变压器绝缘在线监测系统

1、变压器局部放电及铁心故障在线监测系统一、研制目的和意义1. 研制目的本项目在现有局部放电在线监测技术的基础上， 开发一套变压器 局部放电及铁心故障在线监测系统， 实现对变压器绝缘及铁心接地状 况的有效监测和故障诊断，以确保变压器的安全稳定运行。2. 研制意义电力变压器是电力系统中的最为重要的电气设备之一， 它的运行 状况直接关系到电力系统安全经济运行， 变压器发生故障将导致大面 积停电，致使国民经济遭到重大损失。由于变压器内部的局部放电是造成变压器绝缘老化和破坏的主 要原因，测量变压器的局部放电可有效监测变压器的绝缘状况。电力变压器正常运行时， 铁芯必须一点可靠接地。 当铁芯或其他 金属构件有

2、两点或多点接地时， 接地点就会形成闭合回路， 造成环流， 引起局部过热，导致油分解，绝缘性能下降，严重时，会使铁芯硅钢 片烧坏，造成主变重大事故，严重威胁变压器的安全运行。因此在线 监测铁芯接地情况，对于变压器的安全运行具有十分重要的意义。二、研究目标开发一套变压器局部放电及铁心故障在线监测系统， 实现对变压 器内部绝缘局部放电和铁芯多点接地故障的监测与诊断。 监测系统给 出 局放视在放电量 、放电频度 、放电故障类型放电点位置 及铁心接地 状况，监测系统灵敏度为 200pC，当时视在放电量为 500pC 时报警； 局放定位误差 20cm。三、研究内容及关键技术本项目是在原有变压器局部放电在线

3、监测技术的基础上， 进一步 优化在线监测系统，提高监测灵敏度、抗干扰性能、局放定位精度及 故障智能诊断能力。其主要研究内容：1、 变压器局部放电脉冲电流 超声波在线监测技术；2、 局放脉冲电流传感器、超声波传感器及铁心接地电流互感器的选型与研制；3、现场 DSP信号预处理技术；4、基于数字滤波、小波分析、混沌控制技术的软件抗干扰技术；5、多路信号超高速、宽频带同步采样系统及光信号传输技术；6、局部放电源点定位技术；7、变压器局部放电视在放电量与放电频度的变化报警阈值的设定；8、大容量数据存储、查询、特征量变化趋势曲线、显示及报警；9、铁芯多点接地故障判定技术；10、基于信息融合技术的变压器故障

4、分析及诊断。本项目的关键技术是软件抗干扰技术。 拟在现有的软件抗干扰技 术基础上，进一步深入研究各类干扰特征，有效抑制干扰、提取局放 脉冲电流和铁芯接地回路电流。四、国内外研究状况1、概述近年来， 随着电力系统的快速发展， 变压器的容量和电压等级不 断提高 ,运行中的安全问题也越来越受到重视。在变压器所发生的故 障中，绝缘问题占很大的比重， 因此需要一种有效的手段对变压器的 绝缘状况进行监测 ,确保运行中变压器的安全。局部放电监测作为检 测变压器绝缘的一种有效手段， 无论是检测理论还是检测技术， 近年 来都取得了较大的发展， 并在电厂和电站中得到了实际应用。 相对传 统的停电局部放电检测， 在

5、线局部放电检测可以长时间连续监测变压 器局部绝缘放电情况， 在放电量达到危险时， 及时停机做进一步的检 查，因此在检修工时和经济效益等方面有很大的优势， 是目前惟一的 一种有效避免变压器突发性事故的监测手段。 在线局部放电监测反映 的是变压器实际工作状态下的绝缘放电情况， 比离线检测更符合设备 的实际运行工况。2、在线监测主要方法 根据变压器局放过程中产生的电脉冲、电磁辐射、超声波、光等 现象,相应出现了电脉冲检测法、超声波检测法、光测法及射频检测 法和 UHF 超高频检测法。（1）、采用超高频测量法测量放电产生的电磁辐射，其频带在数 300MHz-3GHz 之间，可有效避开外界干扰，具有灵敏

