沈陽變壓器回收專題變壓器局部放電在線監測中抗電磁干擾的定向耦合差動平衡法的研究
提要在分析差動平衡法和極性鑒別法抗電磁干擾性能的基礎上，提出了定向耦合差動平衡法；論述了該方法的基本原理和特點；通過模擬和帶電試驗，分析了該系統的線性度和抗干擾能力，從而證明了這種方法的有效性及應用前景。
關鍵詞變壓器局部放電在線監測定向耦合差動平衡法
1前言
由于現場環境中的電磁干擾信號可能比變壓器內部局部放電脈沖電流信號還強，在對局部放電進行在線監測時，局部放電信號完全可能被電磁干擾信號淹沒。因此，大型變壓器局部放電在線監測的關鍵技術之一是如何在強電磁干擾環境中有效地檢測出局部放電信號。
對于電磁干擾的抑制，通常從空域(如采用接地、隔離、屏蔽等)和時域(如采用模擬和數字濾波等)同時采取措施，但往往無法抑制電暈放電、電弧放電等隨機脈沖干擾信號。對此，人們進行了大量的研究，提出了差動平衡法和極性鑒別法[1～3]。這兩種方法的基本思想都是根據變壓器內部局部放電脈沖電流和外部干擾脈沖在變壓器本體各處接地線上流動方向的差異來抵消或辨別外部干擾信號。差動平衡法是分別從變壓器油箱接地線和中性點接地線上取信號，當變壓器內部有局部發電時，脈沖電流在兩處接地線上方向相反，而外部干擾信號在兩處接地線中的脈沖電流方向是相同的；將兩地線上的信號經放大、調幅送入差動放大器使同向的外部干擾信號相互抵消，而反向的局部放電信號則相互加強。極性鑒別法取信號的方式與差動平衡法相同(有的不從中性點而從末屏端子接地線取信號)，但它不是對所取得的兩信號直接進行抵消，而是進行極性鑒別，依靠電子門控開關：兩信號同向時為外部干擾，檢測系統不輸出；兩信號相反時為內部局部放電，檢測系統僅輸出局部放電信號。差動平衡法要求兩路信號的波形和幅值一致時抑制干擾的效果才最佳；當外部干擾與內部局部放電信號疊加且前者比后者強時，監測系統反應出的同向信號，極性鑒別法將判為外部干擾，漏掉了局部放電信號。此外，運行中的三相變壓器無論哪一相產生局部放電，在兩處接地線上都有脈沖電流流過，則差動平衡法和極性鑒別法都無法辨識出是哪一相有局部放電。由此可見，差動平衡法和極性鑒別法雖能在一定程度上抑制外部干擾信號，但仍然存在著不少缺陷。為此，本文提出了基于用諧振式非磁性芯棒羅氐線圈電流傳感器從變壓器高壓套管取信號方式下的定向耦合差動平衡法，力圖能克服差動平衡法和極性鑒別法的缺陷。
2定向耦合差動平衡法的基本原理
在大型變壓器局部放電在線監測中，人們希望從電流脈沖信號能夠判斷出局部放電是否存在、強弱及相序位置。從現有的結果來看[1～3]，從變壓器高壓套管上耦合的信號包含絕緣狀態的信息最豐富。當某一相產生局部放電時，雖然脈沖信號通過相間電容耦合到其它兩相中，但因相間電容較小，耦合到其它兩相的脈沖信號要小6倍以上[4,5]，據此可以從三相監測信號中判斷出放電的相位。但這種取脈沖信號的方法并沒有解決強電磁環境中局部放電信號可能被淹沒的難題。為此，作者在研究從空域和時域(自適應濾波、自相關小波變換等)采取措施消除周期性干擾和白噪干擾的基礎上，本文提出定向耦合差動平衡法來有效地抑制或消除外部脈沖干擾信號，以提高信噪比。
