电力变压器局部放电在线监测设计.doc
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河南工业职业技术学院毕业论文
毕业设计（论文）
题目：
电力变压器局部放电在线监测设计
班级：
姓名：
指导教师：
1
摘 要
作为电网中的重要设备之一，电力变压器的正常工作与否直接影响电网的安全稳定运行。
变压器的局部放电信号是判断其工作状态的重要参数。
本论文首先阐述了变压器局部放电在线监测研究的目的和意义、国内外研究动态和发展趋势，然后进行了深入地分析，并介绍了一种基于DSP处理器的变压器局部放电在线监测系统，实现对变压器绝缘状态的监测，最后对系统的硬件和软件设计进行了详细的说明。
本课题将数字信号处理技术应用于高速数据采集系统，系统采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为核心CPU，通过对复杂可编程逻辑芯片EPM7064AETC的逻辑选择来有效、有序地控制系统各个模块运行的工作状态。
系统采用高速A/D转换芯片AD9240进行数据的采集。
并将采集到的数据传至串口通信部分。
为了适应系统的需要，本系统还外扩了RAM和ROM。
对变压器局部放电信号进行采集、处理和分析，可以判定设备可靠性水平，为电力运行部门掌握电力变压器绝缘状况等运行状态提供有力的依据。
因此，实现变压器局部放电的在线监测对提高电力系统的可靠性和经济性具有很大的理论和实用价值。
关键词：
电力变压器，局部放电，在线监测
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目 录
摘 要 1
1引言 1
1.1研究的目的和意义 1
1.2国内外研究动态和趋势 2
1.3本论文的主要工作 3
2电磁干扰抑制方法的研究 5
2.1变压器局部放电电磁干扰分析 5
2.2抑制电磁干扰的方法 5
2.2.1利用差动平衡电路抑制电磁干扰 6
3系统硬件设计 10
3.1系统硬件总体结构设计 10
3.2系统硬件的各部分组成及功能 10
3.2.1数字信号处理技术（DSP） 10
3.2.2系统核心芯片的选择 11
3.2.3过零检测电路 12
3.2.4DSP时钟电路 13
3.2.5电源电路 14
3.2.6模数转换电路 15
3.2.7外部程序存储器电路 16
3.2.8外部数据存储器电路 17
3.2.9CPLD逻辑电路 19
3.2.10电平转换电路 21
3.2.11串口通信接口电路 22
3.2.12复位电路设计 24
4系统软件设计 26
4.1CPLD模块程序设计 27
4.2AD转换程序设计 28
4.3程序存储设计 31
4.4数据通信设计 34
结论 37
参考文献 38
致谢 40
1引言
1.1研究的目的和意义
通常，人们认为电力变压器在经受短时工频耐压和冲击耐压后，便可保证长期运行。
但在实际运行中发现，变压器在没有遭受任何过电压的情况下也会发生绝缘故障。
究其原因，是变压器在长期运行过程中其内部绝缘的薄弱部位在高场强作用下发生局部放电，从而导致绝缘性能下降。
局部放电的能量很小，所以它的短时存在并不影响到变压器的绝缘强度。
但若变压器绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生积累效应，使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。
因此，考核电力变压器的局部放电性能就成为电气设备制造及运行部门的一项重要工作。
目前电力企业测试变压器的局部放电性能大多采用定期检查的离线检测方式，既需要对用户进行停电，这不但对社会的正常生产生活产生了影响，同时还增加设备维修费用并加速了设备的磨损。
此外，由于预防性试验周期的时间间隔较长，以及试验条件与运行状态相差较大，因此就不易诊断出被测设备在运行情况下的绝缘状况，也难以发现在两次预防性试验时间间隔之间发展的缺陷，容易造成绝缘不良事故。
在电力企业大力提倡“状态检修”的今天，越来越希望有一种可以随时提供变压器局部放电水平，以便检修人员决定采取何种处理方法的技术，即局部放电在线监测技术。
