（电气工程专业论文）变压器局部放电定向耦合监测系统及抗干扰技术研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t o n l i n ep dm o n i t o r i n go fp o w e rt r a n s f o r m e ri sp r e s e n t l yt h er e s e a r c hh o t s p o ti n t h ea r e ao fh i 酿v o l t a g ei n s u l a t i o nm e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i s d u et ot h ew e a k n e s so f p ds i g n a l sa n db i g n e s so fi n t e r f e r e n c e s ，t h ee x t r a c t i o no fp dp u l s e sf a c e sm a n y d i f f i c u l t i e s t h ed e v e l o p e dt e c h n i q u e s ，w i t h , s o m ea c h i e v e m e n t ，h a v en o tm e tt h e d e m a n do fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ny e t a n da c c o r d i n gt h ed e m a n do fe n g i n e e r i n g ， o r i e n t e d c o u p l i n gf o rp do n l i n em o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e r sh a v eb e e nd e v e l o p e da n d h a v eb e e nr e s e a r c h e d w eh a v el o t so fw o r k ： f i r s t l y ，c u r r e n ts e n s o r , w h i c hi su s e di nt h es y s t e mo fo r i e n t e d - c o u p l i n gf o rp d o n l i n em o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e r st r a n s f o r mf u n c t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l to ft h e c u r r e n ts e n s o ra r ea c h i e v e db ye q u i v a l e n tc i r c u i ta n de m u l a t i o n c h a r a c t e ro ft h e f r e q u e n c ya n ds e n s i t i v i t ya r ea n a l y s e d i ti ss a f ef o rb i gp o w e rc u r r e n ta n dl i g h t n i n g c a r t e n t s e c o n d l y ，t h es y s t e mo fo r i e n t e d c o u p l i n gf o rp d o n l i n em o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e r s i sd e s i g n e d t h ec u r r e n ts e n s o r , f i l t e r i n g - a m p l i f y i n gc i r c u i ta n ds i g n a ls a m p l i n gc i r c u i t a r ed e v e l o p e do no u l o w n ；t h es o f t w a r es y s t e mc o m p l e t e st h ef u n c t i o n so ft h e 王l i g h a c c u r a c ys i g n a ls a m p l i n g , t h ec o n v e n i e n ta n df a s td a t ai n q u i r i n ga n dt h es a f ea n d s t a b l et r a n s i t i n go fd a t a t h eh a r d w a r eo fs y s t e mi sd e s i g n e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h ed i s t u r b i n gs i g n a l ，t h em e t h o do fr e m o v i n g i n t e r f e r ei sd