電力變壓器局部放電在線監測系統的研究與設計

許滋奇，王 毅，黃梓亮

（南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

局部放電監測系統不僅能檢測出變壓器的內部絕緣故障，以免放電情況惡化，還能替代壓力測試檢測變壓器制造與安裝時的絕緣缺陷，實現故障問題的及時發現與解決。近幾年，國內加大了對變壓器局部放電監測系統的研究，從硬件電路設計、軟件方案設計等方面著手，能有效實現放電監測系統的應用效果，進一步保障電網系統的可靠運行。

1 電力變壓器局部放電在線監測系統的硬件電路設計

1.1 監測系統的硬件設計方案

變壓器局放監測系統按照功能分類可劃分為傳感裝置、信息調整以及信息分析等模塊。系統內部不同傳感器線路內配置相應的信息調節模塊，主要包括預先處理和現場調控等功能模塊[1]。其中，AE傳感器電路能起到收集信號的作用，在傳感器裝置、轉換線路和信息收集卡等模塊作用下，能保證模塊功能的實現。UHF為高頻傳感器電路，考慮到變壓器放電過程中將產生脈沖能量，在進行這一線路設計時，需要利用寬頻監測法加強傳感器的靈活性。分析變壓器實際運行狀況時，可發現環境噪音和空氣中電暈將對變壓器運行造成電磁波干擾。因此，通常采用配置高頻天線的解決方法，保證信號收集的精準度。當傳感器裝置接收電磁波后，將其轉換為電壓信號，之后借助通信線路進入信號調節模塊，并由檢波線路作濾除處理。完成上述環節后，可實現對信息的有效收集和整理分析，從而發揮監測系統效能。

1.2 變壓器局放調節電路的設計

為了保證系統內部信號收集的可靠性，需要在監測系統內設計放大電路、濾除雜波等電路。當變壓器局放過程中，將產生頻率范圍較寬的局放信號。要想確保信號準確度，需要合理調整傳感器導出信號的調節電路。放大裝置是將信號幅值擴大處理的線路，使得導出信號電壓與局放信號收集卡的接收范圍相吻合。但是，變壓器運行環境復雜，在不同局放類型中的模擬信號有所差異。如果信號收集卡只采取單純的擴大形式，可能造成較大的測量誤差。因此，需要根據電路內多個調控信號形成的反饋系數，及時調節信號放大裝置的增益倍數。通過利用增益裝置，可自動轉變放大裝置的電壓測量范圍，從而解決局部信號幅值起伏問題。在濾波電路設計方面，考慮到變壓器運行時會受到噪音干擾，本文在局放監測系統設計中采用窄帶測量方法，以此去除濾波干擾信號。圖1為濾波裝置邏輯線路構成圖。

圖1 開關電源濾波裝置邏輯線路構成圖

2 電力變壓器局部放電在線監測系統的軟件設計

2.1 系統主控程序的設計

變壓器局放在線監測系統主要具備以下功能：局部信號檢測、數據分析和用戶權限設置等。在用戶權限設置上，包括用戶登錄、操作限制等系統參數。系統功能體現在局放信號檢測和計算等方面，利用過程控制理念和信號分析計算方法，根據在線監測及線下分析有機結合的設計理念進行軟件編程，從而實現人工干預、智能診斷等功能。在線監測系統在信號監測方面可進行信號收集、信號識別等操作，且系統和模擬軟件連接后，可進行局放信號的整理分析，利用圖形化工具生成相應的頻譜圖，實現信號直觀展示的功能，進一步幫助技術人員掌握變壓器的故障情況。

