沈阳变压器回收专题变压器局部放电在线监测中抗电磁干扰的定向耦合差动平衡法的研究
提要在分析差动平衡法和极性鉴别法抗电磁干扰性能的基础上，提出了定向耦合差动平衡法；论述了该方法的基本原理和特点；通过模拟和带电试验，分析了该系统的线性度和抗干扰能力，从而证明了这种方法的有效性及应用前景。
关键词变压器局部放电在线监测定向耦合差动平衡法
1前言
由于现场环境中的电磁干扰信号可能比变压器内部局部放电脉冲电流信号还强，在对局部放电进行在线监测时，局部放电信号完全可能被电磁干扰信号淹没。因此，大型变压器局部放电在线监测的关键技术之一是如何在强电磁干扰环境中有效地检测出局部放电信号。
对于电磁干扰的抑制，通常从空域(如采用接地、隔离、屏蔽等)和时域(如采用模拟和数字滤波等)同时采取措施，但往往无法抑制电晕放电、电弧放电等随机脉冲干扰信号。对此，人们进行了大量的研究，提出了差动平衡法和极性鉴别法[1～3]。这两种方法的基本思想都是根据变压器内部局部放电脉冲电流和外部干扰脉冲在变压器本体各处接地线上流动方向的差异来抵消或辨别外部干扰信号。差动平衡法是分别从变压器油箱接地线和中性点接地线上取信号，当变压器内部有局部发电时，脉冲电流在两处接地线上方向相反，而外部干扰信号在两处接地线中的脉冲电流方向是相同的；将两地线上的信号经放大、调幅送入差动放大器使同向的外部干扰信号相互抵消，而反向的局部放电信号则相互加强。极性鉴别法取信号的方式与差动平衡法相同(有的不从中性点而从末屏端子接地线取信号)，但它不是对所取得的两信号直接进行抵消，而是进行极性鉴别，依靠电子门控开关：两信号同向时为外部干扰，检测系统不输出；两信号相反时为内部局部放电，检测系统仅输出局部放电信号。差动平衡法要求两路信号的波形和幅值一致时抑制干扰的效果才最佳；当外部干扰与内部局部放电信号叠加且前者比后者强时，监测系统反应出的同向信号，极性鉴别法将判为外部干扰，漏掉了局部放电信号。此外，运行中的三相变压器无论哪一相产生局部放电，在两处接地线上都有脉冲电流流过，则差动平衡法和极性鉴别法都无法辨识出是哪一相有局部放电。由此可见，差动平衡法和极性鉴别法虽能在一定程度上抑制外部干扰信号，但仍然存在着不少缺陷。为此，本文提出了基于用谐振式非磁性芯棒罗氐线圈电流传感器从变压器高压套管取信号方式下的定向耦合差动平衡法，力图能克服差动平衡法和极性鉴别法的缺陷。
2定向耦合差动平衡法的基本原理
在大型变压器局部放电在线监测中，人们希望从电流脉冲信号能够判断出局部放电是否存在、强弱及相序位置。从现有的结果来看[1～3]，从变压器高压套管上耦合的信号包含绝缘状态的信息最丰富。当某一相产生局部放电时，虽然脉冲信号通过相间电容耦合到其它两相中，但因相间电容较小，耦合到其它两相的脉冲信号要小6倍以上[4,5]，据此可以从三相监测信号中判断出放电的相位。但这种取脉冲信号的方法并没有解决强电磁环境中局部放电信号可能被淹没的难题。为此，作者在研究从空域和时域(自适应滤波、自相关小波变换等)采取措施消除周期性干扰和白噪干扰的基础上，本文提出定向耦合差动平衡法来有效地抑制或消除外部脉冲干扰信号，以提高信噪比。
定向耦合差动平衡法的基本原理如图1示，其中：Ck是与变压器相连的外部线路及其它设备的等值电容；Cx为变压器除高压套管外的等值电容；Cb是高压套管的电容；T1是从高压套管最末一个伞裙到法兰之间耦合信号的电流传感器；T2为从高压套管末屏取信号的电流传感器。该方法用罗氏线圈电流传感器分别从高压套管和套管末屏接地线处同时耦合信号；当外部干扰信号进入变压器，并且假设T1和T2两电流传感器所测得的信号同方向(图1a)时，则变压器内部产生局部放电时两电流传感器所得信号的方向反向(图1b)。显然，外部干扰信号和内部局部放电信号在T2上的电流方向始终保持不变，但在T1上的方向却相反。于是，利用T1和T2两电流传感器对外部干扰信号与内部局部放电信号定向耦合的原理，组成差动平衡系统，将两信号分别进行调幅、调相处理后送入差动放大器，使外部干扰信号相互抵消而被削弱，内部局部放电信号相加而被增强，从而使信噪比显著提高。
图1定向耦合差动平衡法的原理图
Fig.1BasicprincipleofDDBmethod
3定向耦合差动平衡系统的特点
从定向耦合差动平衡的基本原理可知，本系统可分为用于定向耦合的罗氏线圈电流传感器和差动平衡系统两部分。
3.1电流传感器