e s i g n e d t h et h e s i sc h o o s e si i rf i l t e rt or e m o v en a r r o wb a n dn o i s ew h i c hi s t h em a i ni n t e r f e r ei np dm o n i t o r i n gs y s t e m t h eb e s tw a v e l e ti sc h o o s e dt or e m o v e w h i t en o s e ，p u l s e t r a i na n a l y s i si su s e dt or e m o v ep u l s e s i ti sd e t e m i n e dt h a tt h em e t h o d o f r e m o v i n gi n t e r f e r ee f f e c t sw e l lt h o u g ht h ea n a l y s i n go fp u t t i n gt ot e s t a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n to fo f f - l i n et ot h e1 群m a i nt r a n s f o r m e ro fq i j i a n g p o w e rs t a t i o n ，t h ed a t ao ft h eo n l i n em e a s u e t m e n ti sc o m p a t i b i l i t yw i t ht h ed a t ao ft h e o f f - l i n e i ti sd e t e r m i n e dt h a tt h es y s t e mo fr e m o v i n gi n t e r f e r ee f f e c t sw e l lt h r o u g ht h e a n a l y s i so f d a t ai ns i t e s i g n a l t o n o i s er a t i oi si n c r e a s e d i ti sg e n e r a l i z e df o re n # n e e r i n ga n dp a t e r n i t yt e s t k e y w o r d s ：p o w e rt 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( p d ) ， c u r r e n t s e n s o r ， o r i e n t e d - c o u p l i n g , o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：扒争、让 签字日期：钆形6 年f 凋年日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被佥阅和借阅。本人授权重迭丕堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、_ 7 r ：编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、，) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：讥 提 导师签名 掺宁日朗： y 为年f p 月眵日 b 协 签字日期：西矶年c 砂月日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 变压器局部放电在线监测的意义 随着国民经济的迅速发展，我国对能源的需求，特别是对电能的需求不断增 加。电力系统电压等级的提高使电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的 大型电气设备( 如发电机、变压器) 和小型设备( 如电力电容器、绝缘子等) 一 旦发生故障就会引起局部甚至全地区的停电，给国民经济其他部门的生产和运作 造成严重的不良后果。为了保证电气设备绝缘安全可靠运行，一方面要采用良好 的绝缘材料，改造制造工艺来提高设备的绝缘强度和质量，更重要的一面，就是 要对运行中电气设备的绝缘状况进行监督，随时掌握设备的运行情况【啦i 。 因电力系统容量的扩大及系统电压等级的提高，电力变压器趋于大型化，例如 5 0 0 k v 电压等级的变压器容量已经达到1 5 0 0 m v a 。大型电力变压器的造价是相当 昂贵的，如一台2 2 0 k v ，1 2 0 m v a 的电力变压器，目前的价格就已达到6 0 0 多万 元，一旦发生故障，不仅直接经济损失很大，而且电力供应中断，引起的间接经 济损失更是无法估计。国外统计资料表明( 见表1 1 示) ，电压越高，容量越大， 则其故障率也越高，修复时间越长，经济损失也越大，因此，电力系统中必须可 能确保大型电力变压器的安全可靠运行。 