換流變壓器直流局放超寬頻帶檢測數(shù)據(jù)處理需求分析

司文榮，傅晨釗，劉家妤，倪鶴立，徐琴

(華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

上海電網(wǎng)是全國最大的受端型電網(wǎng)，具有單位面積用電負(fù)荷大、受電比例高、直流輸電工程落點(diǎn)集中等特點(diǎn)。其中，外來直流送電在夏季高峰時約高達(dá)負(fù)荷的50%，換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的可靠性。換流變壓器設(shè)備油紙的絕緣缺陷引發(fā)放電、擊穿的故障最多，用于出廠、現(xiàn)場交接和診斷性的交流和直流耐壓局部放電(Partial Discharge，簡稱PD)試驗，成為管控?fù)Q流變壓器絕緣狀態(tài)的首要手段。然而，基于GB/T 7354—2018《高電壓試驗技術(shù) 局部放電測量》(以下簡稱“GB/T 7354—2018”)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電流法的直流耐壓PD試驗常無法處理隨機(jī)干擾脈沖源，這使得換流變壓器在現(xiàn)場僅通過交流耐壓PD試驗后便投入運(yùn)行[1]。

傳感器耦合PD源和干擾源產(chǎn)生的脈沖電流波形均具有各自時域特征，并且短期時間內(nèi)相對穩(wěn)定并具有“自相似性”[2]，將試驗檢測回路上產(chǎn)生的脈沖電流波形進(jìn)行十?dāng)?shù)兆赫茲的超寬頻帶和高采樣率的“全信息”采集，脈沖電流波形-時間序列基于智能算法可以實現(xiàn)PD源和隨機(jī)噪聲源的快速分離和顯示[3-4]。試驗人員只需關(guān)注與耐壓幅值相關(guān)的PD源信號，可為換流變壓器是否通過PD試驗提供可信依據(jù)。此外，試驗過程對應(yīng)的脈沖電流波形-時間序列還可以為換流變壓器后期絕緣狀態(tài)分析和試驗提供包含豐富信息的歷史比對數(shù)據(jù)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前還沒有關(guān)于“直流耐壓試驗超寬頻帶PD智能檢測技術(shù)”用于換流變壓器的研究報道[5-6]。

本文主要研究國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的換流變壓器直流耐壓PD試驗程序，以及與基于超寬頻帶檢測的脈沖群快速智能聚類和分離技術(shù)的融合方案，包含剔除噪聲源后與加壓幅值相關(guān)的PD源放電幅值、頻次等數(shù)據(jù)處理和顯示技術(shù)，在滿足工程應(yīng)用的同時方便試驗操作人員對試驗過程數(shù)據(jù)的把控和判斷，并考慮后期耐壓數(shù)據(jù)追溯和對比分析的需求[7-10]。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗電壓、時間及要求

目前，換流變壓器直流耐壓PD試驗主要相關(guān)的在執(zhí)行中的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。在表1中，GB/T 7354—2018定義了PD試驗的術(shù)語和有關(guān)的被測參量，規(guī)定了使用的試驗回路、測量回路、通用的模擬及數(shù)字測量方法，并給出了校準(zhǔn)方法及對校準(zhǔn)儀器的要求、試驗程序、區(qū)分PD和外界干擾的準(zhǔn)則。因此，該標(biāo)準(zhǔn)適用于電氣設(shè)備、組件或系統(tǒng)在頻率400 Hz及以下的交流電壓試驗或直流電壓試驗時產(chǎn)生的PD測量。GB/T 7354—2018規(guī)定的脈沖電流法PD檢測可分為寬帶和窄帶測量這2種，也是表1其他標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行參照的方法，即所謂的常規(guī)脈沖電流法。寬帶檢測法的下限檢測頻率f1為30～100 kHz，上限檢測頻率f2≤1 MHz，檢測頻帶寬度Δf為100～900 kHz，其具有脈沖分辨率高、信息相對豐富的優(yōu)點(diǎn)，但信噪比低；窄帶檢測法的頻帶寬度Δf較小，一般為9～30 kHz，中心頻率fm為50 kHz～1 MHz，其具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但同時具有脈沖分辨率低、信息不夠豐富的缺點(diǎn)。

