大型發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

楊 洲，張曉漫

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

0 前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能作為現(xiàn)代社會的主要能源，與人民的生活和生產(chǎn)建設(shè)的關(guān)系愈加密切。大型發(fā)電機(jī)是電力工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，其安全運行性歷來受到人們的高度重視?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的運行在保證合格供電質(zhì)量的同時，還要保證穩(wěn)定可靠的發(fā)供電能力。發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中重要的樞紐設(shè)備，一旦發(fā)生故障會危及電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，而且事故涉及面大，修理周期長，費用高，經(jīng)濟(jì)損失巨大，給人們的生產(chǎn)和生活帶來重大的影響和損失。因此，大型發(fā)電機(jī)的安全可靠運行已成為電力系統(tǒng)的頭等大事[1]。

對運行的大型發(fā)電機(jī)進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測，可以及時了解其絕緣劣化程度，確定是否存在著絕緣表面損壞、絕緣剝離或繞組端部污染等情況，制定相應(yīng)的檢修策略避免突發(fā)事故的發(fā)生。這對提高大型發(fā)電機(jī)運行的可靠性，降低國民經(jīng)濟(jì)事故損失具有重要的實際意義[2]。

本文根據(jù)大型發(fā)電機(jī)局部放電信號的特點設(shè)計了一套局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，為進(jìn)一步開展大型發(fā)電機(jī)定子絕緣在線監(jiān)測信號處理和絕緣診斷奠定了基礎(chǔ)。

1 局部放電監(jiān)測硬件系統(tǒng)

大型發(fā)電機(jī)的局部放電信號頻帶很寬，在幾十kHz到幾百MHz頻率范圍內(nèi)都可以檢測到局部放電信號[3]?？紤]到現(xiàn)場局部放電測量的干擾來源及其頻譜分布，本文設(shè)計的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)采用窄帶測量方式，其檢測信號的中心頻率為1MHz，帶寬為500kHz。由于現(xiàn)場局部放電信號非常微弱，這就要求局部放電測量系統(tǒng)具有較高的測量靈敏度和測量精度。同時，為降低測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝對運行發(fā)電機(jī)的影響程度，并提高局部放電信號提取靈敏度，選擇在發(fā)電機(jī)中性點和發(fā)電機(jī)出口母線處同時安裝傳感器。以工控計算機(jī)為核心的局部放電監(jiān)測硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

上圖中局部放電信號經(jīng)傳感器將電流脈沖信號轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號，然后經(jīng)緩沖放電電路實現(xiàn)對微弱局部放電信號的程控放大，再通過中心頻為1MHz的帶通濾波器實現(xiàn)對信號的模擬濾波，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將局部放電模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并上傳到上位計算機(jī)。由計算機(jī)實現(xiàn)對采集信號的存貯、數(shù)字濾波和干擾濾除。

考慮到安裝方便性和對信號響應(yīng)特性的要求，本文采用帶磁芯的羅可夫斯基線圈電流互感器作為局部放電信號測量傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流傳感器原理圖

電流傳感器的工作頻帶和靈敏度是由多種因素共同決定的。通過理論和試驗確定了磁芯材料、線圈尺寸、線圈匝數(shù)、積分電阻，使傳感器的工作頻帶（200kHz～7.5MHz）和靈敏度，能夠滿足系統(tǒng)的工作要求。

由電流傳感器所輸出的模擬信號幅值很小，一般為毫伏級，且伴有大量的噪聲。在送入計算機(jī)進(jìn)行分析處理之前，需要對其進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理。所設(shè)計緩沖放大電路如圖3所示。

為了降低現(xiàn)場局部放電測量時的干擾，本文所設(shè)計局部放電測量系統(tǒng)采用窄帶測量方式，該功能由帶通濾波器來實現(xiàn)，其中心頻率為 1MHz，帶寬為500kHz。濾波電路由兩級巴特沃斯二階帶通濾波器組成。通過實際測試，該濾波電路的下限截止頻率約為383kHz，上限頻率大致為4.97MHz，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用DLL動態(tài)鏈接庫來實現(xiàn)LabVIEW的硬件驅(qū)動。DLL文件的生成需要函數(shù)聲明文件（.h文件）、源代碼文件（.cpp文件）和模塊定義文件（.def文件）。DLL文件生成后，將其拷貝至指定目錄下，在LabVIEW中通過鼠標(biāo)操作即可完成動態(tài)庫路徑裝載、程序調(diào)用等功能設(shè)置，并生成相應(yīng)的.vi程序。

