局部放電檢測(cè)技術(shù)在變壓器巡檢中的應(yīng)用分析

西安西變組件有限公司 王 眾 劉 博 朱建華 梁 棟 翟海文

1 引言

電力變壓器承擔(dān)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，是電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。變壓器安全運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

2 變壓器局部放電原因

2.1 尖角與毛刺

變壓器場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)與制造工藝關(guān)系到局部放電水平，通常需要將高電場(chǎng)量均勻分布。處于高電場(chǎng)的導(dǎo)體與絕緣體要做到表面光滑圓潤(rùn)無(wú)棱角。部分生產(chǎn)廠家由于制造廠設(shè)計(jì)不當(dāng)或者是存在加工工藝等因素，變壓器內(nèi)部絕緣和金屬表面很容易有尖角和毛刺。因此，在變壓器設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中必須追求精致，盡量消除金屬電極和尖角毛刺的磨光處理。

2.2 懸浮導(dǎo)體

變壓器運(yùn)行中金屬緊固件和屏蔽件與導(dǎo)體或者是接地部分的接觸要保持良好狀態(tài)，變壓器內(nèi)部應(yīng)無(wú)懸浮狀態(tài)金屬的出現(xiàn)。但是由于變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)可能導(dǎo)致部分金屬部件脫落，原本的接觸狀態(tài)被破壞而成為懸浮導(dǎo)體，在強(qiáng)交變電場(chǎng)作用下處于懸浮狀態(tài)的金屬部件產(chǎn)生懸浮電位，這種狀態(tài)足以產(chǎn)生油隙擊穿的場(chǎng)強(qiáng)所引發(fā)局部放電。為此，大容量變壓器為降低各種結(jié)構(gòu)件的功能消耗，通常需要在油箱壁以及結(jié)構(gòu)件上安裝由電工鋼組成的屏蔽材料，這種鐵屏蔽多通過(guò)接地螺栓組成[1]。

2.3 空隙與氣泡

變壓器中固體絕緣中氣隙與絕緣油氣泡也是產(chǎn)生局部放電的主要原因。浸油處理時(shí)油不能浸入空腔，產(chǎn)生間隙。真空注油真空度不足或維持真空時(shí)間不夠，注油過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氣泡。由于交變電廠環(huán)境下介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度和介電常數(shù)成反比，真空介電系數(shù)低于絕緣材料，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)的氣泡等所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相鄰的絕緣材料，從而很容易擊穿出現(xiàn)局部放電情況。

3 變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)

3.1 高頻電流檢測(cè)

高頻電流檢測(cè)是在脈沖電流基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，脈沖電流法是局部放電領(lǐng)域內(nèi)研究較為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)由于f2≤500kHz和頻帶窄100kHz≤△f≤400kHz等引發(fā)獲取信息量少等缺陷。針對(duì)這一缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用Rogowski coils制作的HFCT，用以提取更高頻帶內(nèi)的脈沖電流信號(hào)來(lái)獲取更豐富的檢驗(yàn)信息。該技術(shù)使用時(shí)可將高頻電流傳感器安裝在各種接地線(xiàn)上，檢測(cè)由局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流。在這個(gè)過(guò)程中提取放電量、相位和重復(fù)率等。高頻電流傳感器為鉗形，安裝快捷方便，檢測(cè)過(guò)程中不需要改變運(yùn)行方式，且在檢測(cè)回路與待測(cè)變壓器中使用磁耦合連接，可減少電池干擾。國(guó)內(nèi)學(xué)者將該技術(shù)成功運(yùn)行在變壓器帶電檢測(cè)中，系統(tǒng)測(cè)量帶寬為3～30MHz，可有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離與識(shí)別，輔助判斷放電類(lèi)型與嚴(yán)重程度，以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)由變壓器磁屏蔽所導(dǎo)致的放電燒蝕隱患。

3.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波技術(shù)運(yùn)用于局部放電檢測(cè)中，是一種快速電荷釋放與遷移的過(guò)程，產(chǎn)生電流脈沖會(huì)打破放電點(diǎn)周?chē)妶?chǎng)應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力與粒子之間的平衡，引起介質(zhì)之間的振動(dòng)和疏密變化形成超聲波。在傳播上被分為接觸式超聲波傳感器與非接觸式兩種，變壓器局部放電檢測(cè)通常使用接觸式I超聲傳感器，通過(guò)耦合劑將傳感器貼合在變壓器外殼上，檢測(cè)變壓器內(nèi)部局部放電情況，檢測(cè)過(guò)程中不需要拆動(dòng)任何部件。但需注意超聲波傳播中的嚴(yán)重衰減和畸變情況，這導(dǎo)致超聲波檢測(cè)多作為輔助手段而不作為主要的檢測(cè)技術(shù)。

3.3 特高頻檢測(cè)技術(shù)

