提要在分析差動(dòng)平衡法和極性鑒別法抗電磁干擾性能的基礎(chǔ)上，提出了定向耦合差動(dòng)平衡法；論述了該方法的基本原理和特點(diǎn)；通過模擬和帶電試驗(yàn)，分析了該系統(tǒng)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(yīng)用前景。
　　關(guān)鍵詞變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)定向耦合差動(dòng)平衡法
　　 1前言
　　由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的電磁干擾信號(hào)可能比變壓器內(nèi)部局部放電脈沖電流信號(hào)還強(qiáng)，在對(duì)局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，局部放電信號(hào)完全可能被電磁干擾信號(hào)淹沒。因此，大型變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中有效地檢測(cè)出局部放電信號(hào)。
　　對(duì)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(shí)域(如采用模擬和數(shù)字濾波等)同時(shí)采取措施，但往往無法抑制電暈放電、電弧放電等隨機(jī)脈沖干擾信號(hào)。對(duì)此，人們進(jìn)行了大量的研究，提出了差動(dòng)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(jù)變壓器內(nèi)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(dòng)方向的差異來抵消或辨別外部干擾信號(hào)。差動(dòng)平衡法是分別從變壓器油箱接地線和中性點(diǎn)接地線上取信號(hào)，當(dāng)變壓器內(nèi)部有局部發(fā)電時(shí)，脈沖電流在兩處接地線上方向相反，而外部干擾信號(hào)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(hào)經(jīng)放大、調(diào)幅送入差動(dòng)放大器使同向的外部干擾信號(hào)相互抵消，而反向的局部放電信號(hào)則相互加強(qiáng)。極性鑒別法取信號(hào)的方式與差動(dòng)平衡法相同(有的不從中性點(diǎn)而從末屏端子接地線取信號(hào))，但它不是對(duì)所取得的兩信號(hào)直接進(jìn)行抵消，而是進(jìn)行極性鑒別，依靠電子門控開關(guān)：兩信號(hào)同向時(shí)為外部干擾，檢測(cè)系統(tǒng)不輸出；兩信號(hào)相反時(shí)為內(nèi)部局部放電，檢測(cè)系統(tǒng)僅輸出局部放電信號(hào)。差動(dòng)平衡法要求兩路信號(hào)的波形和幅值一致時(shí)抑制干擾的效果才最佳；當(dāng)外部干擾與內(nèi)部局部放電信號(hào)疊加且前者比后者強(qiáng)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反應(yīng)出的同向信號(hào)，極性鑒別法將判為外部干擾，漏掉了局部放電信號(hào)。此外，運(yùn)行中的三相變壓器無論哪一相產(chǎn)生局部放電，在兩處接地線上都有脈沖電流流過，則差動(dòng)平衡法和極性鑒別法都無法辨識(shí)出是哪一相有局部放電。由此可見，差動(dòng)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(hào)，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(hào)方式下的定向耦合差動(dòng)平衡法，力圖能克服差動(dòng)平衡法和極性鑒別法的缺陷。
　　 2定向耦合差動(dòng)平衡法的基本原理
　　在大型變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)中，人們希望從電流脈沖信號(hào)能夠判斷出局部放電是否存在、強(qiáng)弱及相序位置。從現(xiàn)有的結(jié)果來看[1～3]，從變壓器高壓套管上耦合的信號(hào)包含絕緣狀態(tài)的信息最豐富。當(dāng)某一相產(chǎn)生局部放電時(shí)，雖然脈沖信號(hào)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(hào)要小6倍以上[4,5]，據(jù)此可以從三相監(jiān)測(cè)信號(hào)中判斷出放電的相位。但這種取脈沖信號(hào)的方法并沒有解決強(qiáng)電磁環(huán)境中局部放電信號(hào)可能被淹沒的難題。為此，作者在研究從空域和時(shí)域(自適應(yīng)濾波、自相關(guān)小波變換等)采取措施消除周期性干擾和白噪干擾的基礎(chǔ)上，本文提出定向耦合差動(dòng)平衡法來有效地抑制或消除外部脈沖干擾信號(hào)，以提高信噪比。
