变压器局部放电在线监测

1、目 录1绪论11.1课题研究背景、目的及意义11.2局部放电现象产生的原因11.3局部放电在线监测主要方法21.3.1电脉冲法21.3.2超声检测法21.3.3光测法31.3.4射频检测法31.3.5超高频检测法32监测系统的硬件构成42.1总体结构42.2现场控制及预处理单元42.3光电转换与传输模块52.4外触发单元53监测系统的软件53.1高速数据采集63.2参数设置63.3数据查询64局部放电在线监测关键技术74.1现场噪声的抑制74.1.1周期性干扰的抑制74.1.2脉冲型干扰的抑制74.1.3白噪声干扰的抑制84.2局部放电模式识别84.3变压器内部局部放电的定位95局部放电干扰和

2、抗干扰95.1脉冲极性法和差动平衡法105.2复小波分析法106总结107参考文献111 绪论1.1 课题研究背景、目的及意义随着社会经济的发展，电能作为现代社会的主要能源，与人民的生活和生产建设的关系愈加密切。近十年来，伴随着超高压和特高压输变电技术的迅速发展，电力设备容量及数量大幅增加，电力网规模逐步扩大。现代电力系统的运行在保证合格供电质量的同时，还要保证稳定可靠的发供电能力。变压器是电力系统中重要的枢纽设备，一旦发生故障，将给人们的生产和生活带来巨大的影响和损失。数据表明，在变压器事故中，绝缘事故占大多数。已有研究结果表明，局部放电是反映变压器内部绝缘缺陷最灵敏参数之一。因此，对变压器

3、内部局部放电的在线监测，可以及时了解绝缘劣化的程度，撑握变压器内部绝缘状态，并制定相应的检修策略避免变压器的突发事故发生，这对提高电力系统运行可靠性，降低国民经济的重大损失具有重要的实际意义。1.2 局部放电现象产生的原因电力变压器是变电站最主要的设备，它通常采用矿物油（变压器油）作为绝缘和散热的媒介，采用绝缘纸及纸板来绝缘。在绝缘结构局部场强集中的部位、出现局部缺陷时，例如产生气泡时，就会导致局部放电。局部放电会使绝缘逐渐受到侵蚀和损伤，发生局部放电时会办伴生电流脉冲和声脉冲。长期运行的变压器,变压器油在高温情况下逐渐分解出气体,这些存在于油纸绝缘中的气隙、气泡由于其本身击穿强度较油、纸的击

4、穿强度低,在变压器工作电压的作用下,这些气隙首先被击穿形成放电。另外,变压器的铁芯绝缘不良也可能导致放电,在故障较严重时还会导致铁芯两点接地,甚至出现工频短路电流,因此,局部放电最能有效反映变压器内部的绝缘状况。如果在放电初期能监测到持续时间短、强度弱的局部放电,迅速采取措施消除隐患,就不会造成变压器内部的损伤1。变压器的内部绝缘存在不同程度的缺陷，这些缺陷在电场和温度变化的长期作用下，会导致局部绝缘性能严重下降。变压器在运行过程中，长期处于工作电压的作用下，随着电压等级的提高，绝缘所承受的电场强度也将趋高，在这些绝缘薄弱处就很容易发生局部放电。虽然局部放电时间很短，能量也很小，但是危害性是相

5、当大的。局部放电能够使邻近的绝缘材料受到放电质点的直接轰击进而造成局部的绝缘损坏；放电产生的热和一氧化氮等活性气体的化学作用，会使局部绝缘受到腐蚀老化，导致电导增加，最终形成电击穿和热击穿。局部放电监测作为检测变压器绝缘的一种有效手段,无论是检测理论还是检测技术,近年来都取得了较大的发展,并在电厂和电站中得到了实际应用。相对传统的停电局部放电检测,在线局部放电检测可以长时间连续监测变压器局部绝缘放电情况,在放电量达到危险时,及时停机做进一步的检查,因此在检修工时和经济效益等方面有很大的优势,是目前惟一的一种有效避免变压器突发性事故的监测手段2。在线局部放电监测反映的是变压器实际工作状态下的绝缘

