吳寶生，盛戈皞，陰春曉

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

特高壓變壓器套管是將變壓器內(nèi)部高、低壓引線引至油箱外部與電網(wǎng)連接的重要部件，在長期運(yùn)行中可能因污穢、腐蝕、閃絡(luò)、發(fā)熱、機(jī)械力等環(huán)境條件變化的影響，使得絕緣性能迅速下降，埋下隱患缺陷，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，潛在缺陷逐漸發(fā)展，可能引發(fā)絕緣擊穿及設(shè)備損壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備影響。

據(jù)變壓器故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，套管故障占變壓器故障的比例高達(dá)14%。因此，通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段、可靠的評(píng)價(jià)手段和壽命的預(yù)測(cè)手段來判斷特高壓換流變壓器套管的運(yùn)行狀態(tài)，并且在一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)對(duì)套管進(jìn)行故障分析，對(duì)故障的部位、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢(shì)做出判斷，識(shí)別故障的早期征兆，并根據(jù)診斷結(jié)果在套管性能下降到一定程度或故障將要發(fā)生之前進(jìn)行維修。

套管監(jiān)測(cè)智能電子裝置（IED）可以在線監(jiān)測(cè)套管的介質(zhì)損耗、末屏電流和電容量，通過監(jiān)測(cè)量的橫向和縱向比較，可掌握變壓器套管的絕緣狀態(tài)及其變化趨勢(shì)。而傳統(tǒng)在線介損測(cè)量（過零比較法、改進(jìn)西林電橋法等）存在對(duì)硬件處理環(huán)節(jié)多、累計(jì)誤差較大。在現(xiàn)場(chǎng)各種因素的影響和干擾下，很難達(dá)到介損測(cè)量要求的準(zhǔn)確度。本文采用多通道同步采樣技術(shù)和頻率硬跟蹤技術(shù)確保了介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 測(cè)量算法

對(duì)特高壓換流變壓器套管的介質(zhì)損耗、末屏電流和電容量的采樣值，采用諧波分析法進(jìn)行處理。諧波分析法的主要思想是通過離散傅立葉變換的方法，從離散采樣信號(hào)中分離出信號(hào)的基波成分，包括幅值和相角，同時(shí)利用三角函數(shù)的正交性，排除高次諧波和采樣裝置中電子電路零漂的影響，從而達(dá)到較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。但是，如果不能滿足同步采樣和整周期采樣，該方法就會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，影響信號(hào)參數(shù)（尤其是相位）計(jì)算的準(zhǔn)確性。

通常采用電阻R和電容C并聯(lián)的等效電路分析高壓容性設(shè)備的介損和避雷器的阻性電流，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 并聯(lián)等效電路及矢量圖

圖中：u為系統(tǒng)中被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行電壓；i為總的泄漏電流；ir為阻性電流；ic為容性電流。

諧波分析法實(shí)際上是對(duì)滿足狄里赫利條件的電網(wǎng)電壓u與流過試品的電流i進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，其表達(dá)式為：

式中：U0為電壓的直流分量；I0為電流的直流分量；k為諧波次數(shù)；Ukm為電壓的各次諧波幅值；Ikm為電流的各次諧波幅值；αk為電壓的各次諧波相角；βk為電流的各次諧波相角（k＝1，2，...，∞）。

由于介損測(cè)量只需要提取電壓、電流中的基波分量，可以直接通過三角函數(shù)的正交性得到：

式中：A1、B1為傅里葉變換基波電壓的余弦分量和正弦分量；C1、D1為傅里葉變換基波電流的余弦分量和正弦分量；α1為電壓的基波相角；β1為電流的基波相角。

由于流過電容型試品的電流超前電壓π／2，則其介損角正切為：

將式（3）～（6）代入式（7），可得：

2 系統(tǒng)組成與硬件設(shè)計(jì)

智能電子裝置設(shè)計(jì)有6路容性設(shè)備信號(hào)調(diào)理電路，其中電壓互感器（TV）3路，電流互感器（TA）3路，可實(shí)現(xiàn)特高壓換流變壓器三相套管同時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