表1 1 国外统计资料 t a b 1 1s t a t i s t i c a ld a t af r o mf o r e i g nr e f e r e n c e 电压等级( k v )平均年故障率( )平均修复时间( 月) 3 0 0 2 01 - 2 3 0 0 - 5 0 02 9l - 4 7 0 06 37 - 9 大型电力变压器是电力系统中最重要，最昂贵的设备之一，对变压器实施绝 缘状态监测具有十分重要的意义。据统计，我国l l o k v 及以上电压等级的大型变 压器的事故中5 0 是匝绝缘事故，且几乎都是在正常工作电压下损坏的【“。变压 器的内绝缘结构主要是油纸绝缘，变压器在工作电压下的局部放电是使油纸绝缘 老化并发展到击穿的重要因素p j 。油纸绝缘中的局部放电往往是从其中的气泡、杂 质、导体表面的毛刺以及油隙等处开始发生的。导致变压器绝缘中产生气泡的因 素主要有：一是变压器绝缘结构和制造工艺上的缺陷，如在变压器固体结构中由 于浸渍不善而残留的气泡，或局部电场过高，油在高电场作用下析出气体，局部 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 过热使固体和液体分解产生气体等；二是变压器在长期的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汽化成气泡，或水分在高电场作 用下电解产生气泡。由此可见，局部放电既是变压器绝缘劣化的征兆，又是变压 器绝缘劣化的原因，测量局部放电能有效地发现变压器内部绝缘的固有缺陷和因 长期运行使绝缘老化而产生的局部隐患。因此，国内外普遍认为测试局部放电是 能够及时发现变压器潜伏状故障的重要手段。 变压器运行的可靠性首先要在制造技术上加以保证，其次要建立合适的可靠 性评估体系，根据评估结果对设备进行合理地维护。变电站状态检修及更新的 策略专题报告指出检修可采取三种策略：1 ) n 正性检修( c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ， 简称c m ) 即在功能失效后对设备执行部分修理，拆修或全部更换等作业；2 1 定期 检修( t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ，简称t b m ) 即设备状态无关的，按预先决定的时间间 隔执行的预防性检修；3 ) 状态检修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ，简称c b m ) ，根 据设备状态而执行的检修1 4 1 。显然，与前面两种策略相比，根据状态进行检修具有 针对性强、快速灵活、费用低廉等特点。 我国电力行业长期采用绝缘预防性试验和定期大小修制度，发现了许多缺陷， 减少了事故的发生，对于电力系统的安全运行起到了一定的作用，但从长期的实 践证明，离线试验在防止电力设备事故方面也有其局限性和不足。另外，定期大 小修和绝缘预防性试验均需停电离线进行，试验时问长，工作量大，同时在检修 过程中有可能造成变压器损伤。因此，有必要开展对变压器的在线监测。 现代科学技术的发展，特别是传感器技术、信息处理技术、计算机技术的发 展，使得人们对电力变压器的运行状态进行实时的监测成为可能，据此，与计划 性维修相对应，人们提出了“状态维修”的概念。作为状态维修的技术基础，电力 变压器绝缘在线监测技术受到了高度的重视，成为了当今高电压技术研究领域的 新课题。电力变压器绝缘在线监测技术是采用高灵敏度的传感器来采集能反映运 行中电力变压器绝缘信息，用计算机来处理信息进而获得变压器的绝缘状况，它 具有如下优点：在线监测能及时发现变压器的早期缺陷，防止突发性事故的发 生，提高设备运行的安全性和可靠性；可减少不必要的停电试验，避免传统试 验对变压器由于“过度检修”而造成的损失，延长了变压器的使用寿命；在线监 测可以获得离线检测无法得到的信息，为判断变压器的运行状态提供了充分的信 息；因此，以在线监测为基础的状态维修体系代替计划维修体系已经是发展趋势。 据日本有关资料报道，由于变压器运行状态在线监测及故障诊断技术的应用，使 每年维修费用减少2 5 一5 0 ，故障停电时间减少7 5 。 2 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 2 变压器局部放电在线监测技术的研究的现状 局部放电的测量是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象 的物理量来表征局部放电的状态。局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能 的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、发光、发热以及出现新的生成物等。 因此，与这些现象相对应，局部放电的检测方法可分为非电测量法和电气测量法 两大类。 随着局部放电自动化测量技术的发展，现代传感器技术、信号处理技术、电 子技术、计算机技术以及人工智能技术和现代数学方法被引入这一研究领域，并 为局部放电测量技术的发展起到了推动作用。局部放电测量中应用的新技术可以 归纳为传感器技术和抗干扰技术两个方面。 1 2 1 非电测量法 局部放电的过程，除了伴随着电荷的转移和能量的损耗外，同时也产生声波、 光、热以及新的生成物等非电信息。通过测量这些非电信息来检测局部放电的方 法属于非电测量法。 ( 1 ) 光检测法 放电过程会放出光子而发光，不同性质的放电发出的光波长不同，如较弱小 的电晕放电所发出的光波长不超过4 0 0 n m ( 主要在紫外光区) ，而较强的火花放 电发出的光波长可超过7 0 0 n m ( 主要在可见光区) 。对于透明的绝缘介质( 如聚 乙烯电缆) 内部发生的局部放电，可以采用光电子技术测量伴随局部放电产生光 的强度，但通常灵敏度较差，对于检测暴露在外面的表面放电和电晕放电较为适 宜。 光检测传感器是利用局放产生的光辐射进行的【1 2 , 1 3 l 。在变压器油中，各种放电 发出的光波长不同，研究表明通常在5 0 0 7 0 0n m 之间，光通过光纤进行光电转换 后，通过检测光电流的特性可以实现 局放的识别。虽然在实验室中利用光 测法来分析局放特征及绝缘劣化机 理等方面取得了一定进展，但由于光 测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需 要被检测物质对光来说是透明的，因 而在实际中应用困难。 ( 2 ) 超声波检测法 局部放电时将伴随着声发射现 象，超声波法【5 - 1 1 1 即是利用压电传感 器把局部放电的声波信号( 主要是超 图1 1 光纤传感器测量系统图 f i g 1 1t h em e a s u r i n gs y s t e mo fo p t i c a lf i b e rs e n s o r 3 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 声波号) 变成电信号，以达到检测局部放电的目的。这种方法还能确定局部放电 点的位置。由于高效声电换能器的出现，局部放电超声检测成为可能。在检测系 统中，超声波传感器是最为重要的部分。超声波传感器( 或称超声波探头) 通常由压 电元件、前置放大器、滤波器、屏蔽壳等部分组成。其中压电元件的正确选择对 于超声波传感器的灵敏度有重大影响。 利用光纤形变传感器也能测量 局部放电产生的声波强度。图1 1 显示的是一种伸入到变压器油中检测变压器内部 局部放电的光纤形变传感器，当局部放电产生的声波在变压器内的油中传播，所 产生的机械压力波挤压光纤传感头并引起光纤传感头变形，导致光纤中的光路长 度的变化。当光从外部输入，将通过的光波调制和适当的解调即可测量出形变的 程度，从而进一步计算出声波强度。 ( 3 ) 红外测量法 局部放电产生的热会使电气设备绝缘局部放电区域的温度升高，因此测量这 种温度变化能够确定局部放电的程度和位置。这种方法可以采用红外摄像仪检测 出这种微弱的温差【1 4 , 1 5 l 。但是由于造成温差的原因很多，这种方法测量的可靠性 较差。 ( 4 ) 化学检测法【1 9 】 绝缘材料在局部放电作用下，会发生分解，因而产生各种新的生成物。因此， 可以通过测定这些生成物的组成和浓度，来表征局部放电的程度。如在封闭空间 内，有表面空间放电时，可以测定其中的臭氧的含量来判断局部放电；在s f 6 气体 绝缘中，可以通过测定f 的含量来判断局部放电；目前最广泛应用的，是在矿物 油绝缘设备中，萃取油中分解出的微量炭氢类气体，用色谱分析法确定其组成和 浓度，以判断局部放电的状态。 1 2 2 电测量法 目前普遍采用的是电气测量法，并且随着新技术的应用，逐渐向超高频、超 宽频带测量方向发展。而且测量的方式也逐渐从离线测量到在线测量，从人工分 析到借助于计算机的自动分析、智能诊断发展。 ( 1 ) 传统的局部放电测量方法脉冲电流法 脉冲电流法【扯驯是通过测量阻抗在耦合电容侧或通过罗戈夫斯基线圈从电力 设备的中性点或接地点测取信号。在产生一次局部放电时，试品两端产生的一个 瞬时电压变化就耦合在检测阻抗上，回路中就会产生脉冲电流，通过将脉冲电流 流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示等处理，就可测定局部放电 的一些基本量，特别是视在放电量。与非电测量方法相比，脉冲电流法具有不少 的优点：1 ) 放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征( 如d q 一， 4 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 谱图) 和实测的波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣 化的状况及其发展趋势：2 ) 对于突变信号反应灵敏，易于准确及时地发现故障； 3 ) 具有较有效的校准方法，易于定量，因而得到广泛的应用。目前国内外比较成 熟的局部放电检测装置普遍采用这种方法。 ( 2 ) 超高频( u h f ) 测量 超高频测量是与超宽频测量同步发展的，其测量的中心频率通常在几百m h z 、 带宽为几十m h z 。通常，超高频范围内( 3 0 0 - 3 0 0 0 m h z ) 提取局部放电产生的电 磁波信号，包括电气设备外部引线上电晕在内的外界干扰信号几乎不存在，因而 检测系统受外界干扰影响小，因而能较有效地抑止外部干扰和提高信噪比。目前 超高频测量已用于g i s 、电缆和发电机的局部放电测量中，并取得了较好的效果 3 3 - 3 s l ，而且开始尝试将该方法应用于变压器的局部放电检测中。u h f 法的关键技 术在于传感器的灵敏度。在实际应用中普遍采用超高频天线作为传感器，在实验 室中具有较高的灵敏度。 ( 3 ) 超宽频带( u w b ) 测量 七十年代末，研究者就开始尝试采用超宽频法【3 1 j 2 i 来测量电力设备中的局部放 电。超宽频法测量具有不少明显的优点：1 ) 测量传感器的带宽通常可达到g h z 数量级，信号中包含更多的信息，利于反映放电信号的真实波形，可对局部放电 的机理和过程有更深的理解；2 ) 局部放电脉冲的能量随带宽的增加而增大，测量 的灵敏度有所提高；3 ) 有可能从识别单个脉冲波形的角度来抑止外部干扰。 在测量传感器频带展宽、测到的局部放电信号增强的同时，也使叠加的干扰 信号增强、展宽，抗干扰仍然是超宽频带检测的难题。因此，目前超宽频带主要 用于在屏蔽较好的实验室中研究局部放电的机理和特性。在实验室中，通常采用 无感电阻耦合信号，通过数字示波器记录信息，以研究局部放电信号的本质特性。 总的来讲，电测法的灵敏度比非电测法的灵敏度高；相对于某些非电测法( 光 检测法等) ，电测法系统造价相对较低；相对于某些非电测法( 化学检测法等) ， 电测法可以更好的满足实时监测的要求。在电测法中，超宽频测量法还没有较好 的抑制现场噪声干扰的方法，目前只适用于实验室中研究局部放电信号的本质特 征；超高频测量法近年来刚刚开始起步，并没有形成一套完善的标准，特别是对 局部放电量还无法标定，因此还无法满足在线监测的要求；脉冲电流法由于上述 介绍的各种优点近年来得到最大量的应用，同时由于i e c 2 7 0 标准的形成，使得该 方法具有了一定的权威性，配合以下将要介绍的新技术，该方法将拥有很好的应 用前景。 1 2 3 传感器技术 传感器是将反映设备状态的各种物理量，诸如热、机械力、电、化学等等各 5 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 种能量形式的信息监测出来，是监测诊断的第一步，也是很重要的一步，它直接 影响着监测技术的发展。由于电信号容易进行各种处理，故不论这些物理量是电 量还是非电量，一般都是通过传感器转换为电信号后送至后续单元。常用的电传 感器有以下几类： ( 1 ) 罗氏线圈类传感器 这种类型的传感器广泛用于在线监 测技术【3 9 1 。这类传感器是原边为一匝的 电流互感器。监测时将圆形或方形磁芯 ( 也可用两半部分对接形成磁路) 穿过 待测设备的接地线或其它导线上，如图 1 2 所示。磁芯材料可以是有机绝缘材料， 也可以是相对磁导率在数千的铁氧体。 传感器最高响应频率可以达到数兆赫兹。 图1 2 罗氏线圈结构图 f i g ，1 2t h es t r u c t u r eo fr o w k o v s k is e n s o r 铁氧体芯棒线圈通常与一个小电阻并联 构成一个自积分回路，传递函数在较宽的频带范围具有平坦的幅频特性和微小相 移的相频特性。由于有机绝缘芯棒材料相对导磁率为1 ，绝缘芯棒线圈通过增加匝 数来获得较大的电感，并且线圈两端并联电阻和电容，电容与线圈电感构成谐振 回路，对检测信号具有选频作用，电阻起阻尼作用，以提高传感器的脉冲分辨率。 测量信号的时候，输出信号e o ) 的幅值和待测电流f 的幅值成正比。 另一方面，对于铁氧体芯棒线圈，当检测电流中混有较强的工频大电流时， 铁氧体芯棒磁饱和，输出电压波形严重畸变，因此必须考虑一定措施予以避免。 ( 2 ) 超高频( u i - w ) 传感器 电气设备绝缘中的局部放电的放电持续时间一般在1 0 母一1 0 - 7 秒，脉冲宽度为纳 秒级，其频率分量可达i g h z 。因此，检测频带可达5 0 0 m h z 1 g h z 的局部放电超 高频检测方法得到重视，近年来已有g i s 和大型发电机的超高频局部放电检测系 统的出现。 在超高频范围内( 3 0 0m h z 一3 g h z ) 检测局部放电信号，包括电气设备外部 引线上电晕在内的外界干扰信号几乎不响应，因而检测系统受外界干扰影响小， 可以极大地提高变压器局部放电( 特别是在线监测) 的可靠性和灵敏度。 超高频检测传感器通常为各种超高频天线，如阿基米德平面螺旋天线。传感 器性能的好坏直接影响到信号的提取，进而影响到放电的识别。在g i s 中，由于 其结构特点，电磁波在其中以波导的方式传播，有利于局部放电信号的检测，因 而该方法在g i s 局部放电在线检测中占有极为重要的地位，其灵敏度可达到l p c 。 超高频检测法在电机、电缆中也有较成功的应用，有的已形成产品。对电力变压 器而言，局部放电发生在变压器内的油一隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性， 6 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 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。 1 2 4 抗千扰技术 变压器局放在线监测中，与局部放电信号一起通过传感器进入监测系统的干 扰信号，按照波形特征可分为：周期性干扰信号、随机脉冲干扰信号和白噪干扰。 周期性干扰信号又分为连续性和脉冲性两种，如广播、通信、谐波等信号的干扰 一般呈正弦波，为连续性周期干扰，也称窄带周期干扰；而可控硅开、闭时产生 的脉冲干扰信号则周期地出现在工频的某相位上，为周期性脉冲干扰。针对干扰 信号特征和性质的不同，需采用不同的措施抑制不同的干扰。 