电-声联合检测法在变压器局部放电监测中的应用

吉树亮李希元郑薇

（1.西安工程大学电子信息学院，西安 710048；2.西安金源电气股份有限公司，西安 710075；3.辽宁省电力有限公司营口供电公司，辽宁 营口 115002）

随着电力系统中变压器的容量和电压等级不断提高，其安全稳定运行越来越受到重视。其中，绝缘问题在变压器故障中占有很大比重。局部放电在线监测比油中气体分析法优越的是，当非脉冲型局部放电发展到脉冲型局部放电的过程中会使绝缘老化，进而使绝缘突然损坏，这一发展过程它不能分解出气体，因此油的气体分析法不起作用，但局部放电的在线监测能记录整个过程,因此研制现场运行的变压器局部放电在线监测系统是非常有必要的。然而，由于变压器绕组的分布参数网络对放电脉冲信号的传递造成幅值衰减、波形畸变、相间串扰以及现场干扰等，对准确监测变压器局部放电带来了一定的困难。

1 监测原理及系统结构

当变压器内部出现局部放电时，会有放电脉冲电流产生，在套管出线端、套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线、铁心夹件接地线等处将有脉冲电流流过，通过罗科夫斯基线圈可检测到脉冲电流信号。

在局部放电产生脉冲电流信号的同时，还存在声发射信号。利用传感器在极短时间内（几乎为零）就能接收到脉冲信号，而声发射压力波则需一定时间（声波在油中传播速度为1.44mm/μs）才能到达紧贴在变压器油箱上的超声传感器。采用3个或 3个以上超声传感单元时，可近似估算局部放电源在变压器中的位置。若电声信号延时太长，估计的距离超出变压器的几何尺寸，则接收的是干扰信号。

图1 电-声联合法原理图

采用电流脉冲和声波脉冲直接测量放电的监测方法。它能瞬时检测变压器、电抗器内部出现的故障，对非脉冲型局部放电（约500～1500pC）及脉冲型局部放电（1500pC）以上均能进行在线监测。图2是变压器局部放电在线监测系统结构框图。

图2 系统结构框图

2 系统设计及抗干扰

2.1 系统设计

图3所示为局部放电监测系统信号流程图。当变压器内部发生局部放电时，由超声传感器和电流传感器分别采集相应的超声脉冲信号和电脉冲信号，经预处理电路处理后送入 A/D转换器，转换后的数字信号通过光纤传送至上位机，再通过专家软件对放电特征量进行提取，对放电位置进行定位，发出故障报警，为进一步做放电特性分析和故障诊断提供有效数据。系统可对被监测点进行全天候监测或定时监测，当发现放电量达到预设警戒值时，立即进行报警。

为实现设备现场与上位机的电气隔离，系统采用光缆传输系统完成上位机与现场测量系统之间的长距离通讯，同时提高系统抗干扰能力和信号传输的可靠性。光中继站的通道数，视被监测设备的监测点多少而定。

2.2 抗干扰设计

图3 变压器局部放电在线监测系统信号流程图

变压器绕组是一个复杂结构，又与电网直接相连，具有复杂的电感电容分布参数网络。对于局部放电脉冲信号而言，会造成幅值衰减、信号延迟和相间串扰等。此外，变压器安装现场还存在大量的无线电、载波、电晕放电等干扰。对于变压器局部放电在线监测系统而言，数据处理的微机往往在远离变压器等电气设备的监控中心，一般相距数十米甚至数百米，信号经过长距离传输会产生衰减和畸变，同时在传输过程中还可能有干扰信号进入而降低信噪比。故一般对信号采取就地处理的方式，即对传感器送出的信号立即进行预处理及数字化转换。预处理单元可安排在数据采集之前，甚至和传感器安排在一起，这样在信号传输过程中受到的干扰影响将大大削弱。

通过图2中的信号处理模块（12）对传感器传送来的信号进行适当的预处理，将信号幅度调整到合适的电平；对混叠的干扰信号采用滤波器进行抑制，以提高系统的抗干扰能力。对经过预处理的信号进行采集、A/D转换和记录。在图2所示信号监测模块（11）中，采用空心的罗氏线圈监测局部放电电流脉冲，通过对电流传感器进行特殊设计，选择适当的监测频带，以提高监测的灵敏度和抗干扰能力。采用脉冲分离技术对局部放电电脉冲进行处理，以增强监测回路的抗干扰能力。本系统设计了由两部分组成的模拟信号预处理电路：一是放大电路，主要完成对传感器输出信号的放大和滤波后信号电平的调节，使其满足A/D转换对输入信号的要求；另一部分是滤波电路，通过限制信号的频带范围来抑制干扰信号。模拟信号预处理电路结构如图4所示，预处理电路中第一级放大电路如图5所示，滤波器采用如图6所示的程控滤波器。

图4 局部放电模拟信号预处理电路结构图

图5 放大电路原理图

图6 程控滤波器原理图

经过滤波器处理后，在一定程度上抑制了某些类型的干扰，但变电站现场干扰源众多，干扰信号极其复杂，仅仅依靠硬件滤波并不能达到满意效果，还需要采用相应的软件滤波算法进行处理。由于局放信号和干扰信号（窄带干扰）在频带上具有一定的分散性，系统采用小波变换去除监测信号中的窄带干扰。

3 分析诊断与故障定位

专家软件通过对采集到的数据进行处理和分析，获取反映变压器运行状态的特征值，为诊断提供有效数据信息。用处理后的数据与历史数据及其他信息进行比较、分析，从而进行设备状态评估或故障定位。图7所示为电流传感器和超声探头现场安装图，图8为专家软件分析界面。

图7 传感器现场安装图

图8 局部放电谱图分析

表1 某主变局部放电监测数据

实现变压器局部放电的故障定位，能够有效提高变压器检修效率，具有很大的实际价值。表1所示为某主变A相局部放电放电量及放电位置数据。近年来，很多科研单位对局部放电定位技术进行了较为深入的研究。如利用变压器绕组在特定频率范围内等值电路的特点导出变压器绕组内部产生局部放电时首末端电压或电流比值与放电点的位置关系，并据此定出故障点位置，此种方法能在进行局部放电定位的同时，定量测量局部放电量值。但因变压器型号、生产厂家的不同，实际应用起来还有一定难度。

若变压器内部有局部放电，则会产生脉冲电流信号及声发射信号，利用传感器在极短时间内（几乎为零）就能接收到脉冲信号，而声发射压力波则需一定时间才能到达紧贴在变压器油箱上的超声传感器，则放电源到探头的距离可以由s=vt得出。若电声信号延时太长，估计的距离超出变压器的几何尺寸，则接收的是干扰信号。采用3个或3个以上超声传感单元时，可近似估算局部放电源在变压器中的位置。采用磁浮式高抗干扰超高灵敏的超声探头（增益大于40dB），牢固地吸附在变压器油箱铁板上。探头安装在不同位置，对于同一个放电源，测量系统将测量到相应的探头到放电源的距离s1、s2、s3等，再利用空间解析几何法即可求出放电源的空间坐标。

4 结论

通过高精度罗科夫斯基线圈和高抗干扰超声探头，有效采集脉冲电流信号和局部放电声波信号，经过信号调理电路和滤波器滤波后，最大程度去除干扰，为专家软件进行计算分析提供准确数据。专家软件进行放电脉冲幅值、频次和放电源位置等参数的计算，并结合历史数据进行分析，评估设备运行状态，为设备的检修和更换提供依据。

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