随着现代科学技术的快速发展，尤其是传感器技术、数字信号处理技术、计算机技术的发展，使得工作人员有可能对电力变压器实施局部放电在线监测。
在线监测的主要特征是采用高灵敏度的传感器采集能够反映高压电气设备绝缘在运行中劣化的信息，通过计算机处理信息，进而获得设备的绝缘状况。
局部放电在线监测技术具有以下一些优点：
能够及时发现变压器的早期缺陷，避免突发性事故的发生；可以减少不必要的停电检修，避免了电力变压器由于频繁检修造成的损耗，并节省了维修费用；由于工作的环境不同，局部放电在线监测提供了离线检测时无法提供的信息，为我们从另一个角度研究电力变压器的运行状况提供了依据。
反映电力变压器绝缘状况的参数有局部放电量、介质损耗、泄漏电流、绝缘电阻等。
其中局部放电量参数较其它参数相比有更高的灵敏度，反映信息更全面、直接，因此成为变压器在线监测研究的重点。
但同时，局部放电在线监测也是电力变压器绝缘在线监测的难点。
通常变压器的局部放电信号都非常微弱，而变压器又处于各种电磁干扰比较强烈的场所。
因此如何获得正确的局部放电信号就成为整个在线监测系统研究的关键，也是影响在线监测系统灵敏度的关键。
1.2国内外研究动态和趋势
电力变压器局部放电在线监测技术在国内以及国外都有不同程度的研究。
常见的局部放电在线监测方法主要有：
脉冲电流法、DGA法、超声波法、RIV法、光测法以及射频检测法等。
目前，国外广泛开展电力变压器局部放电的在线测量，以便及时发现那些发展速度较快及严重危害绝缘的局部放电，以及潜在的绝缘局部缺陷。
例如日本、加拿大等国对电气设备局部放电在线监测技术的研究较早，现已研制出在线监测系统并已投入运行。
随着电子技术的发展，计算机辅助测试系统在电气设备局部放电中的应用越来越广泛。
A.Krivda将计算机辅助测试系统与传统的测试方法相结合，将测得的局放信号经放大、滤波后进行Ａ/Ｄ转换，将模拟量转换成数字量后送入计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图和统计量，由此来分析电气设备的局部放电情况。
近几年新出现的UHF（超高频检测法）是通过检测电气设备局部放电脉冲放射的高频信号获得脉冲特征量，从而实现局部放电的检测和定位。
对于电气设备而言，由于绝缘结构的复杂性，电磁波在其中传播时会出现多次折反射及衰减，同时电气设备箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这就大大增加了UHF检测的难度。
除此之外，N.H.Ahmed等人提出利用带有高频前置放大器的光谱分析仪和高频电流传感器在频率为100kHz－200MHz范围内检测电气设备局部放电。
它是将高频电流传感器接在套管上，从而进行原、副绕组局部放电的检测，同时还利用DGA技术进行分解气体分析来检测变压器的绝缘。
X.Ma提出一种基于计算机的局部放电检测系统。
它将传统的局部放电检测电路与宽频带示波器结合起来，并采用小波分析方法来处理局部放电数据。
J.H.Sun采用神经网络方法根据变压器油所分解的气体成分来检测变压器局部放电。
也有人专门提出利用干扰和局放信号相位分布不同的特点进行干扰处理。
这种方法首先记录多个周期的信号，然后对每个周期同相位上的数据进行平均，以此构成模板同原始信号相减,从而消除周期型的干扰信号。
此种方法当局放信号较少并且分布特点比较明确的时候去除干扰的效果较好,当局放信号多且强的时候效果不好。
另外，V.Nagesh等人借鉴了生物信号处理的一些成果，其基本原理是从局放信号同周期型干扰信号具有不同的形状出发，首先进行数据分段，把脉冲从波形信号中分离出来，形成单个脉冲序列，利用FFT算法在频域对各脉冲进行互相关计算，判断其相似度并按照一定的标准进行分组，根据这些组脉冲求取类信号模板，然后对每一类的信号在时域进行合成。
分析发现，局放信号的相位较分散，而干扰的则非常集中。
利用这一特点剔除周期型脉冲干扰信号，把剩余的信号重构，可得到去除周期型脉冲干扰后的信号。
由于我国此技术发展缓慢变压器状态检修工作长期以来一直执行的是“预防性维修制度”。