表1 換流變壓器PD測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匯總

GB/T 7354—2018中給出了超寬頻帶PD測量儀的定義：可以用非常寬頻帶示波器或選頻儀器(例如頻譜分析儀)配上合適的耦合裝置來測量PD。目前基于脈沖電流、檢測頻帶數(shù)十兆赫茲及以上的高頻法/寬帶法/超寬頻帶法檢測PD統(tǒng)稱為“超寬頻帶脈沖電流法”，用以區(qū)別現(xiàn)行廣泛使用的傳統(tǒng)脈沖電流法。

換流變壓器與電力變壓器不同，應(yīng)按GB/T 7354—2018中通用PD試驗檢測中描述的進(jìn)行交流電壓和直流電壓下的PD試驗，直流電壓下的PD試驗只在閥側(cè)進(jìn)行。其中，PD現(xiàn)場試驗交流和直流下的施壓方法具體如下。

根據(jù)DL/T 1243—2013得到換流變壓器交、直流耐壓PD試驗接線圖如圖1所示。在圖1中，G為發(fā)電機(jī)組；L為補(bǔ)償電抗器；T為中間變壓器；V為電壓測量裝置；a，b為閥側(cè)繞組線端；C1，C2為閥側(cè)高壓套管電容；A，N為網(wǎng)側(cè)繞組線端；S為調(diào)壓繞組高壓端；C3，C4為網(wǎng)側(cè)高壓套管電容；Z為檢測阻抗；PDE為局部放電測試儀；ZF為直流發(fā)生器；R1，R2為保護(hù)電阻。

圖1 換流變壓器交、直流耐壓PD試驗接線圖

交流電壓下的PD試驗可以分為：①閥側(cè)施壓，見圖1(a)和圖1(b)，根據(jù)換流變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用一套高電壓無電暈的中間升壓變壓器，從閥側(cè)Δ繞組或Y繞組施加電壓，使網(wǎng)側(cè)及閥側(cè)繞組匝間和高壓繞組線端對地達(dá)到試驗電壓要求；②網(wǎng)側(cè)施壓，見圖1(c)，在網(wǎng)側(cè)的調(diào)壓繞組上施加交流電壓，使網(wǎng)側(cè)及閥側(cè)繞組感應(yīng)出高壓；③直流電壓下的PD試驗，見圖1(d)，閥側(cè)繞組線端短接后在高壓側(cè)直接施加直流電壓，非被試驗繞組短接并與換流變壓器外殼一起可靠接地。在圖2(a)中，閥側(cè)繞組線端b測基于套管的PD測量省略。

下面對涉及的換流變壓器直流電壓下PD試驗電壓、記錄及要求進(jìn)行詳細(xì)討論。

2 國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 7354—2018在附錄I中給出了直流電壓試驗期間PD試驗結(jié)果的評估。具體內(nèi)容如下：PD試驗結(jié)果的評估應(yīng)在恒定試驗電壓水平下，對記錄到的每個PD脈沖的視在電荷q與時間的關(guān)系來進(jìn)行，如圖2所示。確定連續(xù)PD脈沖之間的時間間隔是非常重要的，推薦的分辨時間為2 ms。如果能顯示時間期間的PD脈沖數(shù)m與超過閾值水平的視在電荷幅值的關(guān)系，還可以獲得關(guān)于PD特性的附加信息，如圖3所示。圖3是根據(jù)圖2所示的PD脈沖序列推導(dǎo)計算出來的。而且，展示在視在電荷幅值規(guī)定限值內(nèi)出現(xiàn)的脈沖數(shù)m有助于評估直流電壓試驗時的PD活動規(guī)律。