　　定向耦合差動(dòng)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(shè)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(gè)傘裙到法蘭之間耦合信號(hào)的電流傳感器；T2為從高壓套管末屏取信號(hào)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(shí)耦合信號(hào)；當(dāng)外部干擾信號(hào)進(jìn)入變壓器，并且假設(shè)T1和T2兩電流傳感器所測(cè)得的信號(hào)同方向(圖1a)時(shí)，則變壓器內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí)兩電流傳感器所得信號(hào)的方向反向(圖1b)。顯然，外部干擾信號(hào)和內(nèi)部局部放電信號(hào)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(duì)外部干擾信號(hào)與內(nèi)部局部放電信號(hào)定向耦合的原理，組成差動(dòng)平衡系統(tǒng)，將兩信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)相處理后送入差動(dòng)放大器，使外部干擾信號(hào)相互抵消而被削弱，內(nèi)部局部放電信號(hào)相加而被增強(qiáng)，從而使信噪比顯著提高。　　
　　圖1定向耦合差動(dòng)平衡法的原理圖
　　Fig.1BasicprincipleofDDBmethod
　　
　　3定向耦合差動(dòng)平衡系統(tǒng)的特點(diǎn)
　　從定向耦合差動(dòng)平衡的基本原理可知，本系統(tǒng)可分為用于定向耦合的羅氏線圈電流傳感器和差動(dòng)平衡系統(tǒng)兩部分。
　　3.1電流傳感器
　　我們?cè)谖墨I(xiàn)[5]中已經(jīng)得出，在變壓器高壓套管上耦合局部放電脈沖電流信號(hào)時(shí)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(shù)主要決定于帶通特性。本文針對(duì)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(gòu)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(shí)間為10μs，為了消除輸出電纜對(duì)電流傳感器總體響應(yīng)頻帶的影響，采用了內(nèi)部帶前置放大電路的有源式電流傳感器，以獨(dú)立電源供電和采用信號(hào)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(cè)得電流傳感器的響應(yīng)電壓與局部放電量之間的關(guān)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(dòng)平衡法模擬試驗(yàn)原理圖
　　(a)basicprincipleofsimulationtestonDDBmethod
　　
　　(b)電流傳感器響應(yīng)電壓與局部放電量的關(guān)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(yàn)
　　Fig.2SimulationtesttomeasurelinearcharacteristicsofresonancecurrentsensorwithNon-magneticcoreonequivalentcircuitoftransformer
　　從圖2b的模擬等效電路模型試驗(yàn)結(jié)果可知，從高壓套管耦合信號(hào)的T1號(hào)電流傳感器(曲線1)和從套管末屏接地線耦合信號(hào)的T2號(hào)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(diào)幅電路；2-調(diào)相電路
　　3-差動(dòng)放大電路；4-帶通濾波電路；5-電壓跟隨器
　　圖3差動(dòng)平衡系統(tǒng)框圖
　　Fig.3Differencebalancesystem
　　
　　3.2差動(dòng)平衡系統(tǒng)
　　差動(dòng)平衡系統(tǒng)的原理如圖3所示。在高頻脈沖電流信號(hào)下，變壓器及其外部設(shè)備可等效為集中參數(shù)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(dāng)，Cb通常為500pF左右。因此，外部干擾電流1進(jìn)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(nèi)部的局部放電脈沖電流變壓器內(nèi)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(hào)的幅值和相位就不相等；同時(shí)，因?yàn)閮尚盘?hào)經(jīng)過途徑不一樣，可能還存在相位差。因此，在把兩信號(hào)送入到差動(dòng)放大器之前，必須在僅有外部干擾輸入的情況下進(jìn)行調(diào)幅和調(diào)相，降低干擾水平。
　　由于選擇的中心檢測(cè)頻率為2MHz，差動(dòng)平衡系統(tǒng)必須選用高性能的元器件和特殊設(shè)計(jì)的電子線路；該系統(tǒng)既要有效地消除或抑制外部共模干擾信號(hào)，又要能對(duì)內(nèi)部局部放電的差模信號(hào)起放大作用，則系統(tǒng)要具有高輸入阻抗、低噪聲、失調(diào)孝頻帶寬、共模抑制比高等的特點(diǎn)。為了最大限度地抑制共模干擾信號(hào)，采用了調(diào)幅放大電路；同時(shí)，為了提高差動(dòng)平衡系統(tǒng)的輸入阻抗，減小差動(dòng)平衡電路對(duì)電流傳感器的影響，在調(diào)幅電路之前接入一個(gè)電壓跟隨器。調(diào)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(diào)。T1和T2電流傳感器輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)幅、調(diào)相處理后送入差動(dòng)放大器(圖4a)，其輸出
