一種基于局部放電信號(hào)判斷跳閘裝置的研制

陳弘揚(yáng)

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇南京211100）

0 引言

對(duì)變壓器油紙絕緣局部放電的放電機(jī)理、發(fā)展階段、譜圖及影響因素的研究對(duì)電力變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的意義。而油紙絕緣局部放電分散性很大，在實(shí)驗(yàn)室中需進(jìn)行大量的試驗(yàn)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析找出普遍規(guī)律。為了提高試驗(yàn)效率，在保持外界條件一致性的前提下，有必要建立變壓器油紙絕緣多試品平臺(tái)。為了解決多試品加壓過程中試品壽命不同的問題，筆者設(shè)計(jì)制作了一套基于局部放電信號(hào)測量控制各個(gè)試驗(yàn)支路跳開的新型裝置。由于試品擊穿前夕局放發(fā)展迅速，這時(shí)跳閘裝置通過檢測判斷，能及時(shí)動(dòng)作將試品斷開，以保證其他支路正常加壓試驗(yàn)。

1 跳閘裝置原理

通過電流傳感器采集局部放電脈沖信號(hào)，采集的信號(hào)先放大，放大電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋比例放大器，兼半波整流的作用。整流后的信號(hào)輸入積分器，積分器包括一個(gè)場效應(yīng)管運(yùn)算放大器、積分電容、保持和復(fù)位開關(guān)及輸出多路選擇器，通過積分器的積分時(shí)間T的設(shè)定，獲得T時(shí)間內(nèi)的局部放電總量。當(dāng)局部放電總量大于設(shè)定值時(shí)，裝置動(dòng)作，將試品支路斷開。

2 裝置的構(gòu)成

2.1 電流傳感器

該跳閘裝置中局放信號(hào)采集通過Rogowski線圈式電流傳感器。通過實(shí)驗(yàn)，筆者測得當(dāng)線圈的匝數(shù)為20匝、積分電阻為50 Ω時(shí)，可獲得較好的低頻特性和高頻特性，其中3 dB高頻截止頻率可達(dá)到80 MHz。

2.2 放大整流電路

高頻放大器是一個(gè)簡單的電壓并聯(lián)負(fù)反饋比例放大器，如圖1所示，通過調(diào)節(jié)電位器可以增大局放信號(hào)幅值。該比例放大器最大放大倍數(shù)為50倍，另外該電路還兼有半波整流的作用，可使輸出的信號(hào)一直為正極性。

圖1 放大整流電路

該整流電路的信號(hào)放大作用可減小因二極管導(dǎo)通所需的門限電壓，因此幅值為微伏級(jí)的局放信號(hào)也能順利通過整流。

2.3 積分器

積分器包括一個(gè)場效應(yīng)管運(yùn)算放大器、100 pF的積分電容、保持和復(fù)位開關(guān)以及輸出多路選擇器，電路圖如圖2所示。

圖2 積分器電路

積分器的工作模式是由保持和復(fù)位開關(guān)控制的，即圖2中的三個(gè)開關(guān)：保持開關(guān)、復(fù)位開關(guān)、選擇開關(guān)，通過這三個(gè)開關(guān)可以控制積分器的積分時(shí)間。當(dāng)保持開關(guān)閉合，復(fù)位開關(guān)和選擇開關(guān)斷開時(shí)，積分器開始對(duì)輸入信號(hào)積分，此時(shí)積分器的輸出值由下式計(jì)算：

式中，k為放大器對(duì)局放信號(hào)的放大倍數(shù)；T為積分時(shí)間；ui為局放信號(hào)經(jīng)半波整流之后的信號(hào)；CINT為積分電容100 pF；R為接入電阻，其作用是將輸入的電壓信號(hào)kui轉(zhuǎn)為電流信號(hào)。

