电力变压器局部放电内嵌式监测系统研究

李 祖，李俊卿，张江辉，王宝臣

（1.华北电力大学，河北 保定 071000；2.河北保定市天威集团特变电气有限公司，河北 保定 071056）

1 引言

电力变压器是电网系统重要的变配电设备之一,其运行的安全可靠性直接影响到整个电网系统的安全性、稳定性与节能经济性。从电网故障类型来看，由于变压器故障所引起的电网系统故障或事故占据非常大的比例，其中局部放电又是导致电力变压器发生故障的主要因素，同时也是变压器绝缘性能劣化、运行安全可靠性降低的重要征兆和特征表现［1］。

电力变压器绝缘系统内部发生局部放电其持续时间普遍较短，脉冲宽度仅为ns级，相应其频域则较为宽广，高达1GHz甚至更高。在局部放电检测过程中，为了避开无线电干扰，工程中常用的脉冲电流法检测变压器内部局部放电信号时，其测量频带下限选取范围为30kHz≤f1≤100kHz，上限选取范围为f2≤500kHz，带宽选取范围为100kHz≤Δf≤400kHz。由此，在局部信号检测过程中，将会有大量的放电信息被人为丢失，所采集的放电信息很难真实地反映变压器内部放电情况，难以区分采集的数据信号来源于放电信号还是无线电干扰。基于上述问题，结合电力变压器内部发生局部放电故障时会产生高频电脉冲信号和超声波信号的表征特性，建立电-声联合局放测量的内嵌式监测系统，来实现对变压器内部局部放电的定量、定位以及放电模式的识别，为变压器故障定位诊断和检修维护提供有效依据［2］。

2 内嵌式监测系统总体设计方案

基于电-声联合局放测量变压器局放内嵌式监测系统，按照分层分功能单元结构可分为内嵌式传感器单元、现场控制及预处理单元、光电转换与接收单元、各通道同步高速采集单元、数据处理单元、显示报警打印单元等6部分组成，其具体逻辑组成框图如图1所示。

图1 内嵌式监测系统逻辑组成框图

2.1 脉冲电流信号的检测原理

在电力变压器高压套管末屏及铁芯接地线上分别安装内嵌式传感器，来采集变压器内部局部放电时的电脉冲信号，利用变压器高压侧和铁芯接地线侧的电脉冲信号组成“差动平衡对”。当电力变压器内部发生局部放电故障时，局部放电信号在两个内嵌式传感器中所产生的脉冲电流极性呈相反特性；而外部无线电干扰信号（如变电站主母线上出现的电晕放电信号）其在两个内嵌式传感器中所产生的脉冲电流极性呈相同特性。由此，可以利用相关逻辑判断程序实现脉冲电流信号的差动平衡，以实现对外部共模干扰信号的软件过滤。结合小波分析、时频分析等现代脉冲信号处理技术，可以有效滤除监测信号中存在的周期性无线电干扰信号以及电网系统中随机存在的干扰信号，进而准确判断电力变压器内部局部放电脉冲电流信号。

2.2 超声波信号的检测原理

在电力变压器油箱外壳处安装内嵌式超声波传感器，来采集变压器内部局部放电时的超声脉冲信号，准确定性地判断变压器内部是否存在局部放电故障。利用电-声转化器将传感器所采集到的超声波信号转换成相应的电信号，并经信号过滤放大电路将电信号放大后经光纤传送到工控数据处理中心，完成超声波信号的自动分析。为克服变压器外壳与监测系统间存在的耦合电信号，在监测系统安装过程中制作工程塑料层将超声波传感器与变压器外壳进行有效隔离。考虑到变压器在运行过程中存在磁噪声和机械振动噪声，加上变压器绝缘油中局部放电的超声频谱峰值分布范围为70－150kHz，在传感器参数设置时将超声波传感器检测频带范围设置为70－300kHz。结合电力变压器形状，在变压器高、低压侧A相、B相、C相、a相、b相、c相6个连接部位处布设超声波传感器，以确保超声波数据采集的完整性。

