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電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

董 杰

（國(guó)網(wǎng)青海省電力公司檢修公司）

現(xiàn)階段市面上的電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是根據(jù)單一的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行診斷，系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性和精度不夠理想，無(wú)法清晰區(qū)分電力變壓器絕緣體系統(tǒng)放電的類別，因此對(duì)電力變壓器絕緣受到何種程度的破壞無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)論。在這種背景下，結(jié)合超高頻的電磁波信號(hào)來(lái)對(duì)電力變壓器局部放電所展示的特征進(jìn)行分析，將成為未來(lái)電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。故本文將采用超高頻傳感器，在三層劃分設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，構(gòu)建集站點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)設(shè)置等功能于一身的電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

電力變壓器；局部放電；在線監(jiān)測(cè)；超高頻法；MVC

0 引言

局部放電在線監(jiān)測(cè)不僅可以檢測(cè)出電力變壓器的早期內(nèi)部絕緣故障，避免放電情況的惡化；而且可以代替壓力測(cè)試來(lái)測(cè)試電力變壓器制造和安裝中造成的絕緣缺陷，確定故障位置以便快速有效地解決缺陷。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開了大量研究。例如日本研究者在20世紀(jì)80年代研制了電力變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其具有初步的自動(dòng)診斷功能；清華大學(xué)電機(jī)系在20世紀(jì)90年代研制了可遠(yuǎn)程和在線的變壓器局部放電監(jiān)測(cè)的微機(jī)系統(tǒng)，其還可以鑒別電磁干擾并定位局部放電源[1]。

但目前的電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多有裝置誤報(bào)率高、監(jiān)測(cè)精度低、裝置數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜度高等問(wèn)題，非常不利于大規(guī)模推廣和應(yīng)用。為此開發(fā)出人機(jī)互動(dòng)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)便、監(jiān)測(cè)高的電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。

1 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析

電力變壓器局部放電通常會(huì)伴隨超聲波、電脈沖、電磁輻射和光等，同時(shí)油中放電會(huì)導(dǎo)致能量的損耗。這就衍生出介質(zhì)損耗率、脈沖電流法、化學(xué)檢測(cè)、紅外檢測(cè)、超聲波測(cè)量、光測(cè)量等測(cè)量方法，而現(xiàn)階段主流的三種方法如表1所示。

相較于超聲波測(cè)量法和脈沖電流法，如果能夠找到電力變壓器局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)的特征參數(shù)與放電類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么不僅可以對(duì)電力變壓器局部放電的故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確判別，而且通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，還可以實(shí)現(xiàn)電力變壓器局部放電故障的預(yù)測(cè)[2]。

表1 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比

相信在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，超高頻法將是國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)電力變壓器局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的主要研究方向[3]。例如，在20世紀(jì)末，英國(guó)Hampton等研究者在一所變電站中安裝了一套具備三相傳感器的超高頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)7個(gè)靈敏度較高的超高頻傳感器來(lái)捕獲10m范圍內(nèi)的自由微粒及檢測(cè)相應(yīng)的放電量，從而對(duì)電力變壓器的局部放電進(jìn)行分析處理。

2 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)

圖1為電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如下：通過(guò)設(shè)置在電力變壓器上的UHF傳感器來(lái)捕捉電力變壓器內(nèi)部出現(xiàn)的特殊信號(hào)（如局部放電的超高頻信號(hào)），將檢測(cè)到的特殊信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)數(shù)字量來(lái)完成對(duì)特征信號(hào)的檢出工作，然后結(jié)合波形、頻譜來(lái)進(jìn)行深入分析，從而進(jìn)一步達(dá)到故障定位及預(yù)警的目的。

2.2 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊

調(diào)研后可知，電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要能夠結(jié)合UHF傳感器捕捉的局部放電信號(hào)來(lái)進(jìn)行信號(hào)的分析及存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)參數(shù)及三維放電譜圖；并且實(shí)現(xiàn)局部放電故障的自動(dòng)化報(bào)警?；谏鲜鲂枨?，電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊將劃分為如下幾個(gè)部分（如圖2所示）：

圖1 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)

第一，站點(diǎn)管理模塊。作為電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，站點(diǎn)管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集通道參數(shù)和采集設(shè)備進(jìn)行管理。本系統(tǒng)中的1個(gè)采集設(shè)備可以采集16路傳感器的數(shù)據(jù)，而如果想要更改采集通道參數(shù)，那么可以發(fā)送UDP等配置數(shù)據(jù)包到采集設(shè)備中。

第二，局放數(shù)據(jù)采集處理模塊。在對(duì)電力變壓器局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，要求每秒采集量應(yīng)大于5條，并且局放數(shù)據(jù)處理時(shí)間要控制在0.2s以內(nèi)，這樣才能夠確保系統(tǒng)擁有足夠的吞吐量。

