干式變壓器局部放電檢測方法略談

劉喜軍

（許繼集團有限公司，河南許昌461000）

0 引言

近年來，我國的電力變壓器技術取得了飛速發展和進步，正逐漸朝著電壓等級高、體積小的方向發展。但與此同時也要清醒地看到，干式變壓器的絕緣所承受的工作場強越來越大，進而導致局部放電的風險也隨之升高。因為局部放電伴隨著電、熱等物理過程和化學過程，會嚴重削弱變壓器的絕緣性能，所以會對變壓器的正常安全使用造成不利影響。通常來說，變壓器的絕緣老化大多是其內部發生局放造成的，而長時間處于放電狀態會顯著加速絕緣老化的問題，甚至引發絕緣被擊穿或短路等故障隱患，所以對干式變壓器的局部放電進行檢測是極其重要的。

目前主要用于局放檢測的方法大體上可以歸納為兩類：電測法和非電測法。前者又可以進一步細分為脈沖電流法和超高頻法，后者則主要有超聲波法和光檢測法等。其中，脈沖電流法的特點是靈敏度高，可以實現對局放特征的定量檢測，缺點是容易受到電磁干擾的影響，要想在現場準確提取脈沖電流比較困難；超高頻法具有優秀的抗干擾能力，但無法對放電量的大小進行準確測量；超聲波法可以對局放信號進行定性檢測，但其在使用過程中容易受到噪聲干擾的影響。本文將對這幾種主要的局放檢測方法進行詳細介紹。

1 脈沖電流法

與其他方法相比，脈沖電流法是研究最早、應用最廣且唯一擁有國際標準的變壓器局放定量檢測方法。該方法首先將干式變壓器等效成一個電容，如果變壓器內部發生局部放電，那么就會在檢測回路中形成脈沖電流信號。然后對這個脈沖電流信號進行檢測并用方波對其進行定量校正，就可以獲得局部放電量的大小值。

因為脈沖電流法的測量頻率一般都在1 MHz以下，所以運用該方法可以得到很高的檢測靈敏度，但同時檢測過程也極易受到外部電磁干擾和影響，所以給該方法的實際應用造成了一定的限制。目前脈沖電流法主要被用于室內檢測或現場離線試驗，這主要是因為室外環境或工作現場擁有很多極為強烈的干擾因素，而這些干擾可能會淹沒原本就非常微弱的脈沖電流信號，所以如何對外部干擾進行有效的識別和管控是推廣該方法運用過程中的一個主要技術難題。近年來，很多學者針對在線檢測運用提出改善措施，比如開設相位窗口、進行窄帶選頻測量或采用脈沖極性鑒別技術等等，但總的來說，對外部干擾的抑制效果并不夠理想，所以還需要相關技術人員作進一步的努力。

2 超高頻法

在局部放電檢測領域，超高頻法早已取得了廣泛應用，只是近年來才逐漸推廣至變壓器局放檢測領域。與脈沖電流法不同，這種方法對外部干擾具有非常優秀的抵抗能力。現實中，一旦干式變壓器內部出現局部放電，那么必然會伴隨產生一個抖動的電流脈沖，進而在正、負電荷中和的情況下向周圍發出電磁輻射。很多實驗結果都已經證明，放電間隙的絕緣強度和放電源的幾何形狀與局放產生的電磁波頻譜特征有著密切聯系。如果放電速度比較快，則證明放電間隙不會很大，而出現更高頻率的電磁波就說明了電流脈沖的抖動比較大；如果絕緣強度比較高，放電間隙的擊穿過程就會很快，此時電流脈沖的抖動就會變得很明顯，進而向外輻射較高頻率的電磁波。

對于包括脈沖電流法在內的大多數局放檢測方法，因為其測量頻率普遍在1 MHz以下，所以測量頻帶就極易和無線電波、電網的載波通信頻帶相重疊，即非常容易受到外界環境因素的干擾，無法在較強的干擾背景中將局部放電區分出來。而超高頻法的測量頻段主要在300～3 000 MHz的范圍內，它是通過檢測局放產生的超高頻電磁脈沖信號來實現檢測，所以運用超高頻法就可以成功地將絕大多數干擾避開。一般電力系統運行產生的干擾信號都在300 MHz以下，所以不會對超高頻法的使用造成影響；而對于電視信號、手機通信等固定頻率干擾，也可以通過運用選頻濾波技術來加以規避。