圖2 視在脈沖隨測量時間的顯示模式

圖3 PD脈沖數(shù)m與視在電荷范圍的柱狀圖

GB/T 18494.2—2007 要求使用正極性電壓，試驗電壓應(yīng)在1 min內(nèi)升至規(guī)定的水平并保持120 min，此后電壓應(yīng)在1 min內(nèi)降低至零。在整個外施直流電壓耐受試驗過程中，應(yīng)進(jìn)行PD測量。PD測量應(yīng)按GB/T 1094.3—2003《電力變壓器 第3部分：絕緣水平、絕緣試驗和外絕緣空氣間隙》附錄A的適用部分進(jìn)行，測量儀器符合GB/T 7354—2003的規(guī)定。驗收準(zhǔn)則如下：如果在試驗最后30 min內(nèi)，記錄到不小于2 000 pC的脈沖數(shù)不超過30個，并且在試驗的最后10 min內(nèi)，記錄到不小于2 000 pC的脈沖數(shù)不超過10個，則應(yīng)認(rèn)為此試驗結(jié)果通過驗收，不需要繼續(xù)進(jìn)行PD試驗。如果此條件未滿足，則可以將試驗延長30 min。延長30 min的施壓只允許進(jìn)行一次，當(dāng)在此30 min內(nèi)的不小于2 000 pC的脈沖數(shù)不超過30個，并且在最后10 min內(nèi)不小于2 000 pC的脈沖數(shù)不超過10個時，則應(yīng)認(rèn)為該項試驗合格。

3 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

DL/T 1243—2013對±800 kV及以下?lián)Q流變壓器現(xiàn)場的交流耐壓、直流耐壓PD試驗進(jìn)行規(guī)定，其中直流電壓下的PD試驗規(guī)定如下。

(1)直流PD試驗僅在閥側(cè)繞組進(jìn)行。在試驗時，不能預(yù)加電壓。試驗電壓按出廠試驗電壓的85%(或按合同規(guī)定值)施加，持續(xù)時間為90 min。

(2)應(yīng)使用專業(yè)的直流PD測試儀。在測量時，不僅要求測量PD，還需要記錄固定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)。試驗期間，直流電壓不應(yīng)有較大波動。

(3)試驗過程中進(jìn)行直流PD測量，在最后30 min內(nèi)，超過2 000 pC的放電脈沖次數(shù)應(yīng)不超過30個，在最后10 min內(nèi)，超過2 000 pC的放電脈沖數(shù)應(yīng)不超過10個。

DL/T 1999— 2019對±800 kV及以下單相換流變壓器的現(xiàn)場直流耐壓PD試驗進(jìn)行規(guī)定，相關(guān)內(nèi)容如下。

(1)直流PD測試儀定義，用于直流電壓下檢測、記錄和統(tǒng)計PD的數(shù)字式PD測試儀器；其應(yīng)滿足GB/T 7354的要求，并且應(yīng)至少有2個獨(dú)立通道，具有脈沖PD和脈沖數(shù)量自動統(tǒng)計功能，具有PD信號聯(lián)系存儲和播放功能，并且連續(xù)存儲時間不小于150 min。

(2)試驗電源應(yīng)使用正極性電壓。試驗時，不能預(yù)加電壓。試驗電壓按出廠試驗電壓的85%(或按合同規(guī)定值)施加。

(3)試驗程序如圖4所示。在圖4中，Ud為試驗電壓；t1為升壓時間；t2為持續(xù)試驗時間；t3為降壓時間。

圖4 變壓器直流PD試驗程序(DL/T 1999—2019)

1) 接通試驗電源后，應(yīng)平穩(wěn)勻速而且連續(xù)加壓至試驗電壓值，不允許對換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)預(yù)先施加較低的電壓。升壓時間t1應(yīng)不大于1 min。升壓過程中應(yīng)監(jiān)測直流發(fā)生器輸出電流變化情況，若出現(xiàn)電流值突然增大或減小等異常現(xiàn)象，應(yīng)立即停止試驗，查明原因。

