大型發電機局部放電在線監測系統的設計

楊 洲，張曉漫

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

0 前言

隨著社會經濟的發展，電能作為現代社會的主要能源，與人民的生活和生產建設的關系愈加密切。大型發電機是電力工業生產的重要設備，其安全運行性歷來受到人們的高度重視。現代電力系統的運行在保證合格供電質量的同時，還要保證穩定可靠的發供電能力。發電機是電力系統中重要的樞紐設備，一旦發生故障會危及電力系統的正常穩定運行，而且事故涉及面大，修理周期長，費用高，經濟損失巨大，給人們的生產和生活帶來重大的影響和損失。因此，大型發電機的安全可靠運行已成為電力系統的頭等大事[1]。

對運行的大型發電機進行局部放電在線監測，可以及時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，制定相應的檢修策略避免突發事故的發生。這對提高大型發電機運行的可靠性，降低國民經濟事故損失具有重要的實際意義[2]。

本文根據大型發電機局部放電信號的特點設計了一套局部放電在線監測系統，為進一步開展大型發電機定子絕緣在線監測信號處理和絕緣診斷奠定了基礎。

1 局部放電監測硬件系統

大型發電機的局部放電信號頻帶很寬，在幾十kHz到幾百MHz頻率范圍內都可以檢測到局部放電信號[3]。考慮到現場局部放電測量的干擾來源及其頻譜分布，本文設計的局部放電監測系統采用窄帶測量方式，其檢測信號的中心頻率為1MHz，帶寬為500kHz。由于現場局部放電信號非常微弱，這就要求局部放電測量系統具有較高的測量靈敏度和測量精度。同時，為降低測量系統現場安裝對運行發電機的影響程度，并提高局部放電信號提取靈敏度，選擇在發電機中性點和發電機出口母線處同時安裝傳感器。以工控計算機為核心的局部放電監測硬件系統如圖1所示。

圖1 發電機局部放電在線監測系統硬件結構框圖

上圖中局部放電信號經傳感器將電流脈沖信號轉化成電壓脈沖信號，然后經緩沖放電電路實現對微弱局部放電信號的程控放大，再通過中心頻為1MHz的帶通濾波器實現對信號的模擬濾波，最后經數據采集卡將局部放電模擬信號轉換成數字信號，并上傳到上位計算機。由計算機實現對采集信號的存貯、數字濾波和干擾濾除。

考慮到安裝方便性和對信號響應特性的要求，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測量傳感器，其結構如圖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。通過理論和試驗確定了磁芯材料、線圈尺寸、線圈匝數、積分電阻，使傳感器的工作頻帶（200kHz～7.5MHz）和靈敏度，能夠滿足系統的工作要求。

由電流傳感器所輸出的模擬信號幅值很小，一般為毫伏級，且伴有大量的噪聲。在送入計算機進行分析處理之前，需要對其進行放大、濾波等預處理。所設計緩沖放大電路如圖3所示。

為了降低現場局部放電測量時的干擾，本文所設計局部放電測量系統采用窄帶測量方式，該功能由帶通濾波器來實現，其中心頻率為 1MHz，帶寬為500kHz。濾波電路由兩級巴特沃斯二階帶通濾波器組成。通過實際測試，該濾波電路的下限截止頻率約為383kHz，上限頻率大致為4.97MHz，可以滿足系統的設計要求。

2 基于LabVIEW的數據采集系統

本系統利用DLL動態鏈接庫來實現LabVIEW的硬件驅動。DLL文件的生成需要函數聲明文件（.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中通過鼠標操作即可完成動態庫路徑裝載、程序調用等功能設置，并生成相應的.vi程序。

系統主界面如圖4所示，包括通道選取、參數設置、數據處理、數據保存等功能選項。

圖3 緩沖放大電路實物圖

本文所設計的局部放電在線監測系統采用小波分析方法對所采集到的數字信號進行濾波處理。具體的濾波程序實現過程將在下一節中進行闡述。

3 干擾抑制算法與局部放電測量

本系統采用分層次分步驟濾波的方法對采集到的數字信號進行處理，以保證局部放電信號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周期型窄帶干擾進行濾除。然后選用 db5小波對信號進行濾波處理。

同時考慮到當發電機運行現場干擾嚴重時，如果只利用一個工頻周期所采集到的數據無法實現對干擾的濾除。因此，除分層次分步驟進行濾波外，根據局部放電信號與噪聲信號的相位分布差異，本系統還采用多工頻周期數據采集實現局部放電信號與干擾的分離。首先借助小波來分析一個工頻周期內數據在不同尺度空間的時頻特性，然后再將多個工頻周期數據的處理結果疊加處理，最后根據局部放電信號的工頻相位分布特征通過統計和模式識別的方法進行局部放電信號與干擾信號的分離。具體算法如下：

（1）將一個工頻周期等時間間隔劃分為多個區段，達到以下目的：局部放電信號區段量化，便于利用放電信號與相位相關性；將處理后的數據點數降低以減小存儲容量，提升對局部放電信號的識別速度；

（2）為保證在不同尺度空間提取局部放電信號，避免不同尺度信號間的交叉影響，提高判斷的可靠性，利用小波變換在劃分完的時間區段內推導出不同尺度上細分區間的幅值，計算出信號幅值的平均值并將其歸算到區段內某一固定點上；

（3）由于局部放電信號在相位上的分布相對固定，而非周期型干擾在工頻周期上為隨機分布，將處理后的多個工頻周期相同區段上的數據進行疊加。局部放電信號具有明顯的工頻相位特性，在各區段內幅值的平均值是不同的；而周期型窄帶干擾、隨機脈沖信號和白噪聲的平均幅值則基本相同。因此數據經過疊加后很容易突出局部放電信號的絕對幅值。

（4）經過以上方式處理后的數據可能混有相位固定型脈沖干擾，還應結合局部放電信號和干擾信號的本身特性進行進一步的數據處理。

為測試該局部放電在線監測系統的性能，在實驗室中進行了模擬試驗。效果如圖5、6、7所示。

通過實驗證明本文所設計的硬件系統能夠達到設計所提出的要求。

圖5 系統捕捉到的含有噪聲的模擬局放信號

4 結論

（1）本論文完成了大型發電機局部放電在線監測系統的硬件設計及相應的軟件開發。硬件系統包括電流傳感器、信號處理模塊、數據采集卡、輸入輸出卡和工控計算機。基于虛擬儀器設計的軟件系統采用LabVIEW平臺進行開發，操作簡單，圖形顯示直觀，對硬件系統的控制方便快捷。通過實驗表明，該系統具有較高的靈敏度，可以在變壓器的局部放電在線監測過程中完成數據采集、顯示和保存的任務。

（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，證明這種數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。

圖6 去除周期型窄帶干擾后的信號

圖7 小波去噪后的最終結果

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