变压器超高频局部放电监测的降频检波方法研究

王齐跃，万元

(1.云南国际电力投资公司，云南 昆明 650228；2.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004)



变压器超高频局部放电监测的降频检波方法研究

王齐跃1，万元2

(1.云南国际电力投资公司，云南 昆明 650228；2.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004)

摘要：提出适合于变压器超高频局部放电在线监测的包络检波降频方法，设计包络检波的硬件电路，采用matlab仿真平台对包络检波电路的降频特性进行真.在此基础上，通过实验室模拟放电试验、现场超高频局部放电实测信号检测等方式验证包络检波电路的实效性.验证结果表明，该包络检波降频方法可广泛应用于变压器超高频局部放电在线监测现场.

关键词：变压器；超高频；局部放电；监测；降频检波

0引言

变压器内部发生局部放电时，局部放电源将向外衍射高频电磁波，在变压器特定位置设置电磁波检测器，能有效监测局部放电是否发生.研究表明[1-2]，超高频传感器接收的局部放电信号的频段在500～1500 MHz之间.根据香农采样定律，为了保证不失真地采集到信号，测量系统的采样频率必须大于3 GHz.因此，如果不经合适的信号处理手段，仅对原始的超高频局部放电信号进行采集处理，难度非常大，导致基本无法实现连续在线监测[3].由于局部放电检测通常关心放电脉冲峰值及其出现的工频相位，有必要采用合理的降频手段，在保持局部放电信号幅值的基础上，对超高频传感器获取的信号进行降频处理.

鉴于此，本文中设计一种适合于变压器超高频在线监测的包络检波电路，并利用matlab仿真平台，研究该检波电路的降频特性.在此基础上，通过多种手段验证包络检波电路的实效性.研究结果表明，本文中设计的检波降频电路能胜任变压器超高频局部放电在线监测的信号降频处理.

1包络检波电路基本原理

本文中设计基于二极管的包络检波电路，其原理电路及等效电路如图1所示.包络检波器的输出电压直接反映高频调幅波包络变化规律，由输入回路、检波二极管D和RC低通滤波器组成.Rd、R分别为二极管导通电阻和负载电阻，且Rd<

由图1可知二极管D两端电压ud=ui-uo，当ud>0时二极管正向导通，超高频输入信号ui对电容C充电，充电时间常数τc=RdC较小，电容C上迅速建立电压；当ud<0时二极管截止，电容C通过负载电阻R放电.由于放电时间常数τd=RC远大于超高频信号周期，当电容C上电压下降不多时，高频第二个正半周电压使其再次导通.

图1　包络检波原理及等效电路

通过选择合适的元件参数，让τc足够小，充电很快；而τd足够大，放电很慢(τc<<τd)，就可使电容C两端的电压幅度与输入超高频信号ui的幅度接近，得到超高频信号的正向包络.合理选取参数，检波处理方式可以有效降低超高频局部放电信号的频率，提取超高频信号的幅值包络特征.

2包络检波电路的Matlab仿真研究

根据图1所示的检波原理建立matlab仿真电路如图2所示.输入信号“input”为待检波的原始超高频局部放电信号，来自matlab工作空间(workspace).用“input”作为受控电压源CV的控制信号，则CV的电压输出ui将随“input”变化.

图2　超高频局部放电信号包络检波仿真模

2.1电路参数选取超高频局部放电信号持续时间在几十到几百ns，油中放电脉冲宽度也仅在μs数量级.为了有效提取信号幅值和相位信息，检波器的充电时间常数τc应该足够小，选取τc=0.1 ns<<1 ns；放电时间常数τd越大越能满足采样定律对信号频率的要求，然而τd过大，电容C上电荷来不及释放，超高频信号中较小峰值将被遗漏，因此τd的选择必须适中.二极管D的导通电阻Rd为100 Ω，则电容C由式(1)确定.

(1)

式中，充电时间常数τc=1×10-10s，二极管导通电阻Rd=100 Ω，代入上式得负载电容C=1×10-12F=1 pF.

同理，负载电阻R由式(2)确定.

(2)

式中，放电时间常数τd=0.8×10-6s，负载电容C=1×10-12F，代入上式得负载电阻R=0.8×106Ω.

2.2超高频局部放电脉冲仿真采用仿真超高频局部放电信号作为输入电压ui，现场检测到的局部放电信号一般为指数衰减振荡信号，理论上可以用以下两种模型来表示[3]：

f1(t)=A1e-t/τsin(2πfct)

(3)

f2(t)=A2(e-1.3t/τ-e-2.2t/τ)sin(2πfct)

(4)

式中A1、A2为信号幅值，τ为脉冲衰减系数，fc为脉冲振荡频率.式(3)为单指数衰减振荡脉冲，式(4)为双指数衰减振荡脉冲.

