变压器局部放电在线监测系统调理电路的设计

无锡机电高等职业技术学校 辛峰杰 钮克芳

变压器局部放电在线监测系统调理电路的设计

无锡机电高等职业技术学校 辛峰杰 钮克芳

电力系统和大型电力设备的安全运行对于安全生产、国民经济和人民生活至关重要，除了提高这些系统和设备的质量外，进行在线检测，防止突然失效和突发故障也是非常重要的。本文就变压器局部放电在线监测系统调理电路进行了一定的研究，并进行了一些测试与分析。

局部放电；在线监测；测试分析

一、变压器局部放电在线监测的意义

随着现代工业的发展和城市化水平的提高，电力系统的可靠性越来越得到人们的重视，大型变压器往往处于枢纽地位，它一旦发生故障，有可能发生大面积停电事故，将会给工业生产和运作造成严重的不良后果。为了保证电气设备的安全可靠运行，一方面我们要采用良好的绝缘材料，改进制造工艺来提高设备的绝缘强度和质量，更重要的一面，就是我们要对运行中电气设备的绝缘状况进行检测，随时掌握设备的运行情况，进而有效地防止事故的发生。近年来，根据大量损坏的高压电气设备及老化试验证明，变压器局部放电是造成绝缘损坏的主要原因之一。变压器局部放电检测能够反映高压设备的绝缘情况，及时发现设备内部绝缘的潜在缺陷，判断高压设备内部绝缘损坏的程度，从而避免高压设备发生突发性绝缘故障。这对保证电力系统安全运行具有十分重要的意义。长期的实验证明，局部放电信号往往十分微弱(mV级)，并且具有较大的分散性，同时在信号采集时干扰较多。为了保证测试的准确性和有效性，必须对传感器采集到的信号进行干扰抑制处理和有效放大。因此，针对测试的需要设计一种高性能的调理电路具有十分重要的意义。

二、变压器局部放电在线监测技术研究现状

图2 二阶无源高通滤波电路（左）和二阶有源低通滤波器电路（右）

图3 可选带宽低通滤波器结构图

国内外围绕变压器局部放电在线监测技术已经展开了大量的研究工作，使该项技术有了很大的发展，取得了很好的效果。其技术已经从窄带系统逐渐过渡到宽带系统及至超宽带系统。按局部放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、气体生成物等现象，相应地出现了脉冲电流法、射频检测法、超高频法、超声波法、气相色谱法等多种检测方法。其中脉冲电流法和超声波检测法应用最为广泛，脉冲电流法是通过检测阻抗接入到测量回路中来检测。超声波法是通过检测变压器局部放电产生的超声波信号来测量局部放电信号的大小和位置。另外，近年来特高频检测法的应用也越来越收到重视。超高频局部放电检测通过传感变压器内部局部放电所产生的超高频(300—3000MHz)电信号，实现局部放电信号的检测和定位，并实现抗干扰。超高频局放检测技术近年来得到了较快地发展，在一些电力设备(如高压配电装置、电机、电缆、变压器)的检测中已经得到应用。

三、变压器局部放电在线监测系统调理电路的设计

变压器局部放电在线监测系统调理电路主要由传感器、滤波电路、放大电路、50Hz同步信号、CPU等组成。本系统原理框图如图1所示。

1.传感器

传感器采用罗高夫(Rogowski)线圈，它是一种空心环形的线圈，可以直接套在被测量的导体上。导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变化率成比例的交流电压信号。罗高夫线圈与分流器测量法相比的一个显著优点是：它与被测电路没有直接的电的联系，可避免或减小电流源接地点的地电位瞬间升高所引起的干扰影响。

2.滤波电路

局部放电信号是一种上升沿很陡、持续时间很短、带宽很宽的脉冲信号。我们测试时必须确保采集到放电信号的主要能量。以往的研究和试验表明，局部放电主要能量集中在40kHz～700kHz，对输入信号进行处理时，必须保证带内信号通过并放大，而滤除带外的的各种干扰信号，提高测量的准确性。在设计中我们根据要求，首先在输入电路中设计了一个由二阶无源高通滤波器和一个二阶有源低通滤波器组成的带通滤波器来实现滤波要求。设计电路如图2所示。

