基于寬頻帶聲電檢測的變壓器現場局部放電診斷及定位方法

2022-11-02 13:53:30何宇航丁理杰波2李敬雄3周電波

四川電力技術 2022年5期

何宇航，丁理杰，周波2，李敬雄3，姚曉，周電波

(1. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川成都 610041；2. 國網四川省電力公司成都供電公司，四川成都 610095；3. 國網四川省電力公司四川超高壓公司，四川成都 610042)

0 引言

變壓器是基于電磁感應原理改變交流電壓、交流電流數值的電力設備，是電力系統的“心臟”，其健康狀況對電力系統安全運行舉足輕重。隨著電力系統規模不斷擴大以及用電負荷日益增加，變壓器數量越來越多且運行環境和工況越來越嚴苛，因此，對變壓器運維要求越來越高，這也是保障供電可靠性所必須的[1—4]。

一直以來，絕緣缺陷在變壓器缺陷中占有比例很大。對于結構復雜的變壓器而言，絕緣體各區域所承受的電場一般是不均勻的，電介質也是不均勻的。一旦設備內部存在絕緣損傷、部件松動、部件變形或異物等缺陷引發局部場強畸變，很容易因為電場強度不均勻、擊穿電壓不均勻導致局部放電，威脅設備安全運行[5—7]。因此，準確檢測并定位變壓器內部局部放電缺陷，對保障設備安全具有重要意義。

現階段，絕緣油色譜檢測、高頻局部放電檢測、特高頻局部放電檢測和超聲波局部放電檢測是變壓器較為常用的局部放電帶電檢測手段。其中，特高頻法和超聲波法在條件具備的情況下可以實現局部放電源定位。盡管特高頻法和超聲波法具有相對較好的檢測靈敏度，抗干擾性能也優于高頻法，但由于外界干擾、局部放電信號畸變衰減和傳感器位置受限等因素，現場檢測中基于非內置傳感器的局部放電聲電檢測方法對變壓器局部放電缺陷的檢測、診斷和定位效果并不理想[8—10]。

下面通過研制的新型特高頻線圈傳感器，結合傳統的特高頻天線傳感器和接觸式超聲波傳感器，開展變壓器局部放電現場檢測技術研究。在典型局部放電信號特征分析、現場去干擾和基于多通道信號時延定位研究的基礎上，研究基于寬頻帶聲電檢測的變壓器現場局部放電診斷及定位方法，有助于提升變壓器局部放電現場檢測水平，更準確地診斷并定位變壓器局部放電缺陷[11—12]。

1 變壓器局部放電信號特征

從大量變壓器局部放電缺陷案例看，懸浮電位放電和絕緣表面放電是最常見的變壓器內部局部放電缺陷。所研制的用于特高頻局部放電信號檢測的線圈傳感器，與特高頻天線傳感器一起對模擬變壓器懸浮電位放電缺陷和絕緣表面放電缺陷進行檢測，研究變壓器懸浮電位放電缺陷和絕緣表面放電缺陷信號特征。

1.1 特高頻線圈傳感器

由于變壓器金屬殼體的屏蔽作用，降低了非內置特高頻天線傳感器對變壓器局部放電的檢測靈敏度。通過大量現場檢測結果分析，從鐵芯接地位置和夾件接地位置檢測變壓器局部放電激發的電信號，可以最大程度規避金屬殼體對信號的屏蔽，同時不影響設備安全運行，是目前較為理想的檢測方式。為此，研制特高頻線圈傳感器。相比特高頻天線，特高頻線圈傳感器可以規避金屬殼體對信號的屏蔽，具有更好的檢測靈敏度；相比高頻線圈傳感器，特高頻線圈傳感器檢測頻帶提升到了特高頻頻段，高于絕大部分外部干擾，具有更好的抗干擾性能，同時在變壓器鐵芯/夾件接地位置開展檢測具有更好的檢測靈敏度。

