變壓器局部放電定位研究

顧菁，吳勇勇，應(yīng)浩達(dá)，康小平

(浙江寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315000)

1 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸送和變換電能的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓、電流的轉(zhuǎn)換以及功率傳輸?shù)娜蝿?wù)，所以電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的供電元件，同時(shí)大容量的電力變壓器也是十分貴重的高壓電氣設(shè)備，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。

變壓器故障定位的目的是預(yù)防、消除故障，發(fā)揮設(shè)備能力，制定合理維修制度，減少維修費(fèi)用，提高變壓器可靠性，延長(zhǎng)變壓器使用期等。其任務(wù)是借助于現(xiàn)代測(cè)試、監(jiān)控和計(jì)算機(jī)分析等手段，對(duì)變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析變壓器的技術(shù)參數(shù)，診斷其故障的起因和性質(zhì)，并預(yù)測(cè)故障趨勢(shì)，從而提高變壓器可靠性，預(yù)防故障及重大事故，指導(dǎo)設(shè)備管理，改革維修制度。利用故障檢測(cè)技術(shù)可以早發(fā)現(xiàn)故障征兆和原因，有利于及早排除故障和安全隱患，避免不必要的損失，因而具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 電暈檢測(cè)研究現(xiàn)狀

電力變壓器產(chǎn)生局部放電時(shí)伴有電脈沖、電磁輻射、聲、光、熱以及放電導(dǎo)致絕緣材料分解出氣體等現(xiàn)象，并引起局部過熱等化學(xué)和物理反應(yīng)，原理上這些現(xiàn)象若能檢測(cè)，均可以作為局部放電缺陷的指示。鑒于電力變壓器局部放電定位研究的重要性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量卓有成效的研究工作。目前，常見的局放定位方法包括光定位法、電氣定位法、特高頻電磁波定位法、射線激勵(lì)定位方法以及超聲波定位法等［2］。

2.1 光定位法

光定位法是通過提取局部放電超聲信號(hào)傳播到光纖上時(shí)光纖的形變信號(hào)來(lái)檢測(cè)局部放電。該方法測(cè)量時(shí)，光信號(hào)不受電磁干擾靈敏度高可以方便的確定局部放電位置。但由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光纖的埋法復(fù)雜而且目前光纖傳感器的分辨率尚不能滿足工程需要。

2.2 電氣定位法

電氣定位法是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的電脈沖傳播到測(cè)量端的特性來(lái)確定放電源的空間位置。電氣法確定的位置為局部放電發(fā)生的電氣位置。

當(dāng)變壓器內(nèi)部某一點(diǎn)發(fā)生局部放電時(shí)，將會(huì)在這一點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)陡脈沖沿繞組向兩端傳播，一般可以從各個(gè)繞組出線套管的末屏接地線、外殼接地引下線以及中性點(diǎn)接地線等少數(shù)幾個(gè)測(cè)量端獲得局部放電信號(hào)。由于變壓器可近似等效成一個(gè)電容梯形網(wǎng)絡(luò)，因此在放電開始的瞬間，繞組的兩端就會(huì)出現(xiàn)局部放電陡脈沖的電容傳遞分量，該放電脈沖包含了局部放電定位所需的有用信息，具體表現(xiàn)為信號(hào)能量和幅值的衰減，波形的畸變和延時(shí)等，通過測(cè)量這個(gè)分量，并找到兩個(gè)電容分量與繞組上位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確定局部放電的位置。早期的研究表明，通常情況下，變壓器繞組普遍存在三個(gè)頻率特性范圍，在不同頻率范圍內(nèi)，變壓器繞組的傳輸特性不同，具體為在低頻范圍內(nèi)(0～0.01MHz)局部放電信號(hào)的傳輸以電磁波形式為主，中頻范圍(0.01～0.1MHz)以振蕩形式為主，高頻范圍(0.1～10MHz)以電容分量傳輸為主。因此，在測(cè)量端測(cè)得的局部放電信號(hào)通常由三部分組成，分別為行波分量，即以電磁波的形式傳播的分量振蕩分量，即由繞組的共振引起的分量電容性分量，即通過電容梯形網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆至俊?/p>

