變壓器局部放電的檢測技術

尹奎龍，任社宜，任 煒

（國網山東省電力公司物資公司，山東 濟南 250001）

0 引 言

電力系統的安全穩定運行是可靠供電的前提條件，而變壓器又是電力系統中非常重要的一個環節[1]。絕緣狀態對變壓器運行狀況產生直接影響，當變壓器發生局部放電時，會引起電力變壓器絕緣老化甚至變形的各種反應，包括物理反應和化學反應，將造成正常運行中的電力系統發生不同程度的事故。隨著我國電力行業的不斷發展，所使用的電壓等級進一步提高，對變壓器絕緣性能的安全可靠性提出了更高的要求。然而，在實際的制造與維修時，變壓器的金屬組件和絕緣部分無法避免地出現包括毛刺和尖角等不平整的地方，大量電荷會在電場的作用下積聚在這些部位。同時，由于變壓器的絕緣體中存在著空氣間隙，而絕緣油中也存在著微量氣泡，都可能引起變壓器內部發生局部放電現象。不僅如此，局部放電也會因為變壓器的過電壓而發生。由于在局部放電時會伴隨著電流的出現，導致絕緣體的溫度升高，也可能會產生某些活性物質，促使變壓器的絕緣體進一步老化，降低了變壓器的絕緣性，最終導致電力系統發生故障。所以，為了預防和減少電力故障的發生，檢測變壓器發生局部放電現象就變得非常重要。

當變壓器發生局部放電現象時，不僅會產生電荷轉移和電能損耗等現象，變壓器周圍的介質還會出現發光、發熱現象，并伴隨著高頻輻射以及超聲波，為局部放電檢測技術的優化提供了基礎[2]。截至目前，科研人員通過收集變壓器局部放電產生的信號進行局放的檢測，而根據不同的局放信號可以將這些檢測法分為電氣檢測法和非電氣檢測法。電氣檢測法主要分為脈沖電流法和超高頻檢測法，非電氣檢測法主要分為氣相色譜法、超聲波檢測法和光測法。在變壓器局部放電的檢測中，這些方法都得到了應用，有效地預防了電力故障的發生。

為了有效地檢測出變壓器發生局部放電現象，本文例舉出了幾種針對變壓器局放的檢測方法，分析了不同類別的檢測技術，包括檢測原理、使用現狀等內容，以提供更好的檢測技術，同時也分析了局部放電檢測技術的發展趨勢。

1 電氣檢測法

1.1 脈沖電流法

國際上公認時間最早、應用最為廣泛的電氣檢測法便是脈沖電流法，而且脈沖電流法還獨有一套國際測量標準（IEC60270）[3]。脈沖電流法的工作原理是通過電流互感器或者檢測電路中的檢測阻抗獲取變壓器不同位置接地線上的電流，而這些脈沖電流會經過數字信號設備的處理，最終獲取局部放電的有關信息。

脈沖電流法比較靈敏，因此這種檢測方法能夠檢測出的局部放電量比較準確。此外，與超聲波檢測法結合，可以準確把握變壓器發生局部放電的位置。然而，脈沖電流法也有以下不足：

（1）要保證檢測環境相對穩定；

（2）不能進行在線檢測；

（3）不具備較強的抗干擾能力；

（4）頻率低且頻帶窄，取得的信息量少。

針對以上問題，科研人員也研制出了寬帶脈沖電流檢測法。與現有的脈沖電流法以及脈沖量相比較，寬帶脈沖電流檢測系統可以更加靈敏地捕獲局放信號且不易被周圍的干擾源干擾。此外，該系統還可以在相對復雜的檢測環境中，更加準確地識別出局部放電的相關信息。

1.2 超高頻檢測法

超高頻檢測法作為檢測局部放電的新方法，對傳統的局部放電檢測法進行了改進，使得變壓器局部放電的檢測結果更加可靠。由于在變壓器發生局部放電的過程中，會伴隨著300～3 000 MHz的高頻信號，因此利用超高頻檢測法可以有效地檢測和定位出電力變壓器的局部放電，同時也能夠降低周圍干擾因素的影響。在使用超高頻檢測法檢測變壓器的局部放電時，具有以下優點：

（1）變壓器發生局部放電時，其脈沖的頻帶寬與能量具有相關性，從熱噪聲影響靈敏度的角度來說超高頻檢測法更加靈敏；

（2）由于寬頻法能夠較好地減輕電暈的電磁干擾，因此超高頻傳感器可以更加準確地檢測變壓器局部放電的數據信息。

由此可以看出，傳感器決定著超高頻檢測法的檢測質量，傳感器的靈敏度直接影響著局部放電的檢測結果。檢測局部放電信號的超高頻天線可以內置也可以外置。為了與不同的超高頻檢測系統進行匹配，大多數超高頻天線要進行專門設計。所以，優化超高頻檢測法的關鍵在于怎樣使超高頻天線能夠更加有效地接收到電磁波信號。

