電力變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

許滋奇，王 毅，黃梓亮

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

局部放電監(jiān)測系統(tǒng)不僅能檢測出變壓器的內(nèi)部絕緣故障，以免放電情況惡化，還能替代壓力測試檢測變壓器制造與安裝時的絕緣缺陷，實現(xiàn)故障問題的及時發(fā)現(xiàn)與解決。近幾年，國內(nèi)加大了對變壓器局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的研究，從硬件電路設(shè)計、軟件方案設(shè)計等方面著手，能有效實現(xiàn)放電監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果，進一步保障電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。

1 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

變壓器局放監(jiān)測系統(tǒng)按照功能分類可劃分為傳感裝置、信息調(diào)整以及信息分析等模塊。系統(tǒng)內(nèi)部不同傳感器線路內(nèi)配置相應(yīng)的信息調(diào)節(jié)模塊，主要包括預(yù)先處理和現(xiàn)場調(diào)控等功能模塊[1]。其中，AE傳感器電路能起到收集信號的作用，在傳感器裝置、轉(zhuǎn)換線路和信息收集卡等模塊作用下，能保證模塊功能的實現(xiàn)。UHF為高頻傳感器電路，考慮到變壓器放電過程中將產(chǎn)生脈沖能量，在進行這一線路設(shè)計時，需要利用寬頻監(jiān)測法加強傳感器的靈活性。分析變壓器實際運行狀況時，可發(fā)現(xiàn)環(huán)境噪音和空氣中電暈將對變壓器運行造成電磁波干擾。因此，通常采用配置高頻天線的解決方法，保證信號收集的精準(zhǔn)度。當(dāng)傳感器裝置接收電磁波后，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，之后借助通信線路進入信號調(diào)節(jié)模塊，并由檢波線路作濾除處理。完成上述環(huán)節(jié)后，可實現(xiàn)對信息的有效收集和整理分析，從而發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)效能。

1.2 變壓器局放調(diào)節(jié)電路的設(shè)計

為了保證系統(tǒng)內(nèi)部信號收集的可靠性，需要在監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計放大電路、濾除雜波等電路。當(dāng)變壓器局放過程中，將產(chǎn)生頻率范圍較寬的局放信號。要想確保信號準(zhǔn)確度，需要合理調(diào)整傳感器導(dǎo)出信號的調(diào)節(jié)電路。放大裝置是將信號幅值擴大處理的線路，使得導(dǎo)出信號電壓與局放信號收集卡的接收范圍相吻合。但是，變壓器運行環(huán)境復(fù)雜，在不同局放類型中的模擬信號有所差異。如果信號收集卡只采取單純的擴大形式，可能造成較大的測量誤差。因此，需要根據(jù)電路內(nèi)多個調(diào)控信號形成的反饋系數(shù)，及時調(diào)節(jié)信號放大裝置的增益倍數(shù)。通過利用增益裝置，可自動轉(zhuǎn)變放大裝置的電壓測量范圍，從而解決局部信號幅值起伏問題。在濾波電路設(shè)計方面，考慮到變壓器運行時會受到噪音干擾，本文在局放監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中采用窄帶測量方法，以此去除濾波干擾信號。圖1為濾波裝置邏輯線路構(gòu)成圖。

圖1 開關(guān)電源濾波裝置邏輯線路構(gòu)成圖

2 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主控程序的設(shè)計

變壓器局放在線監(jiān)測系統(tǒng)主要具備以下功能：局部信號檢測、數(shù)據(jù)分析和用戶權(quán)限設(shè)置等。在用戶權(quán)限設(shè)置上，包括用戶登錄、操作限制等系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)功能體現(xiàn)在局放信號檢測和計算等方面，利用過程控制理念和信號分析計算方法，根據(jù)在線監(jiān)測及線下分析有機結(jié)合的設(shè)計理念進行軟件編程，從而實現(xiàn)人工干預(yù)、智能診斷等功能。在線監(jiān)測系統(tǒng)在信號監(jiān)測方面可進行信號收集、信號識別等操作，且系統(tǒng)和模擬軟件連接后，可進行局放信號的整理分析，利用圖形化工具生成相應(yīng)的頻譜圖，實現(xiàn)信號直觀展示的功能，進一步幫助技術(shù)人員掌握變壓器的故障情況。