定向耦合差動平衡法的基本原理如圖1示，其中：Ck是與變壓器相連的外部線路及其它設備的等值電容；Cx為變壓器除高壓套管外的等值電容；Cb是高壓套管的電容；T1是從高壓套管最末一個傘裙到法蘭之間耦合信號的電流傳感器；T2為從高壓套管末屏取信號的電流傳感器。該方法用羅氏線圈電流傳感器分別從高壓套管和套管末屏接地線處同時耦合信號；當外部干擾信號進入變壓器，并且假設T1和T2兩電流傳感器所測得的信號同方向(圖1a)時，則變壓器內部產生局部放電時兩電流傳感器所得信號的方向反向(圖1b)。顯然，外部干擾信號和內部局部放電信號在T2上的電流方向始終保持不變，但在T1上的方向卻相反。于是，利用T1和T2兩電流傳感器對外部干擾信號與內部局部放電信號定向耦合的原理，組成差動平衡系統，將兩信號分別進行調幅、調相處理后送入差動放大器，使外部干擾信號相互抵消而被削弱，內部局部放電信號相加而被增強，從而使信噪比顯著提高。
圖1定向耦合差動平衡法的原理圖
Fig.1BasicprincipleofDDBmethod
3定向耦合差動平衡系統的特點
從定向耦合差動平衡的基本原理可知，本系統可分為用于定向耦合的羅氏線圈電流傳感器和差動平衡系統兩部分。
3.1電流傳感器
我們在文獻[5]中已經得出，在變壓器高壓套管上耦合局部放電脈沖電流信號時宜用諧振式非磁性芯棒的羅氏線圈作電流傳感器，它的參數主要決定于帶通特性。本文針對220kV三相變壓器研制的電流傳感器由羅氏線圈和外并電容、電阻構成，外并電容使其諧振頻率為2MHz，外并電阻使其振蕩的分辨時間為10μs，為了消除輸出電纜對電流傳感器總體響應頻帶的影響，采用了內部帶前置放大電路的有源式電流傳感器，以獨立電源供電和采用信號隔離及其鋁合金作外屏蔽等措施。用圖2a的變壓器模擬等效電路模型，測得電流傳感器的響應電壓與局部放電量之間的關系如圖2b所示。圖中Cx為220kV變壓器的等值電容(取3000pF),Cb為高壓套管的等值電容(取450pF)。
(a)定向耦合差動平衡法模擬試驗原理圖
(a)basicprincipleofsimulationtestonDDBmethod
(b)電流傳感器響應電壓與局部放電量的關系曲線
(b)relationshipbetweenresponsevoltageof
currentsersorandquantityofPD
圖2諧振式非磁性線圈芯棒電流傳感器線性度的變壓器模擬等效電路模型試驗
Fig.2SimulationtesttomeasurelinearcharacteristicsofresonancecurrentsensorwithNon-magneticcoreonequivalentcircuitoftransformer
從圖2b的模擬等效電路模型試驗結果可知，從高壓套管耦合信號的T1號電流傳感器(曲線1)和從套管末屏接地線耦合信號的T2號電流傳感器(曲線2)均有良好的線性度和靈敏度。
T1、T2-大、小電流傳感器；1-調幅電路；2-調相電路
3-差動放大電路；4-帶通濾波電路；5-電壓跟隨器
圖3差動平衡系統框圖
Fig.3Differencebalancesystem
3.2差動平衡系統
差動平衡系統的原理如圖3所示。在高頻脈沖電流信號下，變壓器及其外部設備可等效為集中參數的電容元件(圖1)。在圖1中，Cx一般為1000～10000pF,Ck的范圍與Cb相當，Cb通常為500pF左右。因此，外部干擾電流1進入變壓器后由Cb和Cx分流，必然有I1>I2或|1|>|2|，同樣，變壓器內部的局部放電脈沖電流變壓器內部的局部放電脈沖電流由Ck和Cb分流后，仍有I1>I2或|1|>|2|，由于T1和T2的傳輸特性不同，輸出電壓信號的幅值和相位就不相等；同時，因為兩信號經過途徑不一樣，可能還存在相位差。因此，在把兩信號送入到差動放大器之前，必須在僅有外部干擾輸入的情況下進行調幅和調相，降低干擾水平。
