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(电机与电器专业论文)变压器局部放电的检测单元与信号处理.pdf.pdf 免费下载
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沈阳工业大学硕士学位论文 t h ed e t e c t i o nu n i ta n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g o np a r t i a l d i s c h a r g e f o rp o w e rt r a n s f o r l n e r s a b s t r a c t t h ei n s u l a t e ds t a t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m so fl a r g ep o w e rt r a n s f o r m e r s a f e l yr u n n i n g i n p o w e rs y s t e m t h em o s te f f i c i e n tm e t h o di n m o n i t o r i n g t h e r u n n i n g t r a n s f o r m e r si n s u l a t e ds t a t ei st oe x t r a c tp a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l si nr e a l t i m ei nt h i sp a p e r ,t h e e s s e n t i a l i t yo fd e v e l o p i n go n l i n ep a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n g ,t h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o pt r e n d i n h o m ea n da b r o a da r ed i s c u s s e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mi no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ,a h i g he f f e c t i v ed e t e c t i o np d c i r c u i ti sd e s i g n e d ,a tt h es a m et i m e ,w a v e l e tt r a n s f o r ma n dd s p t e c h n o l o g y a r e a p p l i e d t oi m p r o v e c a p a b i l i t y i nr e a l t i m ep r o c e s s f i r s t l y p u l s ec u r r e n tm e t h o di su s e dt oi n s p e c tp df i g n a l sb a s e do n t h et h e o r e t i ca n a l y s i s t op dc h a r a c t e r i s t i co f t r a n s f o r m e r i nh a r d w a r ec i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n , n o t i c et oc h o o s es i g n a l s e n s o r s ,s i g n a lm a g n i f y c i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i ta r er e a s o n a b l yd e s i g n e d ,a tt h es a m e t i m e ,h i g h - s p e e dd a t as a m p l i n gc i r c u i t a n d l a r g ec a p a b i l i t ys t o r a g e c i r c u i ta r ed e s i g n e d ,t h eh a r d w a r e c i r c u i tp c bi sm a d et h e nt h ed a t as a m p l i n gc i r c u i ti sc o n n e c tw i t ht id s p d e v e l