式(1)為線圈傳感器等效阻抗計算公式，式(2)為線圈傳感器工作頻率計算公式。

(1)

(2)

式中：M=Nμ0μrA/lm，N為線圈匝數，μ0為真空磁導率，μr為鐵芯材料相對磁導率，A為磁芯橫截面積，lm為磁路長度；RL為負載電阻；Ls為線圈漏電感；Rs為磁芯損耗；Cs為線圈寄生電容。

由式(1)和式(2)可見，要使所研制的線圈傳感器同時具有良好的等效阻抗和較高的工作頻率，應設法增加M并減小Ls和Cs。

為平衡選材限制和檢測頻率要求，設計線圈傳感器頻率上限為500 MHz。選用鐵基納米晶材料作為傳感器磁心材料，磁環的內徑、外徑分別為2.4 cm、4.52 cm，線圈匝數為6。所研制的特高頻線圈傳感器如圖1所示。對所研制的傳感器進行測試，結果如圖2所示：傳感器工作頻率為50～480 MHz，工作頻率內等效傳輸阻抗約為16 Ω；工作頻率內增益平坦度和工作頻率外抑制特性優良，完全達到檢測變壓器局部放電特高頻信號的需要。

圖1 所研制的特高頻線圈傳感器

1.2 模擬變壓器局部放電缺陷

所制作的模擬變壓器模型如圖3所示：箱體尺寸為1200 mm×800 mm×1000 mm；套管末屏接地位置安裝了用于檢測局部放電特高頻電流信號的特高頻線圈傳感器；箱體的4個側面開設了介質窗，用于觀察局部放電現象，也可用于安裝內置式特高頻天線傳感器，檢測局部放電特高頻電磁波。圖4為變壓器中最常見的懸浮電位放電和絕緣表面放電的缺陷模擬裝置。懸浮電位放電模型的一根直徑1 mm的金屬絲通過絕緣體固定在高壓電極和低壓電極之間，金屬絲距離高壓電極0.5 mm，距離低壓電極20 mm。絕緣表面放電模型則是將尺寸為100 mm×100 mm×1.5 mm的絕緣紙板夾持在尺寸為30 mm×80 mm×10 mm的球形電極和平板電極之間。將局部放電模擬缺陷放置于模擬變壓器模型中，對模擬缺陷施加電壓，則可使其激發出與局部放電特征相似的特高頻電磁波。

圖2 特高頻線圈傳感器等效阻抗測試結果

1.3 變壓器懸浮電位放電和絕緣表面放電信號特征

對模擬變壓器加壓后懸浮電位放電模型激發的特高頻信號如圖5所示。從時域波形可見，套管末屏檢測的特高頻電流，其幅值和持續時間與介質窗檢測的特高頻電磁波相近。對信號進行頻譜分析，套管末屏檢測的特高頻電流的頻率范圍在220～360 MHz，信號能量最強頻率為280 MHz；介質窗檢測的特高頻電磁波的頻率范圍在200～800 MHz，信號能量最強頻率為400 MHz。總體而言，懸浮電位放電激發的特高頻信號在頻率范圍內能量分布相對分散。從套管末屏檢測的特高頻電流的脈沖序列相位分布(phase resolved pulse sequence，PRPS)圖譜和局部放電相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)圖譜看，懸浮電位放電信號具有顯著的100 Hz頻率相關性，正負半周放電脈沖數相近，脈沖幅值分散性相對較小。

對模擬變壓器加壓后絕緣表面放電模型激發的特高頻信號如圖6所示。從時域波形可見，套管末屏檢測的特高頻電流的幅值和持續時間均小于介質窗檢測的特高頻電磁波。對信號進行頻譜分析，套管末屏檢測的特高頻電流的頻率范圍在220～340 MHz，信號能量最強頻率為270 MHz；介質窗檢測的特高頻電磁波的頻率范圍在200～600 MHz，信號能量最強頻率為400 MHz。從套管末屏檢測的特高頻電流PRPS圖譜和PRPD圖譜看，懸浮電位放電信號具有顯著的100 Hz頻率相關性，但正負半周放電脈沖數有所差別，呈現輕微極性效應，脈沖相位分布很寬，脈沖幅值具有一定的分散性。

