一種基于局部放電信號判斷跳閘裝置的研制

陳弘揚

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇南京211100）

0 引言

對變壓器油紙絕緣局部放電的放電機理、發展階段、譜圖及影響因素的研究對電力變壓器安全穩定運行有重要的意義。而油紙絕緣局部放電分散性很大，在實驗室中需進行大量的試驗，進行統計分析找出普遍規律。為了提高試驗效率，在保持外界條件一致性的前提下，有必要建立變壓器油紙絕緣多試品平臺。為了解決多試品加壓過程中試品壽命不同的問題，筆者設計制作了一套基于局部放電信號測量控制各個試驗支路跳開的新型裝置。由于試品擊穿前夕局放發展迅速，這時跳閘裝置通過檢測判斷，能及時動作將試品斷開，以保證其他支路正常加壓試驗。

1 跳閘裝置原理

通過電流傳感器采集局部放電脈沖信號，采集的信號先放大，放大電路是電壓并聯負反饋比例放大器，兼半波整流的作用。整流后的信號輸入積分器，積分器包括一個場效應管運算放大器、積分電容、保持和復位開關及輸出多路選擇器，通過積分器的積分時間T的設定，獲得T時間內的局部放電總量。當局部放電總量大于設定值時，裝置動作，將試品支路斷開。

2 裝置的構成

2.1 電流傳感器

該跳閘裝置中局放信號采集通過Rogowski線圈式電流傳感器。通過實驗，筆者測得當線圈的匝數為20匝、積分電阻為50 Ω時，可獲得較好的低頻特性和高頻特性，其中3 dB高頻截止頻率可達到80 MHz。

2.2 放大整流電路

高頻放大器是一個簡單的電壓并聯負反饋比例放大器，如圖1所示，通過調節電位器可以增大局放信號幅值。該比例放大器最大放大倍數為50倍，另外該電路還兼有半波整流的作用，可使輸出的信號一直為正極性。

圖1 放大整流電路

該整流電路的信號放大作用可減小因二極管導通所需的門限電壓，因此幅值為微伏級的局放信號也能順利通過整流。

2.3 積分器

積分器包括一個場效應管運算放大器、100 pF的積分電容、保持和復位開關以及輸出多路選擇器，電路圖如圖2所示。

圖2 積分器電路

積分器的工作模式是由保持和復位開關控制的，即圖2中的三個開關：保持開關、復位開關、選擇開關，通過這三個開關可以控制積分器的積分時間。當保持開關閉合，復位開關和選擇開關斷開時，積分器開始對輸入信號積分，此時積分器的輸出值由下式計算：

式中，k為放大器對局放信號的放大倍數；T為積分時間；ui為局放信號經半波整流之后的信號；CINT為積分電容100 pF；R為接入電阻，其作用是將輸入的電壓信號kui轉為電流信號。

U1為積分器輸出的積分值，U1隨著積分時間的增大而變大。設定積分器積分時間為T，在一個積分周期末端，積分器的保持開關斷開，電容上的電壓保持不變，從而電壓U1保持不變，此時，選擇開關閉合，積分器的輸出電壓U1被輸送到10 nF的電容上，經后面的放大器構成的緩沖器輸出。所以選擇開關與電容10 nF構成另一個取樣/保持電路。這時選擇開關斷開，復位開關閉合，積分電容放電，積分器輸出電壓U1趨向模擬地，但此時后面的放大器構成的緩沖器輸出電壓U2保持不變直到下一次積分周期末，并且緩沖器輸出的電壓值為每個積分周期內的最大值。最后，復位開關斷開，保持開關閉合，下一個積分周期開始。開關的控制信號由單片機來控制，控制信號為低電平時，開關閉合，高電平時，開關斷開，如圖3所示。其中1通道的信號控制選擇開關，2通道的信號控制復位開關，3通道的信號控制保持開關。

2.4 積分幅值判斷電路

圖3 積分器保持、復位開關控制信號

積分幅值判斷電路本文選用74LS14芯片來控制，當輸入到芯片引腳上的電壓值超過1.6 V時，芯片輸出電平瞬間變為低電平。因此通過調節比例放大器和積分時間T，可以在油紙絕緣臨近擊穿時，使得輸出電壓大于1.6 V。由于這時74LS14的輸入信號大于等于1.6 V，因此芯片輸出電平瞬間變為低電平，給繼電器發送信號，引起繼電器動作，進而將電源切斷。

3 跳閘裝置的初步檢測結果

在實驗室里首先用信號發生器產生頻率為10 kHz、幅值為1 V的正弦信號輸入跳閘裝置，調節比例放大器，當跳閘裝置動作時，積分器的輸出波形如圖4所示，與設計波形基本一致。

圖4 積分器輸出信號

4 跳閘裝置的實驗室檢測結果

通過采用球板模型來模擬變壓器內的局部放電，如圖5所示，靜置一段時間后開始加壓，采用逐步加壓法，當電壓加到20 kV時試品出現幅值比較大的局部放電脈沖信號，此時保持電壓不變，這時積分器的輸出幅值很低，持續加壓20 min后，局部放電脈沖的頻度開始按指數規律增加，但脈沖頻度仍不大，這時積分器的輸出幅值大約為0.6 V，在持續放電10 min后，脈沖電流信號的幅值分散性變小，均是幅值基本一致的大脈沖且脈沖頻度很高。此時，試品處于臨近擊穿的狀態，這時積分器輸出波形的幅值大于1.6 V，跳閘裝置動作并將電源切斷。圖6中1通道是積分器輸出的信號U1，2通道是緩沖器輸出的信號U2，與設計時的波形基本一致。

圖5 實驗連接電路圖

圖6 試品臨近擊穿時積分器的輸出

5 結語

該跳閘裝置通過局部放電信號來控制跳閘，通過調節比例放大器和設定合適的積分時間，可實現當絕緣存在局部放電且臨近擊穿時跳閘裝置動作，及時切斷電源，避免設備內部發生短路。通過實驗測試，該跳閘裝置能很好地實現跳閘并報警。由于該跳閘裝置還處于實驗驗證階段，因此還需要更多的油紙絕緣局放實驗來檢驗跳閘裝置動作的穩定性和靈敏性。