2 非電氣檢測法

2.1 氣相色譜法

電力變壓器中的絕緣體會在局部放電發生的過程中被破壞與分解，并產生出新物質。氣相色譜法就是通過檢測生成物的成分、濃度等信息對局部放電進行檢測，同時可以對局部放電的情況進行判斷[4]。目前，氣相色譜法主要對變壓器進行在線檢測，其配套使用的模式識別系統可以自動識別出電氣故障，然而這種故障識別形式還沒有統一的判斷標準。除此之外，雖然氣相色譜法能夠靈敏地檢測出潛在的設備故障，但是無法及時地檢測出突發的設備故障。

2.2 超聲波檢測法

在變壓器發生局部放電現象時，經常會發出超聲波。超聲波檢測法就是利用傳感器捕獲到的超聲波對局放進行檢測和定位。雖然工作原理簡單是超聲波檢測法的一大優勢，但是這種檢測方法存在一定的缺點，超聲波傳感器容易受到較強電磁的干擾，無法靈敏地捕獲超聲波信號，使得超聲波檢測法的檢測結果不夠理想。因此，超聲波檢測法一般用于定位出局部放電地位置，并只對采集到的局部放電數據進行定性分析。目前，一些科研單位已經利用超聲波法對110 kV及以上電壓等級變壓器的局部放電現象進行了大規模的檢測。結果表明，超聲波檢測法可以準確判斷變壓器是否發生了局部放電現象。

2.3 光測法

電力變壓器發生局部放電之后，會釋放400～700 nm不等波長的光波，而檢測所需的光電流就是這些光波經過光電倍增管的處理后產生的[5]。檢測人員利用光波的波長和光電流的強度就能夠檢測和定位出變壓器中的局部放電。雖然光測法近年來在實驗室的模擬檢測研究中取得了可靠的檢測數據和結果，但是由于需要使用透明性強的檢測部件，加之較高的設備成本，因此光測法并沒有在實際的檢測中得到廣泛采用，目前只是對變壓器局部放電進行定性分析。不過，光纖技術的發展促進光測法的優化和創新，如果將光測法與其他檢測方法進行結合，可以促使光測法在檢測變壓器局部放電中得到一定程度的發展。

3 電氣與非電氣結合檢測法

由于生產用電量的不斷提升，電壓等級越來越高，對變壓器局部放電檢測技術提出了更高的要求。最近幾年，科研人員將電氣與非電氣檢測法進行結合可以使得檢測結果更加可靠，其中超聲波法與高頻脈沖電流法的結合檢測法正被越來越多地使用到檢測局部放電工作，工作原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，結合檢測法的采集系統由高頻電流傳感器（High Frequency Current Transducer，HFCT）與超聲波傳感器（AE）兩種傳感器組成，這兩種傳感器分別采集被測對象的高頻電流信號與超聲波信號。當變壓器發生局部放電時，超聲波信號會被安裝在變壓器外壁上的超聲波傳感器捕獲，高頻脈沖電流會被安裝在變壓器接地線上的高頻電流傳感器捕獲。

變壓器發生局部放電時產生的信號十分微弱，很容易受到周圍環境中干擾源的影響。為了解決這個問題，該檢測系統配置的兩類傳感器的性能以及處理信號的能力都很高。傳感器在時域中之所以可以同步分析交變場中的檢測信號，是因為它處理信號方法的原理不同。檢測系統中的主機由中央處理器、前置放大器、模數轉換模塊以及數據圖譜顯示等模塊組成，主要是為了放大和處理收集到的信號。檢測系統的處理器能夠通過專業軟件對傳感器采集到的相關信息進行信號分析，也能夠將變壓器的局部放電信號信號與典型圖譜進行比較分析，從而判斷出放電的類型并對相關信息進行存儲，最終實現對變壓器的在線檢測。

檢測系統之所以將超聲波法和高頻脈沖電流法進行結合，是因為這樣不僅可以結合二者的優勢，還可以避免單獨檢測時存在的局限性。結合檢測法的優勢包括以下兩點。

（1）檢測信號在傳播過程中會出現信號的衰減和畸變，使得超聲波檢測法不能準確反映電氣量的變化，而高頻脈沖電流檢測法具有較高的靈敏度、較強的抗電磁干擾能力以及較高的脈沖分辨率，檢測結果更為精準。

（2）使用雙超聲傳感器的球面分析定位法對變壓器的局部放電進行檢測，能夠非常精準地判斷出放電源的位置。技術人員可以利用三維圖形分析和判斷電力變壓器的運行情況，從而避免了高頻脈沖電流法檢測局部放電信號時無法對其定位的問題[7]。

4 結 論

綜上所述，脈沖電流法和超高頻檢測法等電氣檢測法的抗干擾能力較弱，而超聲波檢測法、光測法和氣相色譜法等非電氣檢測法抗干擾能力較強，所以非電氣檢測法在檢測局部放電方面擁有更高的應用價值和更廣闊的發展潛力。但是，無論是電氣檢測法還是非電氣檢測法，均應該不斷創新、向前發展，提升檢測結果的準確性，保證電力系統安全地運行，為電力系統運行提供有效的檢測結果。本文提出的電氣與非電氣結合檢測法就是局部放電檢測技術未來的一種發展趨勢，將超聲波法和高頻脈沖電流進行結合，發揮出各自的檢測優勢。這種結合檢測法不僅能夠更加靈敏地捕獲局部放電信號，而且具有較強的抗干擾能力和準確定位的優勢，不會受到單一檢測方法的局限，從而提高了檢測結果的準確性。