抗干扰技术主要是从两个方面进行发展：第一，从硬件的角度着手，根据具 体情况设计特定参数的传感器，提高传感器的检测灵敏度并避开特定干扰频带， 或者设计专门的抗干扰电路，从而达到硬件抗干扰的目的。通过选择不同的信号 检测点，人为构造差模信号，通过硬件差模放大，达到抑制外部脉冲干扰、提高 内部信号信噪比的耳的。第二，从数字信号处理的角度入手，通过丰富的数字信 号处理手段对已经离散化的信号进行处理。近年来由于数学工具的快速发展，这 种处理方法从传统的傅立叶变换、有限冲击响应( f m ) 滤波器、无限冲击相应( i i r ) 滤波器发展到了现在的小波处理方法、小波包处理方法以及复小波处理方法。 1 、硬件抗干扰方法 硬件抗干扰电路具有实时和快速的特点，在局部放电在线监测中有所应用， 主要方法有： 1 ) 时域开窗法：这种方法是针对一些已知的且相位固定的干扰，运用电子技 术不予采集或置零，从而达到去除干扰的目的，如用于局部放电测试的椭圆显示 仪就是在时域开窗的【1 9 1 。 2 ) 极性鉴别法【捌；这种方法由h a s h i m o t o 提出，在1 9 7 5 年b l a c k 将其应用 于局部放电测量。该方法的基本原理是，局部放电信号在电气设备内部形成的回 路中传播，经传感器输出极性相反的脉冲，而外部干扰信号经传感器输出时脉冲 极性相同。这种方法要求脉冲通过设备的两个等效回路后波形保持基本相同且相 互没有时延，才能取得显著的抑制效果。 3 ) 差动平衡法1 2 1 ) ：这种方法的基本原理与极性鉴别法相似，主要用于抑制共 模干扰。它要求两路共模信号的相位、波形完全一致，才能获得较好的抑制比。 文献【2 2 l 提出“平衡对”的概念将此法进行了改进，对干扰进行抑制的同时可以获得 局部放电脉冲的幅值和个数。 4 ) 定向耦合差动平衡法f 捌：这种方法是用罗氏线圈作电流传感器分别从高压 7 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 套管和套管末屏接地线上同时耦合信号，当外部干扰进入变压器时，两个传感器 上耦合的信号极性相同，而变压器内部产生局部放电时，两传感器则测到极性相 反的信号，将两传感器耦合的信号送入差动平衡系统，干扰信号由于互相抵消而 得到抑制，局部放电信号却由于相加而得到加强。 以上4 种方法都存在对波形一致性和信号间时间差的严格要求，但是现场环 境中很难满足以上条件，往往难以达到预期的效果。 2 、数字化抗干扰方法 虽然硬件抑制的方法可以取得一定的抑制效果，但是现场干扰千变万化，利 用硬件方法难以达到理想的效果。数字滤波技术的快速发展，使得抗干扰技术迅 速向数字化方向发展。 1 ) f f r 阀值滤波法：主要用来去除周期性窄带干扰【5 3 列。该方法首先对信号 进行f f t 变换，得到信号的频谱分布，而后在信号的频谱上设- - 1 7 限值，把所有 的大于门限的值置零，可方便地去除窄带干扰。此方法的缺点是门限的选取非常 困难，尤其在现场条件下，干扰信号随时间不断变换，门限就更难确定。另外， 由于n 叩计算量与n ( 1 0 9 9 y ) 成比例，计算时间也较长。但由于该技术实现简单， 目前仍被广泛采用。 2 ) 有限冲击响应( f i r ) 滤波法：主要设计一带通滤波器，滤波器的频带范 围根据现场干扰的情况事先确定。该方法不仅可以去除周期窄带干扰，也可以去 除部分白噪干扰p j 。但是由于应用中对f i r 滤波器的阶数要求较高，计算时间过 长，且频带范围需要事先确定，只能适用于特定的现场情况，当现场的载波通讯 等干扰的频率变化时，就必须改变滤波器的参数，因此这种方法难以推广。 3 ) 无限冲击响应( i i r ) 滤波法：该方法的优点是干扰抑制比高，波形畸变少， 应用效果比较好，印度学者v n a g e s h 于1 9 9 3 年从干扰抑制比、波形畸变等方面， 对各种局放在线监测中的抗干扰技术作了综合评价，认为该方法最佳【5 酊。但是该 方法在实际运用中，同f f r 阀值滤波一样存在干扰频率难以确定、计算时间过长 等缺点。 4 ) 卡尔曼滤波法1 57 j 该方法主要用来去除周期窄带干扰，其主要的缺点是滤 波后的局放信号能量损失较大，波形严重畸变；算法中涉及矩阵运算，计算时间 也比较长，因此该方法很少被应用。 5 ) 信号相关法1 3 0 j 1 1 ：该方法主要用来去除周期性脉冲干扰，其基本原理是根 据局部放电信号同周期性脉冲干扰在发生位置、波形及幅值等方面具有不同的相 关度来去除周期性脉冲干扰。相关分析既可在频域上进行，也可在时域上进行。 无论是信号的时域波形还是频域波形都包含着信号的全部信息，但有些信号， 如周期性信号，频域特征明显；有些信号，如离散性信号，时域特征明显；而更 8 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 多的信号，如局部放电信号，单从时域或频域来分析，往往只能了解信号的部分 特性，只有同时从时域和频域两方面来看，才能对信号有更清晰和全面的了解。 各种时一频分析方法，特别是近几年发展起来的小波分析为局部放电去噪研究提 供了新的强有力的工具 3 2 ，3 3 ，3 4 1 6 ) 小波方法【3 】：小波和傅立叶算法相比，同时具有时域和频域的局部化能力， s m a l l a t 将计算机视觉领域内多分辨率分析的思想引入到小波分析中，提出了多 分辨率分析的理论，并给出了数学描述。