我们在文献[5]中已经得出，在变压器高压套管上耦合局部放电脉冲电流信号时宜用谐振式非磁性芯棒的罗氏线圈作电流传感器，它的参数主要决定于带通特性。本文针对220kV三相变压器研制的电流传感器由罗氏线圈和外并电容、电阻构成，外并电容使其谐振频率为2MHz，外并电阻使其振荡的分辨时间为10μs，为了消除输出电缆对电流传感器总体响应频带的影响，采用了内部带前置放大电路的有源式电流传感器，以独立电源供电和采用信号隔离及其铝合金作外屏蔽等措施。用图2a的变压器模拟等效电路模型，测得电流传感器的响应电压与局部放电量之间的关系如图2b所示。图中Cx为220kV变压器的等值电容(取3000pF),Cb为高压套管的等值电容(取450pF)。
(a)定向耦合差动平衡法模拟试验原理图
(a)basicprincipleofsimulationtestonDDBmethod
(b)电流传感器响应电压与局部放电量的关系曲线
(b)relationshipbetweenresponsevoltageof
currentsersorandquantityofPD
图2谐振式非磁性线圈芯棒电流传感器线性度的变压器模拟等效电路模型试验
Fig.2SimulationtesttomeasurelinearcharacteristicsofresonancecurrentsensorwithNon-magneticcoreonequivalentcircuitoftransformer
从图2b的模拟等效电路模型试验结果可知，从高压套管耦合信号的T1号电流传感器(曲线1)和从套管末屏接地线耦合信号的T2号电流传感器(曲线2)均有良好的线性度和灵敏度。
T1、T2-大、小电流传感器；1-调幅电路；2-调相电路
3-差动放大电路；4-带通滤波电路；5-电压跟随器
图3差动平衡系统框图
Fig.3Differencebalancesystem
3.2差动平衡系统
差动平衡系统的原理如图3所示。在高频脉冲电流信号下，变压器及其外部设备可等效为集中参数的电容元件(图1)。在图1中，Cx一般为1000～10000pF,Ck的范围与Cb相当，Cb通常为500pF左右。因此，外部干扰电流1进入变压器后由Cb和Cx分流，必然有I1>I2或|1|>|2|，同样，变压器内部的局部放电脉冲电流变压器内部的局部放电脉冲电流由Ck和Cb分流后，仍有I1>I2或|1|>|2|，由于T1和T2的传输特性不同，输出电压信号的幅值和相位就不相等；同时，因为两信号经过途径不一样，可能还存在相位差。因此，在把两信号送入到差动放大器之前，必须在仅有外部干扰输入的情况下进行调幅和调相，降低干扰水平。
由于选择的中心检测频率为2MHz，差动平衡系统必须选用高性能的元器件和特殊设计的电子线路；该系统既要有效地消除或抑制外部共模干扰信号，又要能对内部局部放电的差模信号起放大作用，则系统要具有高输入阻抗、低噪声、失调孝频带宽、共模抑制比高等的特点。为了最大限度地抑制共模干扰信号，采用了调幅放大电路；同时，为了提高差动平衡系统的输入阻抗，减小差动平衡电路对电流传感器的影响，在调幅电路之前接入一个电压跟随器。调相电路采用全通滤波器，它可保持输出和输入电压幅值相等，输入和输出间的相位可调。T1和T2电流传感器输出信号经调幅、调相处理后送入差动放大器(图4a)，其输出
当R1=R2，且T1和T2信号幅值相等时，则可以将干扰信号完全抵消。从图4b可见，随频率的升高，共模抑制比逐渐变小，幅频特性曲线开始上翘，这是实际的运放在高频信号下性能变差所致；当f=2MHz时，输出信号为输入信号的18%，而在f>2MHz后输出与输入信号的比值才迅速增大，即性能变差；为了进一步改进其共模抑制性能，我们在实际的在线监测装置中采用了三运放放大电路。由于移相和差动电路未能抑制低频的差模干扰信号，为了加强差动平衡系统的选频特性，我们采用带通滤波器再进行模拟滤波处理；同时，为了用带通滤波器既改变放大倍数又不影响滤波器的截止频率，在带通滤波器之后接入一个电压跟随器，以提高带负载能力。
(a)
(b)
图4差动放大电路(a)及其幅频特性(b)
Fig.4Differencebalanceamplifiercircuit(a)andtherelevantcharacteristics
4定向耦合差动平衡系统的性能
为了验证定向耦合差动平衡系统的原理和评价其性能，我们在实验室进行了变压器模拟等效电路模型试验和在单相试验变压器上进行了模拟及带电测试。
4.1变压器内部局部放电的模拟等效电路模型试验
4.1.1系统的线性度
由于局部放电的定量测试要求差动平衡系统的响应与局部放量呈线性关系，因此，我们以图5a的变压器内部局部放电模拟等效电路模型，用JFD-3型局部放电电量校准器注入脉冲来模拟变压器内部局部放电信号(放电量Q=U0*C0)，由此得到图5b的系统差动输出U(mV)与注入局部放电量Q(pC)的关系曲线。由图可见，该系统的输出与放电量间有良好的线性度。同时，调节该系统的放大倍数，可检测到250pC的局部放电量。
