CN103954890A - 换流变压器直流局部放电检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种换流变压器直流局部放电检测装置及方法，在换流变压器的阀侧绕组和网侧绕组上同时串入检测阻抗，并监测检测阻抗上的脉冲电压，若两个检测阻抗上检测到的脉冲电压极性相反，则认为是换流变压器内部存在局放信号；若两个阻抗上检测到的脉冲电压极性相同，则认为是外部的干扰放电信号。本发明公开了一种换流变压器直流局放测量技术，填补了当前直流局放检测的空白，能有效排除外部放电信号的干扰，准确分离出换流变压器内部的局放信号。利用电声结合的方法对局放信号做进一步判定。利用超声波做进一步探测局放信号发生的分析确定和准确位置。这种声电结合的方式，探测有效性和可靠性很高。

Description

换流变压器直流局部放电检测装置及方法

技术领域

本发明涉及高压设备绝缘监测领域，具体说是一种换流变压器直流局部放电检测装置及方法。

背景技术

随着特高压直流输电的飞速发展，直流输变电设备的绝缘性能检测和考核带来了新的技术问题。换流变压器是最核心的直流输变电设备之一，其绝缘为油纸绝缘。油纸绝缘中若存在的局部缺陷，会影响整体电气强度，会给运行造成重大的安全隐患，因此，投运或检修时需对换流变压器进行绝缘性能检测。

局部放电（以下简称局放）是指绝缘材料中的某一部分在因电场集中而引发的放电，这种放电现象不贯穿整个绝缘，反映着绝缘材料存在薄弱环节。通过检测局放过程中伴随的各种声、光、电现象，来判断是否存在局放，是目前判断绝缘内部是否存在缺陷的重要手段。

绝缘介质在直流电压和交流电压作用下的电压分布是不同的。因此，在直流输变电系统中，为模拟实际运行状况，需对换流变压器进行直流耐压试验和局放测量。

直流局放的特征参数是视在放电量和脉冲个数，是通过检测伴随局放产生的各种现象和物理量来评定局放状况。由于直流局放脉冲重复率低，单个脉冲随机性强，没有交流局放脉冲群的特点，因此现场测量时，抗干扰问题突出，很难判断检测到的信号是否是真实的局放信号。如何真实有效地判别出直流局放是当前世界上换流变压器直流局放测量亟待解决的一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效的换流变压器直流局部放电检测装置及方法。

所述换流变压器直流局部放电检测装置，在所述换流变压器的阀侧连接直流高压发生器，所述高压发生器的输出端并联分压器，其特征是：所述换流变压器阀侧两端的套管并接到所述直流高压发生器的输出线，换流变压器网侧两端的套管短接，在换流变压器的阀侧与网侧的套管末屏分别对地连接与套管等效电容匹配的检测阻抗，分别从两个检测阻抗的输出端采样到局放测试仪的输入端。

一种考虑较高信噪比和阻抗匹配的检测阻抗实施例为，所述检测阻抗由套管等效电容和第一调谐电阻、耦合变压器的初级绕组构成RLC谐振电路，通过耦合电容和耦合变压器连接到阻抗匹配模块，并由所述阻抗匹配模块的输出端通过放大器输出信号到局放检测仪。

进一步地，考虑阻抗保护，在耦合变压器的初级两端之间、或耦合变压器的初级两端与地之间连接有气体放电管。

一种RLC电路的实施例为，所述RLC谐振电路由所述耦合变压器的初级绕组并接第一调谐电阻，一端连接由套管所等效的套管等效电容构成。

作为阻抗匹配的实施例，所述阻抗匹配模块设有第二调谐电阻，所述第二调谐电阻与耦合变压器的次级绕组并联，所述第二调谐电阻的两端连接放大器的两输入端，通过放大器的输出端引出阻抗匹配模块的输出端。

所述第二调谐电阻通过串联连接的试验调谐电阻与所述耦合电容连接，所述试验调谐电阻的两端连接定标输入端，所述定标输入端用于由局放检测仪输出定标信号对匹配阻抗进行测试。

一种利用上述装置的换流变压器直流局部放电检测方法，其特征是：利用脉冲电流法，在换流变压器的阀侧绕组和网侧绕组上同时串入检测阻抗，并监测检测阻抗上的脉冲电压，若两个检测阻抗上检测到的脉冲电压极性相反，则认为是换流变压器内部存在局放信号；若两个阻抗上检测到的脉冲电压极性相同，则认为是外部的干扰放电信号。

一种优化方案，在利用脉冲电流法检测的同时，将至少三个局放测量的超声波探头装在所述换流变压器本体的金属外壳上，通过检测到的回声信号对直流放电的位置进行放电和/或定位判断。