采用如圖2所示分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)以后，各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以在同一時(shí)刻完成對(duì)變電站內(nèi)被測(cè)電氣設(shè)備的測(cè)量，方便地排除外部變化對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。而結(jié)構(gòu)相同的電氣設(shè)備在同一時(shí)刻所受到的影響因素基本相同，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間具有較強(qiáng)的可比性，通過縱向或橫向的比較，可以把各種干擾因素在這一時(shí)刻的影響當(dāng)成一個(gè)確定的誤差來剔除，最終得到被測(cè)電氣設(shè)備本身絕緣狀況的真實(shí)變化。

3 同步采樣技術(shù)

高壓容性設(shè)備介損和氧化鋅避雷器（MOA）阻性電流的在線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，需要多路電壓信號(hào)與電流信號(hào)的同步采樣。為了完成電流信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之間的相角計(jì)算，需要同步的對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣計(jì)算。

以往模數(shù)轉(zhuǎn)換器件只有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中采用輪詢方式對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行采樣，因此無法實(shí)現(xiàn)多通道同步采樣。在介質(zhì)損耗和MOA阻性電流的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的相角計(jì)算對(duì)不同通道間信號(hào)采樣的時(shí)間延遲提出了較高要求。在信號(hào)質(zhì)量較好的情況下，可以認(rèn)為在N個(gè)周期內(nèi)采樣的M 路信號(hào)是穩(wěn)定的，通過人為的補(bǔ)償方法可消除相位差。但是，如果信號(hào)干擾較大，同步的準(zhǔn)確性就會(huì)很差，由此引入的隨機(jī)相位誤差，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

采用具有獨(dú)立的6通道逐次逼近型（SAR）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換處理和數(shù)據(jù)的精度是通過采樣開始信號(hào)和一個(gè)內(nèi)部晶振控制的，允許6路同步采樣，這樣能很好地對(duì)多路電壓和電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣。智能電子裝置同步數(shù)據(jù)采集部分，主要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步采集功能［1］，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可工作在多個(gè)采樣頻率，之間通過跳線帽選擇。同步數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 同步數(shù)據(jù)采集

同步采樣A／D采樣頻率決定了智能電子裝置對(duì)信號(hào)采集的精準(zhǔn)度。當(dāng)采集低頻信號(hào)時(shí)，采用過高的采樣頻率將導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過重；當(dāng)采集高頻信號(hào)時(shí)，采用較低的采樣頻率將導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度下降。因此，有必要為AD7606-6設(shè)計(jì)采樣頻率產(chǎn)生電路并具有頻率可調(diào)范圍，一是通過MCU ARM LPC2292定時(shí)器中斷通過IO口輸出頻率；二是通過TA輸出信號(hào)經(jīng)倍頻鎖相電路得到AD7606-6采樣頻率，倍頻倍數(shù)為可選。

3.1 LPC2292提供采樣頻率

由LPC2292提供AD7606-6采樣頻率的方式主要通過設(shè)置定時(shí)器，采用定時(shí)器中斷輸出頻率方波，輸出頻率完全可調(diào)。該方式硬件設(shè)計(jì)是LPC2292的1個(gè)IO口連接1個(gè)33Ω然后與AD7606－6采樣頻率輸入引腳相連。其流程示意圖如圖4所示。

圖4 頻率產(chǎn)生流程

3.2 TV信號(hào)鎖相倍頻提供采樣頻率

TV信號(hào)為電壓互感器輸出信號(hào)，其頻率與電網(wǎng)頻率保持同步，通過TV信號(hào)鎖相倍頻得到的采樣頻率為電網(wǎng)頻率的整數(shù)倍，可以起到非常好的同步效果，從而大大提高監(jiān)測(cè)變壓器套管的精度，由TV信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)（由電壓跟隨、信號(hào)濾波和比較器構(gòu)成）和鎖相倍頻電路組成。將TV信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻方波信號(hào)技術(shù)線路圖，如圖5所示。

圖5 TV信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻方波信號(hào)電路圖

4 頻率跟蹤技術(shù)

諧波分析法要求每個(gè)周期采樣2N點(diǎn)，由于頻率的波動(dòng)，不能保證整周期采樣。以往大多采用鎖相環(huán)原理，設(shè)計(jì)1個(gè)頻率自動(dòng)跟蹤電路，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)電壓信號(hào)的頻率變化，然后加1個(gè)頻率自動(dòng)跟蹤電路，把倍頻信號(hào)作為A／D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，這樣可以有效保證整周期采樣，但是這樣的硬件電路比較復(fù)雜。而采用基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片的測(cè)頻方法，可以有效地利用DSP事件管理器（EV）的捕獲功能，參考頻率信號(hào)經(jīng)過差分運(yùn)放緩沖后，輸入到滯回比較器，轉(zhuǎn)換的頻率測(cè)量波形如圖6所示。

