高压变压器放电检测系统的设计

陈竞

摘 要：定性地分析了变压器局部放电的基本原理和检测方法，通过对高压变压器工作的背景噪声来源和性质进行分析，研究并设计出高压变压器局部放电检测所需的检测系统和局部放电测量系统，通过上位机软件计算处理，实现局部放电量等各个相关参数输出和频谱分析，从而实现对高压变压器绝缘质量的评价，确保其投入运营后的安全与可靠。

关键词：高压；变压器；局部放电；检测

中图分类号：TM83 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0055-02

1 高压变压器局部放电的基本原理

高压变压器由于在电气性能和耐热性能上具有突出特点，被普遍应用于工业输电领域。一般供电线路高压变压器的电压等级有10 kV、35 kV等，由于安装方式和制造工艺等原因，变压器绝缘材料内部可能存在一些杂质，造成变压器绝缘材料表面或内部区域所承受的电场不均匀。变压器运行过程中，在电场作用下绝缘体内部或表面会出现一些区域的电场强度比平均电场强度要高、一些区域的击穿场强比平均击穿场强要低的现象，因此在这些区域便会首先出现放电，而其他区域仍然保持正常的绝缘特性，这便形成了局部放电。

绝缘体内部的气隙在发生放电时，气隙中的气体便会产生游离，导致中性分子分离成带电的正、负离子等质点，在外部施加的电场作用下，电子或负离子会沿电场相反方向移动，正离子会沿电场方向移动，于是这些空间电荷便建立了新的电场，其方向与外界施加的电场相反，此时气隙内的实际电场强度为：Ec=E外-E内.

外界施加的电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压达到气隙的击穿电压时，气隙便发生放电。

高压变压器局部放电是比较复杂的物理过程，需要通过多种表征参数才能全面地描绘其状态，主要参数包括视在放电电荷、放电重复率、放电能量、放电平均电流和放电功率等。长时间局部放电会对变压器绝缘材料的绝缘性造成严重的危害，主要表现在由放电所产生的局部发热、化学活性生成物、带电粒子的撞击和辐射等因素对绝缘材料的损伤。这种对绝缘材料的破坏是一个缓慢的发展过程，且从局部开始，并受多种因素影响，对运行中的高压变压器埋下安全隐患，局部放电是造成高压变压器最终发生绝缘击穿的主要原因之一。

2 局部放电检测系统硬件设计

2.1 检测系统工作原理

对高压变压器进行局部放电或工频耐压试验时，通常利用工频试验变压器产生高压，利用调压器调节试验电压的升降，调压器应按照相关规定的升压速度平稳、连续的调节试验电压，在通常情况下，必须从零开始升压，切不可冲击合闸。试验过程基本接线如图1所示。

局部放电检测系统的高压检测系统主要包括控制操作、交

流高压产生装置、交流高压测量、保护电阻和保护球隙五部分。进行局部放电试验时，按照规定的升压速度提升作用在变压器试品Zx上的电压，直到电压升高到规定的电压为止，此时开始计时，一般取1 min即可。在做局部放电试验时，观察局部放电电量和其他相关参数、波形，如果符合规定范围，则认为局部放电试验合格；否则，认为不合格。

2.2 检测系统主电路设计

根据系统整体参数，设计检测系统主电路，如图2所示。

主电路电气原理分述如下：①独立供电单元。以交流380 V分相铜带屏蔽三相低压电力变压器和低压开关柜等组成系统的独立供电单元，主要作用是隔离、衰减来自车间用电设备和电网传导的干扰，同时屏蔽供电变压器低压侧带。由于长变压器相当于分布参数为L，C的长线，对高频信号可视为衰减网络，对干扰进行有效衰减，所以，变压器长度越长越好，一般取150 m左右。②双屏蔽静电隔离变压器，可隔离电路和隔离电源地与屏蔽地，主要作用是隔离、衰减来自供电电源包括供电系统中地线的干扰。③低压滤波器。电路由两级以上滤波单元组成，可衰减来自电源的高次谐波干扰。④接触式调压器。根据要求，该调压器具有电压从零起调、损耗低、波形畸变小、调节电压平稳、火花小、噪音低等特点，尤其调压器电刷为平面接触，接触良好，电刷移动升降电压时，火花小、噪声低更是降低局

