高壓變壓器放電檢測系統的設計

陳競

摘 要：定性地分析了變壓器局部放電的基本原理和檢測方法，通過對高壓變壓器工作的背景噪聲來源和性質進行分析，研究并設計出高壓變壓器局部放電檢測所需的檢測系統和局部放電測量系統，通過上位機軟件計算處理，實現局部放電量等各個相關參數輸出和頻譜分析，從而實現對高壓變壓器絕緣質量的評價，確保其投入運營后的安全與可靠。

關鍵詞：高壓；變壓器；局部放電；檢測

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0055-02

1 高壓變壓器局部放電的基本原理

高壓變壓器由于在電氣性能和耐熱性能上具有突出特點，被普遍應用于工業輸電領域。一般供電線路高壓變壓器的電壓等級有10 kV、35 kV等，由于安裝方式和制造工藝等原因，變壓器絕緣材料內部可能存在一些雜質，造成變壓器絕緣材料表面或內部區域所承受的電場不均勻。變壓器運行過程中，在電場作用下絕緣體內部或表面會出現一些區域的電場強度比平均電場強度要高、一些區域的擊穿場強比平均擊穿場強要低的現象，因此在這些區域便會首先出現放電，而其他區域仍然保持正常的絕緣特性，這便形成了局部放電。

絕緣體內部的氣隙在發生放電時，氣隙中的氣體便會產生游離，導致中性分子分離成帶電的正、負離子等質點，在外部施加的電場作用下，電子或負離子會沿電場相反方向移動，正離子會沿電場方向移動，于是這些空間電荷便建立了新的電場，其方向與外界施加的電場相反，此時氣隙內的實際電場強度為：Ec=E外-E內.

外界施加的電壓是正弦交流電壓，當電壓瞬時值上升使得氣隙上的電壓達到氣隙的擊穿電壓時，氣隙便發生放電。

高壓變壓器局部放電是比較復雜的物理過程，需要通過多種表征參數才能全面地描繪其狀態，主要參數包括視在放電電荷、放電重復率、放電能量、放電平均電流和放電功率等。長時間局部放電會對變壓器絕緣材料的絕緣性造成嚴重的危害，主要表現在由放電所產生的局部發熱、化學活性生成物、帶電粒子的撞擊和輻射等因素對絕緣材料的損傷。這種對絕緣材料的破壞是一個緩慢的發展過程，且從局部開始，并受多種因素影響，對運行中的高壓變壓器埋下安全隱患，局部放電是造成高壓變壓器最終發生絕緣擊穿的主要原因之一。

2 局部放電檢測系統硬件設計

2.1 檢測系統工作原理

對高壓變壓器進行局部放電或工頻耐壓試驗時，通常利用工頻試驗變壓器產生高壓，利用調壓器調節試驗電壓的升降，調壓器應按照相關規定的升壓速度平穩、連續的調節試驗電壓，在通常情況下，必須從零開始升壓，切不可沖擊合閘。試驗過程基本接線如圖1所示。

局部放電檢測系統的高壓檢測系統主要包括控制操作、交

流高壓產生裝置、交流高壓測量、保護電阻和保護球隙五部分。進行局部放電試驗時，按照規定的升壓速度提升作用在變壓器試品Zx上的電壓，直到電壓升高到規定的電壓為止，此時開始計時，一般取1 min即可。在做局部放電試驗時，觀察局部放電電量和其他相關參數、波形，如果符合規定范圍，則認為局部放電試驗合格；否則，認為不合格。

2.2 檢測系統主電路設計

根據系統整體參數，設計檢測系統主電路，如圖2所示。

主電路電氣原理分述如下：①獨立供電單元。以交流380 V分相銅帶屏蔽三相低壓電力變壓器和低壓開關柜等組成系統的獨立供電單元，主要作用是隔離、衰減來自車間用電設備和電網傳導的干擾，同時屏蔽供電變壓器低壓側帶。由于長變壓器相當于分布參數為L，C的長線，對高頻信號可視為衰減網絡，對干擾進行有效衰減，所以，變壓器長度越長越好，一般取150 m左右。②雙屏蔽靜電隔離變壓器，可隔離電路和隔離電源地與屏蔽地，主要作用是隔離、衰減來自供電電源包括供電系統中地線的干擾。③低壓濾波器。電路由兩級以上濾波單元組成，可衰減來自電源的高次諧波干擾。④接觸式調壓器。根據要求，該調壓器具有電壓從零起調、損耗低、波形畸變小、調節電壓平穩、火花小、噪音低等特點，尤其調壓器電刷為平面接觸，接觸良好，電刷移動升降電壓時，火花小、噪聲低更是降低局