6、度高、能反映 放电脉冲真实波形等优点；已应用于电机、 GIS 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，在变压器局放监测 也有尝试。但须将特制天线装于变压器内部；变压器绝缘结构复杂， 电磁波在其中传播时会发生多次折射、 反射及衰减， 同时变压器内箱 壁也会对电磁波的传播带来不利影响。 此外，该方法无 IEC 标准，局 放量的标定及故障诊断均没有深入的研究。 基于超高频法的局放监测 尚处于试验室研究阶段。（2）、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 器和热成象来实现检测的。 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

7、， 该方法不理想， 远没有 达到自动监测的目的。（3）、光测法是利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中，各 种放电发出的光波长不同， 光电转换后， 通过检测光电流的特征可以 实现局放的识别。光纤技术作为超声技术的辅助手段应用于局放检 测，将光纤伸入到变压器油中，当变压器内部发生局放时，超声波在 油中传播，这种机械力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光纤折射率 和光纤长度发生变化， 从而光波被调制， 通过适当的解调器即可测量 出超声波，实现放电定位。 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很大进展，但由于光测法设备复杂、 昂贵、灵敏度低，在实际中并未直接使用。（4）、

8、脉冲电流检测法是通过检测阻抗、 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， IEC 对此制定了专门的检测标准。在线监测 变压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗果夫斯基线圈制成， 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。电流传 感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器频率一般在 10 kHz 左右，中心频率在 2030 kHz 之间或更高，具有灵敏度高，抗干扰性 强等优点， 但输出波形严重畸变； 宽带传感器带宽为 100 kHz 左右或 更

9、宽，中心频率在 200400 kHz 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但 干扰严重、信噪比低。近年来，人们在原有技术基础上，又引入信号分析方法，包括小 波理论、神经网络、指纹分析、模糊诊断等方法，局放在线监测装置 的性能有了长足的进步， 国外有的局放在线装置， 其检测最小局放量 达 100pC，国内装置由于数字滤波技术不是很完善， 检测灵敏度稍低 放量。（5）、用固定在变压器油箱壁上的超声传感器接收变压器内部局放产 生的超声波来检测局放的大小和位置。 通常采用的超声传感器为压电 传感器， 选用的频率范围为 70150kHz，可避开铁心的磁噪声和变压 器的机械振动噪声。超声检测法主要用于定性判断是

10、否有局放信号， 结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。近年 来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展， 超声检测 的灵敏度有了大的提高。（ 6）、介损检测，大量的运行经验表明，迅速测量变压器的 tg能对 整个变压器的绝缘有较为全面的了解。 由于变压器体积庞大， 测得的 tg往往是变压器各部分绝缘（绝缘油、绝缘纸）的平均值，反映的 是整体绝缘状况。 但介质损耗率测量对发现局部故障不灵敏， 当变压 器存在局部绝缘损坏和裂化时， 变压器整体的介质损耗率不能反映出 来。所以变压器各部分介质损耗率 tg最好分开测量。 根据分析、鉴 定结果，目前介损在线检测装置均存在各种各样的问

11、题， 远未达到实 用化的要求。 究其原因除原理算法上的固有缺陷外， 主要还是干扰抑 制方面的问题，有的装置根本就不能检测介损和电容。（7）、油色谱分析监测装置对发现早期潜伏性故障较灵敏； 反映的也 是变压器的整体绝缘状况， 不能反映突发性故障， 不能对故障点位置 进行定位。且试验运行的结果亦不令人满意。超声波测量主要用于定性的判断局部放电信号的有无， 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。 在局部放 电的在线监测中， 超声波测量是主要的辅助测量手段。 随着对局部放 电超声波测量研究的深入， 有可能定量地分析放电强度及绝缘劣化程 度。随着声电换能器的进一步发展， 超声波测