o ps y s t e mt o p r o c e s sp ds i g n a l sf u r t h e r s e c o n d l y ,w a v e l e ta n a l y s i s i ss u i tt oe x t r a c 【b r e a k s i g n a l ,s o ,i t i s p r o g r a m m e dt o i m p l e m e n tt h ef u n c t i o no f f i l t e ra n ds i g n a le x t r a c t f i n a l l y ,s i m u l a t e d e x a m i n a t i o ni sd o n ea f t e rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ed e s 培n e dp ds i g n a ld e t e c t i o nu n i ta n da d o p t e ds o f t w a r ep r o c e s s m e t h o di se f f e c t i v e k e yw o r d s :t r a n s f o r m e r ,p a r t i a ld i s c h a r g e ,o n i n em o n i t o r i n g ,w a v e l e tt r a n s f o r m ,d s p - 2 一 独创性说明 本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名: 辜溘隼 日期: 丝监i ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公 布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名:聿迄拿导师签名:刍歪4 日期:鲨堕:i :至 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 变压器局部放电在线监测的目的和意义 二十世纪九十年代以来,我国电力工业发展迅速,电网规模目益扩大。随着电网容 量的扩大、电压等级的提高,对电力系统的稳定性、可靠性以及各种高压电气设备的运 行状况提出了更高的要求。 大型电力变压器是电力系统中最重要、最昂贵的设备之一,也是变电站的核心设 备,它的运行状况直接关系到电力系统的安全运行。而大型变压器的运行可靠性很大程 度上取决于其绝缘的可靠性。据统计资料表明,1 1 0 k v 级以上电压等级的电力变压器事 故中二分之是绝缘事故,而且几乎都是在正常工作电压下损坏的“1 。 一方面,变压器的内绝缘结构是油纸绝缘,变压器在正常工作电压下的局部放电是 使油纸绝缘老化并发展为击穿的重要原因。油纸绝缘中的局部放电往往是从气泡开始发 生的。导致变压器绝缘中产生气泡的因素有:其一是变压器绝缘结构和制造工艺上的缺 陷;其二是变压器在长期运行过程中绝缘材料的老化、劣化,如绝缘受潮,其中的水分 在过热点气化成气泡,或水分在高压作用下电解产生气泡。1 。 另一方面,变压器在运行过程中会遇到突发性的事故。比如,由于系统短路过电流 和故障电流产生的机械应力,由局部过热、过载电流和漏磁通所造成的热应力,以及由 于系统过电压、瞬时过冲、绕组内部谐振而产生的电应力,这些应力都会导致绝缘劣 化,最终形成局部放电。1 。 由此可见,局部放电是绝缘损坏的主要原因和表现形式。对运行中的电力变压器的 绝缘状态进行在线监测,根据获得的反映变压器运行状态的各种信息可有效地发现其内 部绝缘的固有缺陷和长期运行使绝缘老化而产生的局部隐患。因此,国内外普遍认为, 在线监测变压器的局部放电是保证电力系统安全运行的有效手段。 我国变压器状态检修工作长期以来一直执行的是基于时间的“定期维修”预防性维 修制度。这种制度在当时及以后几十年对我国电力设备的维修管理起到了积极的作用。 但这种预防性试验方法不能监测变压器的实际运行情况,也不能准确反映变压器的绝缘 状况及其发展趋势。而且由于两次预防陛试验之间的时间间隔较长,对于突发性绝缘事 沈阳工业大学硕士学位论文 故难以发现。因此,当前的发展趋势是对运行中的电气设备进行跟踪测试,及时了解设 备绝缘部分的局部放电的发展情况和材料的老化程度,以确保设备的安全运行。这样可 将传统的预防性维修过渡到以在线监测为依据的预知性维修。这样不仅可以大大减少维 修、试验等的盲目性,提高设备管理水平,而且,还可以积累评定变压器可靠性所需的 大量数据,减少停电损失和维修费用,把握最佳维修时机,取得重大经济效益。 1 2 变压器局部放电在线监测技术的研究现状 局部放电监测技术很早就引起了各国的关注。国际电工委员会( i e c ) 规定,电压 在3 0 0 k v 以上的变压器应进行局部放电测量,我国也已将局部放电测量列为u n 2 5 2 k v 变压器的出厂试验项目。 