部放電測試背景干擾所希望的。⑤試驗變壓器。此試驗變壓器采用環氧筒式結構，具有局部放電量小、系統損耗低、輸出電壓波形失真小、設備重量輕等特點。⑥保護電阻。保護電阻串聯在變壓器輸出端與電容分壓器之間，降低可能產生的過電壓，并保護高壓試驗設備。⑦高壓濾波器。電路由1只電感元件、2只電容元件組成濾波電路，有效衰減來自高壓變壓器產生的局部放電干擾，同時，它可以阻塞變壓器試品中局部放電信號從變壓器分流出去，從而提高檢測靈敏度。⑧保護球隙。線路中的保護球隙系統用于防止被試變壓器在試驗過程中過電壓，球隙之間的間隙根據施加電壓進行整定。⑨耦合電容器。耦合電容器和檢測阻抗串聯，是獲取局部放電信號的重要部分。此外，耦合電容器作為電容分壓器使用，上端均壓罩為高壓端，可直接接入被測高壓；下端用專用變壓器連接控制臺電壓傳感器，將其分壓得到的信號，變為一個正比于試驗電壓的直流電壓，送到數字電壓表，經過適當的比例調整和處理，可直接讀出試驗電壓，并且下端有專用接地端，供接地使用。

2.3 檢測系統控制電路設計

控制回路電源采用220 V交流電源，來自主電路，采用變壓器將主電路交流380 V電壓變為220 V，通過轉換開關控制回路電源的接通和斷開。電源接通后，電源指示燈亮起，此時可以通過合閘、分閘按鈕控制主接觸器的通斷，同時控制合閘、分閘指示燈的通斷。在測試過程中，通過上升、下降按鈕發送控制信號至系統下位機，從而通過步進電機帶動調壓器觸頭的上升和下降，進而控制調壓器的升壓和降壓。控制回路內設置試驗計時器，當電壓升至所需試驗電壓時，計時器開始計時，到達設定時間后自動分斷并控制降壓。系統設置急停按鈕，在發生意外事件時，可按急停按鈕，斷開主回路電源，防止造成不必要的傷害和損失。控制電路如圖3所示。

3 局部放電檢測系統軟件開發

3.1 下位機數據采集處理與過程控制

下位機LJD-51-XA+控制板是以八位單片機STC89C52為主體的單片機控制系統。輸入部分接收來自兩個電壓傳感器的DC0～10 V模擬信號、數字電壓表、電流表報警值和經過光耦隔離的控制按鈕開關量信號。模擬量輸入分為經過傳感器的電壓信號和試驗電流信號兩路。

輸出部分是通過輸出光耦隔離的開關量信號控制步進電動機的轉動來帶動調壓器，從而實現升降器的電流升降功能；通過輸出光耦隔離開關量信號控制繼電器的通斷，從而實現對主電路的通斷控制。單片機與上位機通過RS232的串行接口實現數據通訊，主要完成自動操作的數據傳輸。

根據局部放電檢測系統的設計要求，試驗電源要輸出0～80 kV連續可調的試驗電壓值。基于單片機控制的試驗電源，既可通過人為操作上升、下降按鈕來實現電壓調節，還可通過觸控式一體機的測控軟件，通過標準RS232串口與單片機控制

板進行通訊，從而完成自動升、降壓和保持電壓過程。

3.2 上位機操作軟件設計

上位機通過RS232串口通訊至下位機，驅動步進電機正轉，并控制轉速。數字儀表顯示當前電壓值和電流值，觸控式一體機通過與數字儀表的RS485通訊，采集儀表示值。軟件系統可實時顯示試驗電流變化曲線圖，使試驗人員直觀察看試驗電流變化情況。當計時結束時，系統將自動保存試驗數據，同時上位機發送信號至下位機，下位機通過開關量輸出驅動步進電機快速降壓至零位，并使試驗電路自動分閘，切斷高壓輸出電路。通過這一系列自動控制，完成試驗電源升壓、保持和降壓過程。