这种制度在当时及以后的几十年对我国电力设备的维修管理起到了积极作用。
但这种预防性试验方法不能监测变压器的实际运行情况，也不可能准确反映变压器的绝缘状况及发展趋势。
所以传统的预防性试验已不能满足实际需要，而实时、有效的绝缘在监测技术得到了广泛研究和应用。
我国虽然这方面的研究较国外比有些晚，但在国外研究的基础上也有了一定程度的发展。
如清华大学研制的JFY-3型变压器局部放电在线监测系统，采用宽带多通道、大容量、高采样率数据采样；运用多种数字信号处理方法抑制干扰；利用套管末屏注入法解决了视在放电量的现场在线标定问题；采取电-声联合监测方式，以实现放电点定位。
主控室的上位机与现场的数据采集装置之间的通信由网络传输系统实现，提高了信号传输的速率和可靠性，从而提高了系统的抗干扰能力。
西安交通大学研制的数字化局部放电在线监测系统，依据IEC270推荐的脉冲电流测量法，借助特制传感器、高速采集卡、上下位机、分析软件等实现局部放电信号的采集和分析，并通过极性鉴别、相位鉴别、数字滤波等措施较好的抑制了现场干扰，并利用高速采样、虚拟仪器、数据库等数字信号处理方法实施在线监测。
在局部放电在线监测中，最关键的工作就是局部放电脉冲波形的正确提取。
局部放电脉冲识别率的高低直接关系到变压器在线监测的效果。
虽然有关脉冲波形的提取以及各种电磁干扰抑制方面的研究成果已经有很多，但还存在许多不理想之处，如干扰抑制效果不明显或算法繁琐等，需要做进一步的改进。
因此本文将电磁干扰的抑制作为研究的重点，采用脉冲电流法设计变压器局部放电在线监测系统，该方法通过检测阻抗、接地线以及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。
在系统中采用罗可夫斯基线圈作为传感器来对信号进行采集，利用差动平衡电路及调幅、调相电路来抑制干扰，从而实现对变压器绝缘状态的监测，并能及时反映出变压器的绝缘状态及其发展趋势。
本文的研究将为变压器在线监测提供相关的技术依据和理论基础。
1.3本论文的主要工作
（1）在分析电力变压器电磁干扰信号组成的基础上，针对目前抑制电磁干扰的方法，采用差动平衡电路来抑制脉冲型干扰。
（2）局部放电在线监测系统的硬件设计。
以TI公司的TMS320VC5402型DSP芯片作为核心控制器，对系统的各个模块进行设计，并对采集到的信号进行处理。
（3）系统的软件设计。
对CPLD进行编程，控制系统各个模块运行的工作状态；采用汇编语言对数据采集程序和通信模块进行编程。
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2电磁干扰抑制方法的研究
2.1变压器局部放电电磁干扰分析
一般高压设备在发生绝缘故障前，总会表现出一定的局部放电特性，通过对这些局部放电特性进行采样分析，可以有效地了解设备的非正常运行状态。
但是，变压器在运行过程中，因现场环境等因素的影响会受到各种干扰，影响局部放电的测量。
变压器运行时电磁干扰的主要来源有：
（1）大量的无线电通讯干扰、电力系统载波干扰；
（2）来自输电线或邻近设备的放电干扰，主要是电晕放电的干扰；
（3）电网中的开关、晶闸管整流设备在闭合和开断时产生的脉冲干扰；
（4）仪器的本机噪声和其它的随机性干扰。
变压器局部放电电磁干扰可分为多种多样：
按频带，它可分为窄带干扰和宽带干扰。
按其时域波形特征，它可分为连续的周期型干扰、脉冲型干扰和白噪声。
周期性干扰包括系统高次谐波、载波通讯以及无线电通讯干扰等。
对于系统高次谐波，载波通讯引起的干扰，其频率主要集中在30～500kHz范围内，是一种强大且十分重要的干扰源。
对于无线电广播干扰，其频率主要在500kHz以上，干扰频段随地点不同而不同。
周期性干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和频带宽度。
脉冲型干扰分为周期脉冲型干扰和随机脉冲型干扰。
周期脉冲型干扰主要由电力电子器件动作产生的高频涌流引起。
随机脉冲型干扰包括高压线路上的电晕放电、其他电气设
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