楊 洲，張曉漫

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能作為現(xiàn)代社會(huì)的主要能源，與人民的生活和生產(chǎn)建設(shè)的關(guān)系愈加密切。大型發(fā)電機(jī)是電力工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，其安全運(yùn)行性歷來受到人們的高度重視。現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行在保證合格供電質(zhì)量的同時(shí)，還要保證穩(wěn)定可靠的發(fā)供電能力。發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中重要的樞紐設(shè)備，一旦發(fā)生故障會(huì)危及電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，而且事故涉及面大，修理周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)損失巨大，給人們的生產(chǎn)和生活帶來重大的影響和損失。因此，大型發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行已成為電力系統(tǒng)的頭等大事[1]。

對(duì)運(yùn)行的大型發(fā)電機(jī)進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解其絕緣劣化程度，確定是否存在著絕緣表面損壞、絕緣剝離或繞組端部污染等情況，制定相應(yīng)的檢修策略避免突發(fā)事故的發(fā)生。這對(duì)提高大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，降低國(guó)民經(jīng)濟(jì)事故損失具有重要的實(shí)際意義[2]。

本文根據(jù)大型發(fā)電機(jī)局部放電信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為進(jìn)一步開展大型發(fā)電機(jī)定子絕緣在線監(jiān)測(cè)信號(hào)處理和絕緣診斷奠定了基礎(chǔ)。

1 局部放電監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)

大型發(fā)電機(jī)的局部放電信號(hào)頻帶很寬，在幾十kHz到幾百M(fèi)Hz頻率范圍內(nèi)都可以檢測(cè)到局部放電信號(hào)[3]。考慮到現(xiàn)場(chǎng)局部放電測(cè)量的干擾來源及其頻譜分布，本文設(shè)計(jì)的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用窄帶測(cè)量方式，其檢測(cè)信號(hào)的中心頻率為1MHz，帶寬為500kHz。由于現(xiàn)場(chǎng)局部放電信號(hào)非常微弱，這就要求局部放電測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量靈敏度和測(cè)量精度。同時(shí)，為降低測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝對(duì)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的影響程度，并提高局部放電信號(hào)提取靈敏度，選擇在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)出口母線處同時(shí)安裝傳感器。以工控計(jì)算機(jī)為核心的局部放電監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

上圖中局部放電信號(hào)經(jīng)傳感器將電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓脈沖信號(hào)，然后經(jīng)緩沖放電電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱局部放電信號(hào)的程控放大，再通過中心頻為1MHz的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的模擬濾波，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將局部放電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并上傳到上位計(jì)算機(jī)。由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的存貯、數(shù)字濾波和干擾濾除。

考慮到安裝方便性和對(duì)信號(hào)響應(yīng)特性的要求，本文采用帶磁芯的羅可夫斯基線圈電流互感器作為局部放電信號(hào)測(cè)量傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流傳感器原理圖

電流傳感器的工作頻帶和靈敏度是由多種因素共同決定的。通過理論和試驗(yàn)確定了磁芯材料、線圈尺寸、線圈匝數(shù)、積分電阻，使傳感器的工作頻帶（200kHz～7.5MHz）和靈敏度，能夠滿足系統(tǒng)的工作要求。

由電流傳感器所輸出的模擬信號(hào)幅值很小，一般為毫伏級(jí)，且伴有大量的噪聲。在送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理之前，需要對(duì)其進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理。所設(shè)計(jì)緩沖放大電路如圖3所示。

為了降低現(xiàn)場(chǎng)局部放電測(cè)量時(shí)的干擾，本文所設(shè)計(jì)局部放電測(cè)量系統(tǒng)采用窄帶測(cè)量方式，該功能由帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)，其中心頻率為 1MHz，帶寬為500kHz。濾波電路由兩級(jí)巴特沃斯二階帶通濾波器組成。通過實(shí)際測(cè)試，該濾波電路的下限截止頻率約為383kHz，上限頻率大致為4.97MHz，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來實(shí)現(xiàn)LabVIEW的硬件驅(qū)動(dòng)。DLL文件的生成需要函數(shù)聲明文件（.h文件）、源代碼文件（.cpp文件）和模塊定義文件（.def文件）。DLL文件生成后，將其拷貝至指定目錄下，在LabVIEW中通過鼠標(biāo)操作即可完成動(dòng)態(tài)庫(kù)路徑裝載、程序調(diào)用等功能設(shè)置，并生成相應(yīng)的.vi程序。

系統(tǒng)主界面如圖4所示，包括通道選取、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)保存等功能選項(xiàng)。

圖3 緩沖放大電路實(shí)物圖

本文所設(shè)計(jì)的局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用小波分析方法對(duì)所采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理。具體的濾波程序?qū)崿F(xiàn)過程將在下一節(jié)中進(jìn)行闡述。