圖6 經(jīng)過比較器的頻率波形

由圖6可以看出，經(jīng)過比較器后得到與工頻波形相對(duì)應(yīng)的方波。只要測(cè)量相鄰兩個(gè)上升沿間的時(shí)間差，即可求得系統(tǒng)的實(shí)際頻率。這種簡易測(cè)量方法的電路簡單，實(shí)時(shí)性好，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。如圖7所示，利用EV捕獲單元可以捕捉被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿，由內(nèi)部的計(jì)數(shù)器記錄1個(gè)周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，并通過相應(yīng)的運(yùn)算來得到被測(cè)頻率的大小。

圖7 捕獲測(cè)頻原理波形圖

在進(jìn)行介損和MOA阻性電流在線監(jiān)測(cè)時(shí)，通常認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)測(cè)得的電壓、電流信號(hào)是平穩(wěn)的周期信號(hào)。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理理論［2］可知，只要能夠按照信號(hào)周期的整數(shù)倍長度進(jìn)行采樣（即整周期采樣），再利用離散傅立葉變換（DFT）進(jìn)行頻譜分析，頻域不會(huì)發(fā)生泄漏，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)域信號(hào)的準(zhǔn)確分析，獲得信號(hào)各次諧波的幅值和相位。

系統(tǒng)的頻率經(jīng)常會(huì)發(fā)生波動(dòng)，但在很短的時(shí)間里可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，即在正常情況下系統(tǒng)的頻率不會(huì)發(fā)生突變。動(dòng)態(tài)設(shè)定采樣頻率技術(shù)是在每次采樣前先對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)得到的系統(tǒng)頻率，確定采樣頻率，這樣就能很好的保證整周期采樣。

鎖相倍頻電路由計(jì)數(shù)器74 HC4040以及鎖相環(huán)74HC4046構(gòu)成。通過連接計(jì)數(shù)器不同的輸出引腳得到不同的倍頻倍數(shù)，74 HC4046實(shí)現(xiàn)鎖相功能。鎖相倍頻電路電路圖如圖8所示。（圖8中的連線由繪圖員添加）

圖8中U501為12位二進(jìn)制脈沖計(jì)數(shù)器（74 HC4040），具有1個(gè)異步超限復(fù)位控制輸入引腳、12個(gè)并行輸出引腳（Q1—Q12）、1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳，在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿發(fā)生計(jì)數(shù)跳變。異步超限復(fù)位引腳通過下拉電阻R599（10 kΩ）接地，使得74 HC4040處于循環(huán)計(jì)數(shù)狀態(tài)。Q12—Q7引腳分別有排針引出，可通過跳線帽進(jìn)行選擇，每個(gè)輸出對(duì)應(yīng)不同的倍頻倍數(shù)。

倍頻頻率可按f＝f基波×2n計(jì)算，式中n為倍頻倍數(shù)，當(dāng)跳線帽選擇Q12輸出時(shí)，f＝50× 212＝204.8 k Hz，近似為200 k Hz。當(dāng)跳線帽選擇Q11輸出時(shí)，采樣頻率將變?yōu)榻?00 k Hz，進(jìn)而得出Q10對(duì)應(yīng)50 k Hz，Q9對(duì)應(yīng)25 k Hz，Q8對(duì)應(yīng)12.5 k Hz，Q7對(duì)應(yīng)6.25 k Hz。鎖相倍頻電路可以使得AD7606-6采樣頻率在6.25～200 k Hz之間靈活變化，操作方便而且可靠性高。

圖8中U502為鎖相環(huán)芯片（74HC4046），1號(hào)腳為芯片鎖相成功指示引腳，3號(hào)腳為比較器輸入，4號(hào)腳為頻率輸出引腳，6號(hào)腳為電容C502連接端A，7號(hào)腳為電容C502連接端B，9號(hào)腳為壓控振蕩器（VCO）輸入引腳，11號(hào)腳為電阻R501連接端，12號(hào)腳為電阻R502連接端，13號(hào)腳位相位比較器2輸出引腳，14腳為信號(hào)輸入引腳。