目前在電力變壓器的局放檢測領域，超高頻法的有效性和檢測靈敏度已經得到了充分證實。比如荷蘭KEMA公司推出的超高頻檢測傳感器就通過利用窄帶檢測技術，實現了對50 pC局放信號的檢測；而英國DMS則通過在變壓器檢修孔中預先安裝超高頻傳感器，并結合寬帶檢測技術，實現了對20 pC局放信號的有效檢測。

3 超聲波法

超聲波法是用超聲換能器，由電氣信號代替超聲信號來實現檢測目的的。現實中，變壓器內部發生局部放電后會產生超聲波信號，所以超聲波法可以實現對放電發生的有效檢測。但現代變壓器的內部結構往往都非常復雜，聲速會受到傳播介質的影響，所以單純利用超聲波法無法實現定量檢測。

電力變壓器的結構日趨復雜，聲波在從內部向外傳播時，會明顯受到鐵芯、夾件、線圈、絕緣紙板等固體材料的阻擋和衰減，這就導致最終能被檢測到信號的靈敏度大幅降低。如果檢測傳感器與放電位置比較接近，或聲波在傳播過程中沒有受到固體絕緣材料的阻擋，那么檢測信號的靈敏度就會明顯提升。但當檢測位置與放電位置相距較遠時，或放電位置位于固體結構的深處，因為聲波在傳播過程中會發生嚴重衰減，所以利用該方法就很難接收到檢測信號，也就更談不上對放電缺陷進行準確定位了。

4 超高頻法和超聲波法的聯用

通過將超聲波法和超高頻法結合使用，可以對變壓器局放進行準確定位。具體而言，可將超高頻傳感器和超聲波傳感器都安裝在變壓器內部，并經過放大裝置將二者測得的信號傳輸給計算機。因為二者的信號傳播速度不同，所以接收兩者初始信號就會存在一個時間間隔，這樣計算機就可以通過計算二者輸入信號的第一峰值時間差來對放電缺陷進行定位。

在對干式變壓器的局放進行檢測時，雖然信號在變壓器內部會經過一定的折反射，這對信號衰減和傳播耗時會產生重要影響，但相關研究已經證明，變壓器內部結構對電磁波的傳播影響很小，所以作為超高頻信號的電磁波，其傳播速度幾乎不會受到影響，可用光速進行表示。

與超高頻信號不同，超聲波信號的傳播速度與介質材料和傳播路徑有著直接聯系，超聲波信號在通過不同的介質材料時會發生折反射，并且伴隨著一定程度的信號衰減情況，所以接收到的超聲波信號往往沒有超高頻信號平滑。同時，因為聲波和電磁波在特性上的差異，造成聲波的檢測難度也相對較高，有時距離過遠或傳感器安裝角度不合適，都有可能導致無法檢測到超聲波信號。

當超高頻法和超聲波法兩者聯用時，以超高頻信號的第一峰值為參考時間，然后利用檢測到的超聲波信號與超高頻信號間的時間差作為放電缺陷到傳感器之間的傳播時間。在此基礎上，用等值聲速v乘以延遲時間t，就可以得到放電缺陷到傳感器間的空間距離，進而實現對放電缺陷的定位目的。

5 結語

目前在實踐應用環節，脈沖電流法主要用于實驗室環境或現場離線試驗，其不適合運用于工作現場的實時檢測；超聲波法主要用于對變壓器局放的定性檢測，單獨應用超聲波法也很難實現對變壓器內部局放缺陷的準確定位；而超高頻法在干式變壓器局放的在線監測領域有著不錯的應用成效。總之，現有方法各有其特點和適用條件，但還缺乏一種各方面性能都表現優異的檢測手段，對新檢測技術的開發或將現有多種方法進行綜合應用，將是未來局放檢測領域的一個主流發展趨勢。

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