電力變壓器局部放電內(nèi)嵌式監(jiān)測系統(tǒng)研究

李 祖，李俊卿，張江輝，王寶臣

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000；2.河北保定市天威集團(tuán)特變電氣有限公司，河北 保定 071056）

1 引言

電力變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)重要的變配電設(shè)備之一,其運(yùn)行的安全可靠性直接影響到整個電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性與節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。從電網(wǎng)故障類型來看，由于變壓器故障所引起的電網(wǎng)系統(tǒng)故障或事故占據(jù)非常大的比例，其中局部放電又是導(dǎo)致電力變壓器發(fā)生故障的主要因素，同時也是變壓器絕緣性能劣化、運(yùn)行安全可靠性降低的重要征兆和特征表現(xiàn)［1］。

電力變壓器絕緣系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生局部放電其持續(xù)時間普遍較短，脈沖寬度僅為ns級，相應(yīng)其頻域則較為寬廣，高達(dá)1GHz甚至更高。在局部放電檢測過程中，為了避開無線電干擾，工程中常用的脈沖電流法檢測變壓器內(nèi)部局部放電信號時，其測量頻帶下限選取范圍為30kHz≤f1≤100kHz，上限選取范圍為f2≤500kHz，帶寬選取范圍為100kHz≤Δf≤400kHz。由此，在局部信號檢測過程中，將會有大量的放電信息被人為丟失，所采集的放電信息很難真實(shí)地反映變壓器內(nèi)部放電情況，難以區(qū)分采集的數(shù)據(jù)信號來源于放電信號還是無線電干擾?；谏鲜鰡栴}，結(jié)合電力變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電故障時會產(chǎn)生高頻電脈沖信號和超聲波信號的表征特性，建立電-聲聯(lián)合局放測量的內(nèi)嵌式監(jiān)測系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對變壓器內(nèi)部局部放電的定量、定位以及放電模式的識別，為變壓器故障定位診斷和檢修維護(hù)提供有效依據(jù)［2］。

2 內(nèi)嵌式監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于電-聲聯(lián)合局放測量變壓器局放內(nèi)嵌式監(jiān)測系統(tǒng)，按照分層分功能單元結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)嵌式傳感器單元、現(xiàn)場控制及預(yù)處理單元、光電轉(zhuǎn)換與接收單元、各通道同步高速采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、顯示報警打印單元等6部分組成，其具體邏輯組成框圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)嵌式監(jiān)測系統(tǒng)邏輯組成框圖

2.1 脈沖電流信號的檢測原理

在電力變壓器高壓套管末屏及鐵芯接地線上分別安裝內(nèi)嵌式傳感器，來采集變壓器內(nèi)部局部放電時的電脈沖信號，利用變壓器高壓側(cè)和鐵芯接地線側(cè)的電脈沖信號組成“差動平衡對”。當(dāng)電力變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電故障時，局部放電信號在兩個內(nèi)嵌式傳感器中所產(chǎn)生的脈沖電流極性呈相反特性；而外部無線電干擾信號（如變電站主母線上出現(xiàn)的電暈放電信號）其在兩個內(nèi)嵌式傳感器中所產(chǎn)生的脈沖電流極性呈相同特性。由此，可以利用相關(guān)邏輯判斷程序?qū)崿F(xiàn)脈沖電流信號的差動平衡，以實(shí)現(xiàn)對外部共模干擾信號的軟件過濾。結(jié)合小波分析、時頻分析等現(xiàn)代脈沖信號處理技術(shù)，可以有效濾除監(jiān)測信號中存在的周期性無線電干擾信號以及電網(wǎng)系統(tǒng)中隨機(jī)存在的干擾信號，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷電力變壓器內(nèi)部局部放電脈沖電流信號。

2.2 超聲波信號的檢測原理

在電力變壓器油箱外殼處安裝內(nèi)嵌式超聲波傳感器，來采集變壓器內(nèi)部局部放電時的超聲脈沖信號，準(zhǔn)確定性地判斷變壓器內(nèi)部是否存在局部放電故障。利用電-聲轉(zhuǎn)化器將傳感器所采集到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并經(jīng)信號過濾放大電路將電信號放大后經(jīng)光纖傳送到工控數(shù)據(jù)處理中心，完成超聲波信號的自動分析。為克服變壓器外殼與監(jiān)測系統(tǒng)間存在的耦合電信號，在監(jiān)測系統(tǒng)安裝過程中制作工程塑料層將超聲波傳感器與變壓器外殼進(jìn)行有效隔離?？紤]到變壓器在運(yùn)行過程中存在磁噪聲和機(jī)械振動噪聲，加上變壓器絕緣油中局部放電的超聲頻譜峰值分布范圍為70－150kHz，在傳感器參數(shù)設(shè)置時將超聲波傳感器檢測頻帶范圍設(shè)置為70－300kHz。結(jié)合電力變壓器形狀，在變壓器高、低壓側(cè)A相、B相、C相、a相、b相、c相6個連接部位處布設(shè)超聲波傳感器，以確保超聲波數(shù)據(jù)采集的完整性。

