变压器局部放电在线监测系统设计

变压器局部放电在线监测系统设计

学校： 河海大学 院系： 能源与电气学院 专业： 电气工程及其自动化 班級： 12-电气-4 组员： 王昊 1205020420

引言

变压器局部放电是指变压器绝缘内部存在的气泡、裂纹或杂质等在外施电

压下发生的局部、重复的击穿和熄灭现象。如果一台变压器带着一处或多处这样的局部放电故障长期运行，这些微弱的放电及其引起的一些不良效应，将会导致变压器绝缘的迅速老化，日积月累就有可能导致整个绝缘被击穿，发生重大事故，给国民经济带来巨大损失。因此，国内外的变压器 制造厂家和供电部门都十分重视对局部放电的测试和定位问题的研究。

通常，变压器局部放电试验要停电进行，2次试验的间隔过长，有时难以发现故障。若能在线监测变压器局部放电，就可以在故障前及时报警，保证电网的可靠运行。因此，我们研制了一套超声局放监测系统，其优点是可以在现场变压器并网运行的条件下完成局部放电故障的在线监测、抗电磁干扰能力强、系统稳定性好，同时硬件实现和软件算法相对简单。

1 系统功能和工作原理

1.1 监测对象及系统功能

系统选择的监测对象主要为：变压器、电抗器等电气设备的局部放电监测及定位。

系统具备的功能为：①监测是否存在局部放电，发生时可自动报警；②根据接收信号振幅数据与放电量关系曲线，可大致估计放电强度即放电量；③当有局部放电发生时，可对局放源进行定位；④自动完成数据采集及存储功能并可按要求进行时域、频域分析和打印输出结果。 1.2 系统工作原理 超声局放监测是利用声发射技术完成的。当变压器内部发生局部放电时，有超声波

放出，因此根据接受到的信号波形及频谱分析就可确定是否发生了局放。同时超声波发射在不同介质中向外传播在不同点能接收超声信号。通过一定的信号处理算法得到超声波传播的时延时间，据空间几何关系就能对局放源定位。 1.2.1 接收传感器

长期研究表明看，变压器的局部放电信号的频谱较宽看，通常40kHz-30 kHZ上均有分布看，并且起伏较大。美国科学家研究发现看，对超高压大型变压的局放信号中心频率148kH。本系统采用的超声传感器为宽带高敏度传感器看，在衰减为-10dB时其通频带为70kHz-140kHz。 1.2.2前置放大器

由于传感器的电容量较大，故采用藕合变压器与前置放大器的输人级匹配。前置放大器直接组合在传感器里面，增益40dB (K =l0倍 )。经过藕合变压器的作用，牺牲了一些灵敏度，却拓宽了通频带。由于硬件系统是在充满 50Hz的工频强电磁场及各种强晕电场条件下工作，并且背景有丰富的机械振动噪声源，而被检测的局放超声信号极其微弱，属强背景噪声下的微弱信号检测，所以系统采用了光纤传送模拟电信号的方法。在前置放大与主放大滤波器之间加人光电转换设备，而用光纤传送局放信号，理论上讲可以传送任意长的距离。另外，采用远距离的光纤传输不仅屏蔽了外界电磁干扰，而且远程控制可以保证主控微机系统的正常工作，提高操作人员的安全系数。 1.2.3 主放大滤波器

局放超声定位系统是在强背景噪声下的微弱信号检测系统，所以必须加人高灵敏度低噪声的放大、滤波模块。由于系统工作的实际现场的50 Hz工频电磁干扰和其它机械振动等背景噪声源均属于低频端噪声，加上超声传感器自身的谐振峰大约位于116 kHz，所以采用2 级有源滤波器对前放信号进一步处理。主放大滤波器在20 kHz附近形成峰值，增益G>2500，在10kHz与350kHz左右仍有增益G>1250，呈现一个带通滤波器的特性。另外，主放大器还设有0dB、4 dB、8dB、12dB 四档衰减器，以适应现场应用需求。 1.2.4 数据采集子系统

数据采集子系统主要完成局放声信号的A/D变换，同时提供一个D/A 输出端口，可以用示波器实时观察A/D变换后存储的局放信号，以达到动态监测的目

的。A/D转换部分采用了一片美国HARRIS公司的CA3318C，它是CMOS的视频速度为8bit/s快闪模一数转换器件，其最高采样频率可达30MHz。本系统中采样频率为2MHz、精度为8bit/s，同时带有溢出报警和溢出保护电路。采样电路的触发设计有4种工作方式：微机启动、按键启动，内接启动与外接启动。其中，按键启动由面板上的薄膜开关实现，外接启动由外接信号源经面板端子引人，微机启动与内接启动在主控微机接口板及移相内接触发板部分有详细介绍。D/A监视输出部分由单片DA0808 为中心实现，它可以将采集存储的信号经数一模转换后变为模拟信号由面板端子输出。 1.2.5 移相及内接触发电路