图4 前级放大电路

为了让我们在测试不同频带的信号时，灵活的选择所需要带宽的滤波器来进行滤波。在设计中我们使用了4组5阶低通椭圆滤波器和两片8通道高性能模拟多路复用器ADG608来实现。设计结构图如图3所示。

3.放大电路

放大电路主要由前级放大电路和可变增益放大器组成。

由于局部放电信号十分微弱(mV级)，为了便于后续的可变增益放大和增大A/D采样的有效性，所以增加了前级放大电路。设计电路图如图4所示。

由于传感器采集到的信号干扰较多，而局部放电信号往往十分微弱(mV级)，并且具有较大的分散性，所有在进入A/D采样前必须放大并能程控调节，才能对局部放电信号有效的放大。另外局部放电信号是一种上升沿很陡、持续时间很短、带宽很宽的脉冲信号。为了确保采集到放电信号的主要能量，在本设计中我们使用了两个OPA680宽带放大器和两个可变增益宽带放大器VCA822来实现对不同幅度信号的测量需要，以使测试的数据更加准确，误差更小。

4.高速A/D转换器

A/D转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口，它将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。高速的A/D转换器可快速的将转换后的数据送入CPU系统从而实现较精确的数控也能提高数据分析处理的速度。

5.50Hz同步信号

局部放电一般发生在50Hz电力信号的45度和270度位置，所以在进行局部放电测量结果分析和显示的时候，需要以50Hz信号为参考或同步，50Hz同步信号的输入要求纯净，尽可能的去除电力线的谐波干扰。

6.CPU

图5 输入信号波形图

图6 信号放大1和10倍波形图

CPU输出的是实现较精确的数字控制信号，去控制监测显示电路，实现远程监测。

四、变压器局部放电在线监测系统调理电路的测试与分析

1.系统测试的仪器

Tektronix TDS 1002双信道数字示波器；

SG173SB3 直流稳压稳流电源；

Agilent 33120A信号发生器；

FLUKE17B型4位数字万用表。

2.系统测试的方法

在调试时采用模块分离，然后级联的方法对系统进行调试，先对各模拟电路分别调试，当每个模拟电路都达到设计标准后，再对整个系统进行调试，输入测试信号，检查是否能输出正常放大的信号。调节各部分放大电路、滤波电路，使输出信号达到设计的调理电路的要求。

3.系统测试结果分析

测试系统时选择的输入信号为0.100Vpp，100KHz从信号发生器输入调理电路。输入信号波形图如图5所示。

设计后的放大器可实现1倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍、500倍、1000倍8个级别的放大，可按需要选择放大级别。在本次测试时低通椭圆滤波器选择的通带为600KHz，选择1倍和10倍作为验证测试。测试波形如图6所示。

从测试结果知道，可以达到可控增益放大的要求，放大倍数基本能达到预期要求。

五、小结

局部放电信号在线监测的经济性、高效率以及高可靠性，使其有着十分令人看好的发展前景。局部放电信号的在线监测已不仅仅局限在变压器的检测，在整个工业领域都能见到它的身影。相信随着科学技术的进一步发展，局部放电信号在线监测的功能将更加强大和完善，应用领域也越来越广，设计起来也会更加方便，电路也会愈加简化，给我们的生产和生活带来更大的便利。

[1]王昌长,李福其,高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]胡学胜,陈玉,张少峰等.GIS局放在线监测用高频宽带信号调理电路[J].高电压技术,2005,2.

[3]马永翔,张永宜.高电压技术[M].北京:北京大学出版社,2009.

辛峰杰（1977—），男，江苏无锡人，工程硕士，讲师，现供职于无锡机电高等职业技术学校，研究方向：电子与通信工程。

钮克芳（1970—），女，江苏无锡人，工程硕士，讲师，现供职于无锡机电高等职业技术学校，研究方向：电子与通信工程。