6、放电情况,比离线检测更符合设备的实际运行工况。1.3 局部放电在线监测主要方法根据变压器局部放电过程中产生的电脉冲、电磁辐射、超声波、光等现象,相应出现了以下5种局部放电在线监测方法3：电脉冲检测法、超声波检测法、光测法、射频检测法和UHF超高频检测法。1.3.1 电脉冲法电脉冲法又称脉冲电流法,通过检测阻抗、变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。该方法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法。IEC对此制订了相应标准，但存在以下缺点4。a) 由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率及动态范围都有影响，因此当试品电容量较大时，受耦合阻

7、抗的限制，测试仪器的测量灵敏度也受到一定限制。b) 测试频率低，一般小于1MHz，包含的信息量少。c) 现场测试中容易受外界干扰噪声的影响，抗干扰能力较差。电脉冲法其关键技术是如何有效地识别和抑制干扰，将真正的局部放电信号提取。近年来,人们在原有技术基础上，又引入信号分析方法，包括小波理论、神经网络、指纹分析、模糊诊断等方法5，局部放电在线监测装置的性能有了长足的进步，如德国AVO、LEMEC及澳大利亚虹项等局放在线装置，检测最小局放量达100pC，国内装置由于数字滤波技术不是很完善，只能检测3000pC局放量。1.3.2 超声检测法用固定在变压器油箱壁上的超声传感器接收变压器内部局放产生的超

8、声波来检测局放的大小和位置。通常采用的超声传感器为压电传感器，选用的频率范围为70150kHz，目的是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声6。超声检测法主要用于定性判断是否有局放信号,结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展, 超声检测的灵敏度有了较大的提高。1.3.3 光测法光测法是利用局部放电产生的光辐射进行检测。在变压器油中,各种放电发出的光波长不同，光电转换后，通过检测光电流的特征可以实现局放的识别7。虽然在实验室中利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂、昂贵、灵敏度低，

9、在实际中并未直接使用。尽管如此，光纤技术作为超声技术的辅助手段应用于局放检测,将光纤伸入到变压器油中，当变压器内部发生局部放电时，超声波在油中传播，这种机械力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光纤折射率和光纤长度发生变化，从而光波被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，实现放电定位。1.3.4 射频检测法利用罗哥夫斯基线圈从电气设备的中性点处测取信号，测量的信号频率可达30MHz，提高了局放的测量频率。测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统运行方式。对于三相变压器而言，得到的信号是三相局放量的总和，无法进行分辨，信号容易受外界干扰8。随着数字滤波技术的发展，该法在局放在线监测中有较广泛的应用，

10、尤其是在发电机在线监测领域。1.3.5 超高频检测法针对传统检测方法的不足，近几年出现了一种新的检测方法-超高频检测方法。超高频局放检测通过检测变压器内部局放产生的超高频(3003000MHz)电信号，实现局部放电的检测和定位，达到抗干扰目的。每一次局放的发生都伴随一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。研究表明，变压器中局部放电脉冲上升时间基本为12ns，发射的电磁波中超高频分量相当丰富。这些超高频成分可以用电容传感器或超高频天线接收9。UHF法和脉冲电流法不同,脉冲电流法的频率测量范围一般不超过1MHz，UHF法的频率范围为3003000MHz。脉冲电流法中将试品看作一个集中参数的对地电容，

11、发生一次局放时，试品电容两端产生一个瞬时的电压变化，通过耦合电容在检测阻抗中产生一个脉冲电流。UHF法中传感器并非起电容耦合的作用，而是接收超高频信号的天线。超高频局放检测技术近年来得到了较快发展，在一些电力设备(如GIS、电机、电缆)的检测中已得到应用10。由于GIS结构为使用UHF法进行局放测量提供了有利的条件，电磁波以波导的方式传播，有利于局放信号的检测，因此该方法在GIS局放在线检测中起着极为重要的作用，其灵敏度可达到1pC。UHF法在电机、电缆中也有较成功的应用，有的已形成产品。对电力变压器而言，局放在变压器内油)隔板绝缘中，由于绝缘结构复杂,电磁波在其中传播时会发生多次折射、反射及