3 干擾抑制算法與局部放電測(cè)量

本系統(tǒng)采用分層次分步驟濾波的方法對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，以保證局部放電信號(hào)最小程度的能量損失和波形失真。本文先采用快速傅里葉變換對(duì)周期型窄帶干擾進(jìn)行濾除。然后選用 db5小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

同時(shí)考慮到當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重時(shí)，如果只利用一個(gè)工頻周期所采集到的數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的濾除。因此，除分層次分步驟進(jìn)行濾波外，根據(jù)局部放電信號(hào)與噪聲信號(hào)的相位分布差異，本系統(tǒng)還采用多工頻周期數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)與干擾的分離。首先借助小波來分析一個(gè)工頻周期內(nèi)數(shù)據(jù)在不同尺度空間的時(shí)頻特性，然后再將多個(gè)工頻周期數(shù)據(jù)的處理結(jié)果疊加處理，最后根據(jù)局部放電信號(hào)的工頻相位分布特征通過統(tǒng)計(jì)和模式識(shí)別的方法進(jìn)行局部放電信號(hào)與干擾信號(hào)的分離。具體算法如下：

（1）將一個(gè)工頻周期等時(shí)間間隔劃分為多個(gè)區(qū)段，達(dá)到以下目的：局部放電信號(hào)區(qū)段量化，便于利用放電信號(hào)與相位相關(guān)性；將處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)降低以減小存儲(chǔ)容量，提升對(duì)局部放電信號(hào)的識(shí)別速度；

（2）為保證在不同尺度空間提取局部放電信號(hào)，避免不同尺度信號(hào)間的交叉影響，提高判斷的可靠性，利用小波變換在劃分完的時(shí)間區(qū)段內(nèi)推導(dǎo)出不同尺度上細(xì)分區(qū)間的幅值，計(jì)算出信號(hào)幅值的平均值并將其歸算到區(qū)段內(nèi)某一固定點(diǎn)上；

（3）由于局部放電信號(hào)在相位上的分布相對(duì)固定，而非周期型干擾在工頻周期上為隨機(jī)分布，將處理后的多個(gè)工頻周期相同區(qū)段上的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。局部放電信號(hào)具有明顯的工頻相位特性，在各區(qū)段內(nèi)幅值的平均值是不同的；而周期型窄帶干擾、隨機(jī)脈沖信號(hào)和白噪聲的平均幅值則基本相同。因此數(shù)據(jù)經(jīng)過疊加后很容易突出局部放電信號(hào)的絕對(duì)幅值。

（4）經(jīng)過以上方式處理后的數(shù)據(jù)可能混有相位固定型脈沖干擾，還應(yīng)結(jié)合局部放電信號(hào)和干擾信號(hào)的本身特性進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

為測(cè)試該局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。效果如圖5、6、7所示。

通過實(shí)驗(yàn)證明本文所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)所提出的要求。

圖5 系統(tǒng)捕捉到的含有噪聲的模擬局放信號(hào)

4 結(jié)論

（1）本論文完成了大型發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及相應(yīng)的軟件開發(fā)。硬件系統(tǒng)包括電流傳感器、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、輸入輸出卡和工控計(jì)算機(jī)。基于虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)采用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，操作簡(jiǎn)單，圖形顯示直觀，對(duì)硬件系統(tǒng)的控制方便快捷。通過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有較高的靈敏度，可以在變壓器的局部放電在線監(jiān)測(cè)過程中完成數(shù)據(jù)采集、顯示和保存的任務(wù)。

（2）本論文采用分層次、多周期疊加的綜合濾波處理方法。通過模擬局部放電試驗(yàn)，證明這種數(shù)字處理的濾波方法能夠較好地分離噪聲干擾，取得理想的局部放電信號(hào)。

圖6 去除周期型窄帶干擾后的信號(hào)

圖7 小波去噪后的最終結(jié)果

[1]杜林. 大電機(jī)主絕緣局部放電測(cè)量及老化特征研究[D]. 重慶大學(xué), 2004: 15-216．

[2]吳廣寧. 大型發(fā)電機(jī)故障放電在線監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2001:104-106．

[3]羅曼, 覃國(guó)茂, 董曉英, 等. NGC2發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 大電機(jī)技術(shù),2010(5): 14-18.

[4]鮑利軍. 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2008, 2(6): 81-83．

[5]蔣遠(yuǎn)東, 陳慶國(guó), 王發(fā)興, 等. 大型發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 中國(guó)測(cè)試技術(shù),2008, 34(2): 127-130.

[6]邱曉丹, 周啟龍, 王世成, 等. 變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用, 2010(3):52-53．