文德斌，吳廣寧，周利軍，劉君，杜培東，劉益岑

0 引言

局部放電是導(dǎo)致電力變壓器絕緣劣化的重要原因之一，自20世紀(jì)中期起，人們就開(kāi)始對(duì)局部放電作了較深入的研究[1]，并取得了很大的進(jìn)展。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明：局部放電試驗(yàn)是能成功地檢測(cè)絕緣中微小缺陷的有效方法之一，也是考核變壓器能否在工作電壓下長(zhǎng)期安全運(yùn)行的最有效的方法，因而在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

為了提高變壓器的產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)變壓器局部放電實(shí)施在線監(jiān)測(cè)并及時(shí)報(bào)警，這對(duì)預(yù)防重大事故的發(fā)生、保障變壓器穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 局部放電機(jī)理

局部放電又稱游離，也就是靜電荷流動(dòng)的意思。局部放電是電介質(zhì)中的一部分原子或分子產(chǎn)生電離和去電離的運(yùn)動(dòng)形式。電離是從外施電場(chǎng)中吸取能量，生成正、負(fù)電荷，并使電荷運(yùn)動(dòng)。去電離是正、負(fù)電荷中和，釋放能量，生成新的原子和分子。該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖電流，發(fā)射電磁波，相應(yīng)地會(huì)在電介質(zhì)中出現(xiàn)發(fā)熱、發(fā)光和振動(dòng)（聲波和超聲波）等物理現(xiàn)象。

由于電壓和電流作用于電介質(zhì)時(shí)可能引起局部放電，所以局部放電可以分為電場(chǎng)型放電和電流型放電。形成電場(chǎng)型局部放電的基本條件：作用在電介質(zhì)上的電場(chǎng)強(qiáng)度，超過(guò)該電介質(zhì)的耐受電場(chǎng)強(qiáng)度。形成電流型局部放電的基本條件：受到外力（電動(dòng)力或機(jī)械力）的作用，導(dǎo)體中的電流被迫進(jìn)入電介質(zhì)。

2 局部放電的種類及影響

變壓器中的局部放電主要有氣隙放電、懸浮放電、夾層放電、尖端放電和“驅(qū)流”放電5種。對(duì)變壓器局部放電試驗(yàn)時(shí)，必須認(rèn)清放電類型，然后有針對(duì)性地加以分析，予以解決。

2.1 氣隙放電

氣隙放電又稱氣泡放電，變壓器中的氣泡主要以少數(shù)分子聚集成微小氣泡為主懸浮于油中，所以產(chǎn)生局部放電的氣泡是相對(duì)靜止的。主要以2種形式存在于變壓器中：一種是密封于固體內(nèi)的氣泡；另一種是油和固體（固體絕緣或金屬）包圍的氣泡。

在變壓器油中，由于氣體的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于油的介電常數(shù)，而電場(chǎng)強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，所以氣體中的電場(chǎng)強(qiáng)度比油中的大很多。而氣泡放電量與電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，因此氣泡就更加容易放電。在做局部放電試驗(yàn)時(shí)，必須將視在發(fā)電量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，不然就會(huì)轉(zhuǎn)換成破壞性的氣泡放電，從而使介質(zhì)受損，而且放電的電解作用會(huì)使絕緣加速氧化，并腐蝕絕緣，從而降低變壓器的使用壽命。

2.2 懸浮放電

對(duì)于變壓器內(nèi)部不固定電位的導(dǎo)體稱為懸浮體，由它引起的放電稱為懸浮放電。導(dǎo)致懸浮放電必須具備 2個(gè)基本條件：一是懸浮導(dǎo)體處于電場(chǎng)中，根據(jù)電容分壓機(jī)理，必須取得一定的電位并能積蓄一定的能量。二是由于懸浮導(dǎo)體引起電場(chǎng)畸變作用，使局部絕緣的作用電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)其耐受電場(chǎng)強(qiáng)度。變壓器在運(yùn)行中，由于受力而引起部件松動(dòng)、脫落，很容易引起懸浮放電。所以在變壓器固定器件的小支板與螺栓連接處的夾件上不需要涂漆，避免金屬連接件接觸不良而導(dǎo)致懸浮放電，影響變壓器正常運(yùn)行。

2.3 夾層放電

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中有許多夾層，夾層有集積水分或其他極性分子的作用，該現(xiàn)象被稱為夾層效應(yīng)。由夾層效應(yīng)引起的局部放電，簡(jiǎn)稱夾層放電。當(dāng)發(fā)生夾層放電后，會(huì)出現(xiàn)線匝絕緣間、段間絕緣間貫穿性放電、低壓繞組引線夾表面貫穿性放電、沿圍屏貫穿性樹(shù)枝狀放電和沿紙板非貫穿性樹(shù)枝狀放電，如圖1所示。做夾層試驗(yàn)時(shí)候，必須確保只處于非貫穿性樹(shù)枝狀放電。