2) 電壓升至規(guī)定的水平后保持不變，同時進(jìn)行PD檢測。持續(xù)時間t2為90 min。試驗過程中，電壓波動應(yīng)不超過±3%(算術(shù)平均值)。若試驗回路設(shè)備和被試驗換流變壓器發(fā)生外部閃絡(luò)、放電、異響、電流突然變化等異常情況，應(yīng)立即停止試驗，查明原因。

3) 在試驗完成后，應(yīng)快速降低電壓。降壓時間t3應(yīng)不大于1 min。待電壓測量裝置示值接近“零”時，方可進(jìn)行放電和接地。若根據(jù)合同規(guī)定現(xiàn)場需按出廠試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行此試驗，試驗電壓及時間應(yīng)符合GB/T 18494.2—2007要求。

4) 直流PD的測量及試驗結(jié)果判斷：對被試驗閥側(cè)繞組套管端部注入2 000 pC方波進(jìn)行校準(zhǔn)，并在1 000 pC驗證其線性度；接通試驗電源時，應(yīng)記錄通道的背景噪聲水平。在50%試驗電壓下，檢測的脈沖水平應(yīng)不大于1 000 pC，否則應(yīng)采取抑制干擾脈沖的措施。在持續(xù)試驗時間t2期間，應(yīng)記錄每個10 min內(nèi)的脈沖格式，對應(yīng)幅值和極性；在試驗的最后30 min內(nèi)，記錄到不小于2 000 pC的有效放電脈沖數(shù)應(yīng)不超過30個，并且在最后10 min內(nèi)，不小于2 000 pC的有效放電脈沖數(shù)應(yīng)不超過10個。如果此條件未滿足，則可以將試驗延長30 min。延長30 min的試驗只允許進(jìn)行一次，在此30 min內(nèi)，不小于2 000 pC的有效放電脈沖數(shù)應(yīng)不超過30個，并且在最后10 min內(nèi)，不小于2000 pC的有效放電脈沖數(shù)應(yīng)不超過10 個。

DL/T 1999—2019在附錄C中給出了換流變壓器直流PD測量干擾識別方法，基于雙通道檢測的方法及接線圖如圖5所示。在圖5中，S為交流電源；G為高壓直流發(fā)生器；F為高壓直流發(fā)生器配備的直流分壓器；T為被試驗換流變壓器；E1為地網(wǎng)；E2為套管末屏附近的接地點(diǎn)；C1，C2為被試驗換流變壓器閥側(cè)套管電容；Zm1，Zm2為檢測阻抗；PD1，PD2為直流PD測試儀的測量和輔助通道。

圖5 采用極性判別識別外部脈沖的換流變壓器直流PD測量接線圖

直流PD的特征參數(shù)是視在放電量和脈沖個數(shù)，并且直流PD的脈沖個數(shù)取決于油紙絕緣材料的電氣時間常數(shù)，其數(shù)值遠(yuǎn)低于交流PD脈沖的周期重復(fù)時間。在實際測量時，由于直流PD脈沖呈現(xiàn)的隨機(jī)性，無相位參考，重復(fù)率低，因此不能完全采用交流PD測量時的脈沖鑒別方法。但直流PD脈沖與所施加的直流電壓極性有關(guān)，采用極性判斷方法將被試驗設(shè)備內(nèi)部的PD信號與外部干擾區(qū)分開來，是解決現(xiàn)場試驗的主要技術(shù)手段。外部干擾由引線竄入變壓器內(nèi)部，其傳輸回路一路經(jīng)過套管末屏接地線匯入大地，另一路則經(jīng)過網(wǎng)側(cè)繞組、鐵心等接地部位的接地線匯入大地。換流變壓器內(nèi)部放電的傳輸回路可以由放電點(diǎn)經(jīng)套管末屏、大地、鐵心接地到放電點(diǎn)構(gòu)成回路。因此，外部干擾在套管接地線和鐵心接地線上產(chǎn)生的電流極性相同，而變壓器內(nèi)部放電在套管接地線和鐵心接地線上產(chǎn)生的電流極性相反。