由于超高频局部放电信号在变压器箱体内经过折反射后到达超高频传感器，波头衰减严重[3]，脉冲不再是式(3)描述的单指数形式，因此采用式(4)模拟超高频局部放电信号，如图3所示.

由式(3)产生3个双指数仿真局部放电脉冲，具体参数见表1，其中t0为脉冲相对0时刻出现的时间，单个脉冲持续时间约0.5 μs.为了更接近实测信号，在信号中叠加标准差为0.005的白噪声，得到的混合信号如图4a所示.

图3　双指数仿真超高频局部放电脉冲信号

表1　双指数局部放电脉冲仿真参数

图4　双指数局部放电脉冲检波仿真结

用图4a的仿真信号作为输入，对其进行包络检波得到的检波信号如图4b(检波器放电时间常数τd=0.8 μs)和图4c(τd=0.05 μs)所示.检波电路充电时间常数均为0.1 ns，因此检波输出信号上升沿非常陡峭.

2.3仿真结果分析脉冲达到峰值后以放电时间常数τd衰减，当τd=0.8 μs时，脉冲达到峰值后衰减较慢，而τd=0.05 μs时衰减很快，能够保持原始脉冲的包络信息.结果表明超高频局部放电信号经检波后正向峰值基本不变，峰值出现的时间也几乎与原信号相同，包络检波能够有效提取超高频信号峰值和相位信息.

3实验室模拟信号验证

实验室采用模拟放电装置(电子打火器)放电，放电激发产生电磁波信号，利用超高频传感器耦合接收后送至信号调理单元处理，最后对信号进行高速数据采集处理.实验室放电的检波输出信号如图5、图6所示，其中图5为单脉冲放电检波信号，图6为多脉冲放电检波信号.实验表明实测检波信号特征与前述仿真分析结论一致，证明了包络检波电路的有效性.

图5　实验室放电检波输出：单脉冲放

图6　实验室放电检波输出：多脉冲放

检波脉冲上升到峰值后，理论上检波信号将以式(5)的规律进行衰减，直到衰减过程结束.衰减过程将出现两种情况：1)没有二次充电，直接衰减至脉冲结束(图4a)；2)衰减过程中再次(或多次)充、放电，直到衰减过程结束(图4b).

(5)

式中，U0为脉冲峰值，τd为放电时间常数.

4现场实测信号验证

将设计的检波降频电路应用到某大型水电站升压变压器的超高频局部放电在线监测系统中，对现场信号进行检波降频，检波输出信号如图7所示.

图7　现场放电检波输

由图7知，由于现场环境比较复杂，超高频局部放电信号中夹杂多种背景噪声，导致检波后信号没有仿真结果、实验室模拟信号处理结果规则，但基本能达到检波降频的要求，由此证明本文中设计的检波降频电路是有效的，适合于变压器超高频局部放电在线监测.

5结语

对于变压器超高频局部放电在线监测，其传感器接收的局部放电信号的频段比较高，必须经降频处理才能降低采集难度.鉴于此，本文中在硬件上设计包络检波降频电路，从仿真、实验室模拟、现场信号处理的结果上看，该电路能基本满足变压器超高频局部放电信号降频需要，因此可广泛地应用于变压器超高频局部放电在线监测现场.

参考文献6

[1] Martin D Judd,Li Yang,Ian B B Hunter.Partial discharge monitoring for power transformers using UHF sensors part 1: sensors and signal interpretation [J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2005,21(2): 5-14.

[2] Martin D Judd,Li Yang,Ian B B Hunter.Partial discharge monitoring for power transformers using UHF sensors part 2: field experience [J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2005,21(3): 5-13.

[3] 欧阳旭东,陈杰华,林春耀,等.基于超高频法的电力变压器局部放电检测技术的研究与应用[J].变压器,2007,44(2):38-42.

(责任编辑郭定和)

Study on method of frequency reduction detector for transformer UHF PD monitoring

WANG Qiyue1，WAN Yuan2

(1.Yunan International Power Investment Corporation,Kunming 650228,China;

2.Wuling Power Corporation,Changsha 410004,China)

Abstract:The reduction method based on the envelope detector for the transformer Ultra High Frequency (UHF) Partial Discharge(PD) online monitoring is put forward in this paper,and then,the hardware circuit design and the basic principle of envelope detection are introduced.The MATLAB platform is used to simulate the frequency reduction characteristic of the envelope detection circuit,based of all above,the effectiveness of the envelope detection circuit has been verified through laboratory simulation test,field UHF PD signals processing.All experiment results have shown that the frequency reduction envelope detector method can be widely used in the field of transformer UHF PD on-site monitoring.

Key words:transformer;ultra high frequency (UHF);partial discharge(PD);monitoring;frequency reduction detector

中图分类号:TM855

文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.01.009

文章编号:1000-2375(2016)01-0046-04

通信作者

作者简介:王齐跃(1980-)，男，工程师；万元，，高级工程师，E-mail:wanwy@wu-ling.com

收稿日期:2015-06-20