一种信号分析方式为，对在监测阻抗上的脉冲电压信号采集后，由同轴电缆送到局放测试仪依次进行滤波、放大、消除周期性干扰和空间干扰、进行傅立叶频域变换，提取局部放电信号的基本特征图谱得到分析结果。

所述局放测试仪由交流电源经过隔离变压器和滤波器滤除电源侧的干扰，脉冲电压信号采集通道采用单独铝壳屏蔽。

本发明通过电声综合判断、极性判断相结合的方法，正确识别换流变压器内部的直流局放信号，有效解决了直流局放信号的判别和检测。检测阻抗由RLC电路产生谐振放大局放信号，RLC的参数与换流变压器套管电容量相匹配，使得阻抗上采集到的电压便于检测。本发明还具有以下显著优点：

（1）公开了一种换流变压器直流局放测量技术，填补了当前直流局放检测的空白。

（2）基于脉冲电流法，辅以极性判断，通过同时检测网侧、阀侧串接的匹配检测阻抗上的脉冲电压极性，来判断局放是否发生在换流变压器内部。这种方法能有效排除外部放电信号的干扰，准确分离出换流变压器内部的局放信号。

（3）利用电声结合的方法对局放信号做进一步判定。当利用脉冲电流法辅以极性判断的方式初步确定换流变内部存在局放信号时，利用超声波做进一步探测局放信号发生的分析确定和准确位置。这种声电结合的方式，探测有效性和可靠性很高。

附图说明

图1现场直流局放整体测量线路示意图，

图2是阻抗模块的实施例电路图，

图3直流局放测量的原理图，

图4直流局放仪电源进线方式，

图5直流局放仪结构框图，

图6整体流程分配图，

图7测量流程框图，

图8数据采集模块流程图。

图中：1—套管等效电容，2—阻抗检测输入端，3—耦合电容，4—气体放电管，5—第一调谐电阻，6—耦合变压器，7—第二调谐电阻，8—放大器，9—试验调谐电阻，10—定标输入端，11—直流高压发生器，12—分压器，13—换流变压器，14—检测阻抗，15—局放测试仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：如图1所示换流变压器直流局部放电检测装置，在所述换流变压器13的阀侧连接直流高压发生器11，所述高压发生器11的输出端并联分压器12，直流高压发生器用于产生直流高压，并送至换流变压器13的阀侧两端套管上，分压器12用于测量高压发生器11所产生的直流高压。

所述换流变压器13阀侧两端的套管并接到所述直流高压发生器11的输出线，换流变压器13网侧两端的套管短接，在换流变压器13的阀侧与网侧的套管末屏分别对地连接与套管等效电容1匹配的检测阻抗14，分别从两个检测阻抗14的输出端采样到局放测试仪15的输入端。如图1，Z₁串接在阀侧套管与地之间，Z₂串接在网侧套管与地之间；Z₁、Z₂上取得的放电信号输送至局放检测仪15中。

一种考虑较高信噪比和阻抗匹配的检测阻抗实施例为，如图2，所述检测阻抗14由套管等效电容1和第一调谐电阻5、耦合变压器6的初级绕组构成RLC谐振电路，通过耦合电容3和耦合变压器6连接到阻抗匹配模块，并由所述阻抗匹配模块的输出端通过放大器8输出信号到局放检测仪。在耦合变压器6的初级两端之间、或耦合变压器6的初级两端与地之间连接气体放电管4。以防止过高的放电电压损坏了检测阻抗。一种RLC电路的实施例为，由所述耦合变压器6的初级绕组并接第一调谐电阻5，一端连接由套管所等效的套管等效电容1构成。这只是实现RLC谐振电路的一个实施例。

如图2，作为阻抗匹配的实施例，所述阻抗匹配模块设有第二调谐电阻7，所述第二调谐电阻7与耦合变压器6的次级绕组并联，由所述第二调谐电阻7的两端通过放大器8的输出端引出匹配模块的输出端。所述第二调谐电阻7通过串联连接的试验调谐电阻9与所述耦合电容3连接，所述试验调谐电阻9的两端连接定标输入端10，所述定标输入端10用于由局放检测仪15输出定标信号对匹配阻抗进行测试。

一种利用上述装置的换流变压器直流局部放电检测方法：如图1，利用脉冲电流法，在换流变压器13的阀侧绕组和网侧绕组上同时串入检测阻抗14，并监测检测阻抗14上的脉冲电压，若两个检测阻抗14上检测到的脉冲电压极性相反，则认为是换流变压器内部存在局放信号；若两个阻抗上检测到的脉冲电压极性相同，则认为是外部的干扰放电信号。