部放电测试背景干扰所希望的。⑤试验变压器。此试验变压器采用环氧筒式结构，具有局部放电量小、系统损耗低、输出电压波形失真小、设备重量轻等特点。⑥保护电阻。保护电阻串联在变压器输出端与电容分压器之间，降低可能产生的过电压，并保护高压试验设备。⑦高压滤波器。电路由1只电感元件、2只电容元件组成滤波电路，有效衰减来自高压变压器产生的局部放电干扰，同时，它可以阻塞变压器试品中局部放电信号从变压器分流出去，从而提高检测灵敏度。⑧保护球隙。线路中的保护球隙系统用于防止被试变压器在试验过程中过电压，球隙之间的间隙根据施加电压进行整定。⑨耦合电容器。耦合电容器和检测阻抗串联，是获取局部放电信号的重要部分。此外，耦合电容器作为电容分压器使用，上端均压罩为高压端，可直接接入被测高压；下端用专用变压器连接控制台电压传感器，将其分压得到的信号，变为一个正比于试验电压的直流电压，送到数字电压表，经过适当的比例调整和处理，可直接读出试验电压，并且下端有专用接地端，供接地使用。

2.3 检测系统控制电路设计

控制回路电源采用220 V交流电源，来自主电路，采用变压器将主电路交流380 V电压变为220 V，通过转换开关控制回路电源的接通和断开。电源接通后，电源指示灯亮起，此时可以通过合闸、分闸按钮控制主接触器的通断，同时控制合闸、分闸指示灯的通断。在测试过程中，通过上升、下降按钮发送控制信号至系统下位机，从而通过步进电机带动调压器触头的上升和下降，进而控制调压器的升压和降压。控制回路内设置试验计时器，当电压升至所需试验电压时，计时器开始计时，到达设定时间后自动分断并控制降压。系统设置急停按钮，在发生意外事件时，可按急停按钮，断开主回路电源，防止造成不必要的伤害和损失。控制电路如图3所示。

3 局部放电检测系统软件开发

3.1 下位机数据采集处理与过程控制

下位机LJD-51-XA+控制板是以八位单片机STC89C52为主体的单片机控制系统。输入部分接收来自两个电压传感器的DC0～10 V模拟信号、数字电压表、电流表报警值和经过光耦隔离的控制按钮开关量信号。模拟量输入分为经过传感器的电压信号和试验电流信号两路。

输出部分是通过输出光耦隔离的开关量信号控制步进电动机的转动来带动调压器，从而实现升降器的电流升降功能；通过输出光耦隔离开关量信号控制继电器的通断，从而实现对主电路的通断控制。单片机与上位机通过RS232的串行接口实现数据通讯，主要完成自动操作的数据传输。

根据局部放电检测系统的设计要求，试验电源要输出0～80 kV连续可调的试验电压值。基于单片机控制的试验电源，既可通过人为操作上升、下降按钮来实现电压调节，还可通过触控式一体机的测控软件，通过标准RS232串口与单片机控制

板进行通讯，从而完成自动升、降压和保持电压过程。

3.2 上位机操作软件设计

上位机通过RS232串口通讯至下位机，驱动步进电机正转，并控制转速。数字仪表显示当前电压值和电流值，触控式一体机通过与数字仪表的RS485通讯，采集仪表示值。软件系统可实时显示试验电流变化曲线图，使试验人员直观察看试验电流变化情况。当计时结束时，系统将自动保存试验数据，同时上位机发送信号至下位机，下位机通过开关量输出驱动步进电机快速降压至零位，并使试验电路自动分闸，切断高压输出电路。通过这一系列自动控制，完成试验电源升压、保持和降压过程。