12、衰减，同时变压器内箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，增加了局放超高频电磁波检测的难度，因此，深入研究油)隔板绝缘和箱壁对超高频电磁波传播机理的影响十分必要。2 监测系统的硬件构成 2.1 总体结构监测装置总体结构如图1所示。整个系统可分为传感器、现场处理、光电转换与传输、高速同步采集、信号处理与显示五个单元11。图1 系统总体结构框图2.2 现场控制及预处理单元 现场控制及预处理单元的框图如图2所示，该部分单元的主要功能是电脉冲信号和超声波信号的采集，并由超声波传感器将超声波信号转换为电信号，再对这七路电信号进行放大处理12。图2 现场控制及预处理单元原理框图采用的超声波传感器是北京航空航天

13、大学开发的点接触型带磁座声发射传感器，主要元件是压电晶体，与变压器表面无须施加耦合剂。电脉冲传感器由单匝穿心式罗果夫斯基线圈、积分电路、电磁屏蔽外壳等组成。电脉冲传感器与变压器之间仅有磁耦合，而无电气连接。为深入研究电力变压器的不同模式局部放电信号的频率特性，选用0.021MHz的宽带电脉冲传感器，其中心频率为500kHz，为减小微弱信号在传输过程中受外界干扰的影响程度，采取就地放大处理，前置放大器频带为0.021MHz，增益为40dB。将放大后的电信号输入到信号预处理单元的带通滤波器，用于提取各频段的信号分量及消除一些低频或高频的周期性干扰。信号经滤波之后进行放大处理，以满足模/数（A/D）

14、采样卡输入幅值的要求。再送入电光转换与传送单元，经八芯光纤以光信号的形式传送到控制室的接收单元。2.3 光电转换与传输模块 光电转换与传输模块包括：电光转换和传送单元、光电转换和接收单元13。电光转换和传送单元置于现场控制箱内，该部分单元的结构原理框图如图3所示。发送部分由总线、时序逻辑、并串转换及电光转换电路组成；接收部分由光电转换、串并转换及时序逻辑电路组成。图3 信号传输模块原理框图2.4 外触发单元 在外触发单元中由工频电压与计算机共同产生一外触发信号施加到采样卡上以使A/D转换与外施的工频电压同步，如图4所示。图4 外触发单元原理图3 监测系统的软件虚拟仪器(Virtual Inst

15、rument，简称为VI)是20世纪80年代由美国国家仪器公司(NI)率先提出的概念，主要由计算机、硬件仪器和虚拟仪器软件三部分组成。虚拟仪器具有友好的图形方式软面板，其应用软件集成了用户界面、测量控制、信息采集、结果显示输出、数据分析等功能，用户只需要对软件进行操作就能改变硬件仪器的功制。虚拟仪器是现代测量技术与计算机技术共同发展的结晶，代表了当今仪器发展领域的最新趋势。为了使所设计的变压器局部放电在线监测系统具有良好的可视化效果、简便的操作方法、快捷的运行速度，本章采用LabVIEW对数据采集系统进行设计开发。LabVIEW主要应用于数据采集、仪器控制、数据分析与显示等领域，是目前国际上应

16、用最为广泛的控制开发和数据采集环境之一，是虚拟仪器领域最具代表性的图形化编程平台。LabVIEW采用图形化的编程语言(G语言)，人机交互界面友好直观，具有强大的仪器控制和数据可视化分析能力。用户可以创建能够脱离开发环境独立运行的可执行文件。本系统的软件设计，主要目的是实现人机交互界面、硬件系统软件驱动、硬件系统参数设置、数据储存和信号处理程序调用这几方面的功能。监测系统软件的主要功能包括：系统自检、初始参数设置、高速数据采集与处理、实时曲线、数据查询、历史数据、放电波形显示、数据库管理、打印各种报表等14。3.1 高速数据采集 局部放电信号的采样率取决于三个关键因素15：所测量信号的波形类型；