由于選擇的中心檢測頻率為2MHz，差動平衡系統必須選用高性能的元器件和特殊設計的電子線路；該系統既要有效地消除或抑制外部共模干擾信號，又要能對內部局部放電的差模信號起放大作用，則系統要具有高輸入阻抗、低噪聲、失調孝頻帶寬、共模抑制比高等的特點。為了最大限度地抑制共模干擾信號，采用了調幅放大電路；同時，為了提高差動平衡系統的輸入阻抗，減小差動平衡電路對電流傳感器的影響，在調幅電路之前接入一個電壓跟隨器。調相電路采用全通濾波器，它可保持輸出和輸入電壓幅值相等，輸入和輸出間的相位可調。T1和T2電流傳感器輸出信號經調幅、調相處理后送入差動放大器(圖4a)，其輸出
當R1=R2，且T1和T2信號幅值相等時，則可以將干擾信號完全抵消。從圖4b可見，隨頻率的升高，共模抑制比逐漸變小，幅頻特性曲線開始上翹，這是實際的運放在高頻信號下性能變差所致；當f=2MHz時，輸出信號為輸入信號的18%，而在f>2MHz后輸出與輸入信號的比值才迅速增大，即性能變差；為了進一步改進其共模抑制性能，我們在實際的在線監測裝置中采用了三運放放大電路。由于移相和差動電路未能抑制低頻的差模干擾信號，為了加強差動平衡系統的選頻特性，我們采用帶通濾波器再進行模擬濾波處理；同時，為了用帶通濾波器既改變放大倍數又不影響濾波器的截止頻率，在帶通濾波器之后接入一個電壓跟隨器，以提高帶負載能力。
(a)
(b)
圖4差動放大電路(a)及其幅頻特性(b)
Fig.4Differencebalanceamplifiercircuit(a)andtherelevantcharacteristics
4定向耦合差動平衡系統的性能
為了驗證定向耦合差動平衡系統的原理和評價其性能，我們在實驗室進行了變壓器模擬等效電路模型試驗和在單相試驗變壓器上進行了模擬及帶電測試。
4.1變壓器內部局部放電的模擬等效電路模型試驗
4.1.1系統的線性度
由于局部放電的定量測試要求差動平衡系統的響應與局部放量呈線性關系，因此，我們以圖5a的變壓器內部局部放電模擬等效電路模型，用JFD-3型局部放電電量校準器注入脈沖來模擬變壓器內部局部放電信號(放電量Q=U0*C0)，由此得到圖5b的系統差動輸出U(mV)與注入局部放電量Q(pC)的關系曲線。由圖可見，該系統的輸出與放電量間有良好的線性度。同時，調節該系統的放大倍數，可檢測到250pC的局部放電量。
(a)變壓器內部局部放電的模擬等效電路模型試驗線路
(a)equivalentcircuitoftransformerwith
externalPDoutputsimulation
(b)定向耦合差動平衡系統輸出與注入局部放電量的關系
(b)relationshipbetweenoutputofDDBsystemandPDquantity
圖5定向耦合差動平衡系統線性度試驗
Fig.5TesttomeasurelinearcharacteristicsofDDBsystem
4.1.2系統抑制外部干擾的能力
圖6外部注入脈沖的變壓器模擬等效電路模型試驗線路
Fig.6Equivalentcircuitoftransformerwith
externalimpulseinputinsimulation
為了評定該系統的能力，我們采用圖6在外部干擾下注入脈沖的內部局部放電的等效電路模型來進行模擬試驗，其結果列于表1中。從表中可知，在變壓器模擬等效電路模型試驗中，信噪比提高倍數為6倍左右，說明定向耦合差動平衡法對抑制外部干擾是有效的。由于信噪比不僅于系統的調幅、調相環節的調節狀態有關，而且還受運放性能既電路設計的制約，我們在模擬等效電路模型試驗中設計的調相、調幅電路采用了高壓擺率、高增益帶寬的運算放大器及其它高速元器件，可將信噪比提高到35倍左右。