3 监测系统功能单元设计

3.1 现场控制及预处理单元

由图1可知，该功能单元的主要作用在于对电脉冲信号和超声波信号的采集和现场预处理，即将传感器信号（2路电脉冲信号，6路超声波信号）转换成系统能够识别的电信号，并将这8路电信号进行放大以便实现高速准确传输。现场控制及预处理单元逻辑组成框图如图2所示。

图2 现场控制及预处理单元逻辑组成

在文献［3］的基础上，研制基于罗戈夫斯基线圈型的变压器内部局放脉冲电流传感器，作为局放电信号的采集载体。超声波传感器选用PIL超声波传感器，采用增加工程塑料隔离层的非触测量模式，有效隔离耦合干扰电信号。由于电力变压器的高压特性，电脉冲传感器与其没有直接电气连接，仅存在磁耦合特性。为避免微弱电信号在采集传输过程中受到外界信号的干扰，采取就地放大处理措施，利用前置放大器（其频带可以达到0.02－1MHz，增益为40dB）将采集信号进行放大，并经信号预处理电路中的带通滤波器进行信号的前期过滤处理，以实现对各频段信号分量的有效提取及对信号中低频或高频周期性干扰信号的有效滤除。信号经滤波放大处理后，经滤预处理电路中的模/数（A/D）转换电路转换成数字信号后，经12芯（8路信号每路各一芯，备用4芯）光纤同步高速传输到光电转换及接收功能单元。

3.2 光电转换与接收模块

采用12芯光纤将电光转换与传送单元同光电转换与传输模块相互耦合连接，结合时序逻辑分别完成不同信号的并串转换、电光转换、光电转换和串并转换，然后将转换后的信号传输给光电转换与传输模块中的采集卡。电光转换与传送单元置于变压器现场的监测控制箱内，经12芯光纤将信号传输到集控中心的局部放电内嵌式监测系统中。该部分功能单元的耦合连接结构如图3所示。

图3 电光及光电转换电路耦合连接

3.3 各通道同步高速采集单元

经光电信号转换后获得的局放信号，经整流电路处理后，待监测系统获得计算机“采样启动”信号后，经控制逻辑判断将准确可靠的采样信号储存到采样卡中，以使A/D模数转换与外施的工频电压信号同步，实现各通道同步高速采集，其功能结构如图4所示。

图4 各通道同步高速采集逻辑

3.4 监测系统客户端软件设计

电力变压器电-声联合局放内嵌式在线监测系统，其软件是基于Microsoft.NET技术平台的#C编译环境进行开发的，采用大型数据库分析管理技术，实现多路开关的控制和多路超高频PD信号的同步采集、压缩、存储、滤波、频谱分析、模式识别、阀（或阈）值报警、放电事件记录、放电发展趋势分析、数据显示、文件打印等综合分析管理功能［4］。监测系统客户端软件采用集成模块化设计，主要软件程序包括局放数据采集单元、数据压缩传输单元、数据处理管理单元、图形和表格显示单元、历史数据库管理单元等应用程序［5］。

4 电-声联合局放内嵌式在线监测系统现场实测

4.1 传感器安装

110/10kV降压变电站是城市工业园区供电的主要能源载体，由于受地面建筑物和占地面积等因素的影响，该变电站设计为地下变电站，共优选3台110/10kV双绕组降压变压器分别布设在3个变压器室，变压器室内壁分别均布一层铝模。结合现场情况，在每台变压器上安装2路内嵌式电脉冲传感器和6路超声波传感器，3台变压器共安装6路内部局部放电脉冲电流传感器和18路PIL超声波传感器。由于该工程施工工期较短，现场测试需要与土建某些工序同步进行，测试条件较为恶劣，加上气候等因素影响，给测试带来较大困难。为确保地下变电站早日并网运行，测试人员在确定变压器及其它电气设备安装调试符合测试技术条件后，决定于2011年4月18日开始进行正式测试，待所有测试均满足要求后，电-声联合局放内嵌式在线监测系统正式投入运行，实现对3台主变的局部放电在线监测，以确保变压器运行的安全可靠性。

