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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两点或多点接地时，接地点
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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，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
7、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）、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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，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
15、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
16、的局放能量。目前，在软件上通常采用IIR陷波器抑制周期型载波等干扰。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
