變壓器局部放電在線監測系統調理電路的設計

無錫機電高等職業技術學校 辛峰杰 鈕克芳

變壓器局部放電在線監測系統調理電路的設計

無錫機電高等職業技術學校 辛峰杰 鈕克芳

電力系統和大型電力設備的安全運行對于安全生產、國民經濟和人民生活至關重要，除了提高這些系統和設備的質量外，進行在線檢測，防止突然失效和突發故障也是非常重要的。本文就變壓器局部放電在線監測系統調理電路進行了一定的研究，并進行了一些測試與分析。

局部放電；在線監測；測試分析

一、變壓器局部放電在線監測的意義

隨著現代工業的發展和城市化水平的提高，電力系統的可靠性越來越得到人們的重視，大型變壓器往往處于樞紐地位，它一旦發生故障，有可能發生大面積停電事故，將會給工業生產和運作造成嚴重的不良后果。為了保證電氣設備的安全可靠運行，一方面我們要采用良好的絕緣材料，改進制造工藝來提高設備的絕緣強度和質量，更重要的一面，就是我們要對運行中電氣設備的絕緣狀況進行檢測，隨時掌握設備的運行情況，進而有效地防止事故的發生。近年來，根據大量損壞的高壓電氣設備及老化試驗證明，變壓器局部放電是造成絕緣損壞的主要原因之一。變壓器局部放電檢測能夠反映高壓設備的絕緣情況，及時發現設備內部絕緣的潛在缺陷，判斷高壓設備內部絕緣損壞的程度，從而避免高壓設備發生突發性絕緣故障。這對保證電力系統安全運行具有十分重要的意義。長期的實驗證明，局部放電信號往往十分微弱(mV級)，并且具有較大的分散性，同時在信號采集時干擾較多。為了保證測試的準確性和有效性，必須對傳感器采集到的信號進行干擾抑制處理和有效放大。因此，針對測試的需要設計一種高性能的調理電路具有十分重要的意義。

二、變壓器局部放電在線監測技術研究現狀

圖2 二階無源高通濾波電路（左）和二階有源低通濾波器電路（右）

圖3 可選帶寬低通濾波器結構圖

國內外圍繞變壓器局部放電在線監測技術已經展開了大量的研究工作，使該項技術有了很大的發展，取得了很好的效果。其技術已經從窄帶系統逐漸過渡到寬帶系統及至超寬帶系統。按局部放電過程中會產生電脈沖、電磁輻射、超聲波、氣體生成物等現象，相應地出現了脈沖電流法、射頻檢測法、超高頻法、超聲波法、氣相色譜法等多種檢測方法。其中脈沖電流法和超聲波檢測法應用最為廣泛，脈沖電流法是通過檢測阻抗接入到測量回路中來檢測。超聲波法是通過檢測變壓器局部放電產生的超聲波信號來測量局部放電信號的大小和位置。另外，近年來特高頻檢測法的應用也越來越收到重視。超高頻局部放電檢測通過傳感變壓器內部局部放電所產生的超高頻(300—3000MHz)電信號，實現局部放電信號的檢測和定位，并實現抗干擾。超高頻局放檢測技術近年來得到了較快地發展，在一些電力設備(如高壓配電裝置、電機、電纜、變壓器)的檢測中已經得到應用。

三、變壓器局部放電在線監測系統調理電路的設計

變壓器局部放電在線監測系統調理電路主要由傳感器、濾波電路、放大電路、50Hz同步信號、CPU等組成。本系統原理框圖如圖1所示。

1.傳感器

傳感器采用羅高夫(Rogowski)線圈，它是一種空心環形的線圈，可以直接套在被測量的導體上。導體中流過的交流電流會在導體周圍產生一個交替變化的磁場，從而在線圈中感應出一個與電流變化率成比例的交流電壓信號。羅高夫線圈與分流器測量法相比的一個顯著優點是：它與被測電路沒有直接的電的聯系，可避免或減小電流源接地點的地電位瞬間升高所引起的干擾影響。

2.濾波電路

局部放電信號是一種上升沿很陡、持續時間很短、帶寬很寬的脈沖信號。我們測試時必須確保采集到放電信號的主要能量。以往的研究和試驗表明，局部放電主要能量集中在40kHz～700kHz，對輸入信號進行處理時，必須保證帶內信號通過并放大，而濾除帶外的的各種干擾信號，提高測量的準確性。在設計中我們根據要求，首先在輸入電路中設計了一個由二階無源高通濾波器和一個二階有源低通濾波器組成的帶通濾波器來實現濾波要求。設計電路如圖2所示。

