的變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)是非常有必要的。

然而，由于變壓器繞組的分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)對放電脈沖信號的傳遞造成幅值衰減、波形畸變、相間串?dāng)_以及現(xiàn)場干擾等，對準(zhǔn)確監(jiān)測變壓器局部放電帶來了一定的困難。

1 監(jiān)測原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)局部放電時，會有放電脈沖電流產(chǎn)生，在套管出線端、套管末屏接地線、外殼接地線、鐵芯接地線、鐵芯夾件接地線等處將有脈沖電流流過，通過羅科夫斯基線圈可檢測到脈沖電流信號。

圖1 電-聲聯(lián)合法原理圖

在局部放電產(chǎn)生脈沖電流信號的同時，還存在聲發(fā)射信號。利用傳感器在極短時間內(nèi)(幾乎為零)就能接收到脈沖信號，而聲發(fā)射壓力波則需一定時間(聲波在油中傳播速度為1.44mm/us)才能到達(dá)緊貼在變壓器油箱上的超聲傳感器。

采用3個或3個以上超聲傳感單元時，可近似估算局部放電源在變壓器中的位置。若電聲信號延時太長，估計的距離超出變壓器的幾何尺寸，則接收的是干擾信號。

采用電流脈沖和聲波脈沖直接測量放電的監(jiān)測方法。它能瞬時檢測變壓器、電抗器內(nèi)部出現(xiàn)的故障，對非脈沖型局部放電（約500pC～1500pC）及脈沖型局部放電（1500pC）以上均能進(jìn)行在線監(jiān)測。圖2是變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計及抗干擾

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

圖3所示為局部放電監(jiān)測系統(tǒng)信號流程圖。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，由超聲傳感器和電流傳感器分別采集相應(yīng)的超聲脈沖信號和電脈沖信號，經(jīng)預(yù)處理電路處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過光纖傳送至上位機，再通過專家軟件對放電特征量進(jìn)行提取，對放電位置進(jìn)行定位，發(fā)出故障報警，為進(jìn)一步做放電特性分析和故障診斷提供有效數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)可對被監(jiān)測點進(jìn)行全天候監(jiān)測或定時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)放電量達(dá)到預(yù)設(shè)警戒值時，立即進(jìn)行報警。

為實現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場與上位機的電氣隔離，系統(tǒng)采用光纜傳輸系統(tǒng)完成上位機與現(xiàn)場測量系統(tǒng)之間的長距離通訊，同時提高系統(tǒng)抗干擾能力和信號傳輸?shù)目煽啃?。光中繼站的通道數(shù)，視被監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測點多少而定。

圖3 變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)信號流程圖

2.2 抗干擾設(shè)計

變壓器繞組是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)，又與電網(wǎng)直接相連，具有復(fù)雜的電感電容分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。對于局部放電脈沖信號而言，會造成幅值衰減、信號延遲和相間串?dāng)_等。

此外，變壓器安裝現(xiàn)場還存在大量的無線電、載波、電暈放電等干擾。對于變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)而言，處理數(shù)據(jù)的微機往往在遠(yuǎn)離變壓器等電氣設(shè)備的監(jiān)控中心，一般相距數(shù)十米甚至數(shù)百米，信號經(jīng)過長距離傳輸會產(chǎn)生衰減和畸變，同時在傳輸過程中還可能有干擾信號進(jìn)入而降低信噪比。

故一般對信號采取就地處理的方式，即對傳感器送出的信號立即進(jìn)行預(yù)處理及數(shù)字化轉(zhuǎn)換。預(yù)處理單元可安排在數(shù)據(jù)采集之前，甚至和傳感器安排在一起，這樣在信號傳輸過程中受到的干擾影響將大大削弱。

通過圖2中的信號處理模塊（12）對傳感器傳送來的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，將信號幅度調(diào)整到合適的電平；對混疊的干擾信號采用濾波器進(jìn)行抑制，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。對經(jīng)過預(yù)處理的信號進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。

