無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 辛峰杰 鈕克芳

變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 辛峰杰 鈕克芳

電力系統(tǒng)和大型電力設(shè)備的安全運(yùn)行對(duì)于安全生產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活至關(guān)重要，除了提高這些系統(tǒng)和設(shè)備的質(zhì)量外，進(jìn)行在線檢測(cè)，防止突然失效和突發(fā)故障也是非常重要的。本文就變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)理電路進(jìn)行了一定的研究，并進(jìn)行了一些測(cè)試與分析。

局部放電；在線監(jiān)測(cè)；測(cè)試分析

一、變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)的意義

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和城市化水平的提高，電力系統(tǒng)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(fā)生故障，有可能發(fā)生大面積停電事故，將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)作造成嚴(yán)重的不良后果。為了保證電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，一方面我們要采用良好的絕緣材料，改進(jìn)制造工藝來提高設(shè)備的絕緣強(qiáng)度和質(zhì)量，更重要的一面，就是我們要對(duì)運(yùn)行中電氣設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行檢測(cè)，隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，進(jìn)而有效地防止事故的發(fā)生。近年來，根據(jù)大量損壞的高壓電氣設(shè)備及老化試驗(yàn)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(cè)能夠反映高壓設(shè)備的絕緣情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部絕緣的潛在缺陷，判斷高壓設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞的程度，從而避免高壓設(shè)備發(fā)生突發(fā)性絕緣故障。這對(duì)保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有十分重要的意義。長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)證明，局部放電信號(hào)往往十分微弱(mV級(jí))，并且具有較大的分散性，同時(shí)在信號(hào)采集時(shí)干擾較多。為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和有效性，必須對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行干擾抑制處理和有效放大。因此，針對(duì)測(cè)試的需要設(shè)計(jì)一種高性能的調(diào)理電路具有十分重要的意義。

二、變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖

國(guó)內(nèi)外圍繞變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)展開了大量的研究工作，使該項(xiàng)技術(shù)有了很大的發(fā)展，取得了很好的效果。其技術(shù)已經(jīng)從窄帶系統(tǒng)逐漸過渡到寬帶系統(tǒng)及至超寬帶系統(tǒng)。按局部放電過程中會(huì)產(chǎn)生電脈沖、電磁輻射、超聲波、氣體生成物等現(xiàn)象，相應(yīng)地出現(xiàn)了脈沖電流法、射頻檢測(cè)法、超高頻法、超聲波法、氣相色譜法等多種檢測(cè)方法。其中脈沖電流法和超聲波檢測(cè)法應(yīng)用最為廣泛，脈沖電流法是通過檢測(cè)阻抗接入到測(cè)量回路中來檢測(cè)。超聲波法是通過檢測(cè)變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)來測(cè)量局部放電信號(hào)的大小和位置。另外，近年來特高頻檢測(cè)法的應(yīng)用也越來越收到重視。超高頻局部放電檢測(cè)通過傳感變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻(300—3000MHz)電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的檢測(cè)和定位，并實(shí)現(xiàn)抗干擾。超高頻局放檢測(cè)技術(shù)近年來得到了較快地發(fā)展，在一些電力設(shè)備(如高壓配電裝置、電機(jī)、電纜、變壓器)的檢測(cè)中已經(jīng)得到應(yīng)用。

三、變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)理電路主要由傳感器、濾波電路、放大電路、50Hz同步信號(hào)、CPU等組成。本系統(tǒng)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(huán)形的線圈，可以直接套在被測(cè)量的導(dǎo)體上。導(dǎo)體中流過的交流電流會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個(gè)交替變化的磁場(chǎng)，從而在線圈中感應(yīng)出一個(gè)與電流變化率成比例的交流電壓信號(hào)。羅高夫線圈與分流器測(cè)量法相比的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是：它與被測(cè)電路沒有直接的電的聯(lián)系，可避免或減小電流源接地點(diǎn)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(hào)是一種上升沿很陡、持續(xù)時(shí)間很短、帶寬很寬的脈沖信號(hào)。我們測(cè)試時(shí)必須確保采集到放電信號(hào)的主要能量。以往的研究和試驗(yàn)表明，局部放電主要能量集中在40kHz～700kHz，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，必須保證帶內(nèi)信號(hào)通過并放大，而濾除帶外的的各種干擾信號(hào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。在設(shè)計(jì)中我們根據(jù)要求，首先在輸入電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)由二階無源高通濾波器和一個(gè)二階有源低通濾波器組成的帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)濾波要求。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖4 前級(jí)放大電路

