變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計

無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 辛峰杰 鈕克芳

變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計

無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 辛峰杰 鈕克芳

電力系統(tǒng)和大型電力設(shè)備的安全運行對于安全生產(chǎn)、國民經(jīng)濟和人民生活至關(guān)重要，除了提高這些系統(tǒng)和設(shè)備的質(zhì)量外，進行在線檢測，防止突然失效和突發(fā)故障也是非常重要的。本文就變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)理電路進行了一定的研究，并進行了一些測試與分析。

局部放電；在線監(jiān)測；測試分析

一、變壓器局部放電在線監(jiān)測的意義

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和城市化水平的提高，電力系統(tǒng)的可靠性越來越得到人們的重視，大型變壓器往往處于樞紐地位，它一旦發(fā)生故障，有可能發(fā)生大面積停電事故，將會給工業(yè)生產(chǎn)和運作造成嚴重的不良后果。為了保證電氣設(shè)備的安全可靠運行，一方面我們要采用良好的絕緣材料，改進制造工藝來提高設(shè)備的絕緣強度和質(zhì)量，更重要的一面，就是我們要對運行中電氣設(shè)備的絕緣狀況進行檢測，隨時掌握設(shè)備的運行情況，進而有效地防止事故的發(fā)生。近年來，根據(jù)大量損壞的高壓電氣設(shè)備及老化試驗證明，變壓器局部放電是造成絕緣損壞的主要原因之一。變壓器局部放電檢測能夠反映高壓設(shè)備的絕緣情況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部絕緣的潛在缺陷，判斷高壓設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞的程度，從而避免高壓設(shè)備發(fā)生突發(fā)性絕緣故障。這對保證電力系統(tǒng)安全運行具有十分重要的意義。長期的實驗證明，局部放電信號往往十分微弱(mV級)，并且具有較大的分散性，同時在信號采集時干擾較多。為了保證測試的準確性和有效性，必須對傳感器采集到的信號進行干擾抑制處理和有效放大。因此，針對測試的需要設(shè)計一種高性能的調(diào)理電路具有十分重要的意義。

二、變壓器局部放電在線監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

圖2 二階無源高通濾波電路（左）和二階有源低通濾波器電路（右）

圖3 可選帶寬低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

國內(nèi)外圍繞變壓器局部放電在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)展開了大量的研究工作，使該項技術(shù)有了很大的發(fā)展，取得了很好的效果。其技術(shù)已經(jīng)從窄帶系統(tǒng)逐漸過渡到寬帶系統(tǒng)及至超寬帶系統(tǒng)。按局部放電過程中會產(chǎn)生電脈沖、電磁輻射、超聲波、氣體生成物等現(xiàn)象，相應(yīng)地出現(xiàn)了脈沖電流法、射頻檢測法、超高頻法、超聲波法、氣相色譜法等多種檢測方法。其中脈沖電流法和超聲波檢測法應(yīng)用最為廣泛，脈沖電流法是通過檢測阻抗接入到測量回路中來檢測。超聲波法是通過檢測變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號來測量局部放電信號的大小和位置。另外，近年來特高頻檢測法的應(yīng)用也越來越收到重視。超高頻局部放電檢測通過傳感變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻(300—3000MHz)電信號，實現(xiàn)局部放電信號的檢測和定位，并實現(xiàn)抗干擾。超高頻局放檢測技術(shù)近年來得到了較快地發(fā)展，在一些電力設(shè)備(如高壓配電裝置、電機、電纜、變壓器)的檢測中已經(jīng)得到應(yīng)用。

三、變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計

變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)理電路主要由傳感器、濾波電路、放大電路、50Hz同步信號、CPU等組成。本系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.傳感器

傳感器采用羅高夫(Rogowski)線圈，它是一種空心環(huán)形的線圈，可以直接套在被測量的導(dǎo)體上。導(dǎo)體中流過的交流電流會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個交替變化的磁場，從而在線圈中感應(yīng)出一個與電流變化率成比例的交流電壓信號。羅高夫線圈與分流器測量法相比的一個顯著優(yōu)點是：它與被測電路沒有直接的電的聯(lián)系，可避免或減小電流源接地點的地電位瞬間升高所引起的干擾影響。

2.濾波電路

局部放電信號是一種上升沿很陡、持續(xù)時間很短、帶寬很寬的脈沖信號。我們測試時必須確保采集到放電信號的主要能量。以往的研究和試驗表明，局部放電主要能量集中在40kHz～700kHz，對輸入信號進行處理時，必須保證帶內(nèi)信號通過并放大，而濾除帶外的的各種干擾信號，提高測量的準確性。在設(shè)計中我們根據(jù)要求，首先在輸入電路中設(shè)計了一個由二階無源高通濾波器和一個二階有源低通濾波器組成的帶通濾波器來實現(xiàn)濾波要求。設(shè)計電路如圖2所示。