数据处理与显示模块是局部放电检测系统中最重要的模块之一，主要完成数据通讯、局部放电各个特征参数的显示、放电图谱实时显示、数据存储和操作控制。

进入测试界面后，拨通电源开关，软件模拟电源指示灯亮起，根据外部接入仪器的通道，选择软件系统中通道开关，此时通道指示灯亮起，设置采集信号频率范围后，开始测试，测试数据栏将显示局部放电的各个参数，软件系统可设置图谱X轴、Y轴参数，进行相位调节。局部放电检测系统测试主界面如图4所示。

4 结束语

本论文主要是针对高压变压器局部放电专门设计了一种检测系统，其目的主要是在变压器检修和试验车间背景干扰较大的环境下，对35 kV高压变压器进行局部放电检测。通过提取变压器局部放电信号的特征，并进行频谱分析，从而使有关人员能依据所提供的实时、真实、有效的数据对变压器的运行状况作出综合评价，发现绝缘质量问题，进而对高压变压器进行调整、检修等，使有可能造成的损失减小到最低，从而保证变压器安全、可靠、经济的运行。

参考文献

[1]华东电力试验研究所.DL/T 417—2006电力设备局部放电现场测量导则[S].北京：中国电力出版社，2007.

[2]肖贵申.局部放电超高频在线监测系统的研究[D].北京：华北电力大学，2007.

[3]李长玉.基于超高频法的XLPE变压器附件局部放电检测技术的研究[D].北京：华北电力大学，2005.

〔编辑：李珏〕

3 局部放电检测系统软件开发

3.1 下位机数据采集处理与过程控制

下位机LJD-51-XA+控制板是以八位单片机STC89C52为主体的单片机控制系统。输入部分接收来自两个电压传感器的DC0～10 V模拟信号、数字电压表、电流表报警值和经过光耦隔离的控制按钮开关量信号。模拟量输入分为经过传感器的电压信号和试验电流信号两路。

输出部分是通过输出光耦隔离的开关量信号控制步进电动机的转动来带动调压器，从而实现升降器的电流升降功能；通过输出光耦隔离开关量信号控制继电器的通断，从而实现对主电路的通断控制。单片机与上位机通过RS232的串行接口实现数据通讯，主要完成自动操作的数据传输。

根据局部放电检测系统的设计要求，试验电源要输出0～80 kV连续可调的试验电压值。基于单片机控制的试验电源，既可通过人为操作上升、下降按钮来实现电压调节，还可通过触控式一体机的测控软件，通过标准RS232串口与单片机控制

板进行通讯，从而完成自动升、降压和保持电压过程。

3.2 上位机操作软件设计

上位机通过RS232串口通讯至下位机，驱动步进电机正转，并控制转速。数字仪表显示当前电压值和电流值，触控式一体机通过与数字仪表的RS485通讯，采集仪表示值。软件系统可实时显示试验电流变化曲线图，使试验人员直观察看试验电流变化情况。当计时结束时，系统将自动保存试验数据，同时上位机发送信号至下位机，下位机通过开关量输出驱动步进电机快速降压至零位，并使试验电路自动分闸，切断高压输出电路。通过这一系列自动控制，完成试验电源升压、保持和降压过程。

数据处理与显示模块是局部放电检测系统中最重要的模块之一，主要完成数据通讯、局部放电各个特征参数的显示、放电图谱实时显示、数据存储和操作控制。

进入测试界面后，拨通电源开关，软件模拟电源指示灯亮起，根据外部接入仪器的通道，选择软件系统中通道开关，此时通道指示灯亮起，设置采集信号频率范围后，开始测试，测试数据栏将显示局部放电的各个参数，软件系统可设置图谱X轴、Y轴参数，进行相位调节。局部放电检测系统测试主界面如图4所示。

4 结束语

本论文主要是针对高压变压器局部放电专门设计了一种检测系统，其目的主要是在变压器检修和试验车间背景干扰较大的环境下，对35 kV高压变压器进行局部放电检测。通过提取变压器局部放电信号的特征，并进行频谱分析，从而使有关人员能依据所提供的实时、真实、有效的数据对变压器的运行状况作出综合评价，发现绝缘质量问题，进而对高压变压器进行调整、检修等，使有可能造成的损失减小到最低，从而保证变压器安全、可靠、经济的运行。

参考文献

[1]华东电力试验研究所.DL/T 417—2006电力设备局部放电现场测量导则[S].北京：中国电力出版社，2007.