其原理如图3所示，外部干扰电流（i₁+i₂）在检测阻抗Z₁、Z₂上产生同向脉冲信号、而变压器阀侧套管C₁和网侧套管C₂内部的局部放电电流i₃将在检测阻抗Z₁、Z₂上产生反方向的脉冲信号。当电源极性为正时，C₁中的局部放电在Z1上产生正极性脉冲信号，C₂中的局部放电在Z₁上产生负极性脉冲信号，高压引线电晕、Ce（外部干扰等效电容）中的局部放电在Z₁、Z₂上产生负极性脉冲信号。因此，可以用该方法判断脉冲信号来自试品内部还是外部，试品C₁还是C₂。

综合超声波判断可以很大程度上提高判断的可靠性和准确性，在利用脉冲电流法检测的同时，将至少三个局放测量的超声波探头装在所述换流变压器13本体的金属外壳上，通过检测到的回声信号对直流放电的位置进行放电和/或定位判断。超声波探头通过吸盘贴在变压器本体上，为取得较好的探测效果，一般贴在变压器套管根部。若需实现局放信号的定位，至少需布置三个超声探头，以求解出局放点在空间上的三维坐标。

Z₁和Z₂由RLC电路元件构成，需根据试品电容量设计，选择合适的电路参数，使得检测阻抗对于高频局放信号响应最灵敏。检测阻抗串接在回路中，局放产生的脉冲电流流经检测阻抗上会产生脉冲电压，该电压可反映出局放信号特征，重现局放脉冲波形。

局放检测仪的电源进线方式如图4所示：外接220V市电进入隔离变压器，隔离掉市电中的干扰信号；然后进入滤波器，滤除电源中的谐波干扰；最后降压至弱电信号供给局放仪的各个硬件电路模块。同时，各硬件电路的接地统一接到唯一的接地端子上，通过该接地端子一点接地。

一种信号分析方式为，对在监测阻抗上的脉冲电压信号采集后，由同轴电缆送到局放测试仪15依次进行滤波、放大、消除周期性干扰和空间干扰、进行傅立叶频域变换，提取局部放电信号的基本特征图谱得到分析结果。

局放仪的结构框图如图5所示：检测阻抗Z₁和Z₂采集得到的脉冲局放信号，通过同轴电缆进入局放检测仪的通道板；超声探头采集得到的局放超声波信号，经光电转换由光纤传输至直流局放仪的通道板。通道板的各传输通道之间相互隔离，本实施例中，有2路电信号通道和6路声信号通道。

此外，同步触发单元产生的一个同步信号输送至通道板，各个通道以此触发信号为基准开始记录信号，保证各个通道之间的局放信号时间上是同步的。

通过板中的局放信号首先进入信号调理单元，进行滤波、放大等处理，消除周期性干扰和空间干扰；信号调理单元的滤波频带，放大倍数及增益档位是工控机通过串口进行控制。调理后的局放信号进入信号采集单元，同时，工控机通过串口控制同步触发单元产生一个同步信号输送至采集单元；采集单元以此触发信号为基准开始记录信号，保证采集到的各个通道之间的局放信号时间上是同步的。

信号采集单元，经过采集后将局放信号输送至数据分析单元；数据分析单元完成对数据的分析处理，对局放信号进行FFT频域变换，提取局放的基本特征图谱，并将分析结果呈现在工控机装载的软件系统中。

如图6，分析软件共有9个模块构成，（1）人机管理界面模块（2）参数配置模块（3）数据采集模块（4）数据提取模块（5）消干扰模块（6）数据分析模块（7）测量数据显示模块（8）数据存储回放模块（9）数据导出及生成报告模块，各模块主从关系如图6所示。软件流程图如图7所示。数据采集模块流程图如图8所示。软件各主要模块功能可以达到：人机管理界面模块负责软件内部数据的可视化。参数模块负责配置系统的一些主要参数，参数完全开放，人机交互方便；数据采集模块及数据提取模块负责模拟信号转化成数字信号，在由数字信号转化成幅值信号供计算机处理；消干扰模块功能负责消除周期性干扰及空间干扰；数据分析模块负责通过上位机软件对存入工控机的原始数据进行处理，分析判断放电波形，采用蚁群算法求解放电位置；测量数据显示模块负责显示各种监测参量；测量数据存储模块负责实时存储数据（存储超过阈值的波形）；生成报告模块功能负责监测数据导出，保存各种图形，并且根据用户要求生成报告。

本实施例的具体参数特征如下：

（1）工控机装载WINDOWS操作系统，软件设计采用人性化界面。

（2）装置含8个独立测量通道，测量频带3dB带宽10kHz～1MHz，检测灵敏度≥0.1pC，非线性误差≤5%.