在圖2所示信號監(jiān)測模塊（11）中，采用空心的羅氏線圈監(jiān)測局部放電電流脈沖，通過對電流傳感器進(jìn)行特殊設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測頻帶，以提高監(jiān)測的靈敏度和抗干擾能力。采用脈沖分離技術(shù)對局部放電電脈沖進(jìn)行處理，以增強監(jiān)測回路的抗干擾能力。

本系統(tǒng)設(shè)計了由兩部分組成的模擬信號預(yù)處理電路：一是放大電路，主要完成對傳感器輸出信號的放大和濾波后信號電平的調(diào)節(jié)，使其滿足A/D轉(zhuǎn)換對輸入信號的要求；另一部分是濾波電路，通過限制信號的頻帶范圍來抑制干擾信號。

模擬信號預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，預(yù)處理電路中第一級放大電路如圖5所示，濾波器采用如圖6所示的程控濾波器。

圖4 局部放電模擬信號預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)圖

圖5 放大電路原理圖

圖6 程控濾波器原理圖

經(jīng)過濾波器處理后，在一定程度上抑制了某些類型的干擾，但變電站現(xiàn)場干擾源眾多，干擾信號極其復(fù)雜，僅僅依靠硬件濾波并不能達(dá)到滿意效果，還需要采用相應(yīng)的軟件濾波算法進(jìn)行處理。由于局放信號和干擾信號（窄帶干擾）在頻帶上具有一定的分散性，系統(tǒng)采用小波變換去除監(jiān)測信號中的窄帶干擾。

3 分析診斷與故障定位

專家軟件通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，獲取反映變壓器運行狀態(tài)的特征值，為診斷提供有效數(shù)據(jù)信息。

用處理后的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)及其他信息進(jìn)行比較、分析，從而進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評估或故障定位。圖7所示為電流傳感器和超聲探頭現(xiàn)場安裝圖，圖8為專家軟件分析界面。

圖7 傳感器現(xiàn)場安裝圖

圖8 局部放電譜圖分析

表1 某主變局部放電監(jiān)測數(shù)據(jù)

（注：x,y,z為以某一探頭為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)方向，z正方向指向油箱內(nèi)。）

實現(xiàn)變壓器局部放電的故障定位，能夠有效提高變壓器檢修效率，具有很大的實際價值。表1所示為某主變A相局部放電放電量及放電位置數(shù)據(jù)。近年來，很多科研單位對局部放電定位技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究。

如利用變壓器繞組在特定頻率范圍內(nèi)等值電路的特點導(dǎo)出變壓器繞組內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時首末端電壓或電流比值與放電點的位置關(guān)系，并據(jù)此定出故障點位置，此種方法能在進(jìn)行局部放電定位的同時，定量測量局部放電量值。但因變壓器型號、生產(chǎn)廠家的不同，實際應(yīng)用起來還有一定難度。

若變壓器內(nèi)部有局部放電，則會產(chǎn)生脈沖電流信號及聲發(fā)射信號，利用傳感器在極短時間內(nèi)(幾乎為零)就能接收到脈沖信號，而聲發(fā)射壓力波則需一定時間才能到達(dá)緊貼在變壓器油箱上的超聲傳感器，則放電源到探頭的距離可以由s=vt得出。若電聲信號延時太長，估計的距離超出變壓器的幾何尺寸，則接收的是干擾信號。采用3個或3個以上超聲傳感單元時，可近似估算局部放電源在變壓器中的位置。

采用磁浮式高抗干擾超高靈敏的超聲探頭（增益大于40dB），牢固地吸附在變壓器油箱鐵板上。探頭安裝在不同位置，對于同一個放電源，測量系統(tǒng)將測量到相應(yīng)的探頭到放電源的距離s1、s2、s3等，再利用空間解析幾何法即可求出放電源的空間坐標(biāo)。

4 總結(jié)

通過高精度羅科夫斯基線圈和高抗干擾超聲探頭，有效采集脈沖電流信號和局部放電聲波信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路和濾波器濾波后，最大程度去除干擾，為專家軟件進(jìn)行計算分析提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

專家軟件進(jìn)行放電脈沖幅值、頻次和放電源位置等參數(shù)的計算，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估設(shè)備運行狀態(tài)，為設(shè)備的檢修和更換提供依據(jù)。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為吉樹亮、李希元等。）