17、信号的最高频率分量；用于采样点之间互联的内插值法的形式。由于局部放电是一种脉冲信号，且每次出现的局放信号在大小、时间上均不同，重复率低，对于一脉宽为2µs的局放脉冲，其频带宽度可达500kHz，需采用1MHz以上的采样率来采集这种信号；如局放脉冲宽度仅为1µs，根据采样定律，采集系统的采样率至少在2MHz以上才能真实地采集这部分信号。 本文采用两块最高采样率为2MHz的A/D采集卡，各有4个采样通道，每个通道的最高采样率为500kHz，为使操作系统有足够时间响应如此快的采样速率，本文采用虚拟设备（Virtual Device，VxD）编程技术7,8来解决这个问题。3.2 参

18、数设置 所有采集系统的存储长度都是有限的，存储长度长有利于得到更多的信号样本，这对局部放电测量有两层意义：记录放电持续时间长的放电信号；可在一次采集过程中记录多次放电波形。但这并不意味着加大存储长度就可提高测量精度，由于采样点间的最小时间间隔是由采样率决定的。如实时采样率为1GHz，局部放电持续时间为1ms，则采集系统在一次采集过程中只需持续采集1000个采样点，其余采集点均为多余样本。过多的多余样本将影响后续信号的处理工作。因此本文设计了参数设置功能以使运行参数（采样的长度、采样的频率）可在系统运行时改变，这样可便于工作人员对采样波形进行研究。3.3 数据查询 应用微软的开放数据库连接（Op

19、en Database Connectivity，ODBC）标准设计了数据查询功能，操作人员可查询当前时刻之前一天的放电趋势数据，前一个月、一个季度和一年的历史趋势曲线。存储的报警数据为报警发生前1.5s和报警发生后1.5s的所有采样数据，并将报警数据均存入报警数据库文件，以供查询和研究报警时放电电流的变化情况。4 局部放电在线监测关键技术变压器局部放电在线监测技术主要解决现场噪声的抑制、局部放电模式识别及局部放电的定位。4.1 现场噪声的抑制变压器正常运行时现场存在多种噪声干扰源,其中包括周期性干扰、白噪声干扰及脉冲干扰。局部放电信号与干扰相比较弱, 甚至相差几个数量级。因此, 在检测中如果

20、不能有效地消除噪声干扰, 局部放电信号就无法有效地分离出来。这是目前局部放电在线监测中存在的最大难题。4.1.1 周期性干扰的抑制周期性干扰的频谱特征与局部放电信号的频谱特征有较大差异,因此,常采用频域方法处理。主要包括IIR陷波滤波器、FFT值滤波器、固定系数滤波器和理想多通带数字滤波器等,通过频谱分析来确定各谐波成分,然后再进行滤波。近年来随着滤波技术的发展,滤除周期性干扰的方法越来越多,如自适应滤波、非自适应滤波和小波分析方法等。自适应滤波技术利用周期性干扰信号与局部放电脉冲的不同相关性,在测得的信号中插入一定的延迟, 通过自适应滤波器后就可以自动消除周期性干扰。自适应滤波不用预先知道噪

21、声干扰信息,一定程度上可以实现智能化。4.1.2 脉冲型干扰的抑制脉冲型干扰分为周期性脉冲干扰和随机性脉冲干扰。周期性脉冲干扰和局部放电信号在频域上分布非常接近，时域的表现形式也基本相同。常用的消除周期性脉冲干扰的方法有差动平衡法和脉冲极性鉴别法。这两种方法都是利用2个测量点间的极性进行判别，如果是外来脉冲, 表现为同极性, 内部局部放电脉冲表现出反极性，由此可以判断是局部放电信号还是周期性脉冲信号。在实际应用中,由于两路脉冲干扰的来源和途径不同,导致两路脉冲干扰在相位、幅值和波形上有很大的差别,造成电路调整困难。由于变压器绕组为电感、电阻和电容组成的分布参数,传播途径比较复杂, 导致测得的两