12 1 局部放电的机理 所谓“局部放电”是指在电场作用下,绝缘系统中只有部分区域发生放电而并没有 形成贯穿性放电通道的一种放电。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时,绝缘体 各区域承受的电场强度不均匀,在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电,而其它 区域仍然保持绝缘的特性。大型电力变压器基本采用油一纸复合绝缘及油一屏障绝缘结 构,局部放电一般发生在绝缘薄弱或电场强度偏高的部位。按部位来分,变压器局部放 电主要发生在引线接线处、纸板、压板、围屏、端部油楔、金属尖端、变压器油以及套 管等部位。 油纸绝缘的气隙以及油中气泡里产生局部放电需要具备两个必要条件:其一是气隙 中的电场强度超过放电起始场强;其二是气隙内存在有效的自由电子。二者必须同时存 在,缺一不可。按照放电机理,局部放电分为三类。“: ( 1 ) 汤逊放电,以电子碰撞电离为主,电子崩中电子数目小于1 0 8 个。放电条件是 当空隙中场强在放电起始场强e 和临界场强e 。之间时存在有效自由电子。i 临界场强 e 。是指当电子崩由于空隙壁上沉积的表面电荷足够多而使放电停止时,这些表面电荷 产生的场强。 ( 2 ) 流注放电,以光电离为主,空隙中存在起始电子且流注条件得以满足时发生 的放电。“。要求空隙直径必须大于流注直径四倍以上,以便于流注的传播。 ( 3 ) 热电离放电,以热电离为主,当温度大于1 0 0 0 。c 以上时发生。 沈阳工业大学硕士学位论文 加拿大的r b a r t n i k a s 等根据放电的表现形式将小间隙局部放电分为三类”1 : ( 1 ) 火花放电,持续时间i l o o n s ,属于脉冲型放电。包括低幅度、慢上升时间 的汤逊型火花放电和大幅度、快上升时间的似流注火花放电: ( 2 ) 辉光放电,具有无脉冲性质,放电时观察不到单个分离脉冲,但可以观察到 放电时产生的辉光,占据半个工频周期的大部分区域。 ( 3 ) 亚辉光放电,这种放电是由一群小幅度的离散脉冲组成,脉冲的上升时间很 慢,是辉光放电和火花放电之间的过渡形式。三种放电形式的存在和转变与气隙大小、 气隙上的过电压、气压等有关”3 。 l2 2 局部放电的检测方法 变压器局部放电会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光,并引起局部过热。油中放 电还将分解出气体,产生能量损耗等。因此,相应的出现了电脉冲测量、超高频测量、 光测量、红外测量、化学检测和介质损耗率检测等方法4 、“。 ( 1 ) 超声波检测法用于检测变压器内部放电时产生的超声脉冲。超声传感器通常 固定在变压器外壳上,利用压电晶体作为声一电换能器,将声波信号转换为电信号,并 进一步放大后通过电缆传送至监测系统。该方法的优点在于不存在严重的电磁干扰,主 要用于定性地判断局放信号的有无,以及结合电脉冲信号或者直接利用超声信号对局放 源进行物理定位,现场使用较为方便。但在实际应用中存在的主要问题是:由f 变压器 内部结构复杂,局部放电所产生的超声波信号经过多次折射、反射后才能到达变压器外 壳上的传感器。在这个过程中由于能量不断损耗造成严重的信号损失,因此对距离传感 器较远的或发生在绝缘深处的放电往往检测不到。而且由于超声波在不同的传播介质中 波迷不同,故障定位精确度很难保证。其次,不同类型的放电故障产生的超声波频谱差 异较小,几乎不能通过超声波信号对放电类型进行鉴别,故很难认识放电本质。最后, 由于难以通过超声波标定放电量的大小,因此不易定量认识局部放电的严重程度。鉴于 以上原因,超声波检测法一般不单独应用,而是作为其他检测方法的辅助测最手段。 ( 2 ) 化学检测法,主要是指对变压器油的色谱分析法。局部放电发生时会引起变 压器油中化学成分的改变,尤其是些溶于油中的特殊气体,如二氧化碳、乙炔、甲烷 和乙烯等的含量变化比较明显。通过对变压器油的定期抽样分析,就可以判断变压器的 沈阳工业大学硕士学位论文 局部放电发展水平。该方法最大的优点足不存在各种复杂的抗干扰问题,而主要的缺点 是实时性差,原因在于局部放电产生的油的成分变化要经过一段时间才能在油的取样点 处得到反映。结果是变压器已经出现了问题,而色谱分析的结果却是正常的。总之,该 方法对发现早期潜伏性故障较为灵敏,但不能反映突发性故障。 ( 3 ) 超高频测量法测量放电产生的电磁辐射,其频带在数m h z 至1 0 m h z 之间。 它具有灵敏度高、对外界干扰的抑制能力强以及能够反映放电脉冲真实波形等优点,已 应用于电机以及一些固体绝缘设备( 如电缆、干式变压器等) 中局部放电的检测”3 。对 电力变压器丽言,局部放电发生在变压器内的油一鞴板绝缘中,由于绝缘结构的复杂 性,电磁波传播时会发生多次折反射及衰减;同时,变压器箱壁也会对电磁波的传播带 来不利影响,这就增加了超高频电磁波检测的难度,因此,变压器超高频局放检测技术 仍处于起步阶段。 ( 4 ) 脉冲电流法是通过检测阻抗来检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁 心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流,而获得视在放电量。脉冲电流法是 最早研究的,并且是迄今为止最广泛使用的一种检测方法,i e c 对此制定了专门的检测 标准。我国根据i e c 7 6 3 推荐标准,于1 9 8 5 年首次在“电力变压器g b l 0 9 43 - 8 5 ”国家 标准中规定了变压器局部放电测试方法“l 。在线检测变压器局部放电脉冲的电流传感器 通常用罗戈夫斯基线圈( r o g o w s k ic o i l ) 制成,与被测变压器仅有磁耦合,而无电气连 接,符合在线检测的要求。该检测方法灵敏度高、实时 生好,而且可以测得放电量、放 电重复率、平均电流以及放电能量等。因此这种方法得到了广泛的应用。但其缺点是电 流传感器输出信噪比低,尤其是在线检测时,局放信号易被现场各种干扰所湮没,使得 后续信号处理过程中的信号识别和干扰抑制比较困难。但随着计算机和各种新的数字信 号处理方法的引入,用该方法研制的局部放电在线检测系统性能将有很大的改善。 ( 5 ) 其他检测方法。红外检测是基于局部放电引起的局部温度升高,通过红外探 测器和热成像来实现的。对于变压器局部过热故障,该方法较灵敏,但对于局部放电还 没有产生明显局部过热时,该方法不理想,远没有达到自动监测的目的。光检测是利用 局部放电产生的光辐射进行的。虽然在实验室中利用光测量来分析局放特征及绝缘劣化 机理等方面取得了许多成果“1 ,但由于光测量设备复杂昂贵、灵敏度低,且需要被检测 沈阳工业大学硕士学位论文 物质对光来说是透明的,因而不可能在现场应用。介质损耗率测量对发现局部故障不灵 敏。 目前,在变压器局放监测中主要还是采用脉冲电流法和超声测量法,其中脉冲电流 法测量视在放电量是局放在线监测技术的基础。本文正是基于这种方法获得变压器的局 部放电脉冲信号。 1 23 干扰的分析与抑制 对变压器的局部放电进行在线监测是保证供电可靠性的重大技术措施,具有巨大的 经济和社会效益。但是现场大量干扰信号的存在,严重地影响了监测的可靠性和灵敏 度。因此干扰的抑制和消除是在线监测变压器局部放电的一个关键环节。干扰的抑制总 是从干扰源、干扰途径、信号后处理这三方面来考虑。找出干扰源直接消除或切断相应 的干扰路径,是解决干扰最有效最根本的方法,但要求详细分析干扰源和干扰途径,由 于一般不允许改变原有变压器的运行方式,因此在这两方面采取的措施很有限,而对于 已经由电流传感器耦合进入监测系统的各种干扰,只能采取各种信号处理技术加以抑 制。 现场的各种干扰按时域信号特征可以分为连续的周期性窄带干扰、脉冲干扰和白噪 声三类。而脉冲干扰又可分为随机脉冲干扰和周期脉冲干扰。干扰的主要来源有”“: ( 1 ) 电力设备的载波通讯和高频保护信号:连续的周期性干扰,频率为3 0 5 0 0 k h z ; ( 2 ) 无线电广播的干扰:连续的周期性干扰,频率大于5 0 0 k h z : ( 3 ) 线路或其它临近设备的各种放电干扰和待测设备局部放电的波形类似的随机 脉冲干扰,普遍存在于变电站; ( 4 ) 可控硅整流设备引起的干扰,在工频周期上相对固定并随负载不同而变化, 属脉冲型周期干扰: ( 5 ) 其它随机干扰:如开关、继电器动作、电焊操作及雷电等的干扰,属随机性 脉冲干扰: ( 6 ) 白噪声:包括各种随机噪声,如绕组热噪声、地网噪声、配电线路及变压 器、继电保护信号线路中由于耦合进入系统的各种噪声等。 沈阳工业大学硕士学位论文 以上这些干扰信号主要通过三种途径进入监测系统“”1 : ( i ) 从系统的工频电源进入,故监测系统电源宜由隔离变压器加上低通滤波器来 供电以抑制干扰: ( 2 ) 通过电磁耦合进入监测系统,因此监测系统应采用连线很好的屏蔽,采用隔 离或光电光纤系统传输监测信号也可抑制干扰; ( 3 ) 通过检测元件进入,它和局放信号混合在一起,用上述方法不可能抑制这种 干扰,而必须采取其它措施。 理论和实践表明,产生局放的物理过程时间很短,局放脉冲宽仅为l 5 n s ,其等效 频宽约2 0 0 m h z ,上限频率可以达到1 g h z 。现场干扰的多样性,决定了抗干扰需要采 取综合性的技术措施,又由于干扰的强弱、频段不同,故抗干扰的措旖又要有一定的针 对性。 1 2 4 国内外局部放电在线监测技术的发展状况 ( 1 ) 国外局部放电在线监测技术发展的概况 国外的在线监测技术从2 0 世纪5 0 年代开始发展,美国、加拿大、日本及前苏联都 有相应的产品问世。 加拿大的r m a l e w s k y 等在1 9 8 6 年提出用于在线监测变压器局部放电的差动平衡检 测系统,并在单相变压器上做试验,取得了较好的抗干扰能力,试验原理图如图1i 所 示。 