[2]肖贵申.局部放电超高频在线监测系统的研究[D].北京：华北电力大学，2007.

[3]李长玉.基于超高频法的XLPE变压器附件局部放电检测技术的研究[D].北京：华北电力大学，2005.

〔编辑：李珏〕

3 局部放电检测系统软件开发

3.1 下位机数据采集处理与过程控制

下位机LJD-51-XA+控制板是以八位单片机STC89C52为主体的单片机控制系统。输入部分接收来自两个电压传感器的DC0～10 V模拟信号、数字电压表、电流表报警值和经过光耦隔离的控制按钮开关量信号。模拟量输入分为经过传感器的电压信号和试验电流信号两路。

输出部分是通过输出光耦隔离的开关量信号控制步进电动机的转动来带动调压器，从而实现升降器的电流升降功能；通过输出光耦隔离开关量信号控制继电器的通断，从而实现对主电路的通断控制。单片机与上位机通过RS232的串行接口实现数据通讯，主要完成自动操作的数据传输。

根据局部放电检测系统的设计要求，试验电源要输出0～80 kV连续可调的试验电压值。基于单片机控制的试验电源，既可通过人为操作上升、下降按钮来实现电压调节，还可通过触控式一体机的测控软件，通过标准RS232串口与单片机控制

板进行通讯，从而完成自动升、降压和保持电压过程。

3.2 上位机操作软件设计

上位机通过RS232串口通讯至下位机，驱动步进电机正转，并控制转速。数字仪表显示当前电压值和电流值，触控式一体机通过与数字仪表的RS485通讯，采集仪表示值。软件系统可实时显示试验电流变化曲线图，使试验人员直观察看试验电流变化情况。当计时结束时，系统将自动保存试验数据，同时上位机发送信号至下位机，下位机通过开关量输出驱动步进电机快速降压至零位，并使试验电路自动分闸，切断高压输出电路。通过这一系列自动控制，完成试验电源升压、保持和降压过程。

数据处理与显示模块是局部放电检测系统中最重要的模块之一，主要完成数据通讯、局部放电各个特征参数的显示、放电图谱实时显示、数据存储和操作控制。

进入测试界面后，拨通电源开关，软件模拟电源指示灯亮起，根据外部接入仪器的通道，选择软件系统中通道开关，此时通道指示灯亮起，设置采集信号频率范围后，开始测试，测试数据栏将显示局部放电的各个参数，软件系统可设置图谱X轴、Y轴参数，进行相位调节。局部放电检测系统测试主界面如图4所示。

4 结束语

本论文主要是针对高压变压器局部放电专门设计了一种检测系统，其目的主要是在变压器检修和试验车间背景干扰较大的环境下，对35 kV高压变压器进行局部放电检测。通过提取变压器局部放电信号的特征，并进行频谱分析，从而使有关人员能依据所提供的实时、真实、有效的数据对变压器的运行状况作出综合评价，发现绝缘质量问题，进而对高压变压器进行调整、检修等，使有可能造成的损失减小到最低，从而保证变压器安全、可靠、经济的运行。

参考文献

[1]华东电力试验研究所.DL/T 417—2006电力设备局部放电现场测量导则[S].北京：中国电力出版社，2007.

[2]肖贵申.局部放电超高频在线监测系统的研究[D].北京：华北电力大学，2007.

[3]李长玉.基于超高频法的XLPE变压器附件局部放电检测技术的研究[D].北京：华北电力大学，2005.

〔编辑：李珏〕