圖2 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊

第三，局放數(shù)據(jù)輸出模塊。根據(jù)相位、報(bào)警等級(jí)等局放信號(hào)，局部數(shù)據(jù)分析子模塊經(jīng)過(guò)一定運(yùn)算后將得到報(bào)警信息和局放分析結(jié)果。此外，局放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊包含的數(shù)據(jù)由如下兩個(gè)方面組成：①歷史局放數(shù)據(jù)。歷史局放數(shù)據(jù)包含的主要是當(dāng)日內(nèi)局放數(shù)據(jù)的脈沖平均值、最大值，局放缺陷的結(jié)果等；②實(shí)時(shí)局放數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)局放數(shù)據(jù)包含的主要是50組最近及最新的局放數(shù)據(jù)。

第四，局放數(shù)據(jù)查詢模塊。局放數(shù)據(jù)查詢模塊提供單通道放電曲線、多通道放電曲線、警報(bào)數(shù)據(jù)（不同警報(bào)等級(jí)下，對(duì)具體日期的警報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢）、歷史數(shù)據(jù)（在具體采集設(shè)備及一定時(shí)間范圍內(nèi)，查詢?nèi)S放電圖譜、24h趨勢(shì)圖、俯視圖及右視圖等）的查詢，確保操作人員能夠根據(jù)實(shí)際需求來(lái)查詢所需數(shù)據(jù)。

第五，局放數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。對(duì)于已經(jīng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的局放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠通過(guò)相應(yīng)操作將它們導(dǎo)入到Excel表格中（具體操作時(shí)，操作人員先選取指定的采集設(shè)備及采集通道，找出合理的時(shí)間范圍，然后將相應(yīng)局放數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中）。

第六，系統(tǒng)設(shè)置模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊的主要功能是對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行管理，通常用戶包括管理用戶和匿名用戶兩類。其中管理用戶的權(quán)限包括局放采集、查詢、修改、增加及刪除等，匿名用戶的權(quán)限包括局放采集及查詢。通過(guò)對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行管理，能夠極大降低站點(diǎn)的操作錯(cuò)誤率，提高系統(tǒng)的整體安全性。

3 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖3為電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵設(shè)備所采用的型號(hào)如表2所示。其中，為了抑制噪聲干擾需要采用硬件濾波技術(shù)。根據(jù)濾波器的頻率阻抗特性，濾波器可以分為帶阻濾波器、帶通濾波器、高通濾波器及低通濾波器等四大類[4]。在具體選用時(shí)要注意：濾波電容要求耐高壓、絕緣好、溫度系數(shù)小、自諧振頻率高；濾波電感要求溫度系數(shù)小、直流阻抗低、在負(fù)載電流范圍內(nèi)不飽和；濾波器最好采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以保證線路平衡，這樣有利于抑制共模干擾。在本系統(tǒng)中，由于電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)的干擾源多在200MHz以內(nèi)，因此最終從成本和安裝簡(jiǎn)便等角度綜合考慮，選用了LC微波濾波器。

3.2 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用MVC設(shè)計(jì)模式[5]。整個(gè)系統(tǒng)從上至下分為視圖層、控制層及Model模型層，具體說(shuō)來(lái)：

圖3 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

表2 電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備

首先，視圖層中包含局放數(shù)據(jù)查詢模塊、站點(diǎn)管理模塊及局放數(shù)據(jù)顯示模塊。其可以調(diào)用控制層發(fā)出的指令和模型層Model，提供一些主要方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢及顯示燈功能。

其次，控制層中包含局放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、局放數(shù)據(jù)分析模塊及查詢模塊等。當(dāng)視圖層經(jīng)輸入提交指令后，控制層可以對(duì)模型構(gòu)建進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)用。

最后，Model模型層中包含數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及通訊模塊。其可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包、通道信息表及設(shè)備信息表等進(jìn)行封裝，并且能夠被控制層發(fā)出的指令所調(diào)用。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)

根據(jù)需求調(diào)研和系統(tǒng)整體架構(gòu)的要求，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)選用了Mysql5.5，主要的數(shù)據(jù)庫(kù)表如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)運(yùn)行環(huán)境惡劣或內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，電力變壓器會(huì)由于局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高而產(chǎn)生局部放電。局部放電的發(fā)生會(huì)影響電力變壓器的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能造成電力變壓器的損壞，因此對(duì)電力變壓器局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是電力變壓器監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)。本文以超高頻法為基礎(chǔ)，選用UHF傳感器、8選1對(duì)信號(hào)的射頻多路切換開關(guān)及LC微波濾波器，構(gòu)建了基于.NET平臺(tái)的電力變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)不僅具有較高的檢測(cè)靈敏度和較低的誤報(bào)率，而且具有較強(qiáng)的抗干擾性，非常適合大范圍推廣和應(yīng)用。

[1]王綏瑜，邢鈾，蔡淵．變壓器局部放電在線檢測(cè)的研究[J]．中國(guó)電業(yè)（技術(shù)版），2014（1）．

[2]邢偉娜．電力變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)[D]．保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014．

[3]陳軒，黃心漢，范盛榮，等．變壓器局部放電在線檢測(cè)方法研究[J]．計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2014（3）．

[4]朱超杰，王友臣，朱琪，等．新型變壓器局放監(jiān)測(cè)特高頻傳感器的研究[C]．輸變電年會(huì)，2014．

[5]李黎．變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[J]．云南電力技術(shù)，2015（2）．

2016-10-27）