22、路脉冲不符合判别规律。随机脉冲干扰与局部放电信号的特征也很相似,有些是外部放电信号,区分他们十分困难, 目前常采用逻辑判断和模式识别方式。逻辑判断主要是采用可以抑制周期型脉冲干扰的差动平衡法和脉冲极性鉴别法,但只能抑制外部耦合的干扰。模式识别是根据不同脉冲的特征,建立各自的指纹库,区分脉冲的类型, 是一种很有效的方法,可靠性较高,但建立脉冲指纹库工作量很大。利用差动平衡法抗干扰的基本原理如图5所示。图5 系统总体结构框图(a) 外界干扰 （b）内部放电 （c）差动4.1.3 白噪声干扰的抑制白噪声信号是一均值为0的平稳随机信号, 属宽带干扰信号,与局部放电信号混叠在一起,用常规的频域分析方法很

23、难将其分离开来。近年来一些数学家通过引入基于小波的滤波方法对白噪声干扰进行滤除。小波去噪一般采用 Shrinkage 技术,设定一个门限值, 把系数小于门限的值置为0, 保留大于门限的值, 再经过反变换, 得到去噪后的信号。此方法具有实现简单、运算速度快、去噪效果好、波形失真小等优点。上述方法对某种干扰可起到很好的抑制效果,但无法单独完全滤除现场所有噪声的干扰。目前采用分层式干扰抑制方法,可有效抑制现场的各种干扰。在变压器中,由于周期性干扰最为严重,因此可以先滤除周期性干扰,然后再滤除白噪声和脉冲干扰, 将检测到的局部放电信号失真降到最小。4.2 局部放电模式识别最初的变压器局部放电在线监测设

24、备对局部放电类型判定采用与离线检测相同的方法,对局部放电的一些基本参数进行测量(如视在放电电荷、放电重复率、放电能量等)。随着统计分析方法在局部放电模式识别上的应用,局部放电谱图作为一种重要的分析方法得到重视。与传统的基本参数不同,放电谱图需要观察的基本参数不是一个工频周期内的信息,而是一个比较长的时间段内基本参数的统计量。这个时间段一般要大于100个工频周期。放电谱图根据基本参数的变化大致可分成三类:随时间变化的放电谱图;随工频相位变化的放电谱图;组合参数分布放电谱图。以时间为变量的局部放电谱图反映了单个物理量测量值随时间的变化规律,不同的绝缘缺陷对应不同的变化规律,以相位为变量的局部放电谱

25、图反映了放电量及次数在工频周期内按相位的分布,将0b360b的相位分成一定数目的相位窗,观察每个相位窗内的局部放电特性,从而形成一个完整的包含所有相位的局部放电谱图。组合分布参数中的幅值分布和能量分布反映了视在放电量和放电能量的分布密度, 其密度大小不仅和放电源有关,而且和绝缘的老化程度也有关。该方法需要通过有经验的专业人员分析,才能得出正确的结果,在现场推广有很大的难度。近年来,一些学者利用局部放电谱图,提出了以其为统计参数( 也称指纹参数),描述谱图的正、负半个周期的统计特征。引入统计参数的目的是将繁杂而且仅仅是定性的各种分布谱图用于定量分析,用定量的数值提取每个相应谱图的特征, 精确分析

26、和判断测量到的局部放电信号。4.3 变压器内部局部放电的定位 局部放电定位技术主要有:超声定位法、电-声联合定位法、电气定位法16。超声定位法将多个超声波传感器安装在变压器油箱外壳，当变压器内部发生局部放电，传感器能检测到放电时产生的超声波信号。布置在变压器油箱外壳不同位置的超声波传感器由于空间位置不同，检测到局部放电产生的超声波信号时间不同，可通过测量超声波的大小及超声波传播的时延，即可确定局部放电源的空间位置。电声联合定位法主要在电声联合检测法的基础上利用超声波在变压器油和箱壁中的传播速度远低于电信号传播速度这一特点，当变压器内部发生局部放电时，速度较快的电信号先触发监测器，监测器再根据随

