（控制理论与控制工程专业论文）基于labview的变压器局部放电在线监测系统的研究.pdf

摘要 大型电力变压器是电力系统的重要设备之一 而且造价昂贵 所 以对电力变压器的维护和检修就显得非常有必要 而传统的对变压器 的检修一般是计划检修和事后检修 这样的检修方式有很大的盲目性 和强制性 通过对局部放电过程中局部放电特征参量的分析和异常征兆的 提前发现 能够较准确地评定绝缘的老化程度 从而有的放矢地在变 压器出现故障前兆时进行维护或更换 不仅有效地提高了供电的可靠 性 还降低了电力系统的运行费用 基于以上考虑 本文在广泛调研 和大量查阅文献的基础上 对变压器局部放电的超高频检测技术进行 了研究 研制了可用于变压器局部放电超高频检测的阿基米德天线 开发了基于l a b v i e w 的变压器局部放电超高频检测系统 硬件部分由 阿基米德螺旋天线 数据采集卡 信号调理电路 高频同轴电缆以及 高性能计算机组成 开发了基于l a b v i e w 的变压器局部放电超高频检 测的软件系统 针对现场存在不同的干扰 采用了分层式综合滤波处 理方法 开发了一套变压器局部放电在线监测抗干扰软件包 在实验 室对局部放电超高频信号的放电特征模式进行了实验分析和研究 该系统能够达到设计要求 抗干扰能力强 具有一定的现场应用 前景 关键词 变压器 局部放电 超高频 在线监测 虚拟仪器 a b s t r a c t l a r g e s c a l ep o w e rt r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n td e v i c e so fp o w e r s y s t e m a n dh i g hc o s t s ot h ep o w e rt r a n s f o r m e rm a i n t e n a n c ea n dr e p a i ri t i sv e r yn e c e s s a r y a n dt h et r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e ro v e r h a u lo ft h eg e n e r a l p l a ni st oo v e r h a u la n dr e p a i ra f t e rs u c has i g n i f i c a n to v e r h a u lo f t h ew a y o fb l i n d n e s sa n dm a n d a t o r y t h r o u g ht h ec o u r s eo fp a r t i a ld i s c h a r g e p d c h a r a c t e r i s t i c so ft h e p a r a m e t e r so ft h ea n a l y s i sa n dt h ee a r l ys i g n so fa b n o r m a li t yf o u n dt o m o r ea c c u r a t e l ya s s e s st h ed e g r e eo fa g i n go fi n s u l a t i o n w h i c ht a r g e t e d f o rm a i n t e n a n c eo rr e p l a c e m e n tw h e nt h et r a n s f o r m e rp r e c u r s o rf a i l u r e n o to n l ye f f e c t i v e l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c i t ys u p p l y b u ta l s o r e d u c e st h ec o s to fr u n n i n gt h e p o w e rs y s t e m a g a i n s tt h e a b o v e b a c k g r o u n d t h i sp a p e rb a s i so nal a r g ea m o u n to fr e s e a r c ha n daw i d e r a n g eo fl i t e r a t u r e t h eu l t r a h i g hf r e q u e n c y u h f p dd e t e c t i o n t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d a na n t e n n aa r c h i m e d e sw h i c hc a nb eu s e dt o d e t e c tt h eu h fs i g n a l si sd e s i g n e d am e a s u r i n gs y s t e mf o rt r a n s f o r m e r p db a s e do nl a b v i e wp l a t f o r mi sd e v e l o p e d h a r d w a r ef r o ms o m eo f t h ea r c h i m e d