為了讓我們?cè)跍y(cè)試不同頻帶的信號(hào)時(shí)，靈活的選擇所需要帶寬的濾波器來進(jìn)行濾波。在設(shè)計(jì)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(fù)用器ADG608來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.放大電路

放大電路主要由前級(jí)放大電路和可變?cè)鲆娣糯笃鹘M成。

由于局部放電信號(hào)十分微弱(mV級(jí))，為了便于后續(xù)的可變?cè)鲆娣糯蠛驮龃驛/D采樣的有效性，所以增加了前級(jí)放大電路。設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。

由于傳感器采集到的信號(hào)干擾較多，而局部放電信號(hào)往往十分微弱(mV級(jí))，并且具有較大的分散性，所有在進(jìn)入A/D采樣前必須放大并能程控調(diào)節(jié)，才能對(duì)局部放電信號(hào)有效的放大。另外局部放電信號(hào)是一種上升沿很陡、持續(xù)時(shí)間很短、帶寬很寬的脈沖信號(hào)。為了確保采集到放電信號(hào)的主要能量，在本設(shè)計(jì)中我們使用了兩個(gè)OPA680寬帶放大器和兩個(gè)可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃鱒CA822來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同幅度信號(hào)的測(cè)量需要，以使測(cè)試的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，誤差更小。

4.高速A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器是連接模擬和數(shù)字世界的一個(gè)重要接口，它將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)變換成數(shù)字位流以進(jìn)行處理、傳輸及其他操作。高速的A/D轉(zhuǎn)換器可快速的將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入CPU系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控也能提高數(shù)據(jù)分析處理的速度。

5.50Hz同步信號(hào)

局部放電一般發(fā)生在50Hz電力信號(hào)的45度和270度位置，所以在進(jìn)行局部放電測(cè)量結(jié)果分析和顯示的時(shí)候，需要以50Hz信號(hào)為參考或同步，50Hz同步信號(hào)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(hào)波形圖

圖6 信號(hào)放大1和10倍波形圖

CPU輸出的是實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)字控制信號(hào)，去控制監(jiān)測(cè)顯示電路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

四、變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)理電路的測(cè)試與分析

1.系統(tǒng)測(cè)試的儀器

Tektronix TDS 1002雙信道數(shù)字示波器；

SG173SB3 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；

Agilent 33120A信號(hào)發(fā)生器；

FLUKE17B型4位數(shù)字萬用表。

2.系統(tǒng)測(cè)試的方法

在調(diào)試時(shí)采用模塊分離，然后級(jí)聯(lián)的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，先對(duì)各模擬電路分別調(diào)試，當(dāng)每個(gè)模擬電路都達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，輸入測(cè)試信號(hào)，檢查是否能輸出正常放大的信號(hào)。調(diào)節(jié)各部分放大電路、濾波電路，使輸出信號(hào)達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)理電路的要求。

3.系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試系統(tǒng)時(shí)選擇的輸入信號(hào)為0.100Vpp，100KHz從信號(hào)發(fā)生器輸入調(diào)理電路。輸入信號(hào)波形圖如圖5所示。

設(shè)計(jì)后的放大器可實(shí)現(xiàn)1倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍、500倍、1000倍8個(gè)級(jí)別的放大，可按需要選擇放大級(jí)別。在本次測(cè)試時(shí)低通橢圓濾波器選擇的通帶為600KHz，選擇1倍和10倍作為驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試波形如圖6所示。

從測(cè)試結(jié)果知道，可以達(dá)到可控增益放大的要求，放大倍數(shù)基本能達(dá)到預(yù)期要求。

五、小結(jié)

局部放電信號(hào)在線監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性、高效率以及高可靠性，使其有著十分令人看好的發(fā)展前景。局部放電信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)已不僅僅局限在變壓器的檢測(cè)，在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都能見到它的身影。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，局部放電信號(hào)在線監(jiān)測(cè)的功能將更加強(qiáng)大和完善，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，設(shè)計(jì)起來也會(huì)更加方便，電路也會(huì)愈加簡(jiǎn)化，給我們的生產(chǎn)和生活帶來更大的便利。

[1]王昌長(zhǎng),李福其,高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2]胡學(xué)勝,陳玉,張少峰等.GIS局放在線監(jiān)測(cè)用高頻寬帶信號(hào)調(diào)理電路[J].高電壓技術(shù),2005,2.

[3]馬永翔,張永宜.高電壓技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

辛峰杰（1977—），男，江蘇無錫人，工程碩士，講師，現(xiàn)供職于無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xiàn)供職于無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向：電子與通信工程。