图1 i 差动平衡法 沈| ;n i j k 大学硕士学位论文 它是利用高频电流传感器在变压器油箱接地线和绕组中性点接地线上分别取信号, 变压器内部局部放电信号分别在高频电流传感器上产生两个方向相反的电流脉冲信号, 对信号进行适当调整组成差动系统,即可抑制外部进入的共模干扰信号,使差动的内部 局部放电信号增强,提高了信噪比。在线应用时,当输入线路噪声分别由变压器的高压 套管和低压套管进入时,系统信号调节困难,干扰抑制能力下降。 19 7 5 年b l a c k 提出的局部放电检测的脉冲极眭鉴别法具有强大的抗干扰能力,鉴别 系统的原理如图l2 所示。这种方法最开始用在设备的离线局部放电检测中。要求两个 被试品相同或容量与标准电容接近,并在外使电压下应用。1 9 8 0 年,b l a c k 将极性鉴别 法用于强背景噪声下的电机定子导条的局部放电测量,重复试验可精确地再现结果。 图1 z 脉冲极性鉴别法 近年来,国外的一些科研人员开始研究用超宽带( u w b ) 或超高频( u h f ) 来检 测局部放电“。”。超高频范围内( 3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 提取的局部放电信号基本上无外界 干扰,可极大地提赢局部放电监测( 特别是在线监测) 的可靠性和灵敏度。变压器绝缘 体内的气泡发生放电时,其放电时间很短暂,大约l o l o o n s ,能激起大于i g h z 的超 高频电磁信号,利用特殊制作的超高频天线可以提取油中局部放电辐射的超高频信号。 有结果表明”“,在5 0 0 1 5 0 0 m h z 的频带范围内,天线具有良好的使用特性。但该方法 的局限性在于难以实现放电量的准确标定。而且从理论及实践上也需要进步的积累和 完善。 ( 2 ) 国内局部放电在线监测技术的发展概况 沈阳工业大学硕士学位论文 2 0 吐上纪8 0 年代以来,国内的在线监测技术也得到了迅速发展,一些科研院所联合 电力部门研制了不同类型的监测装置。 东北电力试验研究所研究出一种采用脉冲方向鉴别的变压器局部放电在线峪测方 法,用高频电流传感器分别从变压器外壳接地线和电流互感器末屏接地线上藕合脉冲电 流信号,电子开关通过判断脉冲电流方向来控制局部电流信号的输出。现场结果表明, 能在1 0 6p c 的外部干扰下测出3 0 0 0 p c 的变压器内部放电量,但该装置通用性差,而且 采用示波器测量,不能实现实时在线监测。 重庆大学孙才新等人提出用多端调节“7 “8 1 的方法抑制脉冲型干扰。如图1 , 3 所示。 该方法分别从高压套管、高压套管末屏接地线、绕组中性点接地线以及变压器铁芯接地 线上取信号。文中将差动平衡法同多端调节法结合在一起,同时考虑抑制相间干扰和本 相干扰。调节电路时,首先将来自相邻两相的干扰通过运算电路,仅输出本相的局部放 电和干扰信号,然后送入差动平衡电路抑制本相干扰。 z 。 梗 拟 滤 波 差动 平衡 抑制 相间 干扰 图1 3 多端调节一差动平衡法原理框图 该方法提出了利用多端调节运算电路抑制相间干扰的想法。据文章介绍“”,平衡系 统在单相变压器不带电情况下试验得到了9 倍的干扰抑制能力。此种方法的多端调节电 路比较复杂,抑制干扰能力可能受到一定的影响,局部放电信号可能不易提取。 清华大学研制的j f y 一3 型变压器局部放电在线监测系统“”能连续监测多台大型变压 器的局部放电,如图1 4 所示。电流传感器采用环形铁心、宽带有源传感器,其带宽为 1 0 k h z l2 m l - i z 。通过硬件滤波电路幅值调整后的信号再利用程控带通滤波器进行滤 波,滤波器带宽为5 0 k h z ,中心频率从5 0 k h z 到4 0 0 k h z 共7 档。系统采用宽带多通 道、大容量、高采样率数据采样;运用各种数字信号处理的方法抑制干扰。 沈阳工业大学硕士学位论文 ; 变 采 传h 压 样 程 _ 程 _ 程 _ 程模下 器 通 控_ 接 _ 控_ 控数位 滤 葵 转 机 换软 感 道 最 蠢 - 波 _ 舞器 件 次 选 碱 _ _ 器 择 择 器 _ 嚣 变 | r7 丁 丁丁弋弋71 丁 压 l 嚣 l 自电非i 号j 匙e 器 l 。;数据采集装置 。_ _ - _ 。- - 。- 。 图1 4 系统硬件总体结构框图 该系统利用程控带通滤波电路躲过各种连续的周期性干扰,这种方法对于消除工频 及其谐波、载波通信、无线电广播等窄带干扰比较有效,但在变压器在线监测中不够灵 活,往往只适合于某个具体的变电站,针对具体变电站需仔细选择合适的通带。另外, 传感器只能获得放电信号中一部分能量,不仅降低了灵敏度,而且造成检测波形畸变, 给后续信号的数字化处理带来一定困难。 西安交通大学研制一套基于数字信号处理的电力变压器局部放电在线监测系统“。 如图1 5 所示。该系统采用模块化设计,硬件单元主要包括传感器、放大器、信号调 理、美国m 公司的高速采集卡、上下位机等。