一种基于局部放电信号判断跳闸装置的研制

陈弘扬

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏南京211100）

0 引言

对变压器油纸绝缘局部放电的放电机理、发展阶段、谱图及影响因素的研究对电力变压器安全稳定运行有重要的意义。而油纸绝缘局部放电分散性很大，在实验室中需进行大量的试验，进行统计分析找出普遍规律。为了提高试验效率，在保持外界条件一致性的前提下，有必要建立变压器油纸绝缘多试品平台。为了解决多试品加压过程中试品寿命不同的问题，笔者设计制作了一套基于局部放电信号测量控制各个试验支路跳开的新型装置。由于试品击穿前夕局放发展迅速，这时跳闸装置通过检测判断，能及时动作将试品断开，以保证其他支路正常加压试验。

1 跳闸装置原理

通过电流传感器采集局部放电脉冲信号，采集的信号先放大，放大电路是电压并联负反馈比例放大器，兼半波整流的作用。整流后的信号输入积分器，积分器包括一个场效应管运算放大器、积分电容、保持和复位开关及输出多路选择器，通过积分器的积分时间T的设定，获得T时间内的局部放电总量。当局部放电总量大于设定值时，装置动作，将试品支路断开。

2 装置的构成

2.1 电流传感器

该跳闸装置中局放信号采集通过Rogowski线圈式电流传感器。通过实验，笔者测得当线圈的匝数为20匝、积分电阻为50 Ω时，可获得较好的低频特性和高频特性，其中3 dB高频截止频率可达到80 MHz。

2.2 放大整流电路

高频放大器是一个简单的电压并联负反馈比例放大器，如图1所示，通过调节电位器可以增大局放信号幅值。该比例放大器最大放大倍数为50倍，另外该电路还兼有半波整流的作用，可使输出的信号一直为正极性。

图1 放大整流电路

该整流电路的信号放大作用可减小因二极管导通所需的门限电压，因此幅值为微伏级的局放信号也能顺利通过整流。

2.3 积分器

积分器包括一个场效应管运算放大器、100 pF的积分电容、保持和复位开关以及输出多路选择器，电路图如图2所示。

图2 积分器电路

积分器的工作模式是由保持和复位开关控制的，即图2中的三个开关：保持开关、复位开关、选择开关，通过这三个开关可以控制积分器的积分时间。当保持开关闭合，复位开关和选择开关断开时，积分器开始对输入信号积分，此时积分器的输出值由下式计算：

式中，k为放大器对局放信号的放大倍数；T为积分时间；ui为局放信号经半波整流之后的信号；CINT为积分电容100 pF；R为接入电阻，其作用是将输入的电压信号kui转为电流信号。

U1为积分器输出的积分值，U1随着积分时间的增大而变大。设定积分器积分时间为T，在一个积分周期末端，积分器的保持开关断开，电容上的电压保持不变，从而电压U1保持不变，此时，选择开关闭合，积分器的输出电压U1被输送到10 nF的电容上，经后面的放大器构成的缓冲器输出。所以选择开关与电容10 nF构成另一个取样/保持电路。这时选择开关断开，复位开关闭合，积分电容放电，积分器输出电压U1趋向模拟地，但此时后面的放大器构成的缓冲器输出电压U2保持不变直到下一次积分周期末，并且缓冲器输出的电压值为每个积分周期内的最大值。最后，复位开关断开，保持开关闭合，下一个积分周期开始。开关的控制信号由单片机来控制，控制信号为低电平时，开关闭合，高电平时，开关断开，如图3所示。其中1通道的信号控制选择开关，2通道的信号控制复位开关，3通道的信号控制保持开关。

2.4 积分幅值判断电路

图3 积分器保持、复位开关控制信号

积分幅值判断电路本文选用74LS14芯片来控制，当输入到芯片引脚上的电压值超过1.6 V时，芯片输出电平瞬间变为低电平。因此通过调节比例放大器和积分时间T，可以在油纸绝缘临近击穿时，使得输出电压大于1.6 V。由于这时74LS14的输入信号大于等于1.6 V，因此芯片输出电平瞬间变为低电平，给继电器发送信号，引起继电器动作，进而将电源切断。

3 跳闸装置的初步检测结果

在实验室里首先用信号发生器产生频率为10 kHz、幅值为1 V的正弦信号输入跳闸装置，调节比例放大器，当跳闸装置动作时，积分器的输出波形如图4所示，与设计波形基本一致。

图4 积分器输出信号

4 跳闸装置的实验室检测结果

通过采用球板模型来模拟变压器内的局部放电，如图5所示，静置一段时间后开始加压，采用逐步加压法，当电压加到20 kV时试品出现幅值比较大的局部放电脉冲信号，此时保持电压不变，这时积分器的输出幅值很低，持续加压20 min后，局部放电脉冲的频度开始按指数规律增加，但脉冲频度仍不大，这时积分器的输出幅值大约为0.6 V，在持续放电10 min后，脉冲电流信号的幅值分散性变小，均是幅值基本一致的大脉冲且脉冲频度很高。此时，试品处于临近击穿的状态，这时积分器输出波形的幅值大于1.6 V，跳闸装置动作并将电源切断。图6中1通道是积分器输出的信号U1，2通道是缓冲器输出的信号U2，与设计时的波形基本一致。

图5 实验连接电路图

图6 试品临近击穿时积分器的输出

5 结语

该跳闸装置通过局部放电信号来控制跳闸，通过调节比例放大器和设定合适的积分时间，可实现当绝缘存在局部放电且临近击穿时跳闸装置动作，及时切断电源，避免设备内部发生短路。通过实验测试，该跳闸装置能很好地实现跳闸并报警。由于该跳闸装置还处于实验验证阶段，因此还需要更多的油纸绝缘局放实验来检验跳闸装置动作的稳定性和灵敏性。