有效、实时地完成高信噪比局放信号的采样和存储是局部放电在线监测的前提条件。由于局放现象本身的复杂性，局放通常的是一簇放电，而不是脉冲放电，加上变压器的内部结构影响使得局放超声信号的传播复杂，多径效应十分明显，所有这些物理现象的叠加使得有效接受局放信号更加困难。为此，我们设计了这种新颖的移相及内接触发电路来保证有效地接收局放超声信号。大家知道，变压器中的A、B、C三相绕组是以50Hz的工频交变电压运行的，其间各有120的相位差。对于其中某一相若存在局放故障，则认为是此相绕组上

的交变电压上升至一定闽值时发生局放现象。尽管这多少有些简单化的意味，但这在实际问题的研究中是有效的。同时，由于变压器是以50Hz 的工频运行，所以认为局放信号也是以50Hz 的工频周期出现的。但其中可以肯定的是，由于局放特性的复杂，局放信号簇完全一致的周期性是不存在的。由此可以启发我们采用频率为50Hz、相位与变压器交变电压严格同步，并且初相可调的周期性脉冲作内接触发信号，对于A、B、C 三相，可以设计3路分 别与之同相，并且彼此相位差亦为120 的周期性脉冲信号，其原理如图2所示

通过阈值诊断来诊断故障。其中，(a) 图所示是从变压器的交变电压上祸合降压获得的同相交流电压周期为20ms、频率为50Hz。在设定阈值U0后，通过模拟比较器LM393即可获得如图(b)所示的方波信号。用如图(c)所示的A相触发脉冲分别经过 120、240相移即可得到如图(d)所示的 B相、如图(e)所示的C相触发脉冲。本系统实现时，阈值电平U0设计为面板可调,同时由面板开关可切换A、B、C三相触发。当实际应用内接采样时,在 经过简单地调节工作后就可以保证周期性地采集到有效的局部放电信号。 1.2.6 主控微机接口板

本系统主控微机采用BIMPC系列兼容机,基本配置为Intel 486/33 MHz CPU、 4M内存、标准VGA彩显、ISA系统总线。由于数字采集子系统经A/D转换后得到 的数据存于静态5RAM6264中,所以我们设计了一块I/0板卡用来连接主控微机与数据采集子系统，主要完成读人数据以及查询采集状态和发出控制信号的能。I/O板卡设计为总线插槽式，遵循标准的XTISA总线标准，供电方式为计算机主板供 电，访问方式为端口访问，占用主机资源仅为2个I/O端口地址。考虑到不影响主控微机的兼容性，I/O板卡占用的端口地址在200H一3FFH中可由跳线开关任意设定，这样就可以避免与微机系统的其它硬件设备地址冲突。地址译码采用了数字比较器74ALS68直接译码。I/O板卡采用标准的25芯D型接头传送16路信号，其中8条数据线，8路控制信号。控制信号中的START、AINC及CH1-CH4信 号均加以锁存，而OF及数据信号为直接驱动。在系统处于微机启动的触发方式 时，软件向端口写 START(负脉冲)信号，从而启动数据采集子系统。当A/D数据采样结束后，OF(采集完毕)信号变为高电平，主控微机检测到后即可读取据。 CHI-CH 4信号用来选通某一路通道的数据(低电平有效)，并由ANIC信号(负脉冲)逐次增加读入数据的SRAM地址。

2.软件设计

我们开发的超声局放监测系统软件设计相对硬件而言，则较为简单。它在西文操作系统环境下实现了高分辨率的全中文的菜单系统，具有用户友好的人机接 口界面。软件由C开发完成，系统软件的主控平台是一个由3级下拉式菜单与弹

出式菜单相结合构成的菜单系统。一般由下拉式菜单完成系统功能选择，而由弹出式菜单完成系统提示信息以及人机对话式的数据输人/输出。

系统软件的一级子菜单包括“初始化”、“测量数据”、“测量分析”、“局放定位”和“退出”五大模块。

其中，在“初始化”的二级子菜单中，“基阵坐标”完成4只超声传感器的基阵坐标值的输人与修改；“等值声速”为输人变压器内等效的超声波传播速度(声速与温度的基本关 系为V s=150-4 )T；“时延估计方法”在其三级子菜单中可选择“前沿法”、“峰值法”及“相关法”之一用以估计时延。

在“测数据”的二级子菜单中，“内接采样”是在由移相及内接电路产生的启动脉冲触发完成数据采集之后直接读取SRAM中的数据；“启动采样”是由软件发出脉宽约为20μs 的负脉冲触发数据采集,直至软件查询到采集完毕之后 再读取SRAM中的数据；“原始数据输人”是从硬盘或软盘中的数据文件中读人4路通道的采集数据。

在“测量分析”的二级子菜单中，“时域”功能可以通过移动，分屏地观测到 4 路通道的全部SKB数据样点，而“频域”功能可以观察4路局放信号的幅频特性，进而分析局放信号的频谱结构；“数据存储”可以使用户随时存储感兴趣的采集数据，以备以后深入研究使用，另外存储的文件名可以由用户自由设定。

在“局放定位”的二级子菜单中，“手动”功能需要操作人员参与，在事先采集一定的数据组之后才开始定位，“自动”功能则由主控系统自动完成采集 以及定位功能；“显示”与“打印输出”则分别由监视器和打印机输出最终的局放定位结果。

在全部操作完毕以后，可以选择“退出”功能离开局放定位系统。局部放电超声定位系统。