e ss p i r a la n t e n n a d a t aa c q u i s i t i o nc a r d s s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t s h i g h f r e q u e n c y c o a x i a lc a b l ea sw e l la s h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t e rc o m p o n e n t s as o f t w a r em e a s u r i n gs y s t e mf o 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 eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h es c e n e f o rt h ee x i s t e n c eo fd i f f e r e n ti n t e r f e r e n c ea n dt h eu s eo fl a y e r e df i l t e r i n g i n t e g r a t e da p p r o a c ht od e v e l o p as e to fo n l i n ep dm o n i t o r i n go f a n t i j a m m i n g s o f t w a r e i nt h el a b o r a t o r yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fu h f s i g n a l sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e d t h es y s t e mi sd e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ea n t i j a m m i n g a b i l i t y w i t hac e r t a i nd e g r e eo fo n s i t ea p p l i c a t i o n s k e yw o r d s t r a n s f o r m e r s p a r t i a ld i s c h a r g e u l t r a h i g hf r e q u e n c y o n l i n em o n i t o r i n g v i r t u a li n s t r u m e n t 原创性声明 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 尽我所知 除了论文中特 j j u u 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明 作者签名 尘学 娅嗍丝年上月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 盔怔哟导师签 日期 丝笪年旦月上日 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 电力变压器是电力系统中的重要电力设备之一 必须保证其安全可靠地运 行 一旦发生故障 给工业生产带来的直接和间接损失极其严重 电力变压器故 障可以分为三类 机械故障 导体故障和绝缘故障 从统计数据来看 在以上的 三类故障中 绝缘引起的故障所占的比重最大 例如对1 1 0k v 及以上的变压器 所发生的9 3 次事故进行分析 结果表明 其中因绝缘引起的事故占8 1 左右i lj 而且根据有关数据统计显示我国1 1 0k v 及以上电压等级的大型变压器的事故中 5 0 是匝间绝缘事故 2 l 随着电力系统的发展和电压等级的提高 局部放电已经 成为电力变压器绝缘劣化的主要原因之一 变压器的内绝缘结构目前主要采用油纸绝缘 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 这种局部放电其产生主要有两方面的原 因 1 在变压器制造和安装过程中潜伏的绝缘隐患 2 在运行过程中产生和发 展起来的绝缘缺陷 如雷电冲击或操作冲击引发内部绝缘弱点产生局部放电 在 运行电压下不断发展最终导致故障 3 可见局部放电不仅是绝缘老化的现象和表 征 同时又是促使绝缘老化的一个重要因素1 4 l 当然 为了预先发现变压器内绝缘存在的隐患 长期以来 电力行业根据 g b 5 0 1 5 0 9 0 电气装置安装工程电气设备交接试验标准 的规定 采用定期大 小修和绝缘预防性试验制度 的确也发现了许多缺陷 减少了事故的发生 对于 保证电力系统的安全运行起到了一定的作用 但同时也存在一些不足 1 不方便 需要停电测试 2 不可靠 两次预防性试验之间的间隔时间较长 对于突发性绝 缘事故难以发现 3 不等效 在单相试验电压下进行的试验不能与在线情况完全 等效 4 不经济 需要专用大型高压试验设备 测试系统结构复杂 造价副5 1 如果能够通过在线监测手段来判断变压器目前的状况 根据变化趋势等来确 定变压器能否继续运行 就能有效地减少维修和试验的盲目性 