数字信号处理单元利用n 1 公司的图形化 编程语言l a b v i e w 及虚拟仪器技术,针对现场固定频段的载波进行数字滤波,加上窄 带测量、设置门槛电压、相位鉴别等软件处理,实现干扰信号与局放信号的分离。该系 统在现场试运行了段时间,还未有足够的数据证明系统的运行效果。 此系统所采用的数字滤波技术虽然能将干扰降低到一定水平,由于局部放电信号很 微弱,剩余的百分之几的干扰信号仍将对局部放电信号检测产生很大的影响,从而影响 到后续的信号处理。 沈n t - 业大学硕士学位论文 电力 具有温度、湿度控制的 图1 5 在线监测系统图 1 3 小波分析在局部放电中的应用简介 信号处理方法的选取是局部放电在线监测项目中一个非常重要的因素。由于传统的 傅立叶分析只能获得信号的整体频谱,而不能获得信号的局部特征,而小波分析则被誉 为数学显微镜,本身具有放大,缩小和平移等功能,可以通过检查不同放大倍数下的变 化来研究信号的特征,具有优良的时频局部化特征。“。这样,用小波分析作为信号处理 工具能对被分析信号进行更细致的分析,获得比傅立叶分析更多的信号特征。 如前所述,在局部放电在线监测的信号处理阶段,需要对从a f t ) 转换来的数字信 号进一步处理,过滤掉大部分的无用信号及干扰信号。应用小波分析将采集来的信号分 解到不同的频率带上,根据对信号及噪声所处频带的先验知识,去掉了某些可能含有大 量噪声的水平尺度上的细节信号,再对信号进行重构,即可获得消除噪声以后的局放信 号。同时需要进一步对局放信号进行特征提取,从而判断电力设备的绝缘状况。 由此可见,小波分析在局部放电在线监测中占有非常重要的位置。 1 4 d s p 技术简介 对局部放电在线监测的系统集成方面的研究是非常重要的,系统集成将直接影响到 是否能将在线监测系统应用到实际中。本文主要研究了局部放电信号的检测与处理,其 核心是利用先进的d s p 技术。d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o l ) 的英文 缩写,它是;乖u 用专用或通用数字信号处理芯片通过数字计算的方法对信号进行处理。主 要直用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 系统以接口方便、编程方便、稳 沈阳工业大学硕士学位论文 定性好、精度高、可重复性好、精度高、集成方便等优点广泛应用于通信、语音、图 像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等诸多领域。可编程d s p 芯片的开发有一 整套完整的软硬件开发工具,通常借助于硬件仿真器,即扩展开发系统( x d s ) 硬件仿 真和在c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 中进行软件仿真,c c s 是t i 公司推出的一个集成 性d s p s 软件开发工具,在此环境下开发者可以完成编辑、调试、代码性能测试和项目 管理等所有的工作“。 1 5 本文的主要工作 针对近年来局部放电研究的现状及发展趋势,利用当前先进的电子技术和高速发展 的数字信号处理技术,首先设计并制作局部放电信号检测所需的硬件电路,然后研究局 放信号的干扰抑制方法以及局放信号的提取。 1 分析局部放电产生的原因,局部放电的原理及对绝缘的影响。 2 根据局部放电在线监测的要求,设计包括滤波放大、a d 转换、数据存储及控制 电路在内的数据采集电路。 3 针对局部放电现场环境中的干扰,采用新兴的高速数字信号处理器作为主处理电 路,使系统能更好的满足实时信号处理的要求。 4 在对小波变换的原理和算法研究的基础上,将小波变换用于局部放电信号的消噪 和提取,并通过仿真试验验证其有效性。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 变压器局部放电检测单元的硬件电路设计 局部放电在线监测系统要能真实、准确反映大型电力变压器的绝缘状况,用于获取 所需信号的硬件电路必须具有较高的监测灵敏度和较好的抗干扰能力。由于在变压器运 行现场所需信号和各种背景干扰的存在,为了进行准确的绝缘在线监测,必然要求前置 硬件电路能灵敏地将所需信号捕捉下来,在工程允许的范围内把采集的信号进行预处 理,减少或抑制干扰,然后进行模数转换,变换成计算机或d s p 可以处理的数字信号。 本文通过脉冲电流法对变压器局部放电进行测量。通过检测阻抗检测变压器套管末 端接地线、外壳接地线、铁心接地线来耦合局部放电引起的脉冲电流,从而获得视在放 电量。但是由于放电量比较小,测得的电流通常为毫安级,同时由于恶劣的工作环境, 使采集到的局部放电信号很容易淹没在很强的干扰中,其中包括很多共模干扰,使得局 部放电信号的提取更加困难,无法为后续处理电路使用。为了提高测量的准确度和精 度,本文所设计的采集电路原理采用了一些性能较好的集成电路芯片和电路,以达到既 能消除干扰又不至于使局部放电信号失真。