融合超高频及脉冲电流法的局部放电监测系统

甘德刚，刘 凡，肖 伟

（四川电力科学研究院，四川 成都 610072）

0 引言

局部放电既是绝缘劣化的征兆，又是造成绝缘劣化的重要原因[1-3]。因此，局部放电的监测是监测和评估电力设备绝缘状况的重要手段之一[4-5]。变压器等设备局部放电测量目前主要采用脉冲电流法[6-7]，其灵敏度高且传感器易于安装。但由于现场存在严重的电磁干扰，包括常见的电晕放电和开关动作等，这些干扰信号特征与局部放电信号极其相似，且幅值可能淹没局部放电信号，导致把干扰信号当成变压器放电，以致检修不当造成损失。

局部放电超高频UHF（Ultra-High Frequency）监测法已成功应用于气体封闭组合开关设备（GIS），并取得良好的现场效果。该技术主要通过接收变压器等设备内部局部放电所激发的超高频电磁波实现局部放电监测[8-10]。由于一般干扰频带在300 MHz以下[11]，而超高频监测法的监测频带为 300～3000MHz，避开了干扰信号，显著提高了局部放电监测的信噪比。但目前的超高频监测系统复杂，超高频信号采集存储技术还没有完全实现，其成本高，而且后续的干扰移除算法、放电量标定等都没有实质地解决。

鉴于以上情况，本文将2种方法结合，提出一种融合超高频及脉冲电流法的局部放电监测新方法。首先利用简易的超高频采集装置采集变压器内部放电信号，将采集到的超高频信号通过电子设计自动化（EDA）技术处理，转换成方波信号；基于该方波信号就可以清楚地区分脉冲电流信号中的干扰信号和放电信号；最后通过脉冲电流法计算变压器内局部放电量，判断变压器内部绝缘劣化状况。该方法有效解决了脉冲电流法的干扰移除问题，能够更有效、准确地监测变压器局部放电。基于EDA技术和MAXPLUS开发的局部放电识别系统不需要高速采集卡和海量的数据存储设备，大幅降低了局部放电监测的成本。

目前，运用本文方法的监测系统已经研制成功，在实验室运行正常，能够及时发现局部放电并有效滤除脉冲型干扰。监测系统采用实验室研制的3阶Hilbert分形天线，其体积小、频带宽，便于在变压器内部安装。同时设计了固体绝缘内气隙放电模型，并结合分形天线，针对该模型搭建了变压器局部放电监测实验平台。本文采用该系统进行了油中气隙放电实验，并在实验环境中加入各种干扰；采集放电信号，分析并比较了所提方法与脉冲电流法的区别。结果表明该系统能够准确地识别局部放电信号，并有效滤除周围存在的脉冲型干扰信号；与传统的脉冲电流法相比，本文方法具有更好的监测效果及更高的识别率。

1 系统基本构成及原理

融合超高频及脉冲电流法的局部放电监测系统由脉冲电流传感器、超高频天线和超高频信号波形转换器组成，系统原理图如图1所示。超高频信号经过波形转换电路转换成方波，确定设备已经发生放电现象，触发脉冲电流传感器进行数据采集，这样可以确保脉冲电流传感器采集的信号中含有放电信号。脉冲电流放电信号再经过去噪处理，便可得到局部放电信号波形。

图1 系统工作原理框图Fig.1 Schematic diagram of system

1.1 Hilbert分形天线

目前广泛应用于变压器局部放电在线监测的超高频阿基米德螺旋天线[12]、倒锥状天线[13]等都只有一个频带，而本文采用的监测系统需要小型化内置天线，因此采用3阶Hilbert分形天线。

Hilbert分形天线依据Hilbert分形曲线设计而成，由于Hilbert分形曲线具有严格自相似特性[14-15]，N阶Hilbert分形天线具有N个谐振频率[16]。小型化Hilbert分形天线的谐振频率较高，通过优化设计天线的几何结构及参数，使天线最低谐振频率处于局部放电超高频监测频带中，从而用于监测变压器局部放电。