实际上 通过对 局部放电过程中局部放电特征参量的分析和异常征兆的提前发现 能够较准确地 评定绝缘的老化程度 从而有的放矢地在变压器出现故障前兆时进行维护或更 换 不仅有效地提高了供电的可靠性 还降低了电力系统的运行费用 据日本有 关资料报道 由于设备在线监测技术的应用 使每年维修费用减少2 5 5 0 故 障停电时间减少7 5 i6 1 因此研制低成本 高稳定性和高可靠性的变压器局部放 电在线监测系统是非常必要的 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 2 当前国内外的研究现状 在国外 5 0 年代以来就相继展开了局部放电的研究 开发了许多变压器局 部放电在线监测装置 并取得了一定的成效 1 9 8 3 年 日本最早研制了一套变 压器局部放电在线监测系统 用于监测东京电力公司的一台变压器1 7 j 1 9 8 6 年 加拿大魁北克省水电局 i r e q 研制了高压绝缘自动监测仪 a i m 对7 3 5 k v 单相电力变压器进行在线诊断 8 l 1 9 9 6 年 德国研制成功局放监测系统 在国内 也有多家单位研制出变压器局部放电在线监测系统 9 j 9 0 年代初 清华大学电机 系研制出在线监测变压器局部放电的微机系纠1 0 2 0 0 0 年左右 西安交通大学 和重庆大学也相续研制出自己的变压器局部放电在线监测系统 并已投入现场运 行 近年来 国内外的科技工作者和有关部门纷纷致力于变压器在线监测系统的 研究 局部放电是在高电场强度下 在绝缘体内电气强度较低部位发生的放电现 象 它表现为绝缘体内掺入物的击穿 液体介质的局部击穿或固体介质局部的沿 面放电等 局部放电过程中会产生各种电现象 如电脉冲 电磁辐射 并伴随有 电荷的转移和电能的损耗 同时也会产生各种非电的信息 如产生声波 发光 发热以及产生一些新的生成物 变压器局部放电检测按检测的物理量性质分为电测法和非电测法 根据局部 放电过程中所产生的各种放电现象 相应的有脉冲电流法 超声波检测法 红外 检测法 气相色谱检测法 射频检测法 超高频检测法等检测方法 这些检测方 法都有其优缺点 在现场也得到不同程度的应用 1 脉冲电流法1 1 1 当变压器内部发生放电时 电流传感器 r o g o w s k i 线圈 两端会有一个瞬时的电压变化 在与之耦合的回路中就会产生脉冲电流 将脉冲 电流通过检测阻抗或电流传感器转换成脉冲电压予以采集 放大和显示等处理 就可测定局部放电的基本信息 如视在放电量 放电次数以及放电相位 它是研 究最早 广泛的一种检测方法 i e c 和我国均对此制定了专门的检测标准 优点 在于灵敏度高 可定量测量局部放电的特征参数 其缺点是测试频率低 频带窄 信息量少 易受外界干扰噪声影响 抗干扰能力差 尚未做到在线检测 2 超声波检测 法l 坦 当变压器内部发生放电时 会伴随有超声波能量的放 出 通过测量局部放电产生的声波来检测局部放电的大小及位置 近年来 由于 声一电换能器效率的提高和电子放大技术的发展 声测法的灵敏度有了较大的提 高 对于大电容量的试品 其灵敏度不比电测法低 利用声测法可以有效地测定 局部放电的部位 其优点在于可避免电磁干扰的影响 便于空间定位 易于实现 在线检测 其缺点是放电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的 超声信 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 号常常因为多种因素影响而失真 如传播途径 频率 速度相关特性以及不同介 质中的传播衰减等 3 红外检测法 当变压器内部发生放电时 内部产生的电热能量转换 检测局部区域的表面温度升高的变化 红外热像仪用于定性测量有其重要意义 对于复杂的绝缘结构 红外热像法需要借助于计算机进行辅助计算 可以得到一 定的量化关系 缺点是 目前这种方法用于定量研究还存在困难 目前变压器红 外检测主要是针对变压器外部故障 如导体连接不良 漏磁引起的箱体涡流 冷 却装置故障和变压器套管故障等 4 气相色谱检测法 l3 在电力变压器内部发生放电可导致绝缘材料分解产 生新的生成物 通过检测生成物的组成和浓度 可以判断局部放电的状态局部放 电产生的气体生成物 主要包括c 2 h 4 c h 4 c 2 h 2 c 2 h 6 等烃类气体和h 2 c o c 0 2 等 放电产生的气体与放电能量是紧密相关的 油色谱分析可定期进行油中 的气体分析 也可进行在线的对特定气体浓度的在线监测 目前已用于变压器油 气分析 其缺点是气体传感器对所检测的各种气体均敏感 导致检测准确度不高 并且所获得的气体信息为长期异常现象产生气体的累加 不能反映突发性的故障 和局放源的空间位置 5 射频检测法l l2 利用r o g o w s k i 线圈从变压器的中性点处提取信号 信 号检测频率可达3 0m h z 大大提高了局部放电测量频率 射频检测法具有测试 系统安装方便 检测设备不改变电力系统的运行方式等优点 随着数字滤波技术 的发展 射频检测法得到了较广泛的应用 其缺点是对于三相电力变压器 得到 的信号是三相局部放电信号的总和 无法进行分辨 且信号易受外界干扰 6 超高频检测法i l2 j 利用局部放电所产生的超高频 3 0 0 一 3 0 0 0m h z 电 信号 实现局部放电的检测和定位 并实现抗干扰 克服了传统的脉冲电流法测 量频率低 频带窄的缺点 