圖6 絕緣表面放電模型激發的特高頻信號特征(套管末屏和介質窗檢測)

上述研究顯示，通過所研制的特高頻線圈傳感器，在模擬變壓器套管末屏位置可以有效檢測到模擬懸浮電位放電缺陷和絕緣表面放電缺陷產生的特高頻電流。經頻譜分析，特高頻電流的頻率范圍主要在200～400 MHz內，表明特高頻線圈傳感器滿足設計的檢測頻率，具有良好的檢測靈敏度，并且，由于現場絕大多數干擾信號頻率低于該頻段，因此也具有優良的抗干擾性能。模擬檢測顯示變壓器局部放電激發的電信號也包含能夠在容性設備中傳輸的特高頻電流，在變壓器鐵芯接地位置和夾件接地位置通過特高頻線圈傳感器可以實現有效的檢測和診斷。

通過對變壓器懸浮電位放電和絕緣表面放電信號特征的研究，有助于對現場檢測的信號進行類型識別，診斷缺陷類型及嚴重程度。

2 變壓器局部放電檢測去干擾方法

在變壓器局部放電現場檢測中，特高頻法和超聲波法均可能面臨非內部局部放電信號的干擾。總體而言，干擾信號可分為兩類：一類是穩定的背景噪聲干擾，主要是空間電磁波基礎噪聲干擾和變壓器運行期間振動產生的超聲波信號干擾；另一類是偶發的噪聲干擾，例如線路電暈放電干擾。

圖7為典型的變壓器運行期間振動超聲波信號時域波形，每個脈沖幅值都是振蕩上升然后振蕩減小，其包絡線近似為正弦波形，與局部放電振蕩衰減或三角駝峰的時域信號特征有明顯不同，可以此對比判斷背景噪聲和放電信號。在穩定的背景噪聲干擾下，還可以采用最小累積能量法識別局部放電信號并準確找到信號起始點。采樣時間內時域信號平均能量可由式(3)計算得到，式(4)則是累積能量減去平均累積能量得到能量差值曲線的計算公式。

圖7 某變壓器運行期間振動產生的超聲波信號

(3)

(4)

式中：p為各采樣點電壓平方和的平均值;m為整個信號的采樣點總數；ui為第i個采樣點的電壓值，i=1,2,…,n,…,N；X(n)為第n個采樣點的能量差值。

如圖8所示，在局部放電脈沖出現之前，信號的瞬時能量低于平均能量，能量差值曲線呈下降趨勢，局部放電脈沖出現之后，信號瞬時能量超過平均能量，曲線呈上升趨勢。最小累積能量法可以準確識別非背景噪聲脈沖信號，同時準確找到信號起始點(信號能量差值曲線在局部放電脈沖出現后一段時間可見最小值，該最小值點即可作為信號起始點)。

圖8 最小累積能量法識別局部放電脈沖及其起始點

線路電暈放電等干擾，以目前的技術手段僅通過信號特征難以與變壓器內部局部放電信號區分開來。因此，通過多通道特高頻信號時延定位確定異常信號來源是有效的去干擾方法。為避免復雜的計算，可利用兩個特高頻天線傳感器在各方向逐一開展信號源定位。具體而言，每個方向上一個傳感器靠近變壓器、另一個傳感器遠離變壓器，通過兩個傳感器采集信號的到達時延，可以準確判斷出來自外部的干擾信號。