(a)变压器内部局部放电的模拟等效电路模型试验线路
(a)equivalentcircuitoftransformerwith
externalPDoutputsimulation
(b)定向耦合差动平衡系统输出与注入局部放电量的关系
(b)relationshipbetweenoutputofDDBsystemandPDquantity
图5定向耦合差动平衡系统线性度试验
Fig.5TesttomeasurelinearcharacteristicsofDDBsystem
4.1.2系统抑制外部干扰的能力
图6外部注入脉冲的变压器模拟等效电路模型试验线路
Fig.6Equivalentcircuitoftransformerwith
externalimpulseinputinsimulation
为了评定该系统的能力，我们采用图6在外部干扰下注入脉冲的内部局部放电的等效电路模型来进行模拟试验，其结果列于表1中。从表中可知，在变压器模拟等效电路模型试验中，信噪比提高倍数为6倍左右，说明定向耦合差动平衡法对抑制外部干扰是有效的。由于信噪比不仅于系统的调幅、调相环节的调节状态有关，而且还受运放性能既电路设计的制约，我们在模拟等效电路模型试验中设计的调相、调幅电路采用了高压摆率、高增益带宽的运算放大器及其它高速元器件，可将信噪比提高到35倍左右。
表1测试结果
Tab.1Testresult
扰 T1输出(mV) 25.80 13.5 8.21 2.72
放 T1输出(mV) 25.0 13.5 8.25 2.7
4.2单相试验变压器上的试验
为了检验定向耦合差动平衡系统的实用性，在900kVA/150kV双套管全绝缘单相试验变压器上进行了大量的模拟和带电试验。变压器电容为3200pF，高压套管电容为210pF，试验接线如图7所示。
图7在900kVA/150kV单相试验变压器上的试验接线
Fig.7Teston900kVA/150kVsingle-phasetestingtransformer
在进行不带电的模拟试验时，同时用JFD-3A型电量校准器从高压套管出线端注入外部干扰信号和由高压绕组接地线上串一小电感注入内部局部放电信号，并在高压套管出线端并联Ck=4400pF来模拟外部设备的等值电容。在进行带电试验时，为了模拟内部局部放电(以由局部放电试验确认无内部局部放电)，在变压器接地端串联一个小电感线圈，并经电感注入校正脉冲；变压器高压端经一根裸导线与一只一端悬空的高压穿墙套管连接(即高压端以外的电容主要决定于穿墙套管的对地电容)，穿墙套管对地电容为从高压端出来的内部局部放电信号提供通路，由裸线的电晕放电提供进入变压器的外部干扰信号。
在进行试验前，必须在注入外部干扰信号下调节差动平衡系统的调幅、调相环节，使系统达到最佳抑制状态。首先做作模拟试验，即同时注入干扰和局部放电信号，记录下T1电流传感器的输出和差动平衡系统输出的波形(图8a)；然后将单相试验变压器电压升至110kV作带电试验，由接地端注入脉冲信号，同样记录T1电流传感器输出和差动平衡系统输出的波形(图8b)。
从图8的实测波形可知：未经差动平衡处理的T1电流传感器的波形1中，干扰信号明显大于内部局部放电信号(即局部放电信号被淹没)，信噪比为0.516(模拟)、1.25(带电)；经差动平衡系统处理后的波形2中，干扰信号被显著抑制。信号经处理后的信噪比为：不带电模拟试验中信噪比约为1.6，提高了3.1倍；带电试验中信噪比约为4，提高了3.2倍。
应当指出，虽然在一定频率范围内可以将变压器等效为一个电容等效电路[6]，但实际大型电力变压器的等效网络比模拟等效电路模型复杂得多。因此，模拟等效电路模型的试验只能验证本文提出的定向耦合差动平衡法的有效性；900kVA/150kV单相试验变压器与实际的500kV单相变压器的结构更接近一些，其试验结果更具有参考价值。在实际采用本系统时，尚须对参数作相应调整，但其基本原理不变。
a模拟测试
aSimulationTest
b带电测试
bOn-lineTest
图8差动系统输出与原始信号的波形比较
Fig.8Qutputofdifferencebalancesystemandoriginalsingal
5结论
(1)现有的差动平衡法和极性鉴别法得到的是综合信息，无法判断放电的相序位置；差动平衡法抑制干扰效果较差，极性鉴别法又可能丢失局部放电信号。
(2)定向耦合差动平衡法用两个电流传感器分别从高压套管和套管末屏接地线耦合信号，经调幅、调相后再送入差动平衡系统处理，不仅能有效抑制外部干扰，而且能对放电的相序定位。
(3)模拟等效电路模型、单相试验变压器不带电和带电试验结果证明，定向耦合差动平衡法原理正确，效果显著，有良好应用前景。