2.2 數據模塊設計

變壓器局放信號監測系統需要實現信息收集和數據模擬等功能。在信息收集模塊中，包括中斷、查詢與DMA等數據傳輸途徑。其中，中斷方式指的是由計算機提供相關信號對采集卡進行操作，利用中斷來實現信號的采集，其需要對變壓器運行環境進行保護。查詢方式指的是根據設定的時間需求，按時進行信號采集操作，時間由設計人員進行設置。對于DMA方式，在進行局放信號收集時，系統內采集卡儀器與接收信號調控器進行信息交換。采集過程不經過CPU，可縮短信號收集時間[2]。系統實際運行過程中，用戶可通過設置相關參數進行DMA的參數需求設置，以確保系統信息采集的可靠性和有效性。在數據處理模塊設計方面，考慮到變壓器局放過程中將產生大量數據，這時需要借助濾波模塊，在對大量信息進行分析去除的基礎上，促進信息傳輸和存儲的順利進行，這有利于降低監測系統的后續處理難度。在對添加濾波處理模塊后的原始信號采集波形進行分析后，可明顯觀察到系統的信息采集功能明顯增強。另外，在進行系統硬件驅動模塊時，考慮到變壓器局放監測系統，主要利用動態鏈接庫來驅動系統內相關硬件，包括內部程序公用代碼和數據庫[3]。鏈接庫文檔包括代碼文檔和申明文檔等。當文件形成后，將它復制到編程需求文件下，利用鏈接運行軟件能實現程序調用等功能，從而實現對系統硬件的驅動功能。在監測系統硬件參數設置過程中，需要注意，應結合實際情況選擇對應的運行方式和硬件設備的特征參數，進一步實現與變壓器局放信號采集相一致的參數配置，確保監測系統硬件電路和軟件方案的合理設計，提高變壓器局放監測系統的運行可靠性。

3 電力變壓器局部放電在線監測系統的現場實測

3.1 現場情況與傳感器安裝

以某一都市工業園區為例，該園區設計用電量為100 000 kW。考慮到該區域土地價格偏高，計劃利用地下變電站。進行負載計算后，選擇使用3臺雙繞組變壓器，相關參數為50 000 kVA、100/10 kV和Ud=10.5%。由于現場監測環境較惡劣，對變壓器的局部放電檢測技術的要求較高，3臺變壓器分別安裝在變電器室中，在其內壁鋪設單層鋁膜。每組局部放電監測系統的技術指標為：局部監測系統模擬帶寬為1 GHz；高頻電流測定范圍為0～10 A，靈敏度為5 PC；調控電源交流電壓為220 V。實際安裝時，要求避開高場強區域，且傳感設備安裝完成后不能高出油箱內部，以免信號的干擾。此外，傳感器引線布設需要考慮避開傳感裝置位置，經過內陷法蘭與油箱連接。

3.2 局部放電監測波形驗證

為了確保局部放電監測系統安裝過程未破壞變壓器電磁平衡，應在設備安裝完成后，進行現場交接感應電壓局部放電檢測實驗。根據內加壓檢測條件，可將這一變電站看作是110/10 kV的降壓變電站。系統設備長時間運行的最高電壓為Um=126 kV。根據1.1、1.5、1.7等倍數關系，計算得出各相電壓長時間加壓值分別是U1=1.1Um/=80 kV。以此類推，U2=108 kV，U3=123 kV。在進行加壓實驗時，需要按照變壓器局放試驗操作步驟，從0開始增壓，在電壓為U1時持續5 min，電壓增加到U2時維持5 min，再次升高到U3時保持24 s。當加壓完成后，再根據實驗標準進行降壓操作，直至電壓為0。通過分析實驗結果可得到，局放電壓測量結果如表1所示。

以上試驗信息標志著3臺變壓器局放相對穩定，沒有產生持續提升的趨勢，且檢測指標滿足運行標準，說明局放檢測系統沒有破壞變壓器內部電磁平衡，能實現對變壓器運行的保障作用。

4 結 論

綜上所述，當電力變壓器內部出現故障或者運行環境惡劣時，變壓器局部場強過大將造成局部放電。這一現象的產生不利于電力變壓器的安全運行，需要利用局部放電監測系統來保障變壓器的正常運行。本文對局部放電電路、系統數據模塊等進行了研究設計，通過硬件電路和軟件方案的合理設計，可充分發揮局部變電監測系統在變壓器正常運行上的有效作用。

[1] 董 杰.電力變壓器局部放電在線監測系統的研究與設計[J].電工文摘，2017，（1）：22-25.

[2] 程銀花.變壓器在線監測系統應用分析[D].北京：華北電力大學，2017.

[3] 王 寧.變壓器局部放電在線監測管理系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2015.