硬件电路原理图如图21 所示: 橱一p 鼽 d s p 处理 自茵一 图2 1 信号采集系统框图 结合第一章对局部放电及干扰的分析,本文设计的高速局部放电信号采集电路能实 现信号的转换、放大、滤波采样及存储功能。本章将分别从传感器的选择、放大电路的 设计、滤波电路的设计、模数转换器与存储电路的接口设计几个方面来介绍各部分的功 能。 沈阳工业犬学硕士学位论文 2 1 传感器的选择与设置 要实现变压器局部放电在线监测,首先必须用传感器准确、有效地提取局部放 电信号,同时要求绝缘在线监测系统与被监测系统没有电的联系,以保证监测系统 和监测人员的安全,也不会因般测系统出现故障而影响被监测系统的正常工作,所 以传感器的选择和设置在在线监测系统中起着关键的作用。由于变压器绝缘中的局 部放电信号持续时问很短,所包含的频谱范围很宽,因此对用于获取信号的传感器 要从几个方面考虑选择: ( 1 ) 为了准确测量参量,并兼顾监测系统安装、调试和正常运行的方便,必须 合理选择传感器的安装位置: ( 2 ) 按电力系统要求,从技术上根据不同设备及不同被测量选用合理的传感 器,并合理设计其外围电路。 ( 3 ) 从经济角度考虑,要求传感器的性能良好、经济耐用、调试维修方便。 鉴于传感器的重要性,针对要监测的具体参量对传感器提出了以下的技术要求: ( 1 ) 能检测出反映设备状态的特征量,工作频率宽,有良好的静态特性( 包括 线性度、灵敏度、分辨率、精确度、稳定度和迟滞性) 和动态特性( 包括阶跃响 应、正弦响应和动态响应等) 。 ( 2 ) 对被测设备无影响或很微弱,吸收待测系统的能量小,和后续单元能很好 地匹配。 ( 3 ) 可靠性好,寿命长。 本文采用宽频电流传感器系统”,该系统由宽频电流传感器和宽频放大器组 成。 传感器基于r o g o w s k i 线圈原理,采用磁耦合方式工作,因此检测回路与高压 回路之间无直接电联系,非常适用于现场监测。根据变压器的特点,传感器安装在 变压器套管末屏、中性点、铁心接地线及变压器外壳接地线上,如图2 2 所示为双 绕组变压器传感器安装图,图2 3 为三绕组变压器传感器安装图。对于其它类型的 变压器可参照上述方法设置。 沈mt j k 大学硕士学位论文 却净号学 图2 ,2 双绕组变压器传感器安装图 图2 ,3 三绕组变压器传感器安装图 传感器具有如下性能: ( 1 ) 在较宽的频带上具有平坦的幅频响应( 3 d b 带宽为l o k h z 2 0 m r t z ) : ( 2 ) 响应速度快( 建立日, j - 问为t l s 数量级) ; ( 3 ) 灵敏度高( 可测量最小局部放电脉冲的幅度为2 m v ) ; ( 4 ) 线性度好,输出失真小( 局部放电脉冲幅度为2 m v 4 0 0 0 m y 无失真) : ( 5 ) 安全可靠( 安装在中性点零电位处,具有良好的固定、屏蔽) 。 因此,本文所选择的宽频电流传感器系统及其安装设置,不仅可以实现局部放电 信号采集,而且具有较强的抗干扰性能,可满足变压器局部放电信号现场测量的实际 需要。 沈阳工业太学硕士学位论文 2 2 前置放大电路的设计 由于传感器输出的放电脉冲幅度较小( 约为几m y ) ,其中含有大量的工频、静电 及耦合等共模干扰,必须加一个前置放大器对信号的幅度进行精确放大,才能够满足测 量系统对信号的要求,所设计的放大器要有高的输入阻抗,以减少导通电阻的影响。 通常为提高放大电路的精度,一般采用集成运放来设计前置放大器。集成运放的开 环放大倍数高( 一般高达1 0 4 ) ,集成度高,由它构成负反馈放大电路时,其电压放大 倍数仅仅取决于外接电阻之比,与运放参数无关。因此采用集成运放为主要元件来组成 的前置放大器,其特点是增益和共模抑制比都很高,而失调电压、失调电流、温漂和噪 声都很小,是一种通用性较强的放大器。 集成运放构成的放大电路有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低失调电压的优 点,但是电路中的电阻应精心选择,使电路满足对称要求。然而由于工艺等差异造成阻 值很难选取,如果电路不能达到对称,将会给电路的性能带来很大的影响,这不但不便 于调试,而且不便于制造。为此,本文直接采用集成放大器来设计前置放大系统。在 众多的集成放大器中,我们选用了i n a l 0 3 。i n a l 0 3 是低噪音、失真小、带宽范围大的 差动放大器,当增益为1 0 0 0 时,它的带宽达1 0 0 m h z ,所以具有很好的动态响应能 力,不需要外接精密的匹配电阻。它使用方便,综合性能指标好,非常适合于小信号的 放大。图2 4 是其内部结构原理图。 啪。,。o 豁j 豁 t 图2 4i n a l 0 3 内部结构图 沈阳工业大学硕士学位论文 该放大器提供了标准的1 0 0 倍固定增益选择端,连接6 、1 4 管脚可获得稳定的1 0 0 倍增益;另外连接6 、1 3 脚可获得任意增益。为改善共模抑制的驱动端和电压调节端, 共模抑制能力大于11 0 d b ,具有宽的电源电压范围,输入阻抗达6 0 m 欧姆。