12、量或许会成为主要的测 量手段，它也可以进行局部放电的模式识别， 继而形成类似于油色谱 分析的故障判断标准。目前，介损检测及油色谱分析监测装置是目前投入试验的常用监 测装置；但因其固有缺陷， 即使完全达到了实用化要求，从技术经济 的角度来分析， 对于真正实现变压器的状态检修来说意义并不大。 对 变压器局放进行 电 -声联合监测 ，不仅可以实现对变压器绝缘状况的 监测，而且可以实现对故障点进行定位； 随着该项技术研究的不断深 入及计算机技术的迅猛发展， 尤其是软件抗干扰技术的发展， 可使变 压器局部放电在线监测实用化。3、干扰的分析和抑制在变压器绝缘在线监测中， 无论是介损检测还是局放检测， 抑制

13、 干扰一直是关键问题， 抑制干扰的措施有消除干扰源、 切断干扰途径 和干扰的后处理三种方法。 干扰源分为两类， 一类是有监测系统本身 所造成的干扰， 如因系统设计不当引起的各种噪声等， 可以通过改进 系统结构、合理设计电路、 增强屏蔽等加以消除；另一类是由电站中 的各种干扰源，如整流设备、通讯设备等，这是不可能消除的，只能 采用抑制干扰的后两种措施。电站中的各种干扰进入监测系统的途径有空间耦合、 地线、电源 以及通过测量点四种。前三种通过增强屏蔽、电源滤波、单独接地等 方法可将干扰抑制到足够小的水平。 而与局部放电信号一起通过变压 器各测量点的电流传感器进入监测系统的干扰， 一放面可以在进入传

14、 感器之前切除干扰， 如保证变压器外壳单点接地等， 但由于电力变压 器运行的限制， 很难采取更多的措施； 另一方面就是进行干扰的后处 理。所谓的抗干扰即指抑制通过变压器各测量点的电流传感器进入监 测系统的干扰。按时域信号特征可分连续的周期型干扰、脉冲型干扰和白噪三 类。周期型干扰包括系统高次谐波、高频保护、载波通讯以及无线电 通讯等。脉冲型干扰可分为随机脉冲型干扰和周期脉冲型干扰。 随机 脉冲型干扰有高压线路上电晕及局部放电、 分接开关动作、 弧焊机和 电动机电刷引起的电弧等； 周期脉冲型干扰主要有可控硅动作 （直流 电源整流和调相机励磁整流） 以及地网中的脉冲干扰。 白澡包括各种 随机噪声，

15、如绕阻热噪声、 地网噪声、配电线路以及变压器级继电保 护信号线路中由于耦合进入的各种噪声等。干扰抑制的各种措施无外乎是时域开窗和频域开窗。 时域开窗是 利用脉冲干扰在时域上是离散的特点来消除之， 而频域开窗则利用周 期型干扰在频域上离散的特点加以控制。频域开窗硬件是利用选择合适频带的窄带电流传感器和采用程 控带通滤波电路， 以躲过各种连续的周期型干扰， 它只适合一个具体 的变电站，使用上不灵活， 并且在安装前必须经过细致的实验以选择 最佳的频带。此外，由于局放是一种宽频带脉冲，窄频带测量只能获 得其中很小一部分能量， 且造成了检测波形严重畸变， 给后面的数字 处理带来诸多不便。软件上进行频域开

16、窗即采用各种数字滤波方法， 如 FFT 滤波、自适应滤波、非自适应滤波等等，具有通用性强、调 整容易、抑制效果好等特点。印度的 V. Nagesh 等人从干扰抑制比、 波形畸变等方面对各种数字滤波方法作了评估， 认为在各种方法中， 使用级联的二阶 IIR 点阵陷波固定系数滤波器是最佳的在线局放监 测方法， 具有对周期型干扰（ DSI）抑制比高、对局放脉冲波形畸变 最小、对脉冲干扰稳定性好以及处理时间少等优点。 而自适应滤波对 于脉冲干扰则表现出不稳定性， 且对局放脉冲波形有较大畸变。 因此， 局放监测应尽量采用宽频带测量，以获取更多的局放能量。目前，在 软件上通常采用 IIR 陷波器抑制周期型