圖4 前級放大電路

為了讓我們在測試不同頻帶的信號時，靈活的選擇所需要帶寬的濾波器來進行濾波。在設(shè)計中我們使用了4組5階低通橢圓濾波器和兩片8通道高性能模擬多路復(fù)用器ADG608來實現(xiàn)。設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.放大電路

放大電路主要由前級放大電路和可變增益放大器組成。

由于局部放電信號十分微弱(mV級)，為了便于后續(xù)的可變增益放大和增大A/D采樣的有效性，所以增加了前級放大電路。設(shè)計電路圖如圖4所示。

由于傳感器采集到的信號干擾較多，而局部放電信號往往十分微弱(mV級)，并且具有較大的分散性，所有在進入A/D采樣前必須放大并能程控調(diào)節(jié)，才能對局部放電信號有效的放大。另外局部放電信號是一種上升沿很陡、持續(xù)時間很短、帶寬很寬的脈沖信號。為了確保采集到放電信號的主要能量，在本設(shè)計中我們使用了兩個OPA680寬帶放大器和兩個可變增益寬帶放大器VCA822來實現(xiàn)對不同幅度信號的測量需要，以使測試的數(shù)據(jù)更加準確，誤差更小。

4.高速A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器是連接模擬和數(shù)字世界的一個重要接口，它將現(xiàn)實世界的模擬信號變換成數(shù)字位流以進行處理、傳輸及其他操作。高速的A/D轉(zhuǎn)換器可快速的將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入CPU系統(tǒng)從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控也能提高數(shù)據(jù)分析處理的速度。

5.50Hz同步信號

局部放電一般發(fā)生在50Hz電力信號的45度和270度位置，所以在進行局部放電測量結(jié)果分析和顯示的時候，需要以50Hz信號為參考或同步，50Hz同步信號的輸入要求純凈，盡可能的去除電力線的諧波干擾。

6.CPU

圖5 輸入信號波形圖

圖6 信號放大1和10倍波形圖

CPU輸出的是實現(xiàn)較精確的數(shù)字控制信號，去控制監(jiān)測顯示電路，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

四、變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)理電路的測試與分析

1.系統(tǒng)測試的儀器

Tektronix TDS 1002雙信道數(shù)字示波器；

SG173SB3 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；

Agilent 33120A信號發(fā)生器；

FLUKE17B型4位數(shù)字萬用表。

2.系統(tǒng)測試的方法

在調(diào)試時采用模塊分離，然后級聯(lián)的方法對系統(tǒng)進行調(diào)試，先對各模擬電路分別調(diào)試，當(dāng)每個模擬電路都達到設(shè)計標準后，再對整個系統(tǒng)進行調(diào)試，輸入測試信號，檢查是否能輸出正常放大的信號。調(diào)節(jié)各部分放大電路、濾波電路，使輸出信號達到設(shè)計的調(diào)理電路的要求。

3.系統(tǒng)測試結(jié)果分析

測試系統(tǒng)時選擇的輸入信號為0.100Vpp，100KHz從信號發(fā)生器輸入調(diào)理電路。輸入信號波形圖如圖5所示。

設(shè)計后的放大器可實現(xiàn)1倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍、500倍、1000倍8個級別的放大，可按需要選擇放大級別。在本次測試時低通橢圓濾波器選擇的通帶為600KHz，選擇1倍和10倍作為驗證測試。測試波形如圖6所示。

從測試結(jié)果知道，可以達到可控增益放大的要求，放大倍數(shù)基本能達到預(yù)期要求。

五、小結(jié)

局部放電信號在線監(jiān)測的經(jīng)濟性、高效率以及高可靠性，使其有著十分令人看好的發(fā)展前景。局部放電信號的在線監(jiān)測已不僅僅局限在變壓器的檢測，在整個工業(yè)領(lǐng)域都能見到它的身影。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，局部放電信號在線監(jiān)測的功能將更加強大和完善，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，設(shè)計起來也會更加方便，電路也會愈加簡化，給我們的生產(chǎn)和生活帶來更大的便利。

[1]王昌長,李福其,高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2]胡學(xué)勝,陳玉,張少峰等.GIS局放在線監(jiān)測用高頻寬帶信號調(diào)理電路[J].高電壓技術(shù),2005,2.

[3]馬永翔,張永宜.高電壓技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

辛峰杰（1977—），男，江蘇無錫人，工程碩士，講師，現(xiàn)供職于無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向：電子與通信工程。

鈕克芳（1970—），女，江蘇無錫人，工程碩士，講師，現(xiàn)供職于無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向：電子與通信工程。