2.2 數(shù)據(jù)模塊設(shè)計

變壓器局放信號監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(xiàn)信息收集和數(shù)據(jù)模擬等功能。在信息收集模塊中，包括中斷、查詢與DMA等數(shù)據(jù)傳輸途徑。其中，中斷方式指的是由計算機提供相關(guān)信號對采集卡進行操作，利用中斷來實現(xiàn)信號的采集，其需要對變壓器運行環(huán)境進行保護。查詢方式指的是根據(jù)設(shè)定的時間需求，按時進行信號采集操作，時間由設(shè)計人員進行設(shè)置。對于DMA方式，在進行局放信號收集時，系統(tǒng)內(nèi)采集卡儀器與接收信號調(diào)控器進行信息交換。采集過程不經(jīng)過CPU，可縮短信號收集時間[2]。系統(tǒng)實際運行過程中，用戶可通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)進行DMA的參數(shù)需求設(shè)置，以確保系統(tǒng)信息采集的可靠性和有效性。在數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計方面，考慮到變壓器局放過程中將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這時需要借助濾波模塊，在對大量信息進行分析去除的基礎(chǔ)上，促進信息傳輸和存儲的順利進行，這有利于降低監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)處理難度。在對添加濾波處理模塊后的原始信號采集波形進行分析后，可明顯觀察到系統(tǒng)的信息采集功能明顯增強。另外，在進行系統(tǒng)硬件驅(qū)動模塊時，考慮到變壓器局放監(jiān)測系統(tǒng)，主要利用動態(tài)鏈接庫來驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)硬件，包括內(nèi)部程序公用代碼和數(shù)據(jù)庫[3]。鏈接庫文檔包括代碼文檔和申明文檔等。當(dāng)文件形成后，將它復(fù)制到編程需求文件下，利用鏈接運行軟件能實現(xiàn)程序調(diào)用等功能，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的驅(qū)動功能。在監(jiān)測系統(tǒng)硬件參數(shù)設(shè)置過程中，需要注意，應(yīng)結(jié)合實際情況選擇對應(yīng)的運行方式和硬件設(shè)備的特征參數(shù)，進一步實現(xiàn)與變壓器局放信號采集相一致的參數(shù)配置，確保監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路和軟件方案的合理設(shè)計，提高變壓器局放監(jiān)測系統(tǒng)的運行可靠性。

3 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場實測

3.1 現(xiàn)場情況與傳感器安裝

以某一都市工業(yè)園區(qū)為例，該園區(qū)設(shè)計用電量為100 000 kW。考慮到該區(qū)域土地價格偏高，計劃利用地下變電站。進行負載計算后，選擇使用3臺雙繞組變壓器，相關(guān)參數(shù)為50 000 kVA、100/10 kV和Ud=10.5%。由于現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境較惡劣，對變壓器的局部放電檢測技術(shù)的要求較高，3臺變壓器分別安裝在變電器室中，在其內(nèi)壁鋪設(shè)單層鋁膜。每組局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：局部監(jiān)測系統(tǒng)模擬帶寬為1 GHz；高頻電流測定范圍為0～10 A，靈敏度為5 PC；調(diào)控電源交流電壓為220 V。實際安裝時，要求避開高場強區(qū)域，且傳感設(shè)備安裝完成后不能高出油箱內(nèi)部，以免信號的干擾。此外，傳感器引線布設(shè)需要考慮避開傳感裝置位置，經(jīng)過內(nèi)陷法蘭與油箱連接。

3.2 局部放電監(jiān)測波形驗證

為了確保局部放電監(jiān)測系統(tǒng)安裝過程未破壞變壓器電磁平衡，應(yīng)在設(shè)備安裝完成后，進行現(xiàn)場交接感應(yīng)電壓局部放電檢測實驗。根據(jù)內(nèi)加壓檢測條件，可將這一變電站看作是110/10 kV的降壓變電站。系統(tǒng)設(shè)備長時間運行的最高電壓為Um=126 kV。根據(jù)1.1、1.5、1.7等倍數(shù)關(guān)系，計算得出各相電壓長時間加壓值分別是U1=1.1Um/=80 kV。以此類推，U2=108 kV，U3=123 kV。在進行加壓實驗時，需要按照變壓器局放試驗操作步驟，從0開始增壓，在電壓為U1時持續(xù)5 min，電壓增加到U2時維持5 min，再次升高到U3時保持24 s。當(dāng)加壓完成后，再根據(jù)實驗標(biāo)準(zhǔn)進行降壓操作，直至電壓為0。通過分析實驗結(jié)果可得到，局放電壓測量結(jié)果如表1所示。

以上試驗信息標(biāo)志著3臺變壓器局放相對穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生持續(xù)提升的趨勢，且檢測指標(biāo)滿足運行標(biāo)準(zhǔn)，說明局放檢測系統(tǒng)沒有破壞變壓器內(nèi)部電磁平衡，能實現(xiàn)對變壓器運行的保障作用。

4 結(jié) 論

綜上所述，當(dāng)電力變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障或者運行環(huán)境惡劣時，變壓器局部場強過大將造成局部放電。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生不利于電力變壓器的安全運行，需要利用局部放電監(jiān)測系統(tǒng)來保障變壓器的正常運行。本文對局部放電電路、系統(tǒng)數(shù)據(jù)模塊等進行了研究設(shè)計，通過硬件電路和軟件方案的合理設(shè)計，可充分發(fā)揮局部變電監(jiān)測系統(tǒng)在變壓器正常運行上的有效作用。

[1] 董 杰.電力變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電工文摘，2017，（1）：22-25.

[2] 程銀花.變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2017.

[3] 王 寧.變壓器局部放電在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.