17、载波等干扰。时域开窗硬件电路有差动平衡电路、 脉冲极性鉴别电路等。 从变 压器外壳接地线和铁心接地线中取一路信号与绕组中性点接地线中 选取的一路信号进行差动或极性鉴别出理， 利用外来的脉冲干扰在两 个测量点表现出同方向， 而内部放电脉冲则表现出方向相反这一特征 将外来干扰去除。 由于进入两路信号的脉冲干扰在干扰的来源、 途径 上不同，导致两路脉冲干扰在相位上、幅度上、波形上都有很大的差 别，因而造成电路调整困难。 此外，即使能对某一脉冲干扰有效抑制， 但对其它性质的脉冲干扰也难以消除。 软件的时域开窗包括直接的时 间处理和相域处理。直接的时间轴处理包括软件的差动和极性鉴别。 以及借助超声信号以

18、识别脉冲型干扰等。 还可以利用一路只具有周期 脉冲型干扰但没有局放脉冲的信号来识别和剔除周期脉冲型干扰。 直 接的时间轴处理包括软件的差动和极性鉴别， 以及借助超声信号来识 别脉冲干扰等。还可以利用一路只具有周期脉冲型干扰但没有局放脉 冲的信号来识别和剔除周期脉冲型干扰。 直接的时间轴处理可以抑制 随机脉冲型干扰和周期脉冲型干扰。 相域处理则是将采集的时域局放 信号变换到工频相域的 0°360°中，利用周期脉冲型干扰相位固定 的特点采用神经元网络或模糊逻辑将其消除。 有些装置则对各脉冲进 行相关计算，判断各个脉冲波形的相似性。对脉冲进行分类，绘制出 响应的 N-图。由于周期

19、脉冲型干扰波形一致，且分布在固定相位， 每一种周期脉冲型干扰对应一个 N-图，这样一来就很容易地识别 出来，再从时域波形中将其消除，得到只剩下局放脉冲的时域波形。然而目前这种通用的方法在具体实施时， 由于脉冲波形畸变难以实现 抑制周期性脉冲干扰。近年来国内外均采用小波变换来抑制白噪声， 对检测信号做多尺 度小波分析，利用局部放电脉冲与平稳白噪声的模极大值沿不同尺度 传递特性的差异，从白噪声背景中有效地提取局放脉冲。综上所述，干扰抑制的方法很多，但真正用于监测系统上，有时 却很难将干扰抑制下去， 原因是对干扰本身的分析不够。 目前对干扰 的分析仅限于大致的来源和路径的定性分析， 没有定量的概念，

20、 分不 清实际耦合带来的干扰中哪一类干扰占主要部分。 过分侧重于高压回 路中的干扰，而忽略继电保护等二次回路耦合的干扰的重要性等等。 这样，即使采用了许多种抗干扰措施，效果也并不明显。此外，抑制干扰的措施方面，硬件电路上采用的措施多，而软件 中采用的措施少。 随着数字处理技术的发展， 出现了许多对干扰抑制 非常有效的数字处理方法，但由于硬件的限制而无法应用。因此，处 于对抑制干扰的考虑， 监测系统的设计应趋向于硬件通用化， 而干扰 抑制技术应软化。 硬件通用化即采取宽频带、 并有足够增益的检测手 段，数据采集采取高速、 大容量、多通道采集技术， 以便于软件处理。 软件处理方面， 除了抗干扰措施