系統(tǒng)主界面如圖4所示，包括通道選取、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)保存等功能選項。

圖3 緩沖放大電路實物圖

本文所設(shè)計的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用小波分析方法對所采集到的數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理。具體的濾波程序?qū)崿F(xiàn)過程將在下一節(jié)中進(jìn)行闡述。

3 干擾抑制算法與局部放電測量

本系統(tǒng)采用分層次分步驟濾波的方法對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，以保證局部放電信號最小程度的能量損失和波形失真。本文先采用快速傅里葉變換對周期型窄帶干擾進(jìn)行濾除。然后選用 db5小波對信號進(jìn)行濾波處理。

同時考慮到當(dāng)發(fā)電機(jī)運行現(xiàn)場干擾嚴(yán)重時，如果只利用一個工頻周期所采集到的數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)對干擾的濾除。因此，除分層次分步驟進(jìn)行濾波外，根據(jù)局部放電信號與噪聲信號的相位分布差異，本系統(tǒng)還采用多工頻周期數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)局部放電信號與干擾的分離。首先借助小波來分析一個工頻周期內(nèi)數(shù)據(jù)在不同尺度空間的時頻特性，然后再將多個工頻周期數(shù)據(jù)的處理結(jié)果疊加處理，最后根據(jù)局部放電信號的工頻相位分布特征通過統(tǒng)計和模式識別的方法進(jìn)行局部放電信號與干擾信號的分離。具體算法如下：

（1）將一個工頻周期等時間間隔劃分為多個區(qū)段，達(dá)到以下目的：局部放電信號區(qū)段量化，便于利用放電信號與相位相關(guān)性；將處理后的數(shù)據(jù)點數(shù)降低以減小存儲容量，提升對局部放電信號的識別速度；

（2）為保證在不同尺度空間提取局部放電信號，避免不同尺度信號間的交叉影響，提高判斷的可靠性，利用小波變換在劃分完的時間區(qū)段內(nèi)推導(dǎo)出不同尺度上細(xì)分區(qū)間的幅值，計算出信號幅值的平均值并將其歸算到區(qū)段內(nèi)某一固定點上；

（3）由于局部放電信號在相位上的分布相對固定，而非周期型干擾在工頻周期上為隨機(jī)分布，將處理后的多個工頻周期相同區(qū)段上的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。局部放電信號具有明顯的工頻相位特性，在各區(qū)段內(nèi)幅值的平均值是不同的；而周期型窄帶干擾、隨機(jī)脈沖信號和白噪聲的平均幅值則基本相同。因此數(shù)據(jù)經(jīng)過疊加后很容易突出局部放電信號的絕對幅值。

（4）經(jīng)過以上方式處理后的數(shù)據(jù)可能混有相位固定型脈沖干擾，還應(yīng)結(jié)合局部放電信號和干擾信號的本身特性進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

為測試該局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的性能，在實驗室中進(jìn)行了模擬試驗。效果如圖5、6、7所示。

通過實驗證明本文所設(shè)計的硬件系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計所提出的要求。

圖5 系統(tǒng)捕捉到的含有噪聲的模擬局放信號

4 結(jié)論

（1）本論文完成了大型發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計及相應(yīng)的軟件開發(fā)。硬件系統(tǒng)包括電流傳感器、信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、輸入輸出卡和工控計算機(jī)。基于虛擬儀器設(shè)計的軟件系統(tǒng)采用LabVIEW平臺進(jìn)行開發(fā)，操作簡單，圖形顯示直觀，對硬件系統(tǒng)的控制方便快捷。通過實驗表明，該系統(tǒng)具有較高的靈敏度，可以在變壓器的局部放電在線監(jiān)測過程中完成數(shù)據(jù)采集、顯示和保存的任務(wù)。

（2）本論文采用分層次、多周期疊加的綜合濾波處理方法。通過模擬局部放電試驗，證明這種數(shù)字處理的濾波方法能夠較好地分離噪聲干擾，取得理想的局部放電信號。

圖6 去除周期型窄帶干擾后的信號

圖7 小波去噪后的最終結(jié)果

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