可以较全面地研究局部放电的本征特征 其缺点是变 压器绝缘结构复杂 电磁波在传播中会发生多次折反射及衰减 而且变压器箱体 结构也会对电磁波的传播带来不利的影响 这就大大增加了超高频局部放电检测 的难度 超高频检测技术近年来得到了较快的发展 在一些电力设备 如g i s 电机 电缆 变压器 的检测中已经得到应用 因而在局放检测 特别是在线检 测 中将有广阔前景 以上六种检测方法优缺点如表1 1 所示 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜1变压器局部放电检测方法优缺点比较 宇号检测方法优点缺点 灵敏度高 可定量测量局部放测试频率低 频带窄 信息量少 抗干扰能 1脉冲电流检测 电的特征参数力差 尚未做到在线检测 便于空间定位 避免电磁干扰电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复 2 超声波检测 的影响 易于实现在线检测杂的 超声信号常因为多种因素影响而失真 3红外检测用于定性测量有其重要意义目前这种方法用于定量研究还存在困难 进行对特定气体浓度的在线气体传感器对所检测的各种气体均敏感 导 监测 目前已用于变压器油气致检测准确度不高 并且所获得的气体信息 4气相色谱检测 分析为长期异常现象产生气体的累加 不能反映 突发性的故障和局放源的空间位置 测试系统安装方便 检测设备对于三相电力变压器 得剑的信号是三相局 5射频检测不改变电力系统的运行方式部放电信号的总和 无法进行分辨 且信号 易受外界干扰 较全面地研究局部放电的本变压器绝缘结构复杂 电磁波在传播中会发 6 超高频检测征特征生多次折反射及衰减 而且变压器箱体结构 也会对电磁波的传播带来不利的影响 1 3 变压器局部放电超高频检测技术 i 3 1 局部放电产生的原因 在电气设备的绝缘系统中 各部位的电场强度往往是不相等的 当局部区 域的电场强度达到该区域的击穿场强时 该区域就会出现放电 但放电并没有贯 穿施加电压的两导体之间 即整个绝缘系统尚未击穿 这种现象称之为局部放电 l4 1 产生局部放电的条件取决于绝缘介质中的电场分布和绝缘的电气物理性能 通常局部放电是在高电场强度下 在绝缘体内电气强度较低的部位发生的 造成变压器内部电场不均匀的因素很多 概括起来主要有 1 电气设备的 电极系统不对称 如针板 油楔等 以至绝缘体各区域承受的电场不均匀 2 介质不均匀 如气体一固体复合绝缘 液体一固体复合绝缘 以及固体一固体复 合绝缘等 由于交变电场下介质中的电场强度与介电常数成反比 因此介电常数 小的介质中的电场强度高于介电常数大的 3 绝缘体中含有气泡或其他杂质 因为气体的相对介电常数接近与1 固体 液体介质的相对介电常数都要比它大 一倍以上 而固体 液体介质的击穿场强一般比气体介质的大几倍到几十倍 因 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 此绝缘体中有气泡是产生局部放电的最普遍原因 4 高场强中存在电位悬浮的 金属体 在该处出现很高的电位差 变压器的液体一固体的组合绝缘性能比较好 但也难以完全消除微量的气 泡 即使在制造已去除了气泡 但在运行过程中 由于热胀冷缩 不同材料特别 是导体与介质的膨胀系数不同 也会逐渐出现裂缝 或者在远行中由于有机高分 子的老化分解出各种挥发物 这些都可能使绝缘体中出现气泡或气隙而导致局部 放电 局部放电一般不会引起绝缘的贯通性击穿 但是可以导致电介质 特别是 有机电介质 的局部损坏 若局部放电长期存在 则在一定条件下可能造成绝缘 介质电气强度的降低 因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程 对于高压电气设备来说是一种隐患 局部放电的特性一般可与绝缘缺陷相互很好 的印证 即根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度 在某种情 况下 绝缘的性能可以按某种最能说明问题的特性来判断 而对于不同设备的绝 缘 这些特性可能各不相同 在多数情况下 综合测量各种局部放电特性可以较 客观的评价产品的绝缘水平 1 3 2 局部放电的表征参数 局部放电可以通过多种表征参数来描绘其状态 局部放电表征参数主要有视 在放电电荷q 放电相位外放电重复率 起始放电电压u i 放电熄灭电压 等 1 视在放电电荷 g 在绝缘体中发生局部放电时 绝缘体上施加电压的两 端出现的脉动电荷称为视在放电电荷 其单位为皮库 p c 视在放电电荷为局部 放电的基本表征参数之一 2 放电相位矽在外加电压作用下 放电发生的外加电压相位即为局部放电 的相位 在工频正弦电压下 放电相位与放电时刻的电压瞬时值密切相关 放电 相位p 也是局部放电的基本表征参数之一 3 放电重复率在放电测试时间内 每秒钟出现放电次数的平均值称为放电 重复率 其单位为次 s 当外施电压升高时 局部放电次数增加 放电重复率也 随之增加 放电重复率属于局部放电的累计表征参数 4 起始放电电压撕 当试品上外加电压逐渐上升 达到能观察到出现局部放电时的最低电压 即 为起始放电电压 其单位为k v 实际上 起始放电电压地是局部放电量等于或 超过某一规定低值的最低电压 5 放电熄灭电压地 当加于试品上的电压从已测到局部放电的较高值逐渐降低时 直至观察不到 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 