在测量中 其典型的接法如图2 5 所示。 图2 5i n a l 0 3 的基本配置 由以上分析可知,在前置放大器的选择中尽量采用单片集成的运算放大器,因为其 较用单个运放组成的放大器具有更好的综合性能指标,并且电路连接简单,增益稳定, 所霞豹外围器件较少,在价格上又比由单个运放组成的测量放大电路低廉,所以其具有 很高的性能价格比。特别是在局部放电测量这种工作环境恶劣的条件下,采用分立集成 运放组成的放大电路容易受到来自外部的耦合干扰,所以在保证性能的前提下最好选用 单片集成运放。 2 3 抗混叠滤波电路的设计与实现 传感器在现场采集的信号不可避免地要受到来自外界的电磁干扰信号的影响,而传 感器和放大电路本身也可能产生一些噪声信号,严重时待测信号将被淹没。若直接将信 号输入采样保持器,将使采样得到的数据出现误差,严重时甚至于得不出正确的结论。 为此我们需要划。采集的信号进行滤波处理,抑制杂散干扰信号,提高系统的信嗓比。 对一个模拟信号的时间和幅度进行离散采样可以用图2 6 来表示。 沈阳工业大学硕士学位论文 y ( t ) 图2 6 模拟信号离散采样示意图 首先假定信号的有用频率分量从直流至九,对这样的信号进行采样称为奈氏采 样,或者称为基带采样。我们用离散的时间间隔加以选择,以确保原始模拟信号的复现 精度。很显然,采样速率厂r 越高,数据的复现精度也就越高。但是,采样速率低到什么 程度会导致信号关键信息的损失昵? 香农采样定理和奈氏准则回答了这个问题。 香农采样定理:为了避免信息损失,带宽为工的模拟信号必须用, 2 f a 的采样率 进行采样。 奈氏准则:如果f 2 无,镜像 信号仍然有部分与信号带宽中的信号发生混叠。该混叠的信号是无法用数字滤波的方法 加以滤除的,因此该系统的动态范围被限制在d r 的范围之内。 沈阳工业大学硕士学位论文 。j 。一j t l 一翁7 入: i i d 矗 l + 2 图2 7 抗混叠滤波器与系统动态范围的关系 由图2 7 可知,增大采样速率f 或者增大滤波器的截止频率均有助于提高系统的动 态范围d r 。同时我们也注意到,如果系统的动态范围已经可以满足应用的要求,即混 叠分量的幅度不影响系统的动态范围时,就可不必过分地追求更高性能的滤波器和更高 的采样速度。因此,当系统的动态范围给定时,恰当地在采样速率和抗混叠滤波性能之 间做出一个合理的折衷,以实现最佳的性能价格比。 滤波器的衰减斜率要求越陡,意味着滤波器越复杂。例如,对于普通的巴特沃斯滤 波器来说每个极点可以提供6 d b 一倍频程的衰减,如果希望在1 m h z 至2 m h z ( 一倍频 程) 的频率范围内实现6 0 d b 的衰减,则至少需要l o 个极点。因此,当需要较陡的衰减 斜率,同时又希望有平坦的通带特性和线性的相位响应时,可以选择椭圆滤波器作为抗 混叠滤波器。 综上所述,设计者可以首先按2 至4 倍的正选取正,然后再根据系统所需的动态 范围决定抗混叠滤波器的参数。如果所选的参数受所设计系统的性能和成本的限制而不 能实现时,再考虑进一步提高采样速率或者更换速度更快的数模转换器“2 。 基于上述原则,本文选用低噪声的l t c l 5 6 6 。l t c l 5 6 6 是具有1 2 d b 通带增盏的7 阶连续时间低通滤波器,采用单- - + 5 v 电源供电。在15 倍截止频率处衰减是4 0 d b ,频 率超过1 0 m z 时衰减至少是6 0 d b 。同时它具有低的偏移,特别适合于数据采集的抗混 叠滤波。其频率响应如图2 8 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 盂 :里 弭 卿 图2 8l t c l 5 6 6 频率响应 由于l t c l 5 6 6 是双端输入,而所选用的放大器是单端输出,所以需要将其变为双 端输入,下图是采用两个放大器将单端信号交成双端信号的具体电路。 图2 9l t c l 5 6 6 应用电路 2 4 高速a d c 与f i f o 的选择及外围电路设计 2 4l 采样芯片的选择与设计 经放大和滤波处理的信号需要数字化后才能进一步的处理。由于局部放电信号持续 时间短,速度快,因此从精度及速度方面权衡,本文采用了美国a d 公司的a d 9 2 2 4 。 伸o m埘珊埘砌书埘m 沈阳工业大学硕士学位论文 a d 9 2 2 4 是高性能的1 2 位、最高采样率为4 0 m s p s 模数转换器。它具有片内高性能采 样保持放大器和电压参考。,在单一+ 5 v 电源下,它的功耗仅为3 7 6 m w ,信噪比与失 真度为0 7 d b 。且具有信号溢出指示位,并可直接以二进制形式输出数据。同时对输 出错误进行逻辑纠正,以保证在整个工作温度范围内不失码。“州。a d 9 2 2 4 的接口十分 方便,其内部结
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