作者介绍了⼀种采⽤电-声联合检测法的变压器局部放电在线监测系统，系统采⽤罗科夫斯基线圈采集脉冲电流信号，利⽤磁浮式⾼抗⼲扰超声探头采集局部放电声波信号，通过上位机软件进⾏放电脉冲幅值、频次和放电源位置等参数的计算，从⽽实现对变压器局部放电的监测。装置采⽤脉冲分离技术及光纤传输系统，实现强⼲扰环境下的局部放电在线监测，使监测数据更加真实可靠。 山东建筑大学 高鹏随着电⼒系统中变压器的容量和电压等级不断提⾼，其安全稳定运⾏越来越受到重视。其中，绝缘问题在变压器故障中占有很⼤⽐重。
局部放电在线监测⽐油中⽓体分析法优越的是，当⾮脉冲型局部放电发展到脉冲型局部放电的过程中会使绝缘⽼化，进⽽使绝缘突然损坏，这⼀发展过程它不能分解出⽓体，因此油的⽓体分析法不起作⽤，但局部放电的在线监测能记录整个过程，因此研制现场运⾏的变压器局部放电在线监测系统是⾮常有必要的。
然⽽，由于变压器绕组的分布参数⽹络对放电脉冲信号的传递造成幅值衰减、波形畸变、相间串扰以及现场⼲扰等，对准确监测变压器局部放电带来了⼀定的困难。
1 监测原理及系统结构
当变压器内部出现局部放电时，会有放电脉冲电流产⽣，在套管出线端、套管末屏接地线、外壳接地线、铁芯接地线、铁芯夹件接地线等处将有脉冲电流流过，通过罗科夫斯基线圈可检测到脉冲电流信号。
斜发沸石
图1 电-声联合法原理图
在局部放电产⽣脉冲电流信号的同时，还存在声发射信号。利⽤传感器在极短时间内(⼏乎为零)就能接收到脉冲信号，⽽声发射压⼒波则需⼀定时间(声波在油中传播速度为1.44mm/us)才能到达紧贴在变压器油箱上的超声传感器。
采⽤3个或3个以上超声传感单元时，可近似估算局部放电源在变压器中的位置。若电声信号延时太长，估计的距离超出变压器的⼏何尺⼨，则接收的是⼲扰信号。
采⽤电流脉冲和声波脉冲直接测量放电的监测⽅法。它能瞬时检测变压器、电抗器内部出现的故障，对⾮脉冲型局部放电(约500pC～1500pC)及脉冲型局部放电(1500pC)以上均能进⾏在线监测。图2是变压器局部放电在线监测系统结构框图。
图2 系统结构框图
2 系统设计及抗⼲扰
2.1 系统设计
图3所⽰为局部放电监测系统信号流程图。当变压器内部发⽣局部放电时，由超声传感器和电流传感器分别采集相应的超声脉冲信号和电脉冲信号，经预处理电路处理后送⼊A/D转换器，转换后的数字信号通过光纤传送⾄上位机，再通过专家软件对放电特征量进⾏提取，对放电位置进⾏定位，发出故障报警，为进⼀步做放电特性分析和故障诊断提供有效数据。
系统可对被监测点进⾏全天候监测或定时监测，当发现放电量达到预设警戒值时，⽴即进⾏报警。
为实现设备现场与上位机的电⽓隔离，系统采⽤光缆传输系统完成上位机与现场测量系统之间的长距离通讯，同时提⾼系统抗⼲扰能⼒和信号传输的可靠性。光中继站的通道数，视被监测设备的监测点多少⽽定。
图3 变压器局部放电在线监测系统信号流程图
2.2 抗⼲扰设计
纳什均衡解
变压器绕组是⼀个复杂结构，⼜与电⽹直接相连，具有复杂的电感电容分布参数⽹络。对于局部放电脉冲信号⽽⾔，会造成幅值衰减、信号延迟和相间串扰等。
此外，变压器安装现场还存在⼤量的⽆线电、载波、电晕放电等⼲扰。对于变压器局部放电在线监测系统⽽⾔，处理数据的微机往往在远离变压器等电⽓设备的监控中⼼，⼀般相距数⼗⽶甚⾄数百⽶，信号经过长距离传输会产⽣衰减和畸变，同时在传输过程中还可能有⼲扰信号进⼊⽽降低信噪⽐。
峡江县故⼀般对信号采取就地处理的⽅式，即对传感器送出的信号⽴即进⾏预处理及数字化转换。预处理单元可安排在数据采集之前，甚⾄和传感器安排在⼀起，这样在信号传输过程中受到的⼲扰影响将⼤⼤削弱。