21、这一部分外， 其余所有部分都可以通 用化。而抗干扰措施则应在大量实验研究的基础上， 综合比较分析各 种数字和硬件抗干扰技术，选取最有效的和最少的方法进行合理的 软、硬件搭配，最大限度的抑制和识别干扰，获得可靠的干扰信息， 并形成完整的抗干扰系统。 在软件上实现单独的抗干扰软件包， 从而 在抗干扰方面尽可能实现通用化，这是目前抗干扰技术研究的重点。4、故障定位及故障诊断在变压器离线试验中， 国内外普遍采用视在放电量作为检测物理 量。超声脉冲波虽然也能反映局放的本质特征且具有可测性， 但目前 尚无法量化， 还不能作为监测的物理量。 油中气体分析只是反映了局 放所产生的一种化学现象， 且不能及时反映

22、突发性放电故障， 亦不宜 作为监测的物理量。 迄今为止， 无论是变压器局放的离线测量还是在 线监测系统都是以视在放电量作为监测物理量。 根据视在放电量和放 电次数的大小和变化速率可较准确地推算出放电对绝缘的危害程度。 根据国内外运行经验， 电力变压器的基本放电量在数千 P时仍可继 续运行，当达到 10000 P以上时，则应引起严重注意，此时绝缘可 能有严重损伤。 但考虑到设备的运行安全， 局部放电量在 40005000P 时，就应引起重视。目前，对放电点定位的实用方法有电定位和超声定位两种。 电定 位采用计算放电脉冲在绕组两侧的比值， 给出放电点的电气位置； 超 声定位计算局放超声波到达各超声

23、探头的时差来实现定位， 这在在线 监测中获得了广泛的应用，包括三角定位法（或称球面定位法）和双 曲面定位法，此外，美国人 Fowler 提出了区域定位的顺序定位法等。 目前，无论是电定位还是超声定位，在实际应用中都不很理想，尤其 是电定位， 只是在离线实验中有时应用。 超声定位由于放电时延的确 定以及定位算法等问题， 定位准确度差，需要在放电脉冲的传播特性、 定位算法等方面深入研究。对故障性质和严重程度进行详细诊断，需要结合放电的模式识 别、放电的机理以及放电对绝缘的影响等一系列基础研究成果， 根据 多年的运行经验分析故障的性质及发展程度，对绝缘状况作出预测， 以便确定变压器是停机检修还是继续

24、运行， 这是在线监测变压器局部 放电的最终目的。在现有的监测系统中，故障诊断还是非常简单的， 它的完善还要借助于专家系统、 神经元网络等的研究以及经验的积累 等。5、主要问题和发展趋势 局部放电在线监测系统目前的研究重点仍在于抑制干扰、 提高监 测灵敏度和准确度。目前，局放监测装置在实施上还存在下述问题：（1）、传感器的灵敏度、线性度、抗干扰性能均不能满足高精度 要求；大多监测装置采用窄带传感器，其检测波形严重畸变，致使监 测达不到要求。（2）、大多数装置的数据采集系统采样率不够高， 通频带不够宽， A/D 转换位数低，使监测精度低。（3）、抗干扰措施不力，虽然有的系统将数据处理中心与现场分

25、开，但在硬件、软件抗干扰上仍须进一步研究。（4）、大多现有装置未采用高档微机，不能满足监测数据处理的 快速、大容量要求。（5）、定量分析及定位算法均较简单，不能满足准确监测要求。6、在线监测系统的发展趋势目前，系统设计趋向于硬件设计和软件数据处理上的通用化， 而 抗干扰技术应软化，即形成监测数据处理软件包和抗干扰技术软件 包。在此基础上结合专家知识、神经元网络、模糊逻辑等技术进一步 发展成为在线诊断的专家系统，形成较通用的局部放电在线诊断系 统。即硬件的作用只是完成信号必要的预处理、采集和储存，而对信 号的处理和分析在软件中实现。 这种以软代硬的做法， 提高了系统的 可靠性和通用性， 这样可以