特高頻檢測(cè)技術(shù)對(duì)局部放電產(chǎn)生的特高頻信號(hào)波段進(jìn)行檢測(cè)，電力設(shè)備內(nèi)部局部放電時(shí)電流脈沖會(huì)輻射出不同頻率范圍內(nèi)的電磁波。放電間隙小且絕緣強(qiáng)度比較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生陡度較大的電流脈沖，輻射電磁波頻段極高。特高頻檢測(cè)法按照檢測(cè)頻帶劃分為寬頻帶和窄頻帶，寬頻帶是將檢測(cè)頻帶內(nèi)所有信號(hào)都置于檢測(cè)中，窄帶檢測(cè)是選取某一段送入檢測(cè)系統(tǒng)中。實(shí)際檢測(cè)中這兩種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。寬帶檢測(cè)可避免信號(hào)遺漏，但是信噪比低，不利于分析；窄帶則通過(guò)選擇頻道，除了目標(biāo)頻道外的干擾信號(hào)都可以有效抑制，但信號(hào)檢測(cè)能量受到限制[2]。

3.4 油中溶解氣體檢測(cè)法

該檢測(cè)技術(shù)是溶解氣體組分與含量，是監(jiān)視充油電氣設(shè)備安全運(yùn)行的有效措施，主要是監(jiān)測(cè)判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障中存在的氣體。變壓器油紙絕緣中出現(xiàn)局部放電時(shí)產(chǎn)生的氣體有H2、CH4、CO、C2H2等。變壓器油內(nèi)局部放電產(chǎn)生的氣體濃度達(dá)到預(yù)警值不是瞬態(tài)的，而是需要時(shí)間累積，氣相色譜檢驗(yàn)結(jié)果有時(shí)延性，油中溶解氣體檢測(cè)法可檢測(cè)早期潛伏的故障，但是對(duì)突發(fā)性放電故障的判斷能力相對(duì)較弱。目前，該檢測(cè)技術(shù)只能判斷變壓器內(nèi)部是否存在局部放電情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量判斷，無(wú)法定位局部放電的位置，這也是目前該技術(shù)在使用過(guò)程中存在的缺陷。

表1 變壓器局部放電檢測(cè)方法

4 變壓器絕緣油的放電試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與接線(xiàn)

由圖1可知，該變壓器局部放交流高壓實(shí)驗(yàn)電源，容量為200kVA，T1表示隔離變壓器，隔離實(shí)驗(yàn)回路與進(jìn)線(xiàn)電源，抑制電源端產(chǎn)生的諧波對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生影響。T2為自耦合變壓器，T3為升壓變壓器，380V工頻交流輸入電壓后，經(jīng)過(guò)隔離、自耦合和升壓設(shè)備，輸出0～200kV試驗(yàn)電壓，限流電阻為10KΩ，在試品擊穿時(shí)起到限流作用來(lái)保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備。JFD-2010為多通道放電檢測(cè)儀，符合IEC 60270局部放電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，用于系統(tǒng)穩(wěn)定和靈敏度強(qiáng)的局部放電檢測(cè)中。高頻電流傳感器卡在模型接地線(xiàn)上，傳感器通過(guò)同軸電纜和信號(hào)調(diào)理單元的不同通道相連接，經(jīng)過(guò)放大與調(diào)理后由Lecroy高速示波器來(lái)采集。

4.2 變壓器局部放電模型的設(shè)計(jì)

為研究變壓器油中的放電特性，因此設(shè)計(jì)出試驗(yàn)油杯和油箱，油杯體積小巧且靈活方便。油中局部放電會(huì)導(dǎo)致絕緣油劣化。通過(guò)試驗(yàn)后為降低油質(zhì)低劣化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，需要更換油。由于填滿(mǎn)油杯所需要的變壓器油體積小于油箱，可以讓試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性提升。根據(jù)變壓器內(nèi)絕緣存在的典型缺陷設(shè)計(jì)制作出五種局部放電模型，具體有以下幾種：

一是油中氣隙放電模型，高壓與接地端均選擇鋁制圓盤(pán)形電極，使用環(huán)氧樹(shù)脂澆筑成直徑34mm、高14mm的圓柱體中設(shè)計(jì)人為氣隙缺陷，倒?jié)M25號(hào)變壓器油。二是油中懸浮放電模型，高壓與地端為鋁制圓盤(pán)形電極，在澆筑的環(huán)氧樹(shù)脂中加入厚度為0.8mm銅片，倒?jié)M25號(hào)變壓器油。三是油中沿面放電模型，該模型中高壓與接地端均為鋁制圓盤(pán)形電極，在環(huán)氧樹(shù)脂澆筑的圓柱體中設(shè)置凸起小銅柱來(lái)接觸高壓電極，倒?jié)M25號(hào)變壓器油。四是油中尖端放電模型，高壓端設(shè)置20mm高的鋁制針尖電極，接地端設(shè)置直徑為34mm的鋁制圓盤(pán)，調(diào)整針尖電極與接地電機(jī)間的空氣間隙度，可控制放電量，倒?jié)M25號(hào)變壓器油。五是油中金屬顆粒放大模型，高壓與接地端為鋁制圓盤(pán)形電極，金屬顆粒為10顆直徑1.5mm小鋼珠，倒?jié)M25號(hào)變壓器油。