局部放电时 外加电压的最高值就是放电熄灭电压 实际上放电熄灭电压地是 局部放电量值等于或小于某一规定值时的最高电压 对于油纸绝缘 往往是 妒 而对于固体绝缘结构 与u t 与u e 相差不大 固体绝缘内部的放电还可能 出现u i l2 s h 2 螺线内径2 7 0 是馈电点a b 之问的距离 对天线的阻抗匹配和上限丁 作频率影响较大 一般应取2 r 垲 铆 图3 1 0 典型手机干扰信号 3 软件峰值保持与相位计算 软件峰值保持的基本原理就是 首先对采集 的工频周期信号判断 信号幅值是否同时大于其前后信号的幅值 第一个和最后 一个信号为信号幅值大于其相邻信号幅值 如大于则将其视为一准脉冲峰值 根 据采样频率计算准脉冲信号对应的相位 并将准脉冲信号峰值与其对应的相位存 入数组 然后 判断每个准脉冲与其后的准脉冲其时间间隔是否大于某一设定时 间间隔 如大于则视准脉冲为真实脉冲信号 否则取峰值较大者 继续与其它准 脉冲信号进行比较和判断 软件峰值保持与相位计算程序流程图如图3 1 l 所示 3 5 局部放电统计谱图模块的设计 变压器局部放电的发生具有很大的随机性 相邻两次放电时问间隔不固定 放电信号属于非平稳信号 不同类型局部放电的放电特征往往隐含在放电的统计 特性之中 只有经过长时间的统计才能较准确地获得局部放电的各项参数 因此 为了对局部放电进行故障诊断与模式识别 必须对信号进行多周期统计分析才会 表现出一定的统计规律性 基于统计特征的局部放电模式识别方法 主要是利用局部放电信号的相位分 布模式对信号进行计算和分析 局部放电相位分布模式1 5 1 p h a s er e s o l v e d p a r t i a ld i s c h a r g e 是一种广泛应用的局部放电模式 可以用于局部放电分析和绝 缘诊断 这种模式是描述局部放电发生的工频相位妒 o 3 6 0 0 放电幅值和放电 次数的关系 局部放电分析软件平台采用l a b v i e w 软件建立 为对局部放电信 号进行统计分析 本文设计了四种二维谱图 放电幅值 相位 u 妒 最大放电 幅值 相位 戤 妒 放电次数 相位 m 9 放电次数 放电幅值 u 以及 中南大学硕七学位论文第三章变压器局部放电超高频监测系统的软件设计 一种三维谱图 即放电次数 相位 放电幅值 妒 u 图3 1 1软件峰值保持与相位计算程序流程图 3 5 1 局部放电信号二维统计谱图的设计 1 弘缈 局部放电二维统计特性放电幅值一相位 u 妒 表示方式有三种 打点 显示 p o i n t s 方式 脉冲显示 p u l s e s 方式和椭圆显示 e l l i p s e s 方式 这三 种显示方式都直接或间接地体现了局部放电幅值和相位 0 一3 6 0 0 的统计关系 其中打点显示 p o i n t s 是一个点数动态增加的显示过程 而脉冲显示 p u l s e s 中南人学硕士学位论文第三章变压器局部放电超高频监测系统的软什酡计 和椭圆显示 e l l i p s e s 则显示检测时间范圈内的局部放电信号幅值和柑位的业化 荚系 图3 1 2 为二 维打点方式和脉冲显示方式对针板放电的谱幽显示 篇笛2 6 相垃 度 a 打点方式显示 b 脉冲万式显示 图3 一 2 油中针扳放电的打点 脉冲万式显示 2u m 一p 局部破l u 一维统计特性最大放电幅值一相位 一p 其定义为 将工频周期平均分成1 0 0 个相位段 计算统计周期内各个相位段的最人放电幅值 即为相应相位区问的最大放电幅值 u m p 了程序流程目如图3 l3 所不 圈3 13 u 口二维分析程序漉程圈 中南人学硕十学佗沦文第二章变压器局部放一u 超高频监测系统的软件 计 3 n o p 局 i j 放电二维统 特性放电次数一相位 p 其定义为 将l 频周 期分成若干相位段 计算统h 周期内各个相位段的放电次数之和即为相应相位段 对应的放 乜次数 4 u 局部放电一维统计特性放电次数 放电幅值n u 定义为 将放电幅值 的最小值和最大值之i 白j 分成若干段 统计各放电幅值段的放电次数 从而得到 u 一维瑶图 352 局部放电信号三维统计谱图的设计 维谱图放电次数一相位 放电幅值 p 一 就是利用放电的三维分柑谱图提 取放电的特征向量 其方法是将放电相位和放电幅值划分成若干个小区间 在 口 u 平而e 形成若干网格 统计每个网格内放电次数n 利用缚个格了中总的放 电次数构成特征向量 即获得m 口 u 统计图谱 图3 1 4 为油中针板放电的 v p u 谱罔分析 36 本章小结 h 1 2 l 圈31 4 油中针板放电的 l 口 u 谱囤 木章介绍了变压器局部放电超高频检测的软件系统丌发 采片j 虚拟仪器语舌 l a b v i e w 编程开发了基f 单缓冲区技术的d m a 数搬采集模块 设计了数据预 处理模块 包含放电信号门槛设置 软件干扰识别 软件峰值保持和柑位计算等 功能模块 另外还设计和编写了局部放电信号的二维 维谱图分析软件 借助 l 女较什r 4 咀方便的得到局部放电信号的 维统计l 嚣喇 一维统计谱图和局部放电 信0 的放电梢位特征 中南大学硕士学位论文第四章基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 第四章基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 