　　當(dāng)R1=R2，且T1和T2信號(hào)幅值相等時(shí)，則可以將干擾信號(hào)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(shí)際的運(yùn)放在高頻信號(hào)下性能變差所致；當(dāng)f=2MHz時(shí)，輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的18%，而在f>2MHz后輸出與輸入信號(hào)的比值才迅速增大，即性能變差；為了進(jìn)一步改進(jìn)其共模抑制性能，我們?cè)趯?shí)際的在線監(jiān)測(cè)裝置中采用了三運(yùn)放放大電路。由于移相和差動(dòng)電路未能抑制低頻的差模干擾信號(hào)，為了加強(qiáng)差動(dòng)平衡系統(tǒng)的選頻特性，我們采用帶通濾波器再進(jìn)行模擬濾波處理；同時(shí)，為了用帶通濾波器既改變放大倍數(shù)又不影響濾波器的截止頻率，在帶通濾波器之后接入一個(gè)電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載能力。　　
　　(a)
　　
　　 (b)
　　圖4差動(dòng)放大電路(a)及其幅頻特性(b)
　　Fig.4Differencebalanceamplifiercircuit(a)andtherelevantcharacteristics
　　
　　4定向耦合差動(dòng)平衡系統(tǒng)的性能
　　為了驗(yàn)證定向耦合差動(dòng)平衡系統(tǒng)的原理和評(píng)價(jià)其性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了變壓器模擬等效電路模型試驗(yàn)和在單相試驗(yàn)變壓器上進(jìn)行了模擬及帶電測(cè)試。
　　4.1變壓器內(nèi)部局部放電的模擬等效電路模型試驗(yàn)
　　4.1.1系統(tǒng)的線性度
　　由于局部放電的定量測(cè)試要求差動(dòng)平衡系統(tǒng)的響應(yīng)與局部放量呈線性關(guān)系，因此，我們以圖5a的變壓器內(nèi)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(zhǔn)器注入脈沖來模擬變壓器內(nèi)部局部放電信號(hào)(放電量Q=U0*C0)，由此得到圖5b的系統(tǒng)差動(dòng)輸出U(mV)與注入局部放電量Q(pC)的關(guān)系曲線。由圖可見，該系統(tǒng)的輸出與放電量間有良好的線性度。同時(shí)，調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的放大倍數(shù)，可檢測(cè)到250pC的局部放電量。　　
　　(a)變壓器內(nèi)部局部放電的模擬等效電路模型試驗(yàn)線路
　　(a)equivalentcircuitoftransformerwith
　　externalPDoutputsimulation
　　
　　(b)定向耦合差動(dòng)平衡系統(tǒng)輸出與注入局部放電量的關(guān)系
　　(b)relationshipbetweenoutputofDDBsystemandPDquantity
　　圖5定向耦合差動(dòng)平衡系統(tǒng)線性度試驗(yàn)
　　Fig.5TesttomeasurelinearcharacteristicsofDDBsystem
　　 4.1.2系統(tǒng)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(yàn)線路
　　Fig.6Equivalentcircuitoftransformerwith
　　externalimpulseinputinsimulation
　　
為了評(píng)定該系統(tǒng)的能力，我們采用圖6在外部干擾下注入脈沖的內(nèi)部局部放電的等效電路模型來進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其結(jié)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(yàn)中，信噪比提高倍數(shù)為6倍左右，說明定向耦合差動(dòng)平衡法對(duì)抑制外部干擾是有效的。由于信噪比不僅于系統(tǒng)的調(diào)幅、調(diào)相環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)狀態(tài)有關(guān)，而且還受運(yùn)放性能既電路設(shè)計(jì)的制約，我們?cè)谀M等效電路模型試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的調(diào)相、調(diào)幅電路采用了高壓擺率、高增益帶寬的運(yùn)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(cè)試結(jié)果
