高頻局部放電在診斷變壓器異常情況的應(yīng)用

中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院 孟禹衡

1 高頻局部放電檢測技術(shù)發(fā)展水平

高頻電流傳感器多采用羅格夫斯基線圈結(jié)構(gòu)。羅格夫斯基線圈（簡稱羅氏線圈）用于電流檢測領(lǐng)域已有幾十年歷史，1963年英國倫敦的庫伯在理論上對羅氏線圈的高頻響應(yīng)進(jìn)行分析，奠定了羅氏線圈在高頻電流脈沖技術(shù)檢測應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)中后期以來，國外一些專家學(xué)者和公司對羅氏線圈在電力的應(yīng)用進(jìn)行大量研究并取得顯著成果，如20世紀(jì)70年代法國ALSTHOM 公司有一些基于羅氏線圈的電流傳感器產(chǎn)品問世，其主要研究無源電子式傳感器，20世紀(jì)80年代英國Rocoil 公司實現(xiàn)了羅氏線圈系列化和產(chǎn)業(yè)化。20世紀(jì)90年代羅氏線圈被英國國立公司（CEGB）開始用于測試發(fā)電機和電動機的局部缺陷檢測。

總而言之，世界范圍內(nèi)對于基于羅氏線圈傳感器的高頻局部放電檢測技術(shù)研究，于20世紀(jì)60年代興起，在80年代取得突破性進(jìn)展，并有多種樣機掛網(wǎng)試運行，90年代開始進(jìn)入實用化階段，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，微處理機和數(shù)字處理器技術(shù)的成熟，為研制新型的高頻電流傳感器奠定了基礎(chǔ)。歐洲學(xué)者和企業(yè)將羅氏線圈應(yīng)用于電力設(shè)備局部放電檢測較早，取得了良好效果并得到了廣泛應(yīng)用，例如意大利博洛尼亞大學(xué)的G.C.Montanari 和A.Cavallini等人及TECHNIMP 公司成功研制了高頻局部放電檢測儀，并被廣泛應(yīng)用[1]。

國內(nèi)相關(guān)技術(shù)開始研究時間較晚，隨著時機越來越成熟，相關(guān)科研院及企業(yè)關(guān)于高頻局部放電檢測技術(shù)取得了大量研究成果，使該項技術(shù)變得日益成熟。

2 高頻局部放電技術(shù)原理及特點

2.1 高頻電流傳感器基本知識

日常生活中的磁位計又被稱為羅格夫斯基線圈，簡稱羅氏線圈。羅氏線圈的形狀大多為矩形或圓形，其中導(dǎo)線需要均勻的繞制在線圈骨架上，而線圈骨架可以為空心或者磁性材質(zhì)的骨架。羅氏線圈可以根據(jù)其負(fù)載不同，分為自積分式的羅氏線圈和外積分式的羅氏線圈。其中，自積分式的羅氏線圈又被稱為寬帶型電流傳感器，這種羅氏線圈的優(yōu)點是具有相對寬的檢測頻帶。同時，這種類型的羅氏線圈頻率響應(yīng)速度比較快，可適用脈沖電流信號上升時間比較短的情況。而外積分式的羅氏線圈又被稱為窄帶型電流傳感器，其優(yōu)點是具有較好的抗干擾能力，但其受積分電路頻率性能影響較大，能測量到的頻率是有限的，該種類型的羅氏線圈一般用于測量兆赫茲以下的中低頻電流。

另外，羅氏線圈還可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同可分為撓性羅氏線圈、剛性羅氏線圈以及PCB 型羅氏線圈。撓性羅氏線圈使用相對方便，但是其測量精確度較低以及穩(wěn)定性不高。剛性羅氏線圈具有較好的抗外磁場干擾能力，這樣可以大大提高該線圈的測量精確度，但會在使用中受現(xiàn)場安裝條件的干擾。PCB 型羅氏線圈的精度比較高，但該種線圈的研究處于起步階段，還未達(dá)到實際應(yīng)用的條件。

2.2 高頻局部放電檢測技術(shù)基本原理

用于局部放電檢測的羅氏線圈稱為高頻電流傳感器，其有效的頻率檢測范圍一般為3～30MHz。由于所測量的局部放電信號是微小的高頻電流信號，傳感器需要在較寬的頻帶內(nèi)有較高的靈敏度。因此HFCT選用高磁導(dǎo)率的磁芯作為線圈骨架，并通常采用自積分式線圈結(jié)構(gòu)。使用HFCT 進(jìn)行局部放電檢測的等效電路圖如圖1所示。其中I（t）為被測導(dǎo)體中流過的局部放電脈沖電流，M 為被測導(dǎo)體與HFCT 線圈之間的互感，Ls為線圈的自感，Rs為線圈的等效電阻，Cs為線圈的等效雜散電容，R 為負(fù)載積分電阻，uo(t)為HFCT 傳感器的輸出電壓信號[2]。

圖1 高頻電流傳感器局部放電檢測等效電路圖

在傳感器參數(shù)滿足自積分條件的情況下，忽略雜散電容Cs，計算可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)式1，其中N 為線圈的繞線匝數(shù)。因此在滿足自積分條件的一段有效頻帶內(nèi)，HFCT 的傳遞函數(shù)是與頻率無關(guān)的常數(shù)。并且HFCT 的靈敏度與繞線匝數(shù)N 成反比、與積分電阻R 成正比[3]。事實上在高頻段Cs 的影響是不能忽略的。在考慮Cs 影響的情況下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)為式2。