通过图2中的信号处理模块(12)对传感器传送来的信号进⾏适当的预处理，将信号幅度调整到合适的电平；对混叠的⼲扰信号采⽤滤波器进⾏抑制，以提⾼系统的抗⼲扰能⼒。对经过预处理的信号进⾏采集、A/D转换和记录。
在图2所⽰信号监测模块(11)中，采⽤空⼼的罗⽒线圈监测局部放电电流脉冲，通过对电流传感器进⾏
船舶自动化设备特殊设计，选择适当的监测频带，以提⾼监测的灵敏度和抗⼲扰能⼒。采⽤脉冲分离技术对局部放电电脉冲进⾏处理，以增强监测回路的抗⼲扰能⼒。
聚合度
本系统设计了由两部分组成的模拟信号预处理电路：⼀是放⼤电路，主要完成对传感器输出信号的放⼤和滤波后信号电平的调节，使其满⾜A/D转换对输⼊信号的要求；另⼀部分是滤波电路，通过限制信号的频带范围来抑制⼲扰信号。
模拟信号预处理电路结构如图4所⽰，预处理电路中第⼀级放⼤电路如图5所⽰，滤波器采⽤如图6所⽰的程控滤波器。
图4 局部放电模拟信号预处理电路结构图
图5 放⼤电路原理图
图6 程控滤波器原理图
经过滤波器处理后，在⼀定程度上抑制了某些类型的⼲扰，但变电站现场⼲扰源众多，⼲扰信号极其复杂，仅仅依靠硬件滤波并不能达到满意效果，还需要采⽤相应的软件滤波算法进⾏处理。由于局放信号和⼲扰信号(窄带⼲扰)在频带上具有⼀定的分散性，系统采⽤⼩波变换去除监测信号中的窄带⼲扰。
3 分析诊断与故障定位
专家软件通过对采集到的数据进⾏处理和分析，获取反映变压器运⾏状态的特征值，为诊断提供有效数据信息。
⽤处理后的数据与历史数据及其他信息进⾏⽐较、分析，从⽽进⾏设备状态评估或故障定位。图7所⽰为电流传感器和超声探头现场安装图，图8为专家软件分析界⾯。
图7 传感器现场安装图
图8 局部放电谱图分析
表1 某主变局部放电监测数据
(注：x,y,z为以某⼀探头为坐标原点的坐标⽅向，z正⽅向指向油箱内。)
实现变压器局部放电的故障定位，能够有效提⾼变压器检修效率，具有很⼤的实际价值。表1所⽰为某主变A相局部放电放电量及放电位置数据。近年来，很多科研单位对局部放电定位技术进⾏了较为深⼊的研究。
如利⽤变压器绕组在特定频率范围内等值电路的特点导出变压器绕组内部产⽣局部放电时⾸末端电压或电流⽐值与放电点的位置关系，并据此定出故障点位置，此种⽅法能在进⾏局部放电定位的同时，定量测量局部放电量值。但因变压器型号、⽣产⼚家的不同，实际应⽤起来还有⼀定难度。
若变压器内部有局部放电，则会产⽣脉冲电流信号及声发射信号，利⽤传感器在极短时间内(⼏乎为零)就能接收到脉冲信号，⽽声发射压⼒波则需⼀定时间才能到达紧贴在变压器油箱上的超声传感器，则放电源到探头的距离可以由s=vt得出。若电声信号延时太长，估计的距离超出变压器的⼏何尺⼨，则接收的是⼲扰信号。采⽤3个或3个以上超声传感单元时，可近似估算局部放电源在变压器中的位置。
采⽤磁浮式⾼抗⼲扰超⾼灵敏的超声探头(增益⼤于40dB)，牢固地吸附在变压器油箱铁板上。探头安装在不同位置，对于同⼀个放电源，测量系统将测量到相应的探头到放电源的距离s1、s2、s3等，再利⽤空间解析⼏何法即可求出放电源的空间坐标。
4 总结
通过⾼精度罗科夫斯基线圈和⾼抗⼲扰超声探头，有效采集脉冲电流信号和局部放电声波信号，经过信号调理电路和滤波器滤波后，最⼤程度去除⼲扰，为专家软件进⾏计算分析提供准确数据。
专家软件进⾏放电脉冲幅值、频次和放电源位置等参数的计算，并结合历史数据进⾏分析，评估设备运⾏状态，为设备的检修和更换提供依据。
(编⾃《电⽓技术》，作者为吉树亮、李希元等。)
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