由于变压器的运行电磁环境十分恶劣 局部放电信号淹没在强大的电磁干扰 中 致使监测系统性能不能满足实用化要求 因此 有效地抑制干扰 准确获取 局部放电信息是局部放电在线检测的关键技术之一 本章在对现场干扰信号进行 认真分析的基础上 采用分层次抗干扰模型 针对不同的干扰采用不同的抗干扰 处理方法 开发了一种基于虚拟仪器的局部放电在线监测抗干扰软件包并通过仿 真研究和现场检测数据处理效果验证其抑制干扰的有效性及其应用于局部放电 在线监测抗干扰的可行性 4 1 现场干扰及分层次抗干扰处理模型 局部放电监测中的干扰主要是经测量点的传感器随局部放电信号一起进入 监测系统的 按时域信号特征可分为连续的窄带周期性干扰 脉冲干扰和白噪声 三类 窄带周期性干扰包括系统高次谐波 高频保护 载波通信以及无线电通信 等 脉冲干扰可分为随机型脉冲干扰和周期型脉冲干扰 随机脉冲型干扰包括高 压输电线上的电晕放电 其它电力设备的局部放电 分接开关动作产生放电以及 接触不良产生的悬浮电位放电等 周期型脉冲干扰主要有标定脉冲 可控硅动作 以及地网中的脉冲干扰 白噪声包括线圈热噪声 地网噪声 配电线路以及变压 器继电保护信号线中耦合进入的各种噪声 以及检测线路中半导体器件的噪声 等 从频带特征上可分为窄带干扰 如周期性干扰 和宽带干扰 如脉冲干扰和 白噪声 0 5 5 6 由于现场的干扰形式多种多样 很难用同一种方法进行抑制 为 此本章采用了分层式抗干扰处理模型 该模型可对不同的干扰作分层处理 在每 层处理时 都尽量保证抑制干扰后的信号畸变最少 以便于下一层更好地处理 分层次抗干扰处理模型如图4 1 所示 针对现场主要三种类型的干扰以及分层次抗干扰处理模型的基础上 本章开 发了一种基于虚拟仪器的变压器局部放电在线监测抗干扰软件包 该抗干扰软件 包采用三种抗干扰处理方法 1 用非线性的数学形态滤波器抑制窄带周期性干扰 2 用小波分析来抑制白噪声干扰 3 用时域开窗法 聚类分析法来识别和抑制周期型脉冲干扰 中南大学硕士学位论文第四章 基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 现场信号 带通滤波 抑制窄带周期性干扰 抑制白噪声 抑制周期型脉冲干扰 抑制随机型脉冲干扰 局放信号 图4 1分层次抗干扰处理模型 4 2 采用数学形态滤波器抑制窄带周期性干扰 4 2 1 数学形态学滤波器原理 数学形态学 m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y 是一种广泛应用于图像处理和模式 识别领域的新方法 形态学滤波器能够有效消除噪声而保留信号的一些必要形 状 其原理基于信号的几何特性 利用预先定义的结构元素对匹配或局部修正信 号 以提取信号 抑制噪声 形态学滤波器的形态变换包括膨胀 腐蚀 形态开 闭及形态开 闭的级联组合 5 7 j 设原始信号苁玎 定义为域庐 o l n 1 i 1 拘离 散函数 结构元素烈门 定义为域g o 1 m 1 上的离散函数 且有删 则 有以以 关于烈 的膨胀 腐蚀分别定义为 厂 曲 m a x f n 朋 g 坍 m 0 l 坛l 4 一1 f og m i n 肌 积所 me o 1 胁l 4 2 8 n 关于奴玎 的开 闭运算分别定义为 厂b 曲 玎 o c ogo 曲 7 4 3 一曲 门 厂og0 曲 刀 4 4 开运算可用来去掉毛刺和细小斑块 抑制图像 或信号 中的正脉冲噪声 在纤细点处分离物体 平滑较大物体的边界的同时并不明显改变其面积 而闭运 算可填补空穴断点 抑制图像 或信号 中的负脉冲 连接邻近物体 平滑其边 界同时并不明显改变其面积 这两种组合均有低通特性 可用其构成形态学滤波 3 8 中南大学硕士学位论文第四章基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 为同时抑制图像中的正负脉冲噪声 r m a r r a g o s 使用相同结构尺寸的结构单 元 用不同顺序的级联开 闭运算 构造了一类开 闭和闭 开滤波器 分别定义 如下 伉伙刀 g 曲 刀 4 5 c o n f o g o g n 4 6 但是 这种滤波器存在统计偏倚现象 将直接影响到噪声的抑制性能 为了 消除这个缺点 可以将以上两种运算组合 构造如下 从 2 d c 伙刀 c o 伙疗 2 4 7 在形态滤波器的设计过程中 选择一定的形态变换后 结构元素的选择便成 为设计中的关键 因此 可以说结构元素决定了形态滤波器的性能 经过实验室 仿真研究和现场检测信号处理效果可知 当结构元素长度为5 5 左右时 形态滤 波器对频域呈离散谱线的窄带周期性干扰滤波效果最好 另外 迭代次数对滤波 效果影响不大 4 2 2 数学形态学滤波器抑制窄带周期性干扰算法及软件实现 算法步骤 首先对信号进行离散快速傅立叶变换f f t 保留相频特性参数 同时对幅频特性参数进行形态学滤波处理 然后利用形态学滤波器处理结果及保 留的相频特性参数进行快速傅立叶反变换i f f t 软件实现 按式 4 1 卜 4 7 将各形态变换编程成控件并放到l a b v i e w 的 u s e r 1 i b 文件夹下 然后按以上算法步骤联系起来 本文采用的结构元素长度为 5 5 迭代次数为2 收敛参数取0 0 0 2 形态学滤波处理虚拟仪器程序框图如图 4 2 所示 图4 2 形态学滤波处理虚拟仪器程序框图 3 9 