27、后超声信号到达的时差大小，推测变压器内部局部放电的位置。电气定位法是假定变压器的等值电路在某特定频率范围内是纯容性电路，而对于具体的变压器，这容性电路是可计算的，当变压器内部发生局部放电时，其首末端电压比值与放电点位置满足特定的函数关系，测量变压器绕组首末端电压，可判断出放电位置17。5 局部放电干扰和抗干扰运行在变电站和发电厂环境的大型电力变压器受到的电磁干扰按时域信号的特征可分为连续的周期型干扰、脉冲型干扰和白噪三类18。电力系统中的高次谐波、高频保护、载波通信以及无线电通信等产生的连续干扰属于周期型干扰。脉冲型干扰包括随机脉冲型干扰和周期型脉冲干扰二种。高压线路上电晕、分接开关动作、电焊

28、机和电动机电刷引起的电弧等产生随机脉冲性干扰;可控硅动作 (直流电源整流和调相机励磁整流)以及地网中的脉冲干扰属于周期脉冲型干扰。而绕组热噪声、地网噪声、配电线路以及变压器、继电保护信号线路中由于耦合进入的各种随机噪声属于白噪。这些电磁干扰信号与局部放电信号的特征相似,有时甚至比局部放电信号强很多,影响了局部放电监测的准确性,所以要从背景干扰中获得准确的局部放电信号, 必须采取有效的措施抑制干扰,这也是变压器局部放电在线监测技术的关键。5.1 脉冲极性法和差动平衡法这两种方法的基本思路相同。脉冲极性法原理利用脉冲鉴别电路, 使出现的局部放电高频脉冲电流在不同的检测阻抗上产生相反的极性,而外来的

29、干扰信号则在其上产生相同的极性。然后依靠电子门控开关对取得的信号进行极性鉴别：两信号同向时为外部干扰,极性鉴别电路不输出；两信号相反时为内部局部放电,极性鉴别电路输出局部放电信号。差动平衡法的原理是外部电晕放电、电弧放电在变压器油箱接地线和中性点接地线上产生的脉冲电流方向相同,而内部局部放电在变压器油箱接地线和中性点接地线上产生的脉冲电流方向相反19。放电信号被传感器经前置放大器调幅后送到差动发大器,同向的放电信号相互抵消,而反向的内部局部放电信号却得到了放大,从而抑制了干扰。5.2 复小波分析法小波分析技术又分为实小波分析技术和复小波分析技术20。实小波技术在分析过程中只产生实系数,分析实小

30、波分量的幅值角度信息。由于局部放电信号与周期性干扰和白噪干扰实小波分解的幅频特性不同,与脉冲型干扰分解的幅频特性相似,故实小波只适合去除周期性干扰和白噪干扰,无法去除脉冲型干扰。而复小波在小波分析中能产生虚部系数,可提取原信号的相位,能提供变换系数的幅值与相位的综合信息来抑制干扰,比实小波能更好地消除局部放电在线监测中的电磁干扰。由于干扰信号还可能通过空间耦合、地线、电源等途径进入测量系统, 可以通过增强屏蔽、电源滤波、单独接地等方法将这类干扰抑制到足够小的水平, 同时采用高性能传感器,将传感信号与一次侧有效隔离,这也能起到抑制干扰信号的作用。6 总结近几年来变压器局部放电的在线监测取得了很大的进展,已有多台在线监测仪在现场应用,并取得了较好的效果。本文的在线监测系统，表现出较强的抗干扰特性，提供的数据比较客观地反映变压器的运行状态，并为现场工作人员诊断设备状态时提供了较好的辅助作用，能为电力变压