变压器局部放电定位研究

顾菁，吴勇勇，应浩达，康小平

(浙江宁波电业局，浙江 宁波 315000)

1 引言

电力变压器是电力系统中输送和变换电能的高压电气设备，担负着电压、电流的转换以及功率传输的任务，所以电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的高压电气设备，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行［1］。

变压器故障定位的目的是预防、消除故障，发挥设备能力，制定合理维修制度，减少维修费用，提高变压器可靠性，延长变压器使用期等。其任务是借助于现代测试、监控和计算机分析等手段，对变压器进行监测，分析变压器的技术参数，诊断其故障的起因和性质，并预测故障趋势，从而提高变压器可靠性，预防故障及重大事故，指导设备管理，改革维修制度。利用故障检测技术可以早发现故障征兆和原因，有利于及早排除故障和安全隐患，避免不必要的损失，因而具有很高的经济和社会效益。

2 电晕检测研究现状

电力变压器产生局部放电时伴有电脉冲、电磁辐射、声、光、热以及放电导致绝缘材料分解出气体等现象，并引起局部过热等化学和物理反应，原理上这些现象若能检测，均可以作为局部放电缺陷的指示。鉴于电力变压器局部放电定位研究的重要性，国内外学者已经开展了大量卓有成效的研究工作。目前，常见的局放定位方法包括光定位法、电气定位法、特高频电磁波定位法、射线激励定位方法以及超声波定位法等［2］。

2.1 光定位法

光定位法是通过提取局部放电超声信号传播到光纤上时光纤的形变信号来检测局部放电。该方法测量时，光信号不受电磁干扰灵敏度高可以方便的确定局部放电位置。但由于变压器结构复杂，光纤的埋法复杂而且目前光纤传感器的分辨率尚不能满足工程需要。

2.2 电气定位法

电气定位法是根据局部放电产生的电脉冲传播到测量端的特性来确定放电源的空间位置。电气法确定的位置为局部放电发生的电气位置。

当变压器内部某一点发生局部放电时，将会在这一点产生一个陡脉冲沿绕组向两端传播，一般可以从各个绕组出线套管的末屏接地线、外壳接地引下线以及中性点接地线等少数几个测量端获得局部放电信号。由于变压器可近似等效成一个电容梯形网络，因此在放电开始的瞬间，绕组的两端就会出现局部放电陡脉冲的电容传递分量，该放电脉冲包含了局部放电定位所需的有用信息，具体表现为信号能量和幅值的衰减，波形的畸变和延时等，通过测量这个分量，并找到两个电容分量与绕组上位置的一一对应关系，以确定局部放电的位置。早期的研究表明，通常情况下，变压器绕组普遍存在三个频率特性范围，在不同频率范围内，变压器绕组的传输特性不同，具体为在低频范围内(0～0.01MHz)局部放电信号的传输以电磁波形式为主，中频范围(0.01～0.1MHz)以振荡形式为主，高频范围(0.1～10MHz)以电容分量传输为主。因此，在测量端测得的局部放电信号通常由三部分组成，分别为行波分量，即以电磁波的形式传播的分量振荡分量，即由绕组的共振引起的分量电容性分量，即通过电容梯形网络传输的分量。

根据以上电气传播特性原理建立起来的电气定位方法有许多种，传统的电气定位法有起始电压法、多端测量定位法、极性法、行波法、电容分量法等几种。随着对变压器绕组传输特性研究的深入以及数字滤波技术的发展，又出现了改进的电容分量法与数字滤波技术相结合和端点电流脉冲频谱分析法。

尽管对变压器绕组特性的研究较多，但到目前为止，实际中很少采用电气法。其主要原因在于首先，变压器绕组精确建模难度较大，工作繁琐，通用性差其次，由于变压器绕组结构复杂和局部放电发生部位的不同，传播到绕组端部的脉冲规律性不强，其定位准确性不高。而且由于现场强烈的电磁干扰的影响，电气定位法难以有效地在线应用。

2.3 X射线激励定位法

X射线照射绝缘介质中的气隙可使间隙中的气体电离，产生间隙放电所必需的初始电子，从而加强了介质中的局部放电。其效果表现为局部放电的重复率、放电脉冲的幅值增加。另外，射线照射到金属导体表面，尤其是场强集中的尖状金属表面时，可加强金属导体表面电子的逸出，这些电子也可加强介质中的局部放电。调整射线照射被试品的方位，并检测这种因射线照射作用产生的局部放电信号，便可进行局部放电的定位。