圖1 夾層放電痕跡圖

2.4 尖端放電

尖端是尖形電極的簡(jiǎn)稱，位于電場(chǎng)中的尖端，不論其本身的電位高低，包括處于地電位，都會(huì)引起電場(chǎng)畸變，使尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，該作用被稱為尖端效應(yīng)。由尖端效應(yīng)引起的局部放電，簡(jiǎn)稱尖端放電。該放電能深入到絕緣紙板的層間和深處，最終導(dǎo)致變壓器被擊穿。設(shè)計(jì)制造時(shí)，廠家把尖端圓形化或加均壓罩，其目的就是為了防止尖端放電。

2.5 “驅(qū)流”放電

“驅(qū)流”放電是電流型放電，是電流從導(dǎo)體被驅(qū)逐到電介質(zhì)中的一種物理現(xiàn)象，平常使用的電焊，其原理和“驅(qū)流”放電的原理相同。雖然該放電的幾率比較小，但是由于“驅(qū)流”放電造成的影響非常大，因此同樣不能忽視。

3 局部放電定位

局部放電定位是根據(jù)局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的電磁波、聲、光、熱和化學(xué)變化等現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，其定位方法有超聲波定位、電氣定位、電-聲聯(lián)合定位、光定位和熱定位等。目前國(guó)內(nèi)外主要以超聲波定位、電氣定位和電-聲聯(lián)合定位方法為主。

3.1 超聲波定位

超聲波定位主要是根據(jù)在局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的超聲波傳播的方向和時(shí)間來(lái)確定放電位置的。包括電-聲定位和聲-聲定位[3]，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，由于超聲波通過(guò)不同介質(zhì)向外傳播，到達(dá)油箱壁的時(shí)間就不同，在變壓器油箱外殼安裝多個(gè)超聲波傳感器，由于空間位置不同，檢測(cè)到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)時(shí)間不同，通過(guò)測(cè)量超聲波傳播的延時(shí)時(shí)間就能確定局部放電源的空間位置。

超聲波定位計(jì)算精度很難把握。伴隨著聲波傳播機(jī)理的深入研究，目前已經(jīng)出現(xiàn)了順序定位法和模式識(shí)別法。

3.2 電氣定位

電氣定位可以分為幾何定位法和基于模型分析法。當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，產(chǎn)生的放電脈沖沿繞組傳播到達(dá)測(cè)量端，該放電脈沖包含了放電特性和局部放電定位所需的有用信息，通過(guò)對(duì)放電脈沖進(jìn)行分析，可以確定局部放電源的空間位置。雖然目前適用于糾結(jié)式繞組，但是它的精度非常高，定位精度可以達(dá)到不大于繞組長(zhǎng)度的2%[4]。

3.3 電-聲聯(lián)合定位法

電-聲聯(lián)合定位法主要在電-聲聯(lián)合檢測(cè)法的基礎(chǔ)上利用超聲波在變壓器油和箱壁中的傳播速度低于電信號(hào)傳播速度的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，速度較快的電信號(hào)先觸發(fā)監(jiān)測(cè)器，監(jiān)測(cè)器再根據(jù)隨后超聲信號(hào)到達(dá)的時(shí)差大小，推測(cè)變壓器內(nèi)部局部放電的位置。

4 局部放電在線檢測(cè)方法

局部放電檢測(cè)是以發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的電、光等現(xiàn)象為依據(jù)來(lái)判斷局部放電的狀態(tài)。目前有脈沖電流法、超聲波檢測(cè)法、氣相色譜檢測(cè)法、超高頻檢測(cè)法、電磁波檢測(cè)法、光檢測(cè)法、紅外熱像法、射頻檢測(cè)法等多種檢測(cè)方法。

4.1 脈沖電流法

脈沖電流法主要通過(guò)檢測(cè)阻抗來(lái)檢測(cè)變壓器套管末端接地線、外殼接地線、中性點(diǎn)接地線、鐵心接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流，獲得一些基本放電量。檢測(cè)放電脈沖的電流傳感器通常用羅哥夫斯基線圈制成。該方法靈敏度高，可以定量測(cè)量局部放電的特征參數(shù)，還可以與聲信號(hào)一起通過(guò)電-聲定位方法確定局部放電的位置。但檢測(cè)靈敏度會(huì)隨著試品電容的增加而下降，而且易受外界干擾噪聲（f＜10 MHz）的影響，抗干擾能力差，因此無(wú)法有效應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。