圖4 前級放大電路

為了讓我們在測試不同頻帶的信號時，靈活的選擇所需要帶寬的濾波器來進行濾波。在設計中我們使用了4組5階低通橢圓濾波器和兩片8通道高性能模擬多路復用器ADG608來實現。設計結構圖如圖3所示。

3.放大電路

放大電路主要由前級放大電路和可變增益放大器組成。

由于局部放電信號十分微弱(mV級)，為了便于后續的可變增益放大和增大A/D采樣的有效性，所以增加了前級放大電路。設計電路圖如圖4所示。

由于傳感器采集到的信號干擾較多，而局部放電信號往往十分微弱(mV級)，并且具有較大的分散性，所有在進入A/D采樣前必須放大并能程控調節，才能對局部放電信號有效的放大。另外局部放電信號是一種上升沿很陡、持續時間很短、帶寬很寬的脈沖信號。為了確保采集到放電信號的主要能量，在本設計中我們使用了兩個OPA680寬帶放大器和兩個可變增益寬帶放大器VCA822來實現對不同幅度信號的測量需要，以使測試的數據更加準確，誤差更小。

4.高速A/D轉換器

A/D轉換器是連接模擬和數字世界的一個重要接口，它將現實世界的模擬信號變換成數字位流以進行處理、傳輸及其他操作。高速的A/D轉換器可快速的將轉換后的數據送入CPU系統從而實現較精確的數控也能提高數據分析處理的速度。

5.50Hz同步信號

局部放電一般發生在50Hz電力信號的45度和270度位置，所以在進行局部放電測量結果分析和顯示的時候，需要以50Hz信號為參考或同步，50Hz同步信號的輸入要求純凈，盡可能的去除電力線的諧波干擾。

6.CPU

圖5 輸入信號波形圖

圖6 信號放大1和10倍波形圖

CPU輸出的是實現較精確的數字控制信號，去控制監測顯示電路，實現遠程監測。

四、變壓器局部放電在線監測系統調理電路的測試與分析

1.系統測試的儀器

Tektronix TDS 1002雙信道數字示波器；

SG173SB3 直流穩壓穩流電源；

Agilent 33120A信號發生器；

FLUKE17B型4位數字萬用表。

2.系統測試的方法

在調試時采用模塊分離，然后級聯的方法對系統進行調試，先對各模擬電路分別調試，當每個模擬電路都達到設計標準后，再對整個系統進行調試，輸入測試信號，檢查是否能輸出正常放大的信號。調節各部分放大電路、濾波電路，使輸出信號達到設計的調理電路的要求。

3.系統測試結果分析

測試系統時選擇的輸入信號為0.100Vpp，100KHz從信號發生器輸入調理電路。輸入信號波形圖如圖5所示。

設計后的放大器可實現1倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍、500倍、1000倍8個級別的放大，可按需要選擇放大級別。在本次測試時低通橢圓濾波器選擇的通帶為600KHz，選擇1倍和10倍作為驗證測試。測試波形如圖6所示。

從測試結果知道，可以達到可控增益放大的要求，放大倍數基本能達到預期要求。

五、小結

局部放電信號在線監測的經濟性、高效率以及高可靠性，使其有著十分令人看好的發展前景。局部放電信號的在線監測已不僅僅局限在變壓器的檢測，在整個工業領域都能見到它的身影。相信隨著科學技術的進一步發展，局部放電信號在線監測的功能將更加強大和完善，應用領域也越來越廣，設計起來也會更加方便，電路也會愈加簡化，給我們的生產和生活帶來更大的便利。

[1]王昌長,李福其,高勝友.電力設備的在線監測與故障診斷[M].北京:清華大學出版社,2006.

[2]胡學勝,陳玉,張少峰等.GIS局放在線監測用高頻寬帶信號調理電路[J].高電壓技術,2005,2.

[3]馬永翔,張永宜.高電壓技術[M].北京:北京大學出版社,2009.

辛峰杰（1977—），男，江蘇無錫人，工程碩士，講師，現供職于無錫機電高等職業技術學校，研究方向：電子與通信工程。

鈕克芳（1970—），女，江蘇無錫人，工程碩士，講師，現供職于無錫機電高等職業技術學校，研究方向：電子與通信工程。