隨著電力系統中變壓器的容量和電壓等級不斷提高，其安全穩定運行越來越受到重視。其中，絕緣問題在變壓器故障中占有很大比重。

局部放電在線監測比油中氣體分析法優越的是，當非脈沖型局部放電發展到脈沖型局部放電的過程中會使絕緣老化，進而使絕緣突然損壞，這一發展過程它不能分解出氣體，因此油的氣體分析法不起作用，但局部放電的在線監測能記錄整個過程,因此研制現場運行的變壓器局部放電在線監測系統是非常有必要的。

然而，由于變壓器繞組的分布參數網絡對放電脈沖信號的傳遞造成幅值衰減、波形畸變、相間串擾以及現場干擾等，對準確監測變壓器局部放電帶來了一定的困難。

1 監測原理及系統結構

當變壓器內部出現局部放電時，會有放電脈沖電流產生，在套管出線端、套管末屏接地線、外殼接地線、鐵芯接地線、鐵芯夾件接地線等處將有脈沖電流流過，通過羅科夫斯基線圈可檢測到脈沖電流信號。

圖1 電-聲聯合法原理圖

在局部放電產生脈沖電流信號的同時，還存在聲發射信號。利用傳感器在極短時間內(幾乎為零)就能接收到脈沖信號，而聲發射壓力波則需一定時間(聲波在油中傳播速度為1.44mm/us)才能到達緊貼在變壓器油箱上的超聲傳感器。

采用3個或3個以上超聲傳感單元時，可近似估算局部放電源在變壓器中的位置。若電聲信號延時太長，估計的距離超出變壓器的幾何尺寸，則接收的是干擾信號。

采用電流脈沖和聲波脈沖直接測量放電的監測方法。它能瞬時檢測變壓器、電抗器內部出現的故障，對非脈沖型局部放電（約500pC～1500pC）及脈沖型局部放電（1500pC）以上均能進行在線監測。圖2是變壓器局部放電在線監測系統結構框圖。

圖2 系統結構框圖

2 系統設計及抗干擾

2.1 系統設計

圖3所示為局部放電監測系統信號流程圖。當變壓器內部發生局部放電時，由超聲傳感器和電流傳感器分別采集相應的超聲脈沖信號和電脈沖信號，經預處理電路處理后送入A/D轉換器，轉換后的數字信號通過光纖傳送至上位機，再通過專家軟件對放電特征量進行提取，對放電位置進行定位，發出故障報警，為進一步做放電特性分析和故障診斷提供有效數據。

系統可對被監測點進行全天候監測或定時監測，當發現放電量達到預設警戒值時，立即進行報警。

為實現設備現場與上位機的電氣隔離，系統采用光纜傳輸系統完成上位機與現場測量系統之間的長距離通訊，同時提高系統抗干擾能力和信號傳輸的可靠性。光中繼站的通道數，視被監測設備的監測點多少而定。

圖3 變壓器局部放電在線監測系統信號流程圖

2.2 抗干擾設計

變壓器繞組是一個復雜結構，又與電網直接相連，具有復雜的電感電容分布參數網絡。對于局部放電脈沖信號而言，會造成幅值衰減、信號延遲和相間串擾等。

此外，變壓器安裝現場還存在大量的無線電、載波、電暈放電等干擾。對于變壓器局部放電在線監測系統而言，處理數據的微機往往在遠離變壓器等電氣設備的監控中心，一般相距數十米甚至數百米，信號經過長距離傳輸會產生衰減和畸變，同時在傳輸過程中還可能有干擾信號進入而降低信噪比。

故一般對信號采取就地處理的方式，即對傳感器送出的信號立即進行預處理及數字化轉換。預處理單元可安排在數據采集之前，甚至和傳感器安排在一起，這樣在信號傳輸過程中受到的干擾影響將大大削弱。

通過圖2中的信號處理模塊（12）對傳感器傳送來的信號進行適當的預處理，將信號幅度調整到合適的電平；對混疊的干擾信號采用濾波器進行抑制，以提高系統的抗干擾能力。對經過預處理的信號進行采集、A/D轉換和記錄。