26、解决某些硬件电路上难以解决的问题。 真 正使绝缘监测和绝缘诊断结合起来， 为开发以绝缘诊断为核心的专家 系统开辟了广阔的前景。进一步的研究是多功能与多参数综合诊断， 继而发展为整个直到多个电站设备的集中监测和诊断， 从而形成完整 的集中控制的在线诊断网络。五、监测系统的工作原理及其实施方案1、“系统” 工作原理 本“系统”根据电脉冲检测和超声波检测法的基本原理，对变压 器局部放电产生的脉冲电流和超声波进行联合监测。 采用软件抗干扰 技术，包括小波分析抑制随机噪声、 混沌系统识别并抑制周期性脉冲 干扰等， 对检测的电脉冲信号和超声信号进行相关映射处理， 确定局 放有无，并给出局放的视在放电量、放

27、电频率等“指纹”参数及其变 化趋势；并应用信息融合理论对变压器绝缘状况做出相应的诊断。 同 时，根据等值声速原理， 运用模糊理论和有限元数值分析方法确定的 数学模型对变压器 PD 点进行精确定位。在铁芯接地回路中串入电流互感器， 采用傅氏算法计算出铁芯接 地线上电流基波幅值， 通过对该电流的连续监测， 实现对变压器铁芯接地状况的在线监测2、系统实施方案 系统分五个单元：传感器单元、现场信号预处理单元、光电转换 与传输单元、中控室信号处理单元、显示报警单元； 采用宽带电脉冲传感器， 以获取足量的局放信息和高的脉冲分辩 力，同时脉冲波形基本无畸变，为软件抗干扰打下基础；根据差动平 衡原理，同时检测

28、中性点接地线、油箱外壳接地线、高压套管末屏接 地线、铁芯接地线上的电脉冲信号， 运用小波理论和相关分析区分变 压器内外放电，剔除外部放电脉冲干扰。采用多个宽带超声波传感器检测局部放电超声信号， 并与电脉冲 信号做相关处理，判断局放有无并计算各路局放超声信号传播时间； 根据等值声速原理， 运用模糊理论和有限元数值分析方法确定的数学 模型对变压器 PD 点进行精确定位。采用超高速、 宽频带数据采集系统和前端 DSP 数据预处理模块。 系统采样频率为 5MSa/s、16位 A/D 转换，八通道同步采样；系统的 中心频率为 500kHz-800kHz 之间，带宽 1MHz 。根据脉冲型和连续的周期性干

29、扰可能进入“系统”的途径，分别 采取隔离、滤波、 屏蔽以及光纤传输信息而抑制干扰；根据脉冲极性 鉴别、电脉冲信号与超声信号的时延相关原理， 运用先进的数字信号 处理技术（如自适应滤波、小波分析、混沌控制等）建立抗干扰软件 包，有效地抑制各种干扰。数据处理中心采用高性能工控机， 以满足数据处理的快速、 大容 量要求。界面、主控软件及数据处理均采用 Windows 操作系统下 BORLAND C+ BUILDER 或 VC+6.0 编制，界面友好、丰富多彩， 具有多画面显示（同时动态显示放电量、放电频率、故障点位置等特 征量及铁芯接地情况） ，追忆各特征量曲线及报警等功能。视在放电量是分析局放的基

30、本物理量， IEC 标准及国标对变压器 例行试验视在放电量都有明确规定，本项目采用采用套管末屏注入 法，即利用套管主电容作为分度电容，打开套管末屏接地线，将方波 发生器接在末屏与地之间，注入方波信号进行标定。在线局放监测主要是监测破坏性放电， 根据国内外运行经验， 电 力变压器的基本放电量在数千 P时仍可继续运行，考虑到设备的运 行安全。局部放电量在 5000 P时（峰值脉冲电流 I 200300uA）， 系统报警引起重视。当达到 10000P以上时，则应引起严重注意， 此时绝缘可能有严重损伤。放电重复率 N（次/ 秒）1000 单项报警， N2000时危险信号， 但应参考其发展趋势。根据记录存储的 PD历史数据和变化趋势及电 声相关关系， 综合诊断出变压器的绝缘故障并越限报警。 采用设置 参数，