4.3 試驗(yàn)步驟

按照上述模式來(lái)布置，連接好試驗(yàn)電源和儀器設(shè)備、局部放電系統(tǒng)、示波器后實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)布置。使用局部校準(zhǔn)儀在耦合電容處對(duì)數(shù)字局部放電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。在試驗(yàn)中從零開(kāi)始逐步升高電源電壓，當(dāng)電源電壓上升到最高值50kV，確認(rèn)試驗(yàn)電源和局部耦合裝置無(wú)放電的情況，如有需要排除缺陷，記錄實(shí)驗(yàn)儀器的放電量背景。從零開(kāi)始記錄下數(shù)值變化，緩慢降壓至零，接入待驗(yàn)證的局部放電缺陷模型。從零開(kāi)始，逐步升高電源電壓，直到數(shù)字式局放儀檢測(cè)到放電信號(hào)，此時(shí)記錄下加電壓值和放電量，觀察示波器采集信號(hào)的波形。

將電壓升高到極限擊穿臨界點(diǎn)，觀察并且記錄電壓升高放電量和脈沖波形變化情況，隨時(shí)觀察放電情況。降壓至零后，調(diào)整或者是更換局部模仿，后降壓至零整理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

4.4 局部放電試驗(yàn)分析

4.4.1 油中氣隙的局部放電

模型電壓加至5kV，局部放電量為790pc。為研究該技術(shù)中放電頻域特征，對(duì)所測(cè)量信號(hào)進(jìn)行FFT變換，將頻率集中在500MHz至1GHz的范圍內(nèi)，出現(xiàn)峰值的頻率為500MHz、600MHz、750MHz、850MHz附近。連續(xù)采取多個(gè)高頻脈沖，繪制放電PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對(duì)幅值進(jìn)行歸一化處理。

4.4.2 油中懸浮的局部放電

根據(jù)模型加壓到6kV，局部放電量可達(dá)到1304pc。懸浮放電特征比較明顯，在信號(hào)頻譜內(nèi)，分布范圍在0～1.1GHz，幅值較大的頻域在250～300MHz、250～830MHz。連續(xù)采集多個(gè)脈沖信號(hào)后繪制出PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對(duì)幅值進(jìn)行歸一化處理。

4.4.3 油中沿面的局部放電

模型加壓到的4kV，局部放電量為265pc，高頻電流檢測(cè)信號(hào)與特高頻檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)性良好，為探究特性，對(duì)所測(cè)量信號(hào)進(jìn)行FFT變換，頻域分布范圍為200MHz至1.5GHz，集中在500～900MHz，250MHz、1.1GHz、1.25GHz這四個(gè)頻段附近。連續(xù)采集多個(gè)脈沖信號(hào)后繪制出PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對(duì)幅值進(jìn)行歸一化處理。

4.4.4 油中組分階段放電

加壓到17.8kV時(shí)出現(xiàn)局部放電量小于7pc。連續(xù)加壓到32kV后模型擊穿，放電量沒(méi)有顯著變化，多次試驗(yàn)均為同樣情況，得出這種狀態(tài)下放電最小的結(jié)果。沒(méi)有檢測(cè)到明顯信號(hào)，偶爾出現(xiàn)一根與高頻電流法測(cè)量到的信號(hào)一簇對(duì)應(yīng)的情況，可能與油中尖端放電信號(hào)主要集中在低頻部分，無(wú)法被特高頻檢測(cè)法檢測(cè)到有關(guān)系。

4.4.5 油中金屬顆粒的放電

在這模型環(huán)境下，加壓到16.6kV后開(kāi)始放電，放電量為36.8pc。油中的金屬顆粒物放電幅值分布廣泛，放電時(shí)間不均衡，放電效應(yīng)并不明顯，但是在整個(gè)工頻范圍之內(nèi)有放電信號(hào)分布。使用高頻與特高頻均可以檢測(cè)到明顯放電信號(hào)，并且兩種檢測(cè)方式可以測(cè)量到顯著的脈沖對(duì)應(yīng)性[3]。為研究頻域特征，進(jìn)行FFT變換，該頻域分布范圍為200MHz至1.1GHz，集中在200～900MHz，連續(xù)采集多個(gè)脈沖信號(hào)后繪制出PRPD、PRPS譜圖，為方便分析對(duì)幅值進(jìn)行歸一化處理。發(fā)現(xiàn)在0～360°相位內(nèi)有分布但是無(wú)聚集現(xiàn)象，幅值范圍為0～50%，因此放電脈沖幅值出現(xiàn)無(wú)規(guī)律是油中金屬物放電的緣故。

綜上，本文針對(duì)變壓器絕緣油中的局部放電進(jìn)行了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)出典型的缺陷模型，搭建試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析，記錄下試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證檢測(cè)方式的有效性與合理性。基于不同技術(shù)之間的差異，這一特征也就可以作為判斷絕緣缺陷的特征。