數據處理與顯示模塊是局部放電檢測系統中最重要的模塊之一，主要完成數據通訊、局部放電各個特征參數的顯示、放電圖譜實時顯示、數據存儲和操作控制。

進入測試界面后，撥通電源開關，軟件模擬電源指示燈亮起，根據外部接入儀器的通道，選擇軟件系統中通道開關，此時通道指示燈亮起，設置采集信號頻率范圍后，開始測試，測試數據欄將顯示局部放電的各個參數，軟件系統可設置圖譜X軸、Y軸參數，進行相位調節。局部放電檢測系統測試主界面如圖4所示。

4 結束語

本論文主要是針對高壓變壓器局部放電專門設計了一種檢測系統，其目的主要是在變壓器檢修和試驗車間背景干擾較大的環境下，對35 kV高壓變壓器進行局部放電檢測。通過提取變壓器局部放電信號的特征，并進行頻譜分析，從而使有關人員能依據所提供的實時、真實、有效的數據對變壓器的運行狀況作出綜合評價，發現絕緣質量問題，進而對高壓變壓器進行調整、檢修等，使有可能造成的損失減小到最低，從而保證變壓器安全、可靠、經濟的運行。

參考文獻

[1]華東電力試驗研究所.DL/T 417—2006電力設備局部放電現場測量導則[S].北京：中國電力出版社，2007.

[2]肖貴申.局部放電超高頻在線監測系統的研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[3]李長玉.基于超高頻法的XLPE變壓器附件局部放電檢測技術的研究[D].北京：華北電力大學，2005.

〔編輯：李玨〕

3 局部放電檢測系統軟件開發

3.1 下位機數據采集處理與過程控制

下位機LJD-51-XA+控制板是以八位單片機STC89C52為主體的單片機控制系統。輸入部分接收來自兩個電壓傳感器的DC0～10 V模擬信號、數字電壓表、電流表報警值和經過光耦隔離的控制按鈕開關量信號。模擬量輸入分為經過傳感器的電壓信號和試驗電流信號兩路。

輸出部分是通過輸出光耦隔離的開關量信號控制步進電動機的轉動來帶動調壓器，從而實現升降器的電流升降功能；通過輸出光耦隔離開關量信號控制繼電器的通斷，從而實現對主電路的通斷控制。單片機與上位機通過RS232的串行接口實現數據通訊，主要完成自動操作的數據傳輸。

根據局部放電檢測系統的設計要求，試驗電源要輸出0～80 kV連續可調的試驗電壓值。基于單片機控制的試驗電源，既可通過人為操作上升、下降按鈕來實現電壓調節，還可通過觸控式一體機的測控軟件，通過標準RS232串口與單片機控制

板進行通訊，從而完成自動升、降壓和保持電壓過程。

3.2 上位機操作軟件設計

上位機通過RS232串口通訊至下位機，驅動步進電機正轉，并控制轉速。數字儀表顯示當前電壓值和電流值，觸控式一體機通過與數字儀表的RS485通訊，采集儀表示值。軟件系統可實時顯示試驗電流變化曲線圖，使試驗人員直觀察看試驗電流變化情況。當計時結束時，系統將自動保存試驗數據，同時上位機發送信號至下位機，下位機通過開關量輸出驅動步進電機快速降壓至零位，并使試驗電路自動分閘，切斷高壓輸出電路。通過這一系列自動控制，完成試驗電源升壓、保持和降壓過程。

數據處理與顯示模塊是局部放電檢測系統中最重要的模塊之一，主要完成數據通訊、局部放電各個特征參數的顯示、放電圖譜實時顯示、數據存儲和操作控制。

進入測試界面后，撥通電源開關，軟件模擬電源指示燈亮起，根據外部接入儀器的通道，選擇軟件系統中通道開關，此時通道指示燈亮起，設置采集信號頻率范圍后，開始測試，測試數據欄將顯示局部放電的各個參數，軟件系統可設置圖譜X軸、Y軸參數，進行相位調節。局部放電檢測系統測試主界面如圖4所示。

4 結束語

本論文主要是針對高壓變壓器局部放電專門設計了一種檢測系統，其目的主要是在變壓器檢修和試驗車間背景干擾較大的環境下，對35 kV高壓變壓器進行局部放電檢測。通過提取變壓器局部放電信號的特征，并進行頻譜分析，從而使有關人員能依據所提供的實時、真實、有效的數據對變壓器的運行狀況作出綜合評價，發現絕緣質量問題，進而對高壓變壓器進行調整、檢修等，使有可能造成的損失減小到最低，從而保證變壓器安全、可靠、經濟的運行。

參考文獻

[1]華東電力試驗研究所.DL/T 417—2006電力設備局部放電現場測量導則[S].北京：中國電力出版社，2007.