4 直流耐壓PD試驗數(shù)據(jù)處理需求

根據(jù)國家、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗電壓、時間及要求，形成的直流耐壓PD試驗數(shù)據(jù)處理需求匯總?cè)绫?所示。

5 脈沖群智能數(shù)據(jù)處理和顯示技術(shù)

5.1 直流耐壓試驗PD智能檢測系統(tǒng)配置

基于表2所示直流耐壓PD試驗數(shù)據(jù)處理需求匯總以及直流耐壓試驗超寬頻帶PD智能檢測技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)示意圖，超頻頻帶采集裝置的相關(guān)性能參數(shù)及工作模式如下：超頻頻帶采集裝置的脈沖通道采樣率250 MS/s、50 MHz模擬帶寬、12 Bit分辨率、32 MS存儲深度以及±1 mV～±25 V輸入量程；系統(tǒng)檢測傳感器可以使用帶寬大于50 MHz的羅氏線圈或檢測阻抗，而電壓通道與分壓器低壓臂相接，記錄當(dāng)前試驗電壓信號；脈沖通道前端接入10 kHz～50 MHz的帶通濾波器，濾除低頻干擾和無用的高頻信號，輸入阻抗為50 Ω，與信號傳輸電纜良好匹配。

表2 直流耐壓PD試驗數(shù)據(jù)處理需求匯總

此外，超頻頻帶采集裝置工作時，參數(shù)設(shè)置如下：脈沖波形采集長度設(shè)置為250個點(diǎn)、500個點(diǎn)、…、1 250個點(diǎn)，分別對應(yīng)脈沖記錄時間長度為1～5 μs，用于適應(yīng)不同長度的脈沖電流波形；脈沖通道為觸發(fā)通道，觸發(fā)類型(上升沿或下降沿)根據(jù)直流電壓極性設(shè)置(當(dāng)傳感器與試品串接時，觸發(fā)類型與直流電壓極性相同；而當(dāng)傳感器與耦合電容串接時，觸發(fā)類型與直流電壓極性相反)；觸發(fā)閾值即為采集PD電流脈沖波形的最小峰值,可以根據(jù)直流PD試驗的放電量進(jìn)行設(shè)置，如表3所示。在表3中，閾值設(shè)置可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況往下調(diào)整。

表3 直流耐壓PD試驗脈沖觸發(fā)閾置設(shè)置表

5.2 脈沖群智能數(shù)據(jù)處理和顯示流程設(shè)計

由分析可知，超寬頻帶數(shù)據(jù)采集裝置工作模式為：脈沖觸發(fā)，記錄脈沖電流波形P及其對應(yīng)時刻t和電壓U，波形長度可以設(shè)置為1，2，3，4，5 μs：

Pulsej[pj(i)，tj，Uj]，
j=1，2，…，N；i=1，2，…，k

(1)

式中j——第j個脈沖；N——脈沖電流波形的總個數(shù)；k——每個脈沖電流波形的點(diǎn)數(shù)，即脈沖波形由k個點(diǎn)組成，其與采樣率成正比。

電壓通道采集電壓信號Uj，脈沖通道在設(shè)置觸發(fā)閾值后，超寬頻帶數(shù)據(jù)采集裝置將采集獲取脈沖電流-時間序列Pulsej，其可能為PD信號，也可能含有隨機(jī)干擾源信號。根據(jù)直流耐壓試驗超寬頻帶PD智能檢測技術(shù)方案，設(shè)計相應(yīng)的脈沖群智能數(shù)據(jù)處理和顯示流程如圖6所示。

圖6 脈沖群智能數(shù)據(jù)處理和顯示流程(以時頻散布參數(shù)法為例)

(1)脈沖數(shù)據(jù)預(yù)處理。使得采集裝置獲取的原始脈沖電流波形(原始信號)形成具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且易處理的脈沖-時間序列。為了便于后續(xù)脈沖群的快速變換及快速分類，軟件模塊對超寬頻帶檢測獲取單個脈沖電流波形的幅值-時間序列進(jìn)行如下預(yù)處理：

(2)