本系统采用3阶Hilbert分形天线传感器，其体积小、频带宽，天线的3个谐振频率为817 MHz、1.7 GHz和2.5 GHz。谐振频率为817 MHz时驻波比约为1.5，1.7 GHz时驻波比约为1.2，2.5 GHz时驻波比约为1.6。谐振频率817 MHz处的通频带约为600～900 MHz，驻波比小于 5。

文献[17]中深入研究了天线的外围尺寸、阶数、导线宽度的改变对天线方向性、驻波比和输出阻抗带来的影响。本系统采用的3阶Hilbert分形天线的相对最优设计几何参数为：传感器宽度L=30 mm，阶数n=3，覆铜厚度b=2 mm。馈电位置于传感器边角。电介质板的介电常数为4.4，厚度为1.6 mm。电介质板的外围尺寸为35.4 mm，略大于天线的外围尺寸，其对角线外围尺寸为50.1 mm，而变压器放油阀内径一般为80 mm，故本文采用的Hilbert分形天线可通过变压器放油阀内置于变压器油箱内壁，并使用同轴电缆将信号引出。

1.2 超高频信号波形转换

波形转换是指将天线采集到的超高频信号放电部分转换为高电平方波。它不需完整采集信号，可极大地节约电力变压器局部放电的监测成本。其核心为比较器，通过EDA技术完成控制。转换过程的原理如图2所示。

图2 信号转换原理框架图Fig.2 Schematic diagram of signal conversion

首先将天线的感应信号进行放大滤波，送入比较器进行比较，其中比较器的阈值由恒压电路给定。当开始放电且信号幅值大于阈值时，比较器输出正电平，Altera可编程逻辑器件EPM3032ATC44-4也输出正电平。放电幅值下降到低于比较阈值时，比较器输出低电平，但MAXPLUS仍然在Δt内保持输出正电平。如果有大于该阈值的放电脉冲再次出现，则重新开始延续Δt。Δt可以针对不同的情况在操作中进行调整，一般较为合理的设置为20 ns，这样就保证在放电的一整段时间内MAXPLUS输出正电平。图3为超高频监测装置采集到的放电脉冲和经装置转换后输出的方波。

图3 波形转换Fig.3 Wave transform

1.3 脉冲电流传感器

监测系统采用磁芯宽频带脉冲微电流传感器，该传感器应用罗戈夫斯基线圈基本原理，幅频特性如图4所示。磁芯宽频带脉冲微电流传感器监测频带宽度超过12 MHz，远高于传统的局部放电监测单元的监测频带宽度（1 MHz以内），用于耦合变压器高压套管末屏接地线上的局部放电脉冲电流监测，监测灵敏度为2 pC。

图4 宽频带型电流传感器幅频特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics ofbroad-band current transducer

1.4 局部放电及干扰信号识别

监测系统采集到的信号基本可以分为变压器内部局部放电信号、存在于脉冲电流信号中的低频干扰信号、现场存在的超高频干扰信号3类。监测系统可以很好地鉴别这3类信号。

在电缆长度相同时，监测系统采集到的脉冲电流信号与超高频放电信号具有同时性。假设第1次信号采集时，脉冲电流法监测到有放电信号，监测设备输出的方波信号显示高电平，则说明变压器发生局部放电；第2次信号采集时能监测到脉冲电流信号，但未监测到超高频放电信号，则说明是白噪、线路电晕引起的干扰，而不是变压器发生局部放电；第3次信号采集时脉冲电流法没有采集到放电信号，但是有高电平的方波信号，则说明是一些无线电波、载波通信等引起的超高频信号干扰。放电信号识别分析如图5所示，从上到下依次为脉冲电流信号、超高频信号、方波信号。