根據(jù)以上電氣傳播特性原理建立起來(lái)的電氣定位方法有許多種，傳統(tǒng)的電氣定位法有起始電壓法、多端測(cè)量定位法、極性法、行波法、電容分量法等幾種。隨著對(duì)變壓器繞組傳輸特性研究的深入以及數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了改進(jìn)的電容分量法與數(shù)字濾波技術(shù)相結(jié)合和端點(diǎn)電流脈沖頻譜分析法。

盡管對(duì)變壓器繞組特性的研究較多，但到目前為止，實(shí)際中很少采用電氣法。其主要原因在于首先，變壓器繞組精確建模難度較大，工作繁瑣，通用性差其次，由于變壓器繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜和局部放電發(fā)生部位的不同，傳播到繞組端部的脈沖規(guī)律性不強(qiáng)，其定位準(zhǔn)確性不高。而且由于現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的電磁干擾的影響，電氣定位法難以有效地在線應(yīng)用。

2.3 X射線激勵(lì)定位法

X射線照射絕緣介質(zhì)中的氣隙可使間隙中的氣體電離，產(chǎn)生間隙放電所必需的初始電子，從而加強(qiáng)了介質(zhì)中的局部放電。其效果表現(xiàn)為局部放電的重復(fù)率、放電脈沖的幅值增加。另外，射線照射到金屬導(dǎo)體表面，尤其是場(chǎng)強(qiáng)集中的尖狀金屬表面時(shí)，可加強(qiáng)金屬導(dǎo)體表面電子的逸出，這些電子也可加強(qiáng)介質(zhì)中的局部放電。調(diào)整射線照射被試品的方位，并檢測(cè)這種因射線照射作用產(chǎn)生的局部放電信號(hào)，便可進(jìn)行局部放電的定位。

2.4 特高頻定位法

特高頻定位法是通過檢測(cè)變壓器局部放電的特高頻電磁波信號(hào)來(lái)獲得局部放電信息，并利用時(shí)延關(guān)系實(shí)現(xiàn)定位的。特高頻定位法在進(jìn)行變壓器局部放電檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)的頻譜范圍一般小于300MHz，且在空氣中傳播，衰減很大。若檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的數(shù)百M(fèi)Hz以上的電磁波信號(hào)，則可有效避開電暈等干擾，提高信噪比。

2003年至今，華北電力大學(xué)高壓所在特高頻定位方法的基礎(chǔ)上，提高檢測(cè)頻帶(1～10GHz)并優(yōu)化定位方法［3］，對(duì)采用超寬帶射頻檢測(cè)的多傳感器檢測(cè)定位技術(shù)進(jìn)行了開創(chuàng)性的探索研究，通過理論仿真和試驗(yàn)室模型試驗(yàn)研究了變壓器鐵芯、繞組和油紙復(fù)合絕緣對(duì)局部放電輻射的超寬帶電磁波信號(hào)傳播的影響，研究發(fā)現(xiàn)鐵芯等大尺寸障礙物對(duì)局部放電射頻電磁波信號(hào)造成嚴(yán)重的衰減和畸變，使得難以直接依據(jù)費(fèi)瑪最短光程原理進(jìn)行放電源的定位而線圈的多油隙結(jié)構(gòu)則有利于電磁波以近直線路徑傳播油紙絕緣主要是對(duì)電磁波傳播速度的產(chǎn)生一定影響，而引起的衰減和畸變卻很小。在此基礎(chǔ)上提出了基于超寬帶射頻傳感器陣列定位方法，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了采用該方法進(jìn)行變壓器定位的可行性。研究者在前期實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了射頻定位傳感器，建立模擬實(shí)際變壓器結(jié)構(gòu)且易于開展實(shí)驗(yàn)室研究的變壓器局部放電定位試驗(yàn)平臺(tái)并分別在此平臺(tái)上和真實(shí)的220kV變壓器試品上開展基于超寬帶射頻定位技術(shù)的局部放電源定位研究(如圖1所示)，改進(jìn)了時(shí)間差定位算法并提出適用于真實(shí)變壓器局部放電源故障定位的合理波速值，從而進(jìn)一步完善了超寬帶射頻定位技術(shù)。