3 監(jiān)測系統(tǒng)功能單元設(shè)計

3.1 現(xiàn)場控制及預(yù)處理單元

由圖1可知，該功能單元的主要作用在于對電脈沖信號和超聲波信號的采集和現(xiàn)場預(yù)處理，即將傳感器信號（2路電脈沖信號，6路超聲波信號）轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)能夠識別的電信號，并將這8路電信號進(jìn)行放大以便實(shí)現(xiàn)高速準(zhǔn)確傳輸?，F(xiàn)場控制及預(yù)處理單元邏輯組成框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場控制及預(yù)處理單元邏輯組成

在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，研制基于羅戈夫斯基線圈型的變壓器內(nèi)部局放脈沖電流傳感器，作為局放電信號的采集載體。超聲波傳感器選用PIL超聲波傳感器，采用增加工程塑料隔離層的非觸測量模式，有效隔離耦合干擾電信號。由于電力變壓器的高壓特性，電脈沖傳感器與其沒有直接電氣連接，僅存在磁耦合特性。為避免微弱電信號在采集傳輸過程中受到外界信號的干擾，采取就地放大處理措施，利用前置放大器（其頻帶可以達(dá)到0.02－1MHz，增益為40dB）將采集信號進(jìn)行放大，并經(jīng)信號預(yù)處理電路中的帶通濾波器進(jìn)行信號的前期過濾處理，以實(shí)現(xiàn)對各頻段信號分量的有效提取及對信號中低頻或高頻周期性干擾信號的有效濾除。信號經(jīng)濾波放大處理后，經(jīng)濾預(yù)處理電路中的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，經(jīng)12芯（8路信號每路各一芯，備用4芯）光纖同步高速傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及接收功能單元。

3.2 光電轉(zhuǎn)換與接收模塊

采用12芯光纖將電光轉(zhuǎn)換與傳送單元同光電轉(zhuǎn)換與傳輸模塊相互耦合連接，結(jié)合時序邏輯分別完成不同信號的并串轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸給光電轉(zhuǎn)換與傳輸模塊中的采集卡。電光轉(zhuǎn)換與傳送單元置于變壓器現(xiàn)場的監(jiān)測控制箱內(nèi)，經(jīng)12芯光纖將信號傳輸?shù)郊刂行牡木植糠烹妰?nèi)嵌式監(jiān)測系統(tǒng)中。該部分功能單元的耦合連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電光及光電轉(zhuǎn)換電路耦合連接

3.3 各通道同步高速采集單元

經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)換后獲得的局放信號，經(jīng)整流電路處理后，待監(jiān)測系統(tǒng)獲得計算機(jī)“采樣啟動”信號后，經(jīng)控制邏輯判斷將準(zhǔn)確可靠的采樣信號儲存到采樣卡中，以使A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換與外施的工頻電壓信號同步，實(shí)現(xiàn)各通道同步高速采集，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 各通道同步高速采集邏輯

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計

電力變壓器電-聲聯(lián)合局放內(nèi)嵌式在線監(jiān)測系統(tǒng)，其軟件是基于Microsoft.NET技術(shù)平臺的#C編譯環(huán)境進(jìn)行開發(fā)的，采用大型數(shù)據(jù)庫分析管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多路開關(guān)的控制和多路超高頻PD信號的同步采集、壓縮、存儲、濾波、頻譜分析、模式識別、閥（或閾）值報警、放電事件記錄、放電發(fā)展趨勢分析、數(shù)據(jù)顯示、文件打印等綜合分析管理功能［4］。監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件采用集成模塊化設(shè)計，主要軟件程序包括局放數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)壓縮傳輸單元、數(shù)據(jù)處理管理單元、圖形和表格顯示單元、歷史數(shù)據(jù)庫管理單元等應(yīng)用程序［5］。

4 電-聲聯(lián)合局放內(nèi)嵌式在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)測

4.1 傳感器安裝

110/10kV降壓變電站是城市工業(yè)園區(qū)供電的主要能源載體，由于受地面建筑物和占地面積等因素的影響，該變電站設(shè)計為地下變電站，共優(yōu)選3臺110/10kV雙繞組降壓變壓器分別布設(shè)在3個變壓器室，變壓器室內(nèi)壁分別均布一層鋁模。結(jié)合現(xiàn)場情況，在每臺變壓器上安裝2路內(nèi)嵌式電脈沖傳感器和6路超聲波傳感器，3臺變壓器共安裝6路內(nèi)部局部放電脈沖電流傳感器和18路PIL超聲波傳感器。由于該工程施工工期較短，現(xiàn)場測試需要與土建某些工序同步進(jìn)行，測試條件較為惡劣，加上氣候等因素影響，給測試帶來較大困難。為確保地下變電站早日并網(wǎng)運(yùn)行，測試人員在確定變壓器及其它電氣設(shè)備安裝調(diào)試符合測試技術(shù)條件后，決定于2011年4月18日開始進(jìn)行正式測試，待所有測試均滿足要求后，電-聲聯(lián)合局放內(nèi)嵌式在線監(jiān)測系統(tǒng)正式投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對3臺主變的局部放電在線監(jiān)測，以確保變壓器運(yùn)行的安全可靠性。