　　Tab.1Testresult　　 注入電量Q(pC) 5000 2500 1500 500 干
　　擾 T₁輸出(mV) 25.80 13.5 8.21 2.72 系統(tǒng)輸出(mV) 0.216 0.112 0.072 0.04 局
　　放 T₁輸出(mV) 25.0 13.5 8.25 2.7 系統(tǒng)輸出(mV) 1.304 0.676 0.488 0.24 信噪比提高倍數(shù) 6.3 6.03 6.78 6.0
　　
　　4.2單相試驗(yàn)變壓器上的試驗(yàn)
　　為了檢驗(yàn)定向耦合差動(dòng)平衡系統(tǒng)的實(shí)用性，在900kVA/150kV雙套管全絕緣單相試驗(yàn)變壓器上進(jìn)行了大量的模擬和帶電試驗(yàn)。變壓器電容為3200pF，高壓套管電容為210pF，試驗(yàn)接線如圖7所示。
　　
　　圖7在900kVA/150kV單相試驗(yàn)變壓器上的試驗(yàn)接線
　　Fig.7Teston900kVA/150kVsingle-phasetestingtransformer
在進(jìn)行不帶電的模擬試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)用JFD-3A型電量校準(zhǔn)器從高壓套管出線端注入外部干擾信號(hào)和由高壓繞組接地線上串一小電感注入內(nèi)部局部放電信號(hào)，并在高壓套管出線端并聯(lián)Ck=4400pF來模擬外部設(shè)備的等值電容。在進(jìn)行帶電試驗(yàn)時(shí)，為了模擬內(nèi)部局部放電(以由局部放電試驗(yàn)確認(rèn)無內(nèi)部局部放電)，在變壓器接地端串聯(lián)一個(gè)小電感線圈，并經(jīng)電感注入校正脈沖；變壓器高壓端經(jīng)一根裸導(dǎo)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(duì)地電容)，穿墻套管對(duì)地電容為從高壓端出來的內(nèi)部局部放電信號(hào)提供通路，由裸線的電暈放電提供進(jìn)入變壓器的外部干擾信號(hào)。
　　在進(jìn)行試驗(yàn)前，必須在注入外部干擾信號(hào)下調(diào)節(jié)差動(dòng)平衡系統(tǒng)的調(diào)幅、調(diào)相環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳抑制狀態(tài)。首先做作模擬試驗(yàn)，即同時(shí)注入干擾和局部放電信號(hào)，記錄下T1電流傳感器的輸出和差動(dòng)平衡系統(tǒng)輸出的波形(圖8a)；然后將單相試驗(yàn)變壓器電壓升至110kV作帶電試驗(yàn)，由接地端注入脈沖信號(hào)，同樣記錄T1電流傳感器輸出和差動(dòng)平衡系統(tǒng)輸出的波形(圖8b)。
　　從圖8的實(shí)測(cè)波形可知：未經(jīng)差動(dòng)平衡處理的T1電流傳感器的波形1中，干擾信號(hào)明顯大于內(nèi)部局部放電信號(hào)(即局部放電信號(hào)被淹沒)，信噪比為0.516(模擬)、1.25(帶電)；經(jīng)差動(dòng)平衡系統(tǒng)處理后的波形2中，干擾信號(hào)被顯著抑制。信號(hào)經(jīng)處理后的信噪比為：不帶電模擬試驗(yàn)中信噪比約為1.6，提高了3.1倍；帶電試驗(yàn)中信噪比約為4，提高了3.2倍。
　　應(yīng)當(dāng)指出，雖然在一定頻率范圍內(nèi)可以將變壓器等效為一個(gè)電容等效電路[6]，但實(shí)際大型電力變壓器的等效網(wǎng)絡(luò)比模擬等效電路模型復(fù)雜得多。因此，模擬等效電路模型的試驗(yàn)只能驗(yàn)證本文提出的定向耦合差動(dòng)平衡法的有效性；900kVA/150kV單相試驗(yàn)變壓器與實(shí)際的500kV單相變壓器的結(jié)構(gòu)更接近一些，其試驗(yàn)結(jié)果更具有參考價(jià)值。在實(shí)際采用本系統(tǒng)時(shí)，尚須對(duì)參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整，但其基本原理不變。　　
　　a模擬測(cè)試
　　aSimulationTest
　　
　　 b帶電測(cè)試
　　bOn-lineTest
　　圖8差動(dòng)系統(tǒng)輸出與原始信號(hào)的波形比較
　　Fig.8Qutputofdifferencebalancesystemandoriginalsingal
　　5結(jié)論
　　(1)現(xiàn)有的差動(dòng)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(dòng)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(hào)。
　　(2)定向耦合差動(dòng)平衡法用兩個(gè)電流傳感器分別從高壓套管和套管末屏接地線耦合信號(hào)，經(jīng)調(diào)幅、調(diào)相后再送入差動(dòng)平衡系統(tǒng)處理，不僅能有效抑制外部干擾，而且能對(duì)放電的相序定位。
　　(3)模擬等效電路模型、單相試驗(yàn)變壓器不帶電和帶電試驗(yàn)結(jié)果證明，定向耦合差動(dòng)平衡法原理正確，效果顯著，有良好應(yīng)用前景。