中南人学硕士学位论文第四章基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 4 3 采用小波分析抑制白噪声 4 3 1 小波变换原理 c p r 脚降 2 0 扫0 1 2 0 m 5 k k l m 幻取3 5 左右 m t o 4 21 其中a 为仿真局放信号幅值 t o 为放电脉冲起始时刻 f 为衰减时间常数 厂 为振荡频率 本仿真中a 为1v r 为2 1 0i t s f 在1 0 z lm h z 之间 仿真窄带周期性干扰为 8 z b x s i n 2 n f t l 4 2 2 其中频率 i 包括8 0 9 6 1 6 0 1 7 6 3 4 7 5 5 7 7 6 8k h z 1m h z 幅值眨0 o i v 白噪声为均值0 方差l 的正态分布的随机信号 其幅值c o 5v 即 文 c x r a n d n 1 l e n g t h t 4 2 3 仿真周期型脉冲干扰信号聊 f 与局部放电信号相似 只是其出现的相位固 定 则含干扰的局部放电信号为 s 歌 z 6 聊 4 2 4 中南大学硕士学位论文第四章基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 采样频率取1 0m h z 4 51 抑制窄带周期性干扰和白噪声的仿真分析 抑制窄带周期性干扰和白噪声的仿真分析如图4 5 所示 其中图4 5 曲为仿 真局放信号 其放电脉冲起始时刻t o 为1 0 0p s 5 0 0g s 衰减时间常数f 为5u s 2g s 振荡频率 为5 0 0k h z 2 0 0k h z 图4 5 m 为叠加窄带周期性干扰和白噪 声的局放信号 其中窄带周期型干扰幅值口为1 v 自噪声幅值c 为0 2 v 4 5 c 为抑制窄带周期型干扰前的幅频特性图 从图中可以看出窄带周期性干扰 具有离散的谱线 图4 5 d 为采用形态学滤波器抑制窄带周期性型干扰后的幅频 特性圈 从图中可以看出窄带周期性干扰已明显被消除 因此数学形态滤波器可 有效地抑制混合干扰中的窄带周期性干扰在频域的离散谱线 图4 5 f e l 为对信号 进行5 尺度二进小波分解后的系数 未处理 图4 5 0 为采用模极大值一自适应 硬阈值处理后的小波分解系数 从图中可以看出前面提到的小波算法能有效地提 取局放信号小渡变换模极大值 图4 5 幢 为形态学滤波处理效果 显然图中窄带 周期性干扰已完全被抑制 仅剩下白噪声 4 5 0 a 为小波分析处理效果 图中的 信号除了其幅值有一些衰减外基本与原信号一致 如果白噪声的幅值较低 效果 将更好 本仿真信号干扰抑制前后信噪比s n r i s n r 2 分别为 7 l5d b 1 28d b 干扰抑制比n n r 为8 4 3d b m 产 14 黑 8 1 a 仿真局放信号 c 抑制窄带罔期性千扰前的 幅频特性图 b 叠加窄带周期性干扰和 白噪声的局放信号 x l 一 d 采用形态学滤波器抑制窄带 周期性干扰后的幅颊特性图 中南人 硕b 学傅论文第四章 基丁虚拟仪器j t 0 部放电矗线监驯抗t 扰软f j 包 i 丽i i i i i 矗甬 io 一 鬲嗣 00 1 r r 翮 l 罡 型 懿区忑磊鬲囝b 鬯 竺 型 竺l 瑟ool d40 一r r 1 辩臣三窭b 趾二匕二二二二 二二j i i 礤 掣叫u 1 0 i1 0 02 0 邶丑0 0 蜘咖1 8 0 j 0 时间 m e 埘信号进行5 尺度二进小波分解 f 口二二二二里马 0 0 1r f 乳扯 二二二1 o0 l 广 t 丽4 一 0 0 l l 一 00 1 e b 二二 二 j 00 2 i 0 罂一00 2日二二 习 口二二二二里习 面一00 l l j 一0l 0 02 f 1 0 瑚枷如锄瑚跏 时f 日 m 自 n 采用模极大值 自适肛硬阀值 处理后的小波分解系数 曲彤态学滤波趾理效果 f h 川 泣分析处理效果 图4 5 抑制窄带周期性干扰和白噪声的仿真分析 1 真中还通过不断改变局部放电脉冲起始时剿t o 衰减时训常数r 振荡频 率f 以及窄带周期型十扰的幅值b 和向噪声幅值c 进行了分析 发现处理结果 与以上提到的克坫奉致 452 抑制周期型脉冲干扰的仿真分析 抑制9 j 1 j 型脉冲干扰的仿真分析如图4 6 所小 虬 j l 划4 6 f a 为带柯周期 脉冲i 扰的 坡信 j 图4 6 b 为抑制剧j i f 删脉r jr 扰后的局放情弓 从幽叶1r u 以币 罘川咻冲聚炎分机法和时域jr 甜法r u 仃效地抑制竹号中蒯蚓 掣肺 一 扰 中南大学硕士学位论文第四章 基于虚拟仪器局部放电在线监测抗干扰软件包 劬带有周期型脉冲干扰的局被信号 b h 十制周期型脉冲干扰后的局放信号 图4 每 抑制周期型脉冲干扰的仿真分析 4 6 现场检测数据处理 现场检测数据处理效果如图4 7 所示 其中圈4 7 a 为现场检测的原始信号 该信号从变压器末屏测量而得 数据的采样频率较低 为lm h z 从图中可以看 到局放信号己被严重干扰 采用本文设计的抗干扰软件包处理现场检测的数据 处理后的局放信号见图4 7 b 处理前后的噪声抑制比n n r 3 35 6d b 可见 该软件包对局放信号中干扰信号的抑制是有效的 aj 现场检测的原始信号 b 处理后的局放信号 图4 7 现场检测数据处理效果 47 本章小结 本章在对现场于扰信号进行认真分析的基础上 采用分层次抗干扰模型 