特高頻局部放電信號模型測試分析

何文林，劉浩軍，駱賢華，谷小博

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.浙江省送變電工程公司，杭州 310016）

0 引言

在變壓器絕緣狀態定期分析時，經常會遇到色譜分析發現異常的情況，但因不具備其他更直接的測試手段，無法徹底排除潛油泵故障、分接開關滲漏、油質裂化等因素對色譜分析結果的干擾問題，通常難以做出停電進行常規局部放電測試的建議[1-2]。如果能通過在線檢測局部放電手段，在決定是否進行停電檢修前，預先證實色譜異常是由內部放電引起（同時確定出放電的部位及危害程度），或者是由其他干擾因素引起，則將有助于對設備的運行狀況作出準確判斷，避免因不必要的停電檢查所帶來的經濟損失[3]。

國外現已采用特高頻（UHF）法檢測變壓器局部放電信號[4-5]，英國通過變壓器檢修孔預先安裝的UHF傳感器，可檢測到20 pC的局部放電信號。荷蘭KEMA通過變壓器事故放油閥安裝UHF傳感器，也可檢測到50pC的局部放電信號。

變壓器內部局部放電的形式主要有正常絕緣體的小信號放電、絕緣體氣泡放電、金屬物體的懸浮電位放電和絕緣體表面放電等形式。不同的局部放電形式，對變壓器安全運行將產生不同的危害，直接影響運行變壓器何時需要停電檢修和相應的檢修策略。

特高頻局部放電模型測試的目的是通過模型測試，摸索不同放電形式下的特高頻局部放電波形特點，指導變壓器特高頻局部放電測量結果的分析判斷及放電源的定位。

1 模型簡介

特高頻局部放電測試模型，包括絕緣體氣泡放電模型和金屬物體的懸浮電位放電模型2種。材料采用絕緣透明材料和紫銅,放電模型采用圓柱型結構，圓柱的長度為20 mm，圓柱的直徑分為300 mm和60 mm 2種，特高頻局部放電模型見圖1。

圖1 特高頻局部放電模型

電極形式包括針-板及板-板電極2種。其材料皆為紫銅。針-板（板電極接地）的針電極和板-板電極的接地側板電極可水平調節。

2 測試方法和結果

特高頻局部放電模型測試的試驗電源采用工頻試驗電源，試驗電源電壓不大于50kV，由電源控制箱、調壓裝置、升壓試驗變壓器及電壓檢測回路組成，整套試驗電源應滿足無局放試驗電源的要求。

特高頻局部放電模型測試由脈沖電流法局部放電測試、特高頻局部放電測試等2部分組成。

（1）利用脈沖電流法局部放電測試及肉眼觀察確定放電是否產生及放電類型。脈沖電流法局部放電測試由無局放標準電容器、檢測阻抗、局放儀及方波發生器等組成。

（2）在已知的放電類型下，利用特高頻局部放電測試系統，得到該放電類型下特高頻信號特點。特高頻局部放電測試由特高頻傳感器及檢測儀器組成。

通過模型測試建立了針-板電極及板-板電極情況下金屬物體的懸浮電位放電和氣泡放電模型，4種典型圖譜見圖2-5。

圖2 針－板電極的懸浮放電圖譜

圖3 針－板電極的氣泡放電圖譜

3 不同電極、不同放電類型的特高頻局部放電信號特征分析

板-板電極的懸浮電位放電信號為單極性，相位主要集中在90°～135°，頻率范圍較廣，可分布在300～1200MHz的頻率范圍；針-板電極的懸浮電位放電信號為雙極性，相位可在0°～120°和180°～300°，但2個相位范圍內的幅值差異較大，頻率范圍相對較窄，主要分布在300～1000MHz的頻率范圍。

圖5 板－板電極的氣泡放電圖譜

板-板電極的氣泡放電信號，可分布在－20°～120°和 160°～300°的位置上，且－20°～120°范圍內的放電信號相對較大，頻率范圍較廣，可分布在300～1200MHz的頻率范圍；針-板電極的懸浮電位放電信號也可分布在－20°～120°和 160°～300°的位置上，但－20°～120°內的放電信號相對較小，頻率相對較窄，主要分布在300～1000MHz的頻率范圍，但650～850MHz頻率范圍內的信號幅值較小。