2.4 特高频定位法

特高频定位法是通过检测变压器局部放电的特高频电磁波信号来获得局部放电信息，并利用时延关系实现定位的。特高频定位法在进行变压器局部放电检测时，现场干扰信号的频谱范围一般小于300MHz，且在空气中传播，衰减很大。若检测局部放电产生的数百MHz以上的电磁波信号，则可有效避开电晕等干扰，提高信噪比。

2003年至今，华北电力大学高压所在特高频定位方法的基础上，提高检测频带(1～10GHz)并优化定位方法［3］，对采用超宽带射频检测的多传感器检测定位技术进行了开创性的探索研究，通过理论仿真和试验室模型试验研究了变压器铁芯、绕组和油纸复合绝缘对局部放电辐射的超宽带电磁波信号传播的影响，研究发现铁芯等大尺寸障碍物对局部放电射频电磁波信号造成严重的衰减和畸变，使得难以直接依据费玛最短光程原理进行放电源的定位而线圈的多油隙结构则有利于电磁波以近直线路径传播油纸绝缘主要是对电磁波传播速度的产生一定影响，而引起的衰减和畸变却很小。在此基础上提出了基于超宽带射频传感器阵列定位方法，并通过模型试验验证了采用该方法进行变压器定位的可行性。研究者在前期实验研究的基础上，优化设计了射频定位传感器，建立模拟实际变压器结构且易于开展实验室研究的变压器局部放电定位试验平台并分别在此平台上和真实的220kV变压器试品上开展基于超宽带射频定位技术的局部放电源定位研究(如图1所示)，改进了时间差定位算法并提出适用于真实变压器局部放电源故障定位的合理波速值，从而进一步完善了超宽带射频定位技术。

图1 UHF检测传感器与阵列布置

在传感器现场布置方面，现有技术通常将信号处理单元布置在变压器附近，处理后的信号通过光纤传输系统发送到变电站控制中心，UHF传感器和信号处理单元布置位置如图2所示。

图2 UHF传感器现场布置

2.5 超声波定位法

超声波定位方法是年代开始发展，年代趋于成熟的一种局部放电定位方法，目前这种方法己得到比较广泛的应用。其基本原理是当变压器内部发生局部放电时，会产生电磁波、放电脉冲和超声波等信号，不同放电类型的频谱特性如表1所示。超声波在变压器中的不同介质中传播油纸、绕组和隔板等，到达固定在变压器油箱壁卜的超声传感器。通过多个超声传感器测量不同传感器测量到信号的时间延时，经过定位算法的计算，就能够确定局放源的位置，超声波阵列传感器如图3所示。根据基准信号的不同，超声波定位又可分为利用放电产生的电脉冲信号和超声信号之间的时延的电一声定位方法和直接利用各超声信号的时延进行定位的声一声定位方法两类。在超声波定位中，定位算法是能否进行准确定位的关键。目前，常用的定位算法有顺序定位算法、球面定位法、双曲面定位算法、模式识别定位法和遗传算法等。

表1 各种模型放电超声波信号的频谱特性

尽管人们对超声波定位方法做了大量研究，发展了多种定位方法，并对其进行了许多改进，但仍然难以进行准确和有效的定位。主要原因是:①变压器内各种声介质，尤其是油箱外壳对超声波信号的衰减非常严重，而超声波传感器的灵敏度较低，由此导致超声方法难以有效地检测信号，造成无法定位或定位不准;②变压器结构复杂，超声波信号在不同介质中的等值声速难以准确确定，加之定位算法不尽完善，造成定位不准;③超声波传感器所检测到的信号持续时间一般为数百微秒左右，当两次放电的时间间隔小于数百微秒时，所测到的超声波信号在时间上相互叠加，难以分辨。因此，当放电密集或存在多点放电时，超声波探头检测的放电信号是由多次放电复杂叠加的波形，难以清晰地对草次脉冲进行分辨，因此无法解决多放电点定位的问题。

图3 超声波阵列传感器

3 结论

本文介绍了包括光定位法、电气定位法、射线激励定位法、特高频电磁波定位法以及超声波定位法在内的多种变压器局放定位方法。通过比较分析，认为特高频电磁波定位法和超声波定位法更适合于现场应用，之后分别阐述了这两种方法传感器的布置方式和存在的问题。

［1］邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术［M］.北京:水利电力出版社，1994.

［2］刘云鹏，律方成，李成榕，等.基于多导体传输线模型的单相变压器绕组中放电的距离函数法定位［J］.电工技术学报，2006，21(1)，115－120.

［3］王伟，唐志国，李成榕，等.用法检测电力变压器局部放电的研究［J］.高电压技术，2003，29(10):32 －34.