在不同分辨率下对信号的逼近可以通过 对l ，( n 为维数) 平方可积空间序列的投影来实现，而且得到的信号细节恰好 是按小波基展开的。 7 ) s m a l l a t 在小波分析的基础上分析了信号沿不同尺度的传递特性，提出了 一种有效去除白噪声的模极大值法。其主要思路是：信号和白噪声具有不同的小 波分析特性，白噪声的模极大值点随尺度的减小急剧增加，信号的模极大值点随 尺度变化不大，在某一尺度上较大的模极大值点为主要信号的；根据模极大值的 传递特性，保留信号对应的模极大值点，通过反变换即可获得去噪后的信号。 1 3 本论文主要研究内容 根据上述变压器局部放电在线监测的现状及其存在的问题，本文从工程应用 的角度出发，针对局部放电信号的提取，对变压器局部放电在线监测系统进行了 研究，主要完成以下工作内容： ( 1 ) 研究并设计用于变压器局部放电定向耦合在线监测系统的电流传感器， 并对其进行理论和仿真研究。分析各参数对传感器频率特性及灵敏度的影响，对 传感器的安全可靠性进行核算。 ( 2 ) 设计变压器局部放电定向耦合在线监测的前置系统、数据采集系统和控 制软件，实现现场监测的信号放大、长线传输和数据采集功能，完成系统的硬件 设计工作，应用于电力变压器工作现场。 ( 3 ) 根据现场监测中白噪、窄带周期干扰、脉冲干扰的特点，研究综合去噪 方法，要实现基于二阶级联i i r 陷波器、逐层最优小波去噪方法、基于定向耦合的 脉冲序列分析方法的去噪算法，并且要设计去噪软件，通过仿真信号和实验室试 验信号分析，验证该综合去噪算法是否对混合干扰具有良好的抑制效果。 ( 4 ) 通过重庆电力公司綦江变电站1 # 主变压器局部放电离线测试，把离线 试验结果与在线监测系统测量结果进行对比，得出试验数据与监测数据是否具有 一致性；同时通过对现场监测数据的分析，验证去噪软件的去除现场干扰的效果。 9 重庆大学工程硕士学位论文2 局部放电监测电流传感器特性及可靠性分析 2 局部放电监测电流传感器特性及可靠性分析 2 1 引言 目前，在线监测局部放电一般采用的带铁心罗氏线圈或高频电流互感器。罗 氏线圈与被测变压器仅有磁耦合，而无电气连接，符合在线监测的要求，实际应 用中以罗氏线圈作电流传感器的较多。空心的罗氏线圈用于检测局部放电的研究 较少，但由于其有较好的运用前景，已引起人们的重视。研究表明，空心的罗氏 线圈用于在线监测局部放电时，不适合采用自积分回路而应采用调谐振荡电路， 振荡回路由线圈外并电容、电阻构成，电阻的作用是获得一定的脉冲分辨时间。 由于空心罗氏线圈的频带很宽，故传感器的中心检测频率( 即谐振频率) 可在较 宽的范围内变化。因此，需要对电流传感器进行特殊设计，选择适当的监测频带， 以提高监测的灵敏度和抗干扰能力。 因此，本章运用s a b e r 作为仿真工具，根据电流传感器的基本原理，建立仿真 模型，通过仿真研究了传感器各参数对其频率特性的影响；结合现场情况和工程 应用的实际要求，分析了传感器的安装形式以及可靠性与安全性。 2 2 离线检测回路及检测阻抗 传统的定期离线局部放电测量主要采用标准无晕电容器和检测阻抗作为传感 器。图2 1 就是一个典型的局部放电脉冲检测电路，图中c ，为试品电容，c 。为耦 合电容，z 。为检测阻抗，u 。( f ) 是试品c 放电瞬间，在检测阻抗z 。上产生的脉冲 电压。检测阻抗z 。的具体实现形式有r c 型及r l c 型两类，如图2 2 所示。 图2 1 典型的局放脉冲检测电路 f i g 2 1at y p i c a lp a r t i a ld i s c h a r g ep u l s ed e t e c t i o nc i r c u i t 1 0 重庆大学工程硕士学位论文 2 局部放电监测电流传感器特性及可靠性分析 噩一 ( a ) 图2 2 检测阻抗( a ) r c 型( b ) r l c 型 f i g 2 2 d e t e c t i o ni m p e d a n c e 当试品c ，产生局部放电时，视在放电量为q ，c 。两端会产生一个脉冲电压 a u 。图2 2 ( a ) 所示r c 型检测电路中，脉冲电流经检测电容c 产生一个指数衰减 电压脉冲，时间常数屯一r c ，( c t c + e c 。) 。如果a u 是一个理想的阶跃电压， 则r c 检测阻抗输出的指数衰减电压脉冲可用式( 2 1 ) 表示。由r c 检测回路得到的 典型局放脉冲波形如图2 2 ( a ) 所示。 u f f c ( t ) 2 丽l x i i t k u e 劬。 ( 2 1 ) 而对于r l c 检测阻抗，将会产生一个阻尼振荡脉冲，当满足r ，叫( 2 c ) 时， r l c 型检测阻抗上的输出波形可用式( 2 2 ) 来描述。 u 严p ) 2 石瓦l x i i 而t k = - a u e - t l ( 2 t d ) c o s ( 甜) 从u ；。和u 严可以看出，衰减i 对f n q t 。控制两个局部放电脉冲波形的衰减，决 定了r l c 型电路输出脉冲的谐振频率。假设寄生电路参数可控，那么通过适当的 选取r 和c 的量值，可以把宽带检测阻抗的时间参数设定在纳秒级。r c 型和r l c 型检测电路的典型p d 脉冲波形如图2 3 所示。 耆。 