U1為積分器輸出的積分值，U1隨著積分時(shí)間的增大而變大。設(shè)定積分器積分時(shí)間為T，在一個(gè)積分周期末端，積分器的保持開關(guān)斷開，電容上的電壓保持不變，從而電壓U1保持不變，此時(shí)，選擇開關(guān)閉合，積分器的輸出電壓U1被輸送到10 nF的電容上，經(jīng)后面的放大器構(gòu)成的緩沖器輸出。所以選擇開關(guān)與電容10 nF構(gòu)成另一個(gè)取樣/保持電路。這時(shí)選擇開關(guān)斷開，復(fù)位開關(guān)閉合，積分電容放電，積分器輸出電壓U1趨向模擬地，但此時(shí)后面的放大器構(gòu)成的緩沖器輸出電壓U2保持不變直到下一次積分周期末，并且緩沖器輸出的電壓值為每個(gè)積分周期內(nèi)的最大值。最后，復(fù)位開關(guān)斷開，保持開關(guān)閉合，下一個(gè)積分周期開始。開關(guān)的控制信號(hào)由單片機(jī)來控制，控制信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)閉合，高電平時(shí)，開關(guān)斷開，如圖3所示。其中1通道的信號(hào)控制選擇開關(guān)，2通道的信號(hào)控制復(fù)位開關(guān)，3通道的信號(hào)控制保持開關(guān)。

2.4 積分幅值判斷電路

圖3 積分器保持、復(fù)位開關(guān)控制信號(hào)

積分幅值判斷電路本文選用74LS14芯片來控制，當(dāng)輸入到芯片引腳上的電壓值超過1.6 V時(shí)，芯片輸出電平瞬間變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼送ㄟ^調(diào)節(jié)比例放大器和積分時(shí)間T，可以在油紙絕緣臨近擊穿時(shí)，使得輸出電壓大于1.6 V。由于這時(shí)74LS14的輸入信號(hào)大于等于1.6 V，因此芯片輸出電平瞬間變?yōu)榈碗娖?，給繼電器發(fā)送信號(hào)，引起繼電器動(dòng)作，進(jìn)而將電源切斷。

3 跳閘裝置的初步檢測結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室里首先用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為10 kHz、幅值為1 V的正弦信號(hào)輸入跳閘裝置，調(diào)節(jié)比例放大器，當(dāng)跳閘裝置動(dòng)作時(shí)，積分器的輸出波形如圖4所示，與設(shè)計(jì)波形基本一致。

圖4 積分器輸出信號(hào)

4 跳閘裝置的實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果

通過采用球板模型來模擬變壓器內(nèi)的局部放電，如圖5所示，靜置一段時(shí)間后開始加壓，采用逐步加壓法，當(dāng)電壓加到20 kV時(shí)試品出現(xiàn)幅值比較大的局部放電脈沖信號(hào)，此時(shí)保持電壓不變，這時(shí)積分器的輸出幅值很低，持續(xù)加壓20 min后，局部放電脈沖的頻度開始按指數(shù)規(guī)律增加，但脈沖頻度仍不大，這時(shí)積分器的輸出幅值大約為0.6 V，在持續(xù)放電10 min后，脈沖電流信號(hào)的幅值分散性變小，均是幅值基本一致的大脈沖且脈沖頻度很高。此時(shí)，試品處于臨近擊穿的狀態(tài)，這時(shí)積分器輸出波形的幅值大于1.6 V，跳閘裝置動(dòng)作并將電源切斷。圖6中1通道是積分器輸出的信號(hào)U1，2通道是緩沖器輸出的信號(hào)U2，與設(shè)計(jì)時(shí)的波形基本一致。

圖5 實(shí)驗(yàn)連接電路圖

圖6 試品臨近擊穿時(shí)積分器的輸出

5 結(jié)語

該跳閘裝置通過局部放電信號(hào)來控制跳閘，通過調(diào)節(jié)比例放大器和設(shè)定合適的積分時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)絕緣存在局部放電且臨近擊穿時(shí)跳閘裝置動(dòng)作，及時(shí)切斷電源，避免設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路。通過實(shí)驗(yàn)測試，該跳閘裝置能很好地實(shí)現(xiàn)跳閘并報(bào)警。由于該跳閘裝置還處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，因此還需要更多的油紙絕緣局放實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)跳閘裝置動(dòng)作的穩(wěn)定性和靈敏性。