圖1 UHF檢測(cè)傳感器與陣列布置

在傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置方面，現(xiàn)有技術(shù)通常將信號(hào)處理單元布置在變壓器附近，處理后的信號(hào)通過光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送到變電站控制中心，UHF傳感器和信號(hào)處理單元布置位置如圖2所示。

圖2 UHF傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置

2.5 超聲波定位法

超聲波定位方法是年代開始發(fā)展，年代趨于成熟的一種局部放電定位方法，目前這種方法己得到比較廣泛的應(yīng)用。其基本原理是當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁波、放電脈沖和超聲波等信號(hào)，不同放電類型的頻譜特性如表1所示。超聲波在變壓器中的不同介質(zhì)中傳播油紙、繞組和隔板等，到達(dá)固定在變壓器油箱壁卜的超聲傳感器。通過多個(gè)超聲傳感器測(cè)量不同傳感器測(cè)量到信號(hào)的時(shí)間延時(shí)，經(jīng)過定位算法的計(jì)算，就能夠確定局放源的位置，超聲波陣列傳感器如圖3所示。根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)的不同，超聲波定位又可分為利用放電產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)和超聲信號(hào)之間的時(shí)延的電一聲定位方法和直接利用各超聲信號(hào)的時(shí)延進(jìn)行定位的聲一聲定位方法兩類。在超聲波定位中，定位算法是能否進(jìn)行準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。目前，常用的定位算法有順序定位算法、球面定位法、雙曲面定位算法、模式識(shí)別定位法和遺傳算法等。

表1 各種模型放電超聲波信號(hào)的頻譜特性

盡管人們對(duì)超聲波定位方法做了大量研究，發(fā)展了多種定位方法，并對(duì)其進(jìn)行了許多改進(jìn)，但仍然難以進(jìn)行準(zhǔn)確和有效的定位。主要原因是:①變壓器內(nèi)各種聲介質(zhì)，尤其是油箱外殼對(duì)超聲波信號(hào)的衰減非常嚴(yán)重，而超聲波傳感器的靈敏度較低，由此導(dǎo)致超聲方法難以有效地檢測(cè)信號(hào)，造成無(wú)法定位或定位不準(zhǔn);②變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲波信號(hào)在不同介質(zhì)中的等值聲速難以準(zhǔn)確確定，加之定位算法不盡完善，造成定位不準(zhǔn);③超聲波傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)持續(xù)時(shí)間一般為數(shù)百微秒左右，當(dāng)兩次放電的時(shí)間間隔小于數(shù)百微秒時(shí)，所測(cè)到的超聲波信號(hào)在時(shí)間上相互疊加，難以分辨。因此，當(dāng)放電密集或存在多點(diǎn)放電時(shí)，超聲波探頭檢測(cè)的放電信號(hào)是由多次放電復(fù)雜疊加的波形，難以清晰地對(duì)草次脈沖進(jìn)行分辨，因此無(wú)法解決多放電點(diǎn)定位的問題。

圖3 超聲波陣列傳感器

3 結(jié)論

本文介紹了包括光定位法、電氣定位法、射線激勵(lì)定位法、特高頻電磁波定位法以及超聲波定位法在內(nèi)的多種變壓器局放定位方法。通過比較分析，認(rèn)為特高頻電磁波定位法和超聲波定位法更適合于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，之后分別闡述了這兩種方法傳感器的布置方式和存在的問題。

［1］邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［2］劉云鵬，律方成，李成榕，等.基于多導(dǎo)體傳輸線模型的單相變壓器繞組中放電的距離函數(shù)法定位［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(1)，115－120.

［3］王偉，唐志國(guó)，李成榕，等.用法檢測(cè)電力變壓器局部放電的研究［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(10):32 －34.