御 ( a ) 时问( ) 图2 3 典型的局放脉冲波形( a ) r c 型( b ) r l c 型 f i g 2 3t y p i c a lp dp u l s es h a p e s 重庆大学工程硕士学位论文 2 局部放电监测电流传感器特性及可靠性分析 由分析结果可知：r c 型检测阻抗对应的是一个宽带检测系统，窄带检测系统 因其选频特性而具有较强的干扰能力，但当同时出现多个脉冲时，由于窄带检测 系统脉冲分辨率低而可能出现脉冲混叠。r l c 型检测阻抗是一个阻尼振荡型电路， 因此它对应着一个窄带检测系统，对于宽带检测系统来讲，如果选择适当的检测 回路参数并结合高速示波器，就能够在足够宽的频带范围内很好地反映脉冲的时 域波形，分辨率高，从而避免了因波形重叠引起的错误可能，但这种宽带检测系 统在实际使用中易受到外界干扰的影响。 2 3 电流传感器设计 本文设计了两种传感器用于局部放电在线监测系统，在变压器套管底座法兰 处安装一大尺寸空心罗氏线圈电流传感器t 1 ( 窄带式) ，在每相高压套管末屏接地线 上安装- - + 磁芯高频电流传感器t 2 ( 宽带型) 。 2 3 1 电流传感器的等值电路及传递函数 作者选择罗氏线圈外并电容，电阻等元件设计出两种电流传感器。罗氏线圈 的外形结构如图2 “a ) 所示，图2 4 ( b ) 为电流传感器的等值电路。 ( a ) 罗氏线圈结构( b ) 等值电路 图2 4 电流传感器的结构和等值电路 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i to fc u r r e n ts e n s o r 图中，m 为线圈的互感；l 为副边线圈的自感；原边线圈的自感很小，可忽 略不计；c 为线圈的外并电容，线圈的等效杂散电容与c 相比可忽略不计；r 为线 圈的等效电阻；r 为线圈的负载电阻：“0 ) 为由于互感产生的电势；u 0 e ) 为线圈负 载电阻上的电压，互感m 和自感l 按下式计算 m 。掣( 2 3 ) 工2 。掣 ( 2 4 ) 式中，p 是相对磁导率，是副边线圈的匝数，s 是线圈截面积，l 是磁路长度。 根据图1 历示等效电路，可以建立该电路在频域内的传递函数日) 为： 日) 2 百i i j 瓦夏j w m i r i 币i i 司 ( 2 5 ) 、。 r + r l r c 2 + f 甜( l + 尺，c i 、7 1 2 嘞 囱3 曜 墅盔堂王堡堡主堂垡鲨寥 2 局部放电监测电流传感器特性及可靠性分析 p 景。丽薪 疗吲锄错 当。兰盖时，可以得到传感器的灵敏度为： k 1 日( ) i 一一百m 丽r ( 2 8 ) 相应的谐振频率，0 一去鼍羞，由于一般r ，r ，故 ，。4 丽孑 ( 2 9 ) 2 0 4 0 ，。6 0 i 口8 0 。1 0 0 1 2 0 熄 ，o k1 0 0 9 1 0 0o g 1 m a gt o m e g f ( h z 】 ( a ) 幅频特性 ( b ) 相频特性 图2 5 线圈匝数对幅频和相频特性的影响 f i g 2 5i n f l u e n c e so fc o i lc i r c l en u m b e r o na m p l i t u d ea n dp h a s ec h a r a c t e r i s t i c s 重庆大学工程硕士学位论文 2 局部放电监测电流传感器特性及可靠性分析 图2 5 中分别是n = 2 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 匝时仿真得到的传感器幅频、相频频率特 性。从图中可以看出，在谐振点相频曲线陡然从+ 9 0 。变为一9 0 ；随匝数增多，谐 振频率逐渐减小；匝数n 越大，和m 越大，通带越宽，通带增益即灵敏度降低： 当减小时，通带减小，灵敏度增加，同时相位变化的线性度越好。 ( 2 ) 并联电容c 对频率特性的影响 并联电容c 对传感器频率特性的影响如图2 6 所示，显然随着c 的增大，谐振 频率逐渐减小，谐振点处的幅值基本保持不变。当信号频率小于谐振频率时，幅 频特性曲线是线性增加的，相频特性曲线一直保持在+ 9 0 ，在谐振点处幅频特性 曲线达到极大值，相移从+ 9 0 。变为一9 0 。 1 0 0 言 罟。 篇 1 0 0 ( a ) 幅频特性( b ) 相频特性 图2 , 6 并联电容对幅频和相频特性的影响 f i g 2 6i n f l u e n c e so fp a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t a n c eo na m p l i t u d ea n dp h a s ec h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) 并联电阻r 对频率特性的影响 由图2 7 可以看出，负载电阻r 的变化对谐振点的频率无影响，主要是影响谐 振点处的幅值。电阻尺越小，对谐振点处的谐振阻尼就越大，此处的幅值就越小， 同时r 较小可以使谐振点处的相频特性变得较为平坦；电阻r 越大，传感器的通 ( a ) 幅频特性 弋滞 、i l ? 匙 ( b ) 相频特性 图2 7 负载电阻对幅频和相频特性的影响 f i g 2 7i n f l u e n c e so fl o a d i n gr e s i s t a n c eo na m p l i t u d ea n dp h a s ec h a