式中ai——第i個點(diǎn)對應(yīng)的幅值；Δt(i-1)——第i個點(diǎn)對應(yīng)的時間(Δt為采樣時間間隔)。

式(2)使得在數(shù)據(jù)存儲時，無需存儲單個脈沖電流波形對應(yīng)的時間信息(其由采樣率和記錄點(diǎn)數(shù)決定)，而只需要存儲其幅值信息和觸發(fā)時間點(diǎn)(時刻)。

(2)脈沖群波形快速變換。利用現(xiàn)有的具有一定物理意義的快速變換(例如DFT)，形成脈沖的頻域波形，與脈沖時域波形對應(yīng)。以DFT為例，對脈沖波形pj(t)進(jìn)行快速變換，可得：

(3)

式中Mi——第i個點(diǎn)對應(yīng)的幅值；Δf(i-1)——第i個點(diǎn)對應(yīng)的頻率分量(采樣率fs=kΔf，Δf=1/Δt)。

同一脈沖源不同記錄點(diǎn)數(shù)下的時域和頻域波形處理效果見圖7，其中頻域處理的圖形X坐標(biāo)取至50 MHz(250 MS/s采樣率下DFT變換對應(yīng)的X坐標(biāo)應(yīng)為125 MHz)。

圖7 脈沖電流波形時域和頻域處理效果(250 MS/s示例)

(3)脈沖群波形特征提取。利用非線性映射(F函數(shù))實現(xiàn)時域和頻域波形的特征參數(shù)提取，映射成脈沖群的2D平面參數(shù)分布或3D空間參數(shù)分布。在實際應(yīng)用中，由于獲得的脈沖波形序列其特征參數(shù)比較復(fù)雜，往往不是[0,1]區(qū)間中的數(shù)，因此在無監(jiān)督聚類分析前，需要把各個原始特征參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。以時頻散布特征參數(shù)提取方法中的時間散布Tj(j=1，2，…，N，N為脈沖總個數(shù))處理為例：

(4)

(5)

求各數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值Tj′：

Tj′=(Tj-T)/σT

(6)

由于所得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)Tj′不一定在[0,1]閉區(qū)間內(nèi)，為了把標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)壓縮到[0,1]閉區(qū)間，再采用極值標(biāo)準(zhǔn)化公式：

(7)

(4)脈沖群聚類分析。基于2D平面或3D空間參數(shù)分布，進(jìn)行無監(jiān)督聚類或人工手動聚類，形成子脈沖群的2D平面或3D空間參數(shù)分布。其中人工手動聚類技術(shù)可以轉(zhuǎn)化成矩形時頻散布濾波器，具體描述如圖8所示。

圖8 矩形時頻散布濾波器

根據(jù)實際情況設(shè)置多個矩形時頻散布濾波器以滿足工程應(yīng)用需求。

(5)子脈沖群重組和展示。對各子脈沖群進(jìn)行軟件峰值保持，形成峰值-時間序列，生成TARPD圖等(直流)，為試驗操作人員對試驗過程數(shù)據(jù)的把控和判斷提供直觀依據(jù)。考慮后期耐壓數(shù)據(jù)追溯和多次試驗對比分析需求，Pulsej原始數(shù)據(jù)從試驗加壓前至試驗電源切斷后全部保存。

6 結(jié)語

本文分析了換流變壓器現(xiàn)場直流耐壓PD試驗技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了國內(nèi)現(xiàn)行國家和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的換流變壓器直流耐壓PD試驗程序，給出了與超寬頻帶檢測用脈沖群快速智能聚類和分離技術(shù)的融合技術(shù)方案，形成了能夠在滿足工程應(yīng)用的同時方便試驗操作人員對試驗過程數(shù)據(jù)的把控和判斷的換流變壓器直流耐壓試驗超寬頻帶PD智能檢測技術(shù)。對脈沖群智能數(shù)據(jù)處理和顯示技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，包括矩形時頻散布濾波器，可為換流變壓器用超寬頻帶直流局部放電測試技術(shù)研究與系統(tǒng)研制提供參考依據(jù)。