甘德剛，劉 凡，肖 偉

（四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072）

0 引言

局部放電既是絕緣劣化的征兆，又是造成絕緣劣化的重要原因[1-3]。因此，局部放電的監(jiān)測是監(jiān)測和評(píng)估電力設(shè)備絕緣狀況的重要手段之一[4-5]。變壓器等設(shè)備局部放電測量目前主要采用脈沖電流法[6-7]，其靈敏度高且傳感器易于安裝。但由于現(xiàn)場存在嚴(yán)重的電磁干擾，包括常見的電暈放電和開關(guān)動(dòng)作等，這些干擾信號(hào)特征與局部放電信號(hào)極其相似，且幅值可能淹沒局部放電信號(hào)，導(dǎo)致把干擾信號(hào)當(dāng)成變壓器放電，以致檢修不當(dāng)造成損失。

局部放電超高頻UHF（Ultra-High Frequency）監(jiān)測法已成功應(yīng)用于氣體封閉組合開關(guān)設(shè)備（GIS），并取得良好的現(xiàn)場效果。該技術(shù)主要通過接收變壓器等設(shè)備內(nèi)部局部放電所激發(fā)的超高頻電磁波實(shí)現(xiàn)局部放電監(jiān)測[8-10]。由于一般干擾頻帶在300 MHz以下[11]，而超高頻監(jiān)測法的監(jiān)測頻帶為 300～3000MHz，避開了干擾信號(hào)，顯著提高了局部放電監(jiān)測的信噪比。但目前的超高頻監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜，超高頻信號(hào)采集存儲(chǔ)技術(shù)還沒有完全實(shí)現(xiàn)，其成本高，而且后續(xù)的干擾移除算法、放電量標(biāo)定等都沒有實(shí)質(zhì)地解決。

鑒于以上情況，本文將2種方法結(jié)合，提出一種融合超高頻及脈沖電流法的局部放電監(jiān)測新方法。首先利用簡易的超高頻采集裝置采集變壓器內(nèi)部放電信號(hào)，將采集到的超高頻信號(hào)通過電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)處理，轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)；基于該方波信號(hào)就可以清楚地區(qū)分脈沖電流信號(hào)中的干擾信號(hào)和放電信號(hào)；最后通過脈沖電流法計(jì)算變壓器內(nèi)局部放電量，判斷變壓器內(nèi)部絕緣劣化狀況。該方法有效解決了脈沖電流法的干擾移除問題，能夠更有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測變壓器局部放電?；贓DA技術(shù)和MAXPLUS開發(fā)的局部放電識(shí)別系統(tǒng)不需要高速采集卡和海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，大幅降低了局部放電監(jiān)測的成本。

目前，運(yùn)用本文方法的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)研制成功，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行正常，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部放電并有效濾除脈沖型干擾。監(jiān)測系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)室研制的3階Hilbert分形天線，其體積小、頻帶寬，便于在變壓器內(nèi)部安裝。同時(shí)設(shè)計(jì)了固體絕緣內(nèi)氣隙放電模型，并結(jié)合分形天線，針對該模型搭建了變壓器局部放電監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文采用該系統(tǒng)進(jìn)行了油中氣隙放電實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加入各種干擾；采集放電信號(hào)，分析并比較了所提方法與脈沖電流法的區(qū)別。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別局部放電信號(hào)，并有效濾除周圍存在的脈沖型干擾信號(hào)；與傳統(tǒng)的脈沖電流法相比，本文方法具有更好的監(jiān)測效果及更高的識(shí)別率。

1 系統(tǒng)基本構(gòu)成及原理

融合超高頻及脈沖電流法的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)由脈沖電流傳感器、超高頻天線和超高頻信號(hào)波形轉(zhuǎn)換器組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。超高頻信號(hào)經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成方波，確定設(shè)備已經(jīng)發(fā)生放電現(xiàn)象，觸發(fā)脈沖電流傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣可以確保脈沖電流傳感器采集的信號(hào)中含有放電信號(hào)。脈沖電流放電信號(hào)再經(jīng)過去噪處理，便可得到局部放電信號(hào)波形。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system

1.1 Hilbert分形天線

目前廣泛應(yīng)用于變壓器局部放電在線監(jiān)測的超高頻阿基米德螺旋天線[12]、倒錐狀天線[13]等都只有一個(gè)頻帶，而本文采用的監(jiān)測系統(tǒng)需要小型化內(nèi)置天線，因此采用3階Hilbert分形天線。

Hilbert分形天線依據(jù)Hilbert分形曲線設(shè)計(jì)而成，由于Hilbert分形曲線具有嚴(yán)格自相似特性[14-15]，N階Hilbert分形天線具有N個(gè)諧振頻率[16]。小型化Hilbert分形天線的諧振頻率較高，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)天線的幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)，使天線最低諧振頻率處于局部放電超高頻監(jiān)測頻帶中，從而用于監(jiān)測變壓器局部放電。