（3）连续实时高速采集，自动保存超过阈值（阈值可自定义）的放电波形数据。一次连续采集处理时间不小于150分钟。在采集的同时，可实时显示一帧波形，同时可随意局部放大显示波形。

（4）单次捕捉不连续的或无规律的放电信号。

（5）自动识别重复性脉冲干扰；通过放电极性自动识别放电及干扰；

（6）具有超声探测试品内部放电；超声信号采用光纤传输，具有极强的抗干扰能力，传输距离大于500米。

（7）对局放脉冲进行放电测量、放电时间、时域波形及频谱分析；静态、动态对局放单个脉冲详细测量、观察，确定放电性质。

（8）单一窗口分析放电脉冲，分析单个放电波形的频谱及放电特征。

（9）可以分时间段（时间段可自由设定，最多可设置6个时间段）统计显示每通道放电次数、分量值统计显示每通道放电次数。

（10）任意存贮、打印局放图形及数据，自动生成试验报告。

Claims (10)

1.一种换流变压器直流局部放电检测装置，在所述换流变压器的阀侧连接直流高压发生器（11），所述高压发生器（11）的输出端并联分压器（12），其特征是：所述换流变压器（13）阀侧两端的套管并接到所述直流高压发生器（11）的输出线，换流变压器（13）网侧两端的套管短接，在换流变压器（13）的阀侧与网侧的套管末屏分别对地连接与套管等效电容（1）匹配的检测阻抗（14），分别从两个检测阻抗（14）的输出端采样到局放测试仪（15）的输入端。

2.根据权利要求1所述的换流变压器直流局部放电检测装置，其特征是：所述检测阻抗（14）由套管等效电容（1）和第一调谐电阻（5）、耦合变压器（6）的初级绕组构成RLC谐振电路，通过耦合电容（3）和耦合变压器（6）连接到阻抗匹配模块，并由所述阻抗匹配模块的输出端通过放大器（8）输出信号到局放检测仪。

3.根据权利要求2所述的换流变压器直流局部放电检测装置，其特征是：在耦合变压器（6）的初级两端之间、或耦合变压器（6）的初级两端与地之间连接有气体放电管（4）。

4.根据权利要求2所述的换流变压器直流局部放电检测装置，其特征是：所述RLC谐振电路由所述耦合变压器（6）的初级绕组并接第一调谐电阻（5），一端连接由套管所等效的套管等效电容（1）构成。

5.根据权利要求2所述的换流变压器直流局部放电检测装置，其特征是：所述阻抗匹配模块设有第二调谐电阻（7），所述第二调谐电阻（7）与耦合变压器（6）的次级绕组并联，所述第二调谐电阻（7）的两端连接放大器（8）的两输入端，通过放大器（8）的输出端引出阻抗匹配模块的输出端。

6.根据权利要求5所述的换流变压器直流局部放电检测装置，其特征是：所述第二调谐电阻（7）通过串联连接的试验调谐电阻（9）与所述耦合电容（3）连接，所述试验调谐电阻（9）的两端连接定标输入端（10），所述定标输入端（10）用于由局放检测仪（15）输出定标信号对匹配阻抗进行测试。

7.一种利用权利要求1～6所述装置的换流变压器直流局部放电检测方法，其特征是：利用脉冲电流法，在换流变压器（13）的阀侧绕组和网侧绕组上同时串入检测阻抗（14），并监测检测阻抗（14）上的脉冲电压，若两个检测阻抗（14）上检测到的脉冲电压极性相反，则认为是换流变压器内部存在局放信号；若两个阻抗上检测到的脉冲电压极性相同，则认为是外部的干扰放电信号。

8.根据权利要求7所述的换流变压器直流局部放电检测方法，其特征是：在利用脉冲电流法检测的同时，将至少三个局放测量的超声波探头装在所述换流变压器（13）本体的金属外壳上，通过检测到的回声信号对直流放电的位置进行放电和/或定位判断。

9.根据权利要求7所述的换流变压器直流局部放电检测方法，其特征是：对在监测阻抗上的脉冲电压信号采集后，由同轴电缆送到局放测试仪（15）依次进行滤波、放大、消除周期性干扰和空间干扰、进行傅立叶频域变换，提取局部放电信号的基本特征图谱得到分析结果。

10.根据权利要求9所述的换流变压器直流局部放电检测方法，其特征是：所述局放测试仪（15）由交流电源经过隔离变压器和滤波器滤除电源侧的干扰，脉冲电压信号采集通道采用单独铝壳屏蔽。