74 HC4046內(nèi)部原理圖如圖9所示，輸入信號(hào)Ui從14腳輸入，經(jīng)放大器A1進(jìn)行放大、整形后，加到相位比較器1號(hào)腳和2號(hào)腳的輸入端，圖9中開關(guān)K撥至13腳，則比較器2號(hào)腳將從3號(hào)腳輸入的比較信號(hào)UO與輸入信號(hào)Ui作相位比較，從相位比較器輸出的誤差電壓Uψ則反映出兩者的相位差。Uψ經(jīng)R3、R4及C2濾波后，得到一控制電壓Ud加至VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO的振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號(hào)頻率f1。VCO的輸出又經(jīng)除法器再進(jìn)入相位比較器2，繼續(xù)與Ui進(jìn)行相位比較，最后使得f2＝f1，兩者的相位差為一定值，實(shí)現(xiàn)了相位鎖定。

圖9 74HC4046內(nèi)部原理框圖

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及分析

圖10 套管末屏電流監(jiān)測(cè)

換流變壓器套管監(jiān)測(cè)IED裝置的安裝，如圖10所示。

圖11給出了1組在實(shí)驗(yàn)室變壓器套管在1個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)套管介損的數(shù)據(jù)曲線。套管介損波動(dòng)范圍：A相為0.75%～0.85%，B相0.35%～0.45%， C相0.25%～0.35%；溫度變化范圍為14～24℃；濕度的變化范圍為50%～95%。

由圖11可看出兩點(diǎn)：一是介損值在小范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，主要是受溫度、濕度等因素的影響。環(huán)境溫度的變化將影響設(shè)備本體與周圍環(huán)境之間的熱交換，使得絕緣材料自身溫度發(fā)生改變，從而影響絕緣材料的損耗特性。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)1天內(nèi)介損（tanδ）的測(cè)量值隨環(huán)境溫度呈現(xiàn)周期性的變化，白天隨溫度上升而增加。另外，1天內(nèi)空氣的相對(duì)濕度波動(dòng)范圍較大，倘若空氣相對(duì)濕度較高，加上表面污穢的影響，會(huì)使沿絕緣子表面泄漏電流增大，導(dǎo)致tanδ測(cè)量值大幅上升。二是A相介損值偏大，但其變化趨勢(shì)不是逐漸增大，而是在比較平穩(wěn)的范圍內(nèi)波動(dòng)，需要加強(qiáng)監(jiān)視，待停電后進(jìn)行套管試驗(yàn)后再行比較。B相介損基本沒有什么影響，C相介損偏小，但屬于正常。

圖11 三相套管介損的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化

圖12給出了1組在實(shí)驗(yàn)室變壓器套管在1個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)套管電容量的數(shù)據(jù)曲線。

圖12 三相套管電容量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化

由圖12可看出套管電容量的波動(dòng)范圍：A相為420～429 p F，B相為413～420 p F，C相為411～415 p F；電容值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，不超過2%，小于《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中：電容值與出廠值或上一次實(shí)驗(yàn)值的差別不超出±5%，故三相套管電容量正常。

6 結(jié)語

采用多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器和跟蹤系統(tǒng)頻率波動(dòng)的動(dòng)態(tài)采樣頻率技術(shù)，能夠有效地減少非同步采樣導(dǎo)致的誤差，保證諧波分析法應(yīng)用的有效性?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到的套管介損數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差較小，完全滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要。

基于諧波分析法的離散傅立葉變換是計(jì)算容性設(shè)備介質(zhì)損耗和電容量等參數(shù)的核心算法，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多通道電壓與電流同步采樣和動(dòng)態(tài)采樣頻率設(shè)置的方法，實(shí)現(xiàn)了整周期準(zhǔn)確完成采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，確保了該算法的有效性。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用鎖相技術(shù)自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率，解決了頻譜分析中的頻譜泄漏問題，消除了由于系統(tǒng)頻率的波動(dòng)而引起的介損測(cè)量誤差。

［1］ 王夢(mèng)云.110 k V及以上變壓器事故與缺陷統(tǒng)計(jì)分析［J］.供用電，2007，24（1）.

［2］ 桂志國，等.數(shù)字信號(hào)處理原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

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