4 特高頻局部放電信號傳播特性模擬測試結果分析

特高頻局部放電信號傳播特征的模擬測試，主要模擬了變壓器油箱對特高頻信號折反射和固體絕緣材料對特高頻信號的衰減。

4.1 變壓器油箱對特高頻信號折反射的模擬測試

通過傳感器位于油箱中的不同位置，模擬變壓器油箱對特高頻信號折反射。共有2種工況，工況1是將特高頻傳感器位于油箱的中部，讓特高頻信號直接進入特高頻傳感器；工況2是將特高頻傳感器位于油箱的角落，讓特高頻信號通過金屬箱體的折反射后進入特高頻傳感器。模擬測試結果見圖6-7。

圖6 特高頻信號相位圖

對比圖6的（a）與（b）可知，將特高頻傳感器位于油箱的不同位置，局部放電特高頻信號的相位特征不改變，但局部放電特高頻信號的幅值明顯改變。對比圖7的（a）與（b）可知，將特高頻傳感器位于油箱的不同位置，由于油箱的折反射，部分頻率下的信號幅值差異較大，低頻段的幅值差異相對較大而高頻段的幅值差異相對較小。

圖7 特高頻信號頻譜圖

4.2 固體絕緣材料對特高頻信號衰減的模擬測試

固體絕緣材料對特高頻信號衰減的模擬測試，共有2種工況。工況1是將特高頻傳感器位于油箱中，放電源與特高頻傳感器之間無任何固體物質阻擋；工況2是在放電源與特高頻傳感器之間放置1塊厚度為20 mm的絕緣板，讓特高頻信號通過絕緣板后進入特高頻傳感器。

模擬測試結果表明，是否放置絕緣板不影響特高頻信號的相位特性和頻率特性。在相同脈沖電流局部放電量的情況下，信號幅值有明顯差異，即20 mm的絕緣板對特高頻局部放電信號有明顯的衰減作用，見圖8-9。

圖9 有絕緣板的特高頻信號

5 結語

建立了針－板電極及板-板電極情況下的氣泡放電、金屬物體的懸浮電位放電4種典型放電圖譜。

分析了不同電極、不同放電類型的特高頻局部放電信號的特征：板-板電極的懸浮電位放電信號為單極性，頻率范圍較廣；針-板電極的懸浮電位放電信號為雙極性，正負極性的幅值差異較大且頻率范圍相對較窄。氣泡放電信號為雙極性，板-板電極的氣泡放電頻率范圍較廣，針-板電極的懸浮電位放電正負極性的幅值差異較大，且頻率范圍相對較窄。

變壓器局部放電所產生的特高頻電磁波，在絕緣油中無衰減傳播，固體絕緣材料對特高頻信號產生明顯衰減。特高頻信號在變壓器油箱表面產生多次折反射，油箱不影響特高頻信號的相位特性但影響幅值大小，特高頻局部放電測試結果與信號傳播途徑的介質有關。

[1]TENBOHLEN S，MARKALOUS S M，TOBIAS STIRL.采用UHF測量方法對電力變壓器進行現場局部放電探測和定位[J].華東電力，2007，35（增刊）∶165-171.

[2]羅勇芬，李彥明.變壓器局部放電的超聲波和射頻聯合檢測技術的現狀和發展[J].變壓器，2003，40（12）∶28-31.

[3]何文林，金祖龍.特高頻局部放電測試技術在變壓器在線監測中的應用[J].浙江電力，2010，29（10）∶14-17.

[4]顧文業.顧曉安.應用超聲波測量法判斷變壓器內部局部放電的研究[J].噪聲與振動控制，2003，23（2）∶46-48.

[5]黃興泉，趙善俊，宋志國，等.用超高頻局部放電測量法實現電力變壓器局部放電的在線監測[J].中國電力，2004，37（8）∶52-56.