[2]肖貴申.局部放電超高頻在線監測系統的研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[3]李長玉.基于超高頻法的XLPE變壓器附件局部放電檢測技術的研究[D].北京：華北電力大學，2005.

〔編輯：李玨〕

3 局部放電檢測系統軟件開發

3.1 下位機數據采集處理與過程控制

下位機LJD-51-XA+控制板是以八位單片機STC89C52為主體的單片機控制系統。輸入部分接收來自兩個電壓傳感器的DC0～10 V模擬信號、數字電壓表、電流表報警值和經過光耦隔離的控制按鈕開關量信號。模擬量輸入分為經過傳感器的電壓信號和試驗電流信號兩路。

輸出部分是通過輸出光耦隔離的開關量信號控制步進電動機的轉動來帶動調壓器，從而實現升降器的電流升降功能；通過輸出光耦隔離開關量信號控制繼電器的通斷，從而實現對主電路的通斷控制。單片機與上位機通過RS232的串行接口實現數據通訊，主要完成自動操作的數據傳輸。

根據局部放電檢測系統的設計要求，試驗電源要輸出0～80 kV連續可調的試驗電壓值。基于單片機控制的試驗電源，既可通過人為操作上升、下降按鈕來實現電壓調節，還可通過觸控式一體機的測控軟件，通過標準RS232串口與單片機控制

板進行通訊，從而完成自動升、降壓和保持電壓過程。

3.2 上位機操作軟件設計

上位機通過RS232串口通訊至下位機，驅動步進電機正轉，并控制轉速。數字儀表顯示當前電壓值和電流值，觸控式一體機通過與數字儀表的RS485通訊，采集儀表示值。軟件系統可實時顯示試驗電流變化曲線圖，使試驗人員直觀察看試驗電流變化情況。當計時結束時，系統將自動保存試驗數據，同時上位機發送信號至下位機，下位機通過開關量輸出驅動步進電機快速降壓至零位，并使試驗電路自動分閘，切斷高壓輸出電路。通過這一系列自動控制，完成試驗電源升壓、保持和降壓過程。

數據處理與顯示模塊是局部放電檢測系統中最重要的模塊之一，主要完成數據通訊、局部放電各個特征參數的顯示、放電圖譜實時顯示、數據存儲和操作控制。

進入測試界面后，撥通電源開關，軟件模擬電源指示燈亮起，根據外部接入儀器的通道，選擇軟件系統中通道開關，此時通道指示燈亮起，設置采集信號頻率范圍后，開始測試，測試數據欄將顯示局部放電的各個參數，軟件系統可設置圖譜X軸、Y軸參數，進行相位調節。局部放電檢測系統測試主界面如圖4所示。

4 結束語

本論文主要是針對高壓變壓器局部放電專門設計了一種檢測系統，其目的主要是在變壓器檢修和試驗車間背景干擾較大的環境下，對35 kV高壓變壓器進行局部放電檢測。通過提取變壓器局部放電信號的特征，并進行頻譜分析，從而使有關人員能依據所提供的實時、真實、有效的數據對變壓器的運行狀況作出綜合評價，發現絕緣質量問題，進而對高壓變壓器進行調整、檢修等，使有可能造成的損失減小到最低，從而保證變壓器安全、可靠、經濟的運行。

參考文獻

[1]華東電力試驗研究所.DL/T 417—2006電力設備局部放電現場測量導則[S].北京：中國電力出版社，2007.

[2]肖貴申.局部放電超高頻在線監測系統的研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[3]李長玉.基于超高頻法的XLPE變壓器附件局部放電檢測技術的研究[D].北京：華北電力大學，2005.

〔編輯：李玨〕