本系統(tǒng)采用3階Hilbert分形天線傳感器，其體積小、頻帶寬，天線的3個(gè)諧振頻率為817 MHz、1.7 GHz和2.5 GHz。諧振頻率為817 MHz時(shí)駐波比約為1.5，1.7 GHz時(shí)駐波比約為1.2，2.5 GHz時(shí)駐波比約為1.6。諧振頻率817 MHz處的通頻帶約為600～900 MHz，駐波比小于 5。

文獻(xiàn)[17]中深入研究了天線的外圍尺寸、階數(shù)、導(dǎo)線寬度的改變對天線方向性、駐波比和輸出阻抗帶來的影響。本系統(tǒng)采用的3階Hilbert分形天線的相對最優(yōu)設(shè)計(jì)幾何參數(shù)為：傳感器寬度L=30 mm，階數(shù)n=3，覆銅厚度b=2 mm。饋電位置于傳感器邊角。電介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm。電介質(zhì)板的外圍尺寸為35.4 mm，略大于天線的外圍尺寸，其對角線外圍尺寸為50.1 mm，而變壓器放油閥內(nèi)徑一般為80 mm，故本文采用的Hilbert分形天線可通過變壓器放油閥內(nèi)置于變壓器油箱內(nèi)壁，并使用同軸電纜將信號(hào)引出。

1.2 超高頻信號(hào)波形轉(zhuǎn)換

波形轉(zhuǎn)換是指將天線采集到的超高頻信號(hào)放電部分轉(zhuǎn)換為高電平方波。它不需完整采集信號(hào)，可極大地節(jié)約電力變壓器局部放電的監(jiān)測成本。其核心為比較器，通過EDA技術(shù)完成控制。轉(zhuǎn)換過程的原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換原理框架圖Fig.2 Schematic diagram of signal conversion

首先將天線的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大濾波，送入比較器進(jìn)行比較，其中比較器的閾值由恒壓電路給定。當(dāng)開始放電且信號(hào)幅值大于閾值時(shí)，比較器輸出正電平，Altera可編程邏輯器件EPM3032ATC44-4也輸出正電平。放電幅值下降到低于比較閾值時(shí)，比較器輸出低電平，但MAXPLUS仍然在Δt內(nèi)保持輸出正電平。如果有大于該閾值的放電脈沖再次出現(xiàn)，則重新開始延續(xù)Δt。Δt可以針對不同的情況在操作中進(jìn)行調(diào)整，一般較為合理的設(shè)置為20 ns，這樣就保證在放電的一整段時(shí)間內(nèi)MAXPLUS輸出正電平。圖3為超高頻監(jiān)測裝置采集到的放電脈沖和經(jīng)裝置轉(zhuǎn)換后輸出的方波。

圖3 波形轉(zhuǎn)換Fig.3 Wave transform

1.3 脈沖電流傳感器

監(jiān)測系統(tǒng)采用磁芯寬頻帶脈沖微電流傳感器，該傳感器應(yīng)用羅戈夫斯基線圈基本原理，幅頻特性如圖4所示。磁芯寬頻帶脈沖微電流傳感器監(jiān)測頻帶寬度超過12 MHz，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的局部放電監(jiān)測單元的監(jiān)測頻帶寬度（1 MHz以內(nèi)），用于耦合變壓器高壓套管末屏接地線上的局部放電脈沖電流監(jiān)測，監(jiān)測靈敏度為2 pC。

圖4 寬頻帶型電流傳感器幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics ofbroad-band current transducer

1.4 局部放電及干擾信號(hào)識(shí)別

監(jiān)測系統(tǒng)采集到的信號(hào)基本可以分為變壓器內(nèi)部局部放電信號(hào)、存在于脈沖電流信號(hào)中的低頻干擾信號(hào)、現(xiàn)場存在的超高頻干擾信號(hào)3類。監(jiān)測系統(tǒng)可以很好地鑒別這3類信號(hào)。

在電纜長度相同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的脈沖電流信號(hào)與超高頻放電信號(hào)具有同時(shí)性。假設(shè)第1次信號(hào)采集時(shí)，脈沖電流法監(jiān)測到有放電信號(hào)，監(jiān)測設(shè)備輸出的方波信號(hào)顯示高電平，則說明變壓器發(fā)生局部放電；第2次信號(hào)采集時(shí)能監(jiān)測到脈沖電流信號(hào)，但未監(jiān)測到超高頻放電信號(hào)，則說明是白噪、線路電暈引起的干擾，而不是變壓器發(fā)生局部放電；第3次信號(hào)采集時(shí)脈沖電流法沒有采集到放電信號(hào)，但是有高電平的方波信號(hào)，則說明是一些無線電波、載波通信等引起的超高頻信號(hào)干擾。放電信號(hào)識(shí)別分析如圖5所示，從上到下依次為脈沖電流信號(hào)、超高頻信號(hào)、方波信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖5 放電信號(hào)識(shí)別分析圖Fig.5 Results of discharge signal recognition