4.2 局部放電波形分析

在線監(jiān)測系統(tǒng)采集到3臺主變典型UHF局部放電多路超高頻PD信號，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采集的UHF局部放電PD信號

從5圖中可以看出，安裝在變壓器上的PIL超聲波傳感器，能夠準(zhǔn)確測量出該變壓器典型的UHF局部放電PD超聲波信號，并準(zhǔn)確地分析和顯示局放信號的幅度和頻率特征，能夠?yàn)榕袛嘧儔浩鲀?nèi)部有無局部放電現(xiàn)象、放電幅值大小、放電類型等特征識別判斷提供有效的參考依據(jù)。圖5中3臺變壓器測得的PD信號大小存在一定差異，其中：#1主變局部放電幅值最小，在10mV以內(nèi)；#2主變局部放電信號較為強(qiáng)烈，在100mV左右；#3主變局部放電幅值位于#1和#2主變之間。

4.3 局部放電歷史趨勢分析

為了準(zhǔn)確判斷3臺主變是否存在內(nèi)部局部放電故障，通過在線連續(xù)測量主變UHF局部放電信號在連續(xù)100天內(nèi)的PD信號幅值波動數(shù)據(jù)，按照“縱向比較為主、橫向比較為輔”的判斷原則，對主變PD信號的變化率和變化趨勢進(jìn)行綜合比對分析，并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，來系統(tǒng)判斷主變是否需要進(jìn)行檢修。2011年6月到10月，3臺主變110kV高壓電纜進(jìn)線側(cè)PIL超聲波傳感器采集到的PD信號100天平均幅值的歷史波動趨勢，如圖6所示（#1代表#1主變；#2代表#2主變；#3代表#3主變）。

圖6 3臺主變110kV高壓電纜進(jìn)線側(cè)局部放電趨勢

從圖6中可以看出，100天的連續(xù)測試表明：#1主變內(nèi)部局部放電幅值較小，各相波動趨勢也較為平穩(wěn)，最大幅值A(chǔ)、B、C相也較為接近，在0－10mV間；#2主變內(nèi)部局部放電較為強(qiáng)烈，幅值較#1和#3大很多，最大幅值在18－140mV間；#3主變內(nèi)部局部放電強(qiáng)度位于#1和#2之間，最大幅值在5－120mV間。從3臺主變A、B、C相局部放電100天歷史運(yùn)行趨勢對比分析來看，3臺主變的典型UHF局部放電PD放電信號幅值均處于箱體內(nèi)振蕩波動（≤200mV）范圍，表示3臺主變當(dāng)前運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié)束語

結(jié)合實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以初步定義閥（或閾）值等于箱體內(nèi)振蕩上限值的1.2倍，若電-聲聯(lián)合局放內(nèi)嵌式在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到典型UHF局部放電PD放電信號未突破箱體內(nèi)振蕩值時，則可以判斷變壓器運(yùn)行狀況良好；若PD信號突破箱體內(nèi)振蕩值，且短期內(nèi)放電幅值持續(xù)上升并達(dá)到監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置閥（或閾）值時，則表明變壓器內(nèi)部絕緣可能出現(xiàn)繼續(xù)劣化狀況，由此可能引起變壓器內(nèi)部局部故障發(fā)生。在運(yùn)用定義的閥（或閾）值對變壓器內(nèi)部監(jiān)測PD信號放電趨勢進(jìn)行分析時，應(yīng)采取2臺及2臺以上變壓器進(jìn)行PD趨勢的橫向?qū)Ρ?，以排除系統(tǒng)運(yùn)行過程中負(fù)荷波動帶來的信號干擾，即：變壓器內(nèi)部放電超過閥（或閾）值，若與其它變壓器PD信號幅值增長不一致時，則可能是由于變壓器內(nèi)部絕緣劣化引起；若與其它變壓器PD信號幅值呈同步增長趨勢，則可能是由于系統(tǒng)負(fù)荷增加引起。

［1］陳 玉，成永紅，徐霄偉，等.100MHz采樣速率局放在線監(jiān)測智能單元的開發(fā)［J］.高電壓技術(shù)，2008，34（11）：2368－2373.

［2］王昌長，李福祺，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷高電壓設(shè)備的絕緣監(jiān)測［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］唐 炬，許中榮，孟延輝，等.一種用于變壓器PD檢測的套筒單極子天線傳感器研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2007，28（9）：1654－1659.

［4］吳云飛，胡惠然.特大型電力變壓器現(xiàn)場局部放電測量技術(shù)研究［J］.變壓器，2010，47（4）：29－31.

［5］聶德鑫，伍志榮，羅先中，等.特高壓變壓器套管局部放電試驗(yàn)技術(shù)分析［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（6）：1448－1454.