表1測試結果
Tab.1Testresult
擾 T1輸出(mV) 25.80 13.5 8.21 2.72
放 T1輸出(mV) 25.0 13.5 8.25 2.7
4.2單相試驗變壓器上的試驗
為了檢驗定向耦合差動平衡系統的實用性，在900kVA/150kV雙套管全絕緣單相試驗變壓器上進行了大量的模擬和帶電試驗。變壓器電容為3200pF，高壓套管電容為210pF，試驗接線如圖7所示。
圖7在900kVA/150kV單相試驗變壓器上的試驗接線
Fig.7Teston900kVA/150kVsingle-phasetestingtransformer
在進行不帶電的模擬試驗時，同時用JFD-3A型電量校準器從高壓套管出線端注入外部干擾信號和由高壓繞組接地線上串一小電感注入內部局部放電信號，并在高壓套管出線端并聯Ck=4400pF來模擬外部設備的等值電容。在進行帶電試驗時，為了模擬內部局部放電(以由局部放電試驗確認無內部局部放電)，在變壓器接地端串聯一個小電感線圈，并經電感注入校正脈沖；變壓器高壓端經一根裸導線與一只一端懸空的高壓穿墻套管連接(即高壓端以外的電容主要決定于穿墻套管的對地電容)，穿墻套管對地電容為從高壓端出來的內部局部放電信號提供通路，由裸線的電暈放電提供進入變壓器的外部干擾信號。
在進行試驗前，必須在注入外部干擾信號下調節差動平衡系統的調幅、調相環節，使系統達到最佳抑制狀態。首先做作模擬試驗，即同時注入干擾和局部放電信號，記錄下T1電流傳感器的輸出和差動平衡系統輸出的波形(圖8a)；然后將單相試驗變壓器電壓升至110kV作帶電試驗，由接地端注入脈沖信號，同樣記錄T1電流傳感器輸出和差動平衡系統輸出的波形(圖8b)。
從圖8的實測波形可知：未經差動平衡處理的T1電流傳感器的波形1中，干擾信號明顯大于內部局部放電信號(即局部放電信號被淹沒)，信噪比為0.516(模擬)、1.25(帶電)；經差動平衡系統處理后的波形2中，干擾信號被顯著抑制。信號經處理后的信噪比為：不帶電模擬試驗中信噪比約為1.6，提高了3.1倍；帶電試驗中信噪比約為4，提高了3.2倍。
應當指出，雖然在一定頻率范圍內可以將變壓器等效為一個電容等效電路[6]，但實際大型電力變壓器的等效網絡比模擬等效電路模型復雜得多。因此，模擬等效電路模型的試驗只能驗證本文提出的定向耦合差動平衡法的有效性；900kVA/150kV單相試驗變壓器與實際的500kV單相變壓器的結構更接近一些，其試驗結果更具有參考價值。在實際采用本系統時，尚須對參數作相應調整，但其基本原理不變。
a模擬測試
aSimulationTest
b帶電測試
bOn-lineTest
圖8差動系統輸出與原始信號的波形比較
Fig.8Qutputofdifferencebalancesystemandoriginalsingal
5結論
(1)現有的差動平衡法和極性鑒別法得到的是綜合信息，無法判斷放電的相序位置；差動平衡法抑制干擾效果較差，極性鑒別法又可能丟失局部放電信號。
(2)定向耦合差動平衡法用兩個電流傳感器分別從高壓套管和套管末屏接地線耦合信號，經調幅、調相后再送入差動平衡系統處理，不僅能有效抑制外部干擾，而且能對放電的相序定位。
(3)模擬等效電路模型、單相試驗變壓器不帶電和帶電試驗結果證明，定向耦合差動平衡法原理正確，效果顯著，有良好應用前景。