3 變壓器局部放電聲電聯合診斷及定位

經去干擾處理，檢測到來自變壓器內部的異常信號后，在類型識別的基礎上，有必要精確定位缺陷所處位置，結合設備結構可以更準確評估缺陷嚴重程度，指導設備運維檢修。

從基本原理而言，變壓器局部放電缺陷定位基本方法是多通道信號時延定位法。要在三維空間實現設備多通道信號時延定位，測點的選取必須在金屬殼體多個平面；但由于變壓器特高頻測點選取受限，三維空間定位很多情況下只能通過超聲波局部放電檢測實現。若特高頻天線能夠在變壓器金屬殼體法蘭縫隙處測得設備內部局部放電激發的特高頻信號，則可采用平分面法進行缺陷定位，雖然無法準確計算得到缺陷三維坐標，但可以計算缺陷所在直線，再綜合信號特征、設備內部結構判斷缺陷類型及缺陷位置。圖9為變壓器平分面法定位原理。在變壓器金屬殼體長邊側法蘭縫隙處移動兩個特高頻天線，當特高頻信號到達兩個傳感器的時間一樣，則可以判定局部放電缺陷位于兩傳感器的垂直平分面上(確定平面)；在變壓器金屬殼體短邊側法蘭縫隙處移動兩個特高頻天線，當特高頻信號到達兩個傳感器的時間一樣，則可以判定局部放電缺陷位于兩傳感器的垂直平分面上(確定另一平面)；在長邊和短邊確定的平面的交線即為局部放電缺陷所在直線。若在垂直方向能夠有兩個不同位置的測點檢測到設備內部局部放電激發的特高頻信號，則可以嘗試用平分面法進一步精確定位，找到局部放電缺陷的準確位置。

在同時檢測到設備內部局部放電激發的異常特高頻信號和異常超聲波信號的情況下，通過聲電聯合定位方法可以獲得更準確的信號時延來計算局部放電缺陷與超聲波傳感器的距離。通過多次移動超聲波傳感器進行定位計算，可以更好地規避因繞組、鐵心造成的信號波形畸變對定位準確性的影響，獲得比多通道信號時延定位更加準確的定位結果。

圖9 變壓器平分面法定位原理

以某110 kV變壓器為例，如圖10所示，在鐵芯/夾件接地位置使用特高頻線圈傳感器和在金屬殼體法蘭位置使用特高頻天線傳感器均測得異常特高頻信號，經空間定位，信號來自變壓器內部。圖11為特高頻線圈傳感器測得異常信號的PRPS圖譜，具有顯著的100 Hz頻率相關性，放電相位跨度較大，放電脈沖幅值、放電脈沖時間間隔分散性較大。圖12為變壓器殼體表面測得的異常超聲波信號，與異常特高頻信號相似，異常超聲波信號每個工頻周期正負半周都有放電脈沖，放電脈沖幅值、放電脈沖時間間隔分散性較大。由于超聲波信號幅值相對特高頻信號幅值太小，最小累積能量法讀取特高頻信號起始點更加精確，因此采用分平面法在變壓器長邊、短邊進行定位。經雙通道特高頻信號時延定位，局部放電源在變壓器長邊和短邊所在平面如圖13所示，由此得到如圖14所示的局部放電缺陷位置。如圖15所示，根據定位結果，對變壓器進行解體檢修，發現鐵芯硅鋼片的某一疊片頂角與附近的夾件幾乎接觸，并且該處存在明顯的放電痕跡，所在平面與定位結果完全一致。綜合分析，該變壓器鐵芯硅鋼片中最外側靠近夾件的疊片頂角由于某種原因翹起(例如現場安裝不當)，使得該硅鋼片疊片與附近的夾件距離過近，兩者因為存在電位差導致了之間發生局部放電，在變壓器運行過程中會因磁致伸縮等原因引起振動，導致鐵芯硅鋼片變形的疊片頂角與夾件之間狀態在接觸與非接觸(存在間隙)之間變化，因此放電也會呈現出間歇性，這也導致局部放電的放電脈沖幅值、放電脈沖時間間隔分散性較大。