引 对不同的干扰采用不同的抗干扰处理方法 开发了一种皋于虚拟仪器的局部放电 在线监测抗干扰软件包 仿真和现场检测数据处理研究表明 1 采用数学形态滤 波器可在频域有效地滤除窄带周期性干扰的离散谱线 而对局部放电信号本身特 征谱线影响较小 2 提出小波变换模极大值自适应硬闽值滤波法可进一步抑制 白噪干扰 3 采用聚类分析法和时域丌窗法可以在很大程度上抑制周期型脉冲干 扰 浚抗干扰软件包具自较强的自适应性和抗r 扰能力 可应用与局部放电的离 线榆测和在线监测的抗干扰处理 可在一定程度r 提高局部放电洲量的灵敏度 推动变儿c 器局部放电在线监测装鼍的应用和发展 中南大学硕士学位论文 第五章 典型局部放电模型的放电特性的试验分析 第五章典型局部放电模型的放电特性的试验分析 高压电气设备的局部放电类型主要是电晕放电 沿面放电和固体绝缘内部气 隙放电等 根据这三种放电类型 首先利用气体放电管为放电装置设计了一种局 部放电检测模型 并在实验室对此模型进行了实验测试分析 设计并制作了针板 放电 沿面放电 内部放电 悬浮放电 油楔放电等五种放电模型 并在实验室 的模拟变压器油箱对上述五种放电模型的放电特性进行了实验研究 5 1 放电管放电模型 5 1 1 模型的构建和特点 为了检验本套局部放电检测系统的性能 本文以气体放电管为放电装置设计 了一种可知放电相位 放电次数以及放电量的放电模型 模型中的绝缘介质采用 三电容模型 高压电源 一 测量阻 无感电阻 电装置 图5 一l模拟实验电路图 实验电路如图5 1 所示 其中c c r 以及放电装置并联模拟介质内部的放 电 c b 风模拟与放电部分串联的介质 c a r 模拟其他部分的介质 c k 为耦 合电容 放电装置采用气体放电管 气体放电管是一种利用气体放电原理的过电 压保护器件 当电压达到一定值时 气体击穿导通 其导通时间为纳秒级 5 3 1 不同等级放电管其击穿电压不同 实际实验中的放电管击穿电压为7 0v 即当 c c 两端电压为7 0v 时放电管两端丌始放电 从而使整个电路可以模拟绝缘的局 部放电 中南大学硕士学位论文第五章典型局部放电模型的放电特性的试验分析 5 1 2 放电管模型电路的测试 为了研究模拟电路的特性 首先对局部放电前后的j i 0 h 电压和气隙两端电压 进行了测量 结果如图5 2 所示 发生局部放电前气隙波形与 i n 电压重合 局 部放电后由于局部放电的作用使气隙电压与外加电压产生一定的相角差 a 电前电压波形 b 电后电压波形 图5 2 放电管放电前后的电压波形 为模拟实际的局部放电情况 实验的电容电阻参数分别有 c a 1 0 c c 1 0 c b 风 1 0 r r 其具体参数为c a 6 8 0 0p f 尺a 2 2m f l r b 2 2m q r 2 2m q c 5 0 0p f c b 5 0p f 图5 3 为通过检测阻抗测试得到的模型的放电波形和频谱 图 从图中可以看出 对于该局部放电模型电路进行试验 得到的局部放电高频 电流及其频谱图与真实局部放电模型得到的局部放电高频电流相似 可以用此模 型对局部放电进行模拟 5 0 v d i vx 1 04 v 幅值 图5 3 模型的放电波形和频谱图 利用该局部放电检测模型主要有以下优点 1 放电起开始电压低 当采用7 0v 的放电管 由电路分析可知所加高压 在8 0 0 v 左右的时候放电管就能开始发生放电 2 可以确定准确的放电次数 通过示波器观察放电管两端的电压波形 可 4 9 中南大学硕十学位论文 第五章典型局部放电模型的放t u 特性的试验分析 以准确的观察出每个工频周期内 放电管发生放电的次数 3 可以确定准确的放电相位 通过示波器观察放电管两端的电压波形 可 以准确的观察出放电管发生放电的放电相位 从而可以和局部放电检测系统的测 试结果进行对比 验证系统在检测局放相位信息方而的准确性 4 可以计算真实放电量 因为放电管两端的电压和电容c c 都已知 所以 可以通过计算计算山放电量 图5 4 图5 5 为用本局部放电监检测系统测试得到的测试结果 其中图5 4 为放电管每个周期发生两次放电 图5 5 为放电管每个用期发生四次放电 p 0 一f s 2 7 025 n 一1 z ia 放电信号采集界面 v o l t a g e w w d o n t h ed i e h n g e t u b e t i m e s b 放电管两端电压波形 c 采集1 0 0 0 个周期的放电椭圆谱围 困5 4 每周期发生两次放电的采集界面和放电管两瑞电压波形 5 0 裟徽置僦 中南大学硕十 学位论文第五章 典型局部放电模型的放电特性的试验分析 m m g f 趣 aj 放电信号采集界面 b 放电管两端电压波形 c 采集1 0 0 0 个周期的放电椭圆谮围 图5 5 每周期发生四次放电的采集界面和放电管两端电压波形 从实验结果的图形可以技现 1 当放电管每个周期发生两次放电时 系统每个周期也采集到曲个放电 脉冲 采集1 0 0 0 个周期的放电脉冲 得到的雠放电椭圆谱图呵以明显的看出 往工频正半闳期放f 乜分散性要比负半周期大 放电柑位大概产生在7 5 和2 5 5 附近 中南人学顾 学位论文第五章典型局部放电模艰的放电特性的试验分析 2 当放电管每个周期发生四次放电时 系统每个周期也采集到四个放电 脉冲 采集1 0 0 0 个周期的放电脉冲 得到的 维放电椭圆谱图可以明显的看出 在l 频一半周期放电分散性要比负半周期大 放电相