2 实验结果及数据分析

2.1 实验平台

图5 放电信号识别分析图Fig.5 Results of discharge signal recognition

图6 固体绝缘内气隙放电模型Fig.6 Model of air-gap discharge in solid dielectric

图6是模拟绝缘内部气隙局部放电的电极系统及缺陷模型结构。电极系统结构参照CMII（CIGRE MethodⅡ）电极系统结构尺寸设计制作。气隙由3层直径为60 mm、厚度为0.5 mm的环氧板组成，中间环氧板中心为1个直径20 mm的圆孔。实验过程中，模型浸渍在绝缘油中进行局部放电测量。

局部放电在实验室模拟变压器油箱中产生，图7为实验室模拟油箱中绝缘缺陷局部放电试验及测量系统示意图，其中Rp为保护电阻，C为耦合电容器。天线S经传输电缆将接收到的局部放电超高频信号接入采集装置，然后通过MAXPLUS比较输出方波信号。电流传感器经传输电缆（长度相等）将流过接地线的局部放电脉冲电流信号接入示波器。

图7 实验室局部放电试验示意图Fig.7 Schematic diagram of partial discharge experiment in laboratory

2.2 融合超高频方法滤除脉冲电流信号干扰实验波形及分析

图8 电晕干扰下的油中气隙放电实测信号Fig.8 Measured air-gap discharge signal in transformer oil under corona interference

施加电压使气隙发生放电，同时使用脉冲电流传感器和分形天线检测放电信号，实测信号如图8所示。其中u1为分形天线接收到的超高频信号，u2为脉冲电流传感器信号。由图8可见，在P2处监测到80 mV的脉冲信号，分形天线也监测到80 mV的信号，可以断定P2处发生气隙放电。在P1、P3、P4等处脉冲电流法都监测到30～40 mV的脉冲信号，而超高频法却没有监测到信号，说明存在线路电晕干扰。在这种情况下，脉冲电流法和超高频法监测的结合就可以很好地区分放电与干扰。读取脉冲电流放电波形，计算局部放电视在放电量。

采用油中气隙放电模型施加电压8 kV，其发生放电10 min后监测系统采集到的放电波形如图9所示。脉冲电流法在250 ns附近监测到放电信号，超高频监测装置同样在250 ns附近开始输出高电平（用“1”表示，后同），且放电持续时间上基本一致。实验结果表明，气隙放电模型在8 kV电压作用下存在稳定的局部放电。

图9 油中气隙放电实测信号Fig.9 Measured air-gap discharge signal in transformer oil

在油中气隙放电模型50 cm处放置一个正在通话的手机，施加电压至5 kV，监测系统采集到的信号如图10所示。实验结果表明：在5 kV电压作用下，气隙模型基本不放电，所以脉冲电流传感器没有监测到放电信号；但是超高频监测装置输出方波信号在整段800 ns时间内都是高电平，这是分形天线接收到的手机信号干扰，而不是局部放电信号。实验发现手机接通信号是周期信号，持续时间为0.5 ms，所以在800 ns内均显示为发生放电现象。

图10 手机信号干扰下的油中气隙实测信号Fig.10 Measured air-gap discharge signal in transformer oil under mobile phone interference

3 结论

a.监测系统能够准确有效地采集到变压器局部放电信号。超高频监测装置配合脉冲电流法进一步完善了变压器局部放电信号监测系统，使脉冲电流法测量局部放电时，能够准确地滤除脉冲型干扰信号，提高监测效率。同时该方法弥补了超高频监测法没有完全成熟的缺陷，也为超高频方法监测提供了一种新的思路。

b.在油中气隙放电模型实验中，监测系统能够稳定地识别干扰信号，并可以大致判断干扰源。因此，监测系统能间接地监测周围环境中存在的放电现象，能够发现周围环境中是否存在电晕放电、导体接触不良产生的电弧放电、无线电波和载波通信引起的干扰等。