变压器局放传感器：三合一在线监测系统如何实现绝缘故障的精准预警

前言：电力资产老龄化与高压绝缘的紧迫挑战

电力变压器作为电网核心，其可靠性是电力系统稳定的基石。在全球能源基础设施中，大量超期服役（设计寿命通常为 30-35 年）的变压器仍在运行，这使得绝缘老化的风险日益增加。根据行业报告，介电和电气故障是导致变压器严重损坏的主要原因，其中局部放电（Partial Discharge, PD）被公认为加速绝缘劣化、引发灾难性故障的首要元凶。

传统的局放离线检测手段，不仅需要停机，且无法捕捉局放活动的动态变化。为应对这一挑战，一种基于高频（HF）、超高频（UHF）和声发射（AE）信号同步监测的三合一混合在线局放监测系统应运而生。该系统集成了创新型局放传感器技术，实现了对油纸绝缘故障的超高灵敏度监测和精准定位。

一、 核心创新：三合一传感器矩阵与有源电介质窗口

本监测系统的关键突破在于传感器层面的创新和信号的多维融合。系统集成了针对变压器油纸绝缘环境优化的三种传感器，确保对微弱 PD 信号的最大捕获效率。

1. 三合一传感器的协同机制

2. 有源电介质窗口（ADW）技术

该系统是首批采用有源电介质窗口（ADW）的监测方案。ADW 是一种复合型传感器：

• 它为 UHF 传感器提供了一个理想的耦合和安装接口，实现对变压器内部电磁信号的高效提取。
• 同时，其内部集成了超声波换能器，可同步捕捉 PD 产生的声学信号。

二、 硬件模块深度：多通道数据集中器

系统硬件的核心是多通道信号集中器，它负责高速采集、调理和初步数据处理。

1. 信号高速处理与数字化

• 多通道并行采集： 支持多达 16 个 局放测量通道的同步数据处理，覆盖 HF、UHF 和 AE 信号。
• 信号调理： 前端调理电路板对微弱的传感器信号进行滤波、放大和降噪，确保信号质量。
• A/D 转换： 采用高速、高精度的模数转换，确保局放脉冲的瞬态波形特征得以精确记录。

2. 嵌入式数据计算与处理

集中器内部的嵌入式 PC 负责数据的初步计算和格式化：

• 监测参数计算： 计算 1 分钟、15 分钟和 1 小时三种时间间隔内的核心 PD 参数：PD 脉冲数量、最大/平均脉冲幅度，以及最大/平均脉冲能量。
• 诊断数据准备： 在诊断模式下，系统聚合特定持续时间的数据帧，为生成 PRPD（相位分辨局部放电）图谱提供数据支撑，PRPD 图谱是区分 PD 类型的关键依据。

三、 软件功能：智能诊断与资产健康管理

1. 服务器分析与趋势预测

系统服务器固件集成了 VDC（虚拟数据集中器）、分析模块、图形展示和报告模块，实现了自动化诊断：

• 趋势估计： 分析模块定期检查 PD 参数的阈值超限情况，并利用最小二乘法对近一周和近一个月的历史数据进行线性趋势预测，为运行维护提供前瞻性的决策支持。
• 诊断模式： 支持实时预览特定通道的 PD 波形，并进行 PRPD 图谱分析，有助于识别和分离不同类型的 PD 源。

2. 标准化与 SCADA 集成

系统设计严格遵循 IEC 61850 标准，支持通过 IEC 61850 或 DNP-3.0 协议将数据无缝集成到电厂或变电站的 SCADA 系统中。这种集成实现了 PD 诊断参数与变压器运行状态参数（如电压、有功功率、油温）的实时关联，提供了更全面的资产健康视图。

四、 现场应用与未来展望

该系统原型机已成功在 330 MVA 大型电力变压器 IVPD（感应电压局放测量）测试中进行了现场检验，并应用于 31.5 MVA 变电站变压器的长期在线监测。

精准定位能力： 系统利用多达 8 个 AE 传感器组成的阵列，通过三边测量技术成功实现了对变压器内部两个局部放电源的精确锁定。

结论与技术路线图

这款基于 HF、UHF 和 AE 信号同步检测的三合一在线 PD 监测系统，通过传感器、硬件和软件的协同优化，显著提高了 PD 诊断的抗干扰性、灵敏度和定位精度。

未来升级方向： 进一步的研究工作将专注于引入人工智能技术，包括在 FPGA 中实施 FFT 算法和基于人工神经网络（ANN）的分类模型，以实现对 PRPD 图谱和频域特征的自动识别，从而将 PD 监测推向更高级别的智能诊断阶段。同时，系统硬件也正在进行改造，以适应如气体绝缘开关设备（GIS）等其他高压电力设备的诊断需求。