电力变压器局部放电在线监测系统的研究与设计

（国网青海省电力公司检修公司）

电力变压器局部放电在线监测系统的研究与设计

董 杰

（国网青海省电力公司检修公司）

现阶段市面上的电力变压器局部放电在线监测系统都是根据单一的监测结果进行诊断，系统本身的稳定性和精度不够理想，无法清晰区分电力变压器绝缘体系统放电的类别，因此对电力变压器绝缘受到何种程度的破坏无法得到准确的结论。在这种背景下，结合超高频的电磁波信号来对电力变压器局部放电所展示的特征进行分析，将成为未来电力变压器局部放电在线监测系统的发展趋势。故本文将采用超高频传感器，在三层划分设计思想的指导下，构建集站点管理、数据采集、数据查询、系统设置等功能于一身的电力变压器局部放电在线监测系统。

电力变压器；局部放电；在线监测；超高频法；MVC

0 引言

局部放电在线监测不仅可以检测出电力变压器的早期内部绝缘故障，避免放电情况的恶化；而且可以代替压力测试来测试电力变压器制造和安装中造成的绝缘缺陷，确定故障位置以便快速有效地解决缺陷。近年来国内外研究者针对电力变压器局部放电在线监测系统展开了大量研究。例如日本研究者在20世纪80年代研制了电力变压器在线监测系统，其具有初步的自动诊断功能；清华大学电机系在20世纪90年代研制了可远程和在线的变压器局部放电监测的微机系统，其还可以鉴别电磁干扰并定位局部放电源[1]。

但目前的电力变压器局部放电在线监测系统大多有装置误报率高、监测精度低、装置数据传输复杂度高等问题，非常不利于大规模推广和应用。为此开发出人机互动性强、数据传输简便、监测高的电力变压器局部放电在线监测系统迫在眉睫。

1 电力变压器局部放电在线监测技术的分析

电力变压器局部放电通常会伴随超声波、电脉冲、电磁辐射和光等，同时油中放电会导致能量的损耗。这就衍生出介质损耗率、脉冲电流法、化学检测、红外检测、超声波测量、光测量等测量方法，而现阶段主流的三种方法如表1所示。

相较于超声波测量法和脉冲电流法，如果能够找到电力变压器局部放电产生的超高频信号的特征参数与放电类型的对应关系，那么不仅可以对电力变压器局部放电的故障类型进行准确判别，而且通过对历史数据的分析，还可以实现电力变压器局部放电故障的预测[2]。

表1 电力变压器局部放电在线监测技术的对比

相信在今后很长一段时间内，超高频法将是国内外科研人员对电力变压器局部放电进行在线监测的主要研究方向[3]。例如，在20世纪末，英国Hampton等研究者在一所变电站中安装了一套具备三相传感器的超高频监测系统，通过7个灵敏度较高的超高频传感器来捕获10m范围内的自由微粒及检测相应的放电量，从而对电力变压器的局部放电进行分析处理。

2 电力变压器局部放电在线监测系统的总体设计

2.1 电力变压器局部放电在线监测系统的整体架构

图1为电力变压器局部放电在线监测系统的整体架构。整个系统的工作原理如下：通过设置在电力变压器上的UHF传感器来捕捉电力变压器内部出现的特殊信号（如局部放电的超高频信号），将检测到的特殊信号转变为相应数字量来完成对特征信号的检出工作，然后结合波形、频谱来进行深入分析，从而进一步达到故障定位及预警的目的。

2.2 电力变压器局部放电在线监测系统的功能模块

调研后可知，电力变压器局部放电在线监测系统要能够结合UHF传感器捕捉的局部放电信号来进行信号的分析及存储，实时显示状态参数及三维放电谱图；并且实现局部放电故障的自动化报警。基于上述需求，电力变压器局部放电在线监测系统的功能模块将划分为如下几个部分（如图2所示）：

图1 电力变压器局部放电在线监测系统的整体架构

第一，站点管理模块。作为电力变压器局部放电在线监测系统正常运行的基础条件，站点管理模块主要负责对采集通道参数和采集设备进行管理。本系统中的1个采集设备可以采集16路传感器的数据，而如果想要更改采集通道参数，那么可以发送UDP等配置数据包到采集设备中。

第二，局放数据采集处理模块。在对电力变压器局部放电数据进行采集时，要求每秒采集量应大于5条，并且局放数据处理时间要控制在0.2s以内，这样才能够确保系统拥有足够的吞吐量。