HFCT 等效電路類似于高頻小信號并聯(lián)諧振回路，采用高頻小信號并聯(lián)諧振回路理論分析可得電流傳感器的下限、上限截止頻率分別為式3、式4，在實際現(xiàn)場檢測中會有工頻電流通過，進(jìn)而會因磁芯飽和而影響檢測結(jié)果，因此，高頻局部放電檢測需要有較強的抗工頻磁飽和的能力。

2.3 高頻局部放電檢測裝置組成

常用的高頻局部放電檢測裝置包括：高頻電流傳感器、信號處理單元、信號采集單元和數(shù)據(jù)處理終端。高頻局部放電檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 高頻局部放電檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4 檢測方法

當(dāng)電力變壓器內(nèi)部很小范圍內(nèi)發(fā)生局部放電時，局部絕緣在短時間內(nèi)將被擊穿，從而產(chǎn)生脈沖電流，該電流流經(jīng)電力變壓器的接地引出線，因此會在垂直電流流經(jīng)方向的平面產(chǎn)生一個磁場。此時，將高頻電流傳感器和相位信息傳感器安裝在電力變壓器的接地線上，這樣就可以檢測到由局部放電產(chǎn)生磁場中的耦合能量而轉(zhuǎn)化的電信號，從而達(dá)到檢測電力變壓器局部放電缺陷的目的（圖3）。

圖3 高頻局部放電檢測原理圖

2.5 技術(shù)優(yōu)勢

該技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用時的檢測靈敏度相對較高。由于構(gòu)成高頻電流傳感器的材料為環(huán)形鐵氧體鐵芯，這種材質(zhì)構(gòu)成的傳感器可以很好的耦合高頻電流信號。在設(shè)計傳感器時選取應(yīng)用參數(shù)符合設(shè)計條件的積分電阻，這樣可以讓傳感器的靈敏度較高；由于該傳感器的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計為開口型結(jié)構(gòu)，這樣可以使其安裝簡捷同時方便攜帶；該技術(shù)具有對局部放電強度進(jìn)行量化描述的功能。相較與傳統(tǒng)技術(shù)脈沖電流法，高頻局部放電檢測技術(shù)的檢測原理相類似，其主要檢測高頻電流的脈沖信號，為了使評估被檢測電力設(shè)備的局部放電情況及絕緣老化情況相對準(zhǔn)確及方便，可以在相對固定的高頻電流傳感器及信號處理電路的情況下，標(biāo)定檢測回路，這樣就可以實現(xiàn)對被測變壓器局部放電的量化。

2.6 局限性

由于該技術(shù)需要被測電力設(shè)備的接地線或者末屏引出線，而電流互感器、電壓互感器等容性設(shè)備若其末屏沒有引出線，就無法進(jìn)行高頻局部放電檢測，因此，該技術(shù)的安裝方式限定了其應(yīng)用范圍；高頻局部放電檢測技術(shù)中應(yīng)用的高頻電流傳感器的原理為電磁耦合原理，需要從頻域、相位、時域等方面來將現(xiàn)場電磁環(huán)境傳來的干擾信號排除，因此，該技術(shù)的現(xiàn)場抗干擾能力需要提高。

3 某電廠#1主變高頻局部放電檢測情況

由于主變鐵心跟夾件連接一起隨變壓器外殼一起接地，無法分別測量鐵心和夾件的高頻放電信號。對#1主變壓器A 相鐵心接地處、夾件接地處和變壓器外殼接地進(jìn)行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器A 相鐵心接地處幅值約為39mV，夾件接地處幅值約為54mV，背景幅值約為93mV，PRPS 圖譜見圖4所示。

圖4 #1號主變A 相高頻電流法局部放電監(jiān)測圖

對#1主變壓器B 相鐵心接地處、夾件接地處和變壓器外殼接地進(jìn)行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器B 相鐵心接地處幅值約為69mV，夾件接地處幅值約為77mV，背景幅值約為31mV；對#1主變壓器C 相鐵心接地處、夾件接地處和變壓器外殼接地進(jìn)行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器C 相鐵心接地處幅值約為62mV，夾件接地處幅值約為46mV，背景幅值約為54mV。

#4主變鐵心跟夾件連接一起隨變壓器外殼一起接地，無法分別測量鐵心和夾件的高頻放電信號。對#4主變壓器A 相鐵心、夾件接地處和變壓器外殼接地進(jìn)行高頻測試時均檢測到疑似放電信號，主變壓器A 相鐵心夾件接地處幅值約62mV，背景幅值約77mV；對#4主變壓器B 相鐵心、夾件接地處和變壓器外殼接地進(jìn)行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器B 相鐵心夾件接地處幅值約為93mV，背景幅值約77mV；對#4主變壓器C 相鐵心、夾件接地處和變壓器外殼接地進(jìn)行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器C 相鐵心夾件接地處幅值約為85mV，背景幅值約為93mV。

綜上，隨著狀態(tài)檢修工作日益完善并成熟，高頻局部放電檢測技術(shù)的應(yīng)用比重會大幅度增高，通過高頻局部放電檢測技術(shù)診斷并分析電力變壓器內(nèi)部異常，幫助相關(guān)企業(yè)發(fā)現(xiàn)早期缺陷及潛在問題，對電力變壓器開展全壽命周期的管理，跟蹤掌握電力變壓器的健康情況，為相關(guān)企業(yè)檢修等工作提供有力保障，確保相關(guān)企業(yè)的穩(wěn)定運行。