在圖2所示信號監測模塊（11）中，采用空心的羅氏線圈監測局部放電電流脈沖，通過對電流傳感器進行特殊設計，選擇適當的監測頻帶，以提高監測的靈敏度和抗干擾能力。采用脈沖分離技術對局部放電電脈沖進行處理，以增強監測回路的抗干擾能力。

本系統設計了由兩部分組成的模擬信號預處理電路：一是放大電路，主要完成對傳感器輸出信號的放大和濾波后信號電平的調節，使其滿足A/D轉換對輸入信號的要求；另一部分是濾波電路，通過限制信號的頻帶范圍來抑制干擾信號。

模擬信號預處理電路結構如圖4所示，預處理電路中第一級放大電路如圖5所示，濾波器采用如圖6所示的程控濾波器。

圖4 局部放電模擬信號預處理電路結構圖

圖5 放大電路原理圖

圖6 程控濾波器原理圖

經過濾波器處理后，在一定程度上抑制了某些類型的干擾，但變電站現場干擾源眾多，干擾信號極其復雜，僅僅依靠硬件濾波并不能達到滿意效果，還需要采用相應的軟件濾波算法進行處理。由于局放信號和干擾信號（窄帶干擾）在頻帶上具有一定的分散性，系統采用小波變換去除監測信號中的窄帶干擾。

3 分析診斷與故障定位

專家軟件通過對采集到的數據進行處理和分析，獲取反映變壓器運行狀態的特征值，為診斷提供有效數據信息。

用處理后的數據與歷史數據及其他信息進行比較、分析，從而進行設備狀態評估或故障定位。圖7所示為電流傳感器和超聲探頭現場安裝圖，圖8為專家軟件分析界面。

圖7 傳感器現場安裝圖

圖8 局部放電譜圖分析

表1 某主變局部放電監測數據

（注：x,y,z為以某一探頭為坐標原點的坐標方向，z正方向指向油箱內。）

實現變壓器局部放電的故障定位，能夠有效提高變壓器檢修效率，具有很大的實際價值。表1所示為某主變A相局部放電放電量及放電位置數據。近年來，很多科研單位對局部放電定位技術進行了較為深入的研究。

如利用變壓器繞組在特定頻率范圍內等值電路的特點導出變壓器繞組內部產生局部放電時首末端電壓或電流比值與放電點的位置關系，并據此定出故障點位置，此種方法能在進行局部放電定位的同時，定量測量局部放電量值。但因變壓器型號、生產廠家的不同，實際應用起來還有一定難度。

若變壓器內部有局部放電，則會產生脈沖電流信號及聲發射信號，利用傳感器在極短時間內(幾乎為零)就能接收到脈沖信號，而聲發射壓力波則需一定時間才能到達緊貼在變壓器油箱上的超聲傳感器，則放電源到探頭的距離可以由s=vt得出。若電聲信號延時太長，估計的距離超出變壓器的幾何尺寸，則接收的是干擾信號。采用3個或3個以上超聲傳感單元時，可近似估算局部放電源在變壓器中的位置。

采用磁浮式高抗干擾超高靈敏的超聲探頭（增益大于40dB），牢固地吸附在變壓器油箱鐵板上。探頭安裝在不同位置，對于同一個放電源，測量系統將測量到相應的探頭到放電源的距離s1、s2、s3等，再利用空間解析幾何法即可求出放電源的空間坐標。

4 總結

通過高精度羅科夫斯基線圈和高抗干擾超聲探頭，有效采集脈沖電流信號和局部放電聲波信號，經過信號調理電路和濾波器濾波后，最大程度去除干擾，為專家軟件進行計算分析提供準確數據。

專家軟件進行放電脈沖幅值、頻次和放電源位置等參數的計算，并結合歷史數據進行分析，評估設備運行狀態，為設備的檢修和更換提供依據。

（編自《電氣技術》，作者為吉樹亮、李希元等。）