圖6 固體絕緣內(nèi)氣隙放電模型Fig.6 Model of air-gap discharge in solid dielectric

圖6是模擬絕緣內(nèi)部氣隙局部放電的電極系統(tǒng)及缺陷模型結(jié)構(gòu)。電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參照CMII（CIGRE MethodⅡ）電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)制作。氣隙由3層直徑為60 mm、厚度為0.5 mm的環(huán)氧板組成，中間環(huán)氧板中心為1個(gè)直徑20 mm的圓孔。實(shí)驗(yàn)過程中，模型浸漬在絕緣油中進(jìn)行局部放電測量。

局部放電在實(shí)驗(yàn)室模擬變壓器油箱中產(chǎn)生，圖7為實(shí)驗(yàn)室模擬油箱中絕緣缺陷局部放電試驗(yàn)及測量系統(tǒng)示意圖，其中Rp為保護(hù)電阻，C為耦合電容器。天線S經(jīng)傳輸電纜將接收到的局部放電超高頻信號(hào)接入采集裝置，然后通過MAXPLUS比較輸出方波信號(hào)。電流傳感器經(jīng)傳輸電纜（長度相等）將流過接地線的局部放電脈沖電流信號(hào)接入示波器。

圖7 實(shí)驗(yàn)室局部放電試驗(yàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of partial discharge experiment in laboratory

2.2 融合超高頻方法濾除脈沖電流信號(hào)干擾實(shí)驗(yàn)波形及分析

圖8 電暈干擾下的油中氣隙放電實(shí)測信號(hào)Fig.8 Measured air-gap discharge signal in transformer oil under corona interference

施加電壓使氣隙發(fā)生放電，同時(shí)使用脈沖電流傳感器和分形天線檢測放電信號(hào)，實(shí)測信號(hào)如圖8所示。其中u1為分形天線接收到的超高頻信號(hào)，u2為脈沖電流傳感器信號(hào)。由圖8可見，在P2處監(jiān)測到80 mV的脈沖信號(hào)，分形天線也監(jiān)測到80 mV的信號(hào)，可以斷定P2處發(fā)生氣隙放電。在P1、P3、P4等處脈沖電流法都監(jiān)測到30～40 mV的脈沖信號(hào)，而超高頻法卻沒有監(jiān)測到信號(hào)，說明存在線路電暈干擾。在這種情況下，脈沖電流法和超高頻法監(jiān)測的結(jié)合就可以很好地區(qū)分放電與干擾。讀取脈沖電流放電波形，計(jì)算局部放電視在放電量。

采用油中氣隙放電模型施加電壓8 kV，其發(fā)生放電10 min后監(jiān)測系統(tǒng)采集到的放電波形如圖9所示。脈沖電流法在250 ns附近監(jiān)測到放電信號(hào)，超高頻監(jiān)測裝置同樣在250 ns附近開始輸出高電平（用“1”表示，后同），且放電持續(xù)時(shí)間上基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣隙放電模型在8 kV電壓作用下存在穩(wěn)定的局部放電。

圖9 油中氣隙放電實(shí)測信號(hào)Fig.9 Measured air-gap discharge signal in transformer oil

在油中氣隙放電模型50 cm處放置一個(gè)正在通話的手機(jī)，施加電壓至5 kV，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的信號(hào)如圖10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在5 kV電壓作用下，氣隙模型基本不放電，所以脈沖電流傳感器沒有監(jiān)測到放電信號(hào)；但是超高頻監(jiān)測裝置輸出方波信號(hào)在整段800 ns時(shí)間內(nèi)都是高電平，這是分形天線接收到的手機(jī)信號(hào)干擾，而不是局部放電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)手機(jī)接通信號(hào)是周期信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為0.5 ms，所以在800 ns內(nèi)均顯示為發(fā)生放電現(xiàn)象。

圖10 手機(jī)信號(hào)干擾下的油中氣隙實(shí)測信號(hào)Fig.10 Measured air-gap discharge signal in transformer oil under mobile phone interference

3 結(jié)論

a.監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地采集到變壓器局部放電信號(hào)。超高頻監(jiān)測裝置配合脈沖電流法進(jìn)一步完善了變壓器局部放電信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)，使脈沖電流法測量局部放電時(shí)，能夠準(zhǔn)確地濾除脈沖型干擾信號(hào)，提高監(jiān)測效率。同時(shí)該方法彌補(bǔ)了超高頻監(jiān)測法沒有完全成熟的缺陷，也為超高頻方法監(jiān)測提供了一種新的思路。

b.在油中氣隙放電模型實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地識(shí)別干擾信號(hào)，并可以大致判斷干擾源。因此，監(jiān)測系統(tǒng)能間接地監(jiān)測周圍環(huán)境中存在的放電現(xiàn)象，能夠發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境中是否存在電暈放電、導(dǎo)體接觸不良產(chǎn)生的電弧放電、無線電波和載波通信引起的干擾等。