图2 电力变压器局部放电在线监测系统的功能模块

第三，局放数据输出模块。根据相位、报警等级等局放信号，局部数据分析子模块经过一定运算后将得到报警信息和局放分析结果。此外，局放数据存储子模块包含的数据由如下两个方面组成：①历史局放数据。历史局放数据包含的主要是当日内局放数据的脉冲平均值、最大值，局放缺陷的结果等；②实时局放数据。实时局放数据包含的主要是50组最近及最新的局放数据。

第四，局放数据查询模块。局放数据查询模块提供单通道放电曲线、多通道放电曲线、警报数据（不同警报等级下，对具体日期的警报数据进行查询）、历史数据（在具体采集设备及一定时间范围内，查询三维放电图谱、24h趋势图、俯视图及右视图等）的查询，确保操作人员能够根据实际需求来查询所需数据。

第五，局放数据导出模块。对于已经存储到数据库中的局放数据，系统能够通过相应操作将它们导入到Excel表格中（具体操作时，操作人员先选取指定的采集设备及采集通道，找出合理的时间范围，然后将相应局放数据导出到Excel表格中）。

第六，系统设置模块。系统设置模块的主要功能是对用户的权限进行管理，通常用户包括管理用户和匿名用户两类。其中管理用户的权限包括局放采集、查询、修改、增加及删除等，匿名用户的权限包括局放采集及查询。通过对用户权限进行管理，能够极大降低站点的操作错误率，提高系统的整体安全性。

3 电力变压器局部放电在线监测系统的详细设计

3.1 电力变压器局部放电在线监测系统的硬件结构

图3为电力变压器局部放电在线监测系统的硬件结构，关键设备所采用的型号如表2所示。其中，为了抑制噪声干扰需要采用硬件滤波技术。根据滤波器的频率阻抗特性，滤波器可以分为带阻滤波器、带通滤波器、高通滤波器及低通滤波器等四大类[4]。在具体选用时要注意：滤波电容要求耐高压、绝缘好、温度系数小、自谐振频率高；滤波电感要求温度系数小、直流阻抗低、在负载电流范围内不饱和；滤波器最好采用对称结构，以保证线路平衡，这样有利于抑制共模干扰。在本系统中，由于电力变压器局部放电在线监测系统安装现场的干扰源多在200MHz以内，因此最终从成本和安装简便等角度综合考虑，选用了LC微波滤波器。

3.2 电力变压器局部放电在线监测系统的软件结构

电力变压器局部放电在线监测系统采用MVC设计模式[5]。整个系统从上至下分为视图层、控制层及Model模型层，具体说来：

图3 电力变压器局部放电在线监测系统的硬件结构

表2 电力变压器局部放电在线监测系统的关键设备

首先，视图层中包含局放数据查询模块、站点管理模块及局放数据显示模块。其可以调用控制层发出的指令和模型层Model，提供一些主要方法来实现数据的查询及显示灯功能。

其次，控制层中包含局放数据存储模块、局放数据分析模块及查询模块等。当视图层经输入提交指令后，控制层可以对模型构建进行准确的调用。

最后，Model模型层中包含数据库系统及通讯模块。其可以对实时数据包、通道信息表及设备信息表等进行封装，并且能够被控制层发出的指令所调用。

3.3 数据库表的设计

根据需求调研和系统整体架构的要求，本系统数据库设计时选用了Mysql5.5，主要的数据库表如表3所示。

表3 数据库表的设计

4 结束语

当运行环境恶劣或内部出现故障时，电力变压器会由于局部场强过高而产生局部放电。局部放电的发生会影响电力变压器的正常运行，严重时可能造成电力变压器的损坏，因此对电力变压器局部放电进行在线监测是电力变压器监测的重要环节。本文以超高频法为基础，选用UHF传感器、8选1对信号的射频多路切换开关及LC微波滤波器，构建了基于.NET平台的电力变压器局部放电在线监测系统。实践表明，本系统不仅具有较高的检测灵敏度和较低的误报率，而且具有较强的抗干扰性，非常适合大范围推广和应用。

[1]王绥瑜，邢铀，蔡渊．变压器局部放电在线检测的研究[J]．中国电业（技术版），2014（1）．

[2]邢伟娜．电力变压器局部放电检测技术的研究与设计[D]．保定：河北农业大学，2014．

[3]陈轩，黄心汉，范盛荣，等．变压器局部放电在线检测方法研究[J]．计算技术与自动化，2014（3）．

[4]朱超杰，王友臣，朱琪，等．新型变压器局放监测特高频传感器的研究[C]．输变电年会，2014．

[5]李黎．变压器局部放电在线监测系统开发[J]．云南电力技术，2015（2）．

2016-10-27）