4.2 超聲波檢測(cè)法

變壓器在發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)出電信號(hào)和聲信號(hào)，超聲波檢測(cè)法測(cè)量的是放電時(shí)產(chǎn)生的聲波信號(hào)。超聲波檢測(cè)法是用固定在變壓器箱壁上的超聲波傳感器接收變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波，以檢測(cè)局部放電量的大小和位置。超聲傳感器的頻帶約為70～150 kHz（或300 kHz），大量研究表明：局部放電產(chǎn)生的聲波信號(hào)的頻譜大都集中在150 kHz左右[5，6]，如圖2所示。目前的超聲波傳感器靈敏度低、抗干擾能力差，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)有效地檢測(cè)信號(hào)。因此，主要用于定性地判斷局部放電信號(hào)的有無(wú)，以及結(jié)合脈沖電流法對(duì)局部放電源進(jìn)行物理定位。

圖2 局部放電頻譜圖

4.3 氣體色譜檢測(cè)法

油中氣體色譜分析法（DGA）是檢測(cè)局部放電最有效的工具之一。DGA主要是以三比值法為依據(jù)，對(duì)三比值進(jìn)行編碼，各種事故對(duì)應(yīng)不同的編碼，而局部放電對(duì)應(yīng)比值所對(duì)應(yīng)的編碼組合是 0，1，0[7]。DGA是建立在變壓器多年積累的DGA數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的，目前，該方法已廣泛用于變壓器在線故障診斷。由于油氣分離時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于突發(fā)性的局部放電很難發(fā)現(xiàn)，所以DGA主要對(duì)變壓器局部放電進(jìn)行定性分析，而無(wú)法進(jìn)行定位分析。

4.4 超高頻檢測(cè)法

超高頻法（UHF法）是通過(guò)超高頻信號(hào)傳感器接收局部放電過(guò)輻射的超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)。變壓器油—隔板結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度比較高，因此變壓器中的局部放電能夠輻射很高頻率的電磁波。變壓器局部放電測(cè)量時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)的頻譜一般小于300 MHz，UHF檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)頻率范圍一般為500～1 500 MHz，可最大限度避開(kāi)干擾信號(hào)。而且超高頻傳感器安置在變壓器箱體內(nèi)部，變壓器殼體的屏蔽作用使得超高頻檢測(cè)法的抗干擾能力優(yōu)于目前傳統(tǒng)局部放電檢測(cè)法。只是需要特別的超高頻傳感器，因此尚待加強(qiáng)該傳感器的研發(fā)。

5 變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展前景

目前，國(guó)內(nèi)在變壓器局部放電方面的研究取得了很好的成就，筆者認(rèn)為以后研究重點(diǎn)應(yīng)該放在以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)局部放電理論進(jìn)行深入研究，對(duì)各種局部放電種類建立理論模型，通過(guò)研究局部放電的特征，從而采用有效的措施抑制外界干擾。

（2）由于變壓器一般都是多點(diǎn)放電，應(yīng)該將局部放電放在對(duì)變壓器進(jìn)行多點(diǎn)定位的基礎(chǔ)上。

（3）必須有效地識(shí)別和抑制干擾信號(hào)[8]。差動(dòng)平衡法和脈沖極性鑒別法[9]可以很好地抑制干擾信號(hào)。目前局部放電在線監(jiān)測(cè)主要采用最小均方誤差（LMS）自適應(yīng)算法和遞推的最小二乘法（RLS）自適應(yīng)算法。

（4）對(duì)新型傳感器的研究。超高頻傳感器、光纖傳感器在局部放電中的應(yīng)用[10，11]已經(jīng)取得了很好的效果。

（5）放電量標(biāo)定問(wèn)題是判斷變壓器局部放電嚴(yán)重程度及絕緣是否受損的關(guān)鍵所在。必須解決如何對(duì)放電量進(jìn)行標(biāo)定的問(wèn)題。

（6）建立一套完整的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要將整個(gè)系統(tǒng)都考慮進(jìn)去。

6 結(jié)束語(yǔ)

局部放電在線監(jiān)測(cè)主要對(duì)變壓器實(shí)施實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，隨著傳感器技術(shù)和信息分析技術(shù)的發(fā)展，將使得變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)的靈敏度、監(jiān)測(cè)精度越來(lái)越高。目前，對(duì)于正在運(yùn)行中的變壓器，由于放電部位很多，無(wú)法逐一實(shí)行監(jiān)測(cè)，需要把監(jiān)測(cè)定位主要放在具有破壞性（包括引起油分解）的局部放電在線監(jiān)測(cè)上。

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