4.2 局部放电波形分析

在线监测系统采集到3台主变典型UHF局部放电多路超高频PD信号，如图5所示。

图5 监测系统现场采集的UHF局部放电PD信号

从5图中可以看出，安装在变压器上的PIL超声波传感器，能够准确测量出该变压器典型的UHF局部放电PD超声波信号，并准确地分析和显示局放信号的幅度和频率特征，能够为判断变压器内部有无局部放电现象、放电幅值大小、放电类型等特征识别判断提供有效的参考依据。图5中3台变压器测得的PD信号大小存在一定差异，其中：#1主变局部放电幅值最小，在10mV以内；#2主变局部放电信号较为强烈，在100mV左右；#3主变局部放电幅值位于#1和#2主变之间。

4.3 局部放电历史趋势分析

为了准确判断3台主变是否存在内部局部放电故障，通过在线连续测量主变UHF局部放电信号在连续100天内的PD信号幅值波动数据，按照“纵向比较为主、横向比较为辅”的判断原则，对主变PD信号的变化率和变化趋势进行综合比对分析，并结合运行经验，来系统判断主变是否需要进行检修。2011年6月到10月，3台主变110kV高压电缆进线侧PIL超声波传感器采集到的PD信号100天平均幅值的历史波动趋势，如图6所示（#1代表#1主变；#2代表#2主变；#3代表#3主变）。

图6 3台主变110kV高压电缆进线侧局部放电趋势

从图6中可以看出，100天的连续测试表明：#1主变内部局部放电幅值较小，各相波动趋势也较为平稳，最大幅值A、B、C相也较为接近，在0－10mV间；#2主变内部局部放电较为强烈，幅值较#1和#3大很多，最大幅值在18－140mV间；#3主变内部局部放电强度位于#1和#2之间，最大幅值在5－120mV间。从3台主变A、B、C相局部放电100天历史运行趋势对比分析来看，3台主变的典型UHF局部放电PD放电信号幅值均处于箱体内振荡波动（≤200mV）范围，表示3台主变当前运行状况良好。

5 结束语

结合实践运行经验，可以初步定义阀（或阈）值等于箱体内振荡上限值的1.2倍，若电-声联合局放内嵌式在线监测系统，监测到典型UHF局部放电PD放电信号未突破箱体内振荡值时，则可以判断变压器运行状况良好；若PD信号突破箱体内振荡值，且短期内放电幅值持续上升并达到监测系统设置阀（或阈）值时，则表明变压器内部绝缘可能出现继续劣化状况，由此可能引起变压器内部局部故障发生。在运用定义的阀（或阈）值对变压器内部监测PD信号放电趋势进行分析时，应采取2台及2台以上变压器进行PD趋势的横向对比，以排除系统运行过程中负荷波动带来的信号干扰，即：变压器内部放电超过阀（或阈）值，若与其它变压器PD信号幅值增长不一致时，则可能是由于变压器内部绝缘劣化引起；若与其它变压器PD信号幅值呈同步增长趋势，则可能是由于系统负荷增加引起。

［1］陈 玉，成永红，徐霄伟，等.100MHz采样速率局放在线监测智能单元的开发［J］.高电压技术，2008，34（11）：2368－2373.

［2］王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断高电压设备的绝缘监测［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［3］唐 炬，许中荣，孟延辉，等.一种用于变压器PD检测的套筒单极子天线传感器研究［J］.仪器仪表学报，2007，28（9）：1654－1659.

［4］吴云飞，胡惠然.特大型电力变压器现场局部放电测量技术研究［J］.变压器，2010，47（4）：29－31.

［5］聂德鑫，伍志荣，罗先中，等.特高压变压器套管局部放电试验技术分析［J］.高电压技术，2010，36（6）：1448－1454.