顧菁，吳勇勇，應(yīng)浩達(dá)，康小平

(浙江寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315000)

1 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸送和變換電能的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓、電流的轉(zhuǎn)換以及功率傳輸?shù)娜蝿?wù)，所以電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的供電元件，同時大容量的電力變壓器也是十分貴重的高壓電氣設(shè)備，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［1］。

變壓器故障定位的目的是預(yù)防、消除故障，發(fā)揮設(shè)備能力，制定合理維修制度，減少維修費用，提高變壓器可靠性，延長變壓器使用期等。其任務(wù)是借助于現(xiàn)代測試、監(jiān)控和計算機(jī)分析等手段，對變壓器進(jìn)行監(jiān)測，分析變壓器的技術(shù)參數(shù)，診斷其故障的起因和性質(zhì)，并預(yù)測故障趨勢，從而提高變壓器可靠性，預(yù)防故障及重大事故，指導(dǎo)設(shè)備管理，改革維修制度。利用故障檢測技術(shù)可以早發(fā)現(xiàn)故障征兆和原因，有利于及早排除故障和安全隱患，避免不必要的損失，因而具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2 電暈檢測研究現(xiàn)狀

電力變壓器產(chǎn)生局部放電時伴有電脈沖、電磁輻射、聲、光、熱以及放電導(dǎo)致絕緣材料分解出氣體等現(xiàn)象，并引起局部過熱等化學(xué)和物理反應(yīng)，原理上這些現(xiàn)象若能檢測，均可以作為局部放電缺陷的指示。鑒于電力變壓器局部放電定位研究的重要性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量卓有成效的研究工作。目前，常見的局放定位方法包括光定位法、電氣定位法、特高頻電磁波定位法、射線激勵定位方法以及超聲波定位法等［2］。

2.1 光定位法

光定位法是通過提取局部放電超聲信號傳播到光纖上時光纖的形變信號來檢測局部放電。該方法測量時，光信號不受電磁干擾靈敏度高可以方便的確定局部放電位置。但由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光纖的埋法復(fù)雜而且目前光纖傳感器的分辨率尚不能滿足工程需要。

2.2 電氣定位法

電氣定位法是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的電脈沖傳播到測量端的特性來確定放電源的空間位置。電氣法確定的位置為局部放電發(fā)生的電氣位置。

當(dāng)變壓器內(nèi)部某一點發(fā)生局部放電時，將會在這一點產(chǎn)生一個陡脈沖沿繞組向兩端傳播，一般可以從各個繞組出線套管的末屏接地線、外殼接地引下線以及中性點接地線等少數(shù)幾個測量端獲得局部放電信號。由于變壓器可近似等效成一個電容梯形網(wǎng)絡(luò)，因此在放電開始的瞬間，繞組的兩端就會出現(xiàn)局部放電陡脈沖的電容傳遞分量，該放電脈沖包含了局部放電定位所需的有用信息，具體表現(xiàn)為信號能量和幅值的衰減，波形的畸變和延時等，通過測量這個分量，并找到兩個電容分量與繞組上位置的一一對應(yīng)關(guān)系，以確定局部放電的位置。早期的研究表明，通常情況下，變壓器繞組普遍存在三個頻率特性范圍，在不同頻率范圍內(nèi)，變壓器繞組的傳輸特性不同，具體為在低頻范圍內(nèi)(0～0.01MHz)局部放電信號的傳輸以電磁波形式為主，中頻范圍(0.01～0.1MHz)以振蕩形式為主，高頻范圍(0.1～10MHz)以電容分量傳輸為主。因此，在測量端測得的局部放電信號通常由三部分組成，分別為行波分量，即以電磁波的形式傳播的分量振蕩分量，即由繞組的共振引起的分量電容性分量，即通過電容梯形網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆至俊?/p>

根據(jù)以上電氣傳播特性原理建立起來的電氣定位方法有許多種，傳統(tǒng)的電氣定位法有起始電壓法、多端測量定位法、極性法、行波法、電容分量法等幾種。隨著對變壓器繞組傳輸特性研究的深入以及數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了改進(jìn)的電容分量法與數(shù)字濾波技術(shù)相結(jié)合和端點電流脈沖頻譜分析法。

盡管對變壓器繞組特性的研究較多，但到目前為止，實際中很少采用電氣法。其主要原因在于首先，變壓器繞組精確建模難度較大，工作繁瑣，通用性差其次，由于變壓器繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜和局部放電發(fā)生部位的不同，傳播到繞組端部的脈沖規(guī)律性不強(qiáng)，其定位準(zhǔn)確性不高。而且由于現(xiàn)場強(qiáng)烈的電磁干擾的影響，電氣定位法難以有效地在線應(yīng)用。

2.3 X射線激勵定位法

X射線照射絕緣介質(zhì)中的氣隙可使間隙中的氣體電離，產(chǎn)生間隙放電所必需的初始電子，從而加強(qiáng)了介質(zhì)中的局部放電。其效果表現(xiàn)為局部放電的重復(fù)率、放電脈沖的幅值增加。另外，射線照射到金屬導(dǎo)體表面，尤其是場強(qiáng)集中的尖狀金屬表面時，可加強(qiáng)金屬導(dǎo)體表面電子的逸出，這些電子也可加強(qiáng)介質(zhì)中的局部放電。調(diào)整射線照射被試品的方位，并檢測這種因射線照射作用產(chǎn)生的局部放電信號，便可進(jìn)行局部放電的定位。

2.4 特高頻定位法

特高頻定位法是通過檢測變壓器局部放電的特高頻電磁波信號來獲得局部放電信息，并利用時延關(guān)系實現(xiàn)定位的。特高頻定位法在進(jìn)行變壓器局部放電檢測時，現(xiàn)場干擾信號的頻譜范圍一般小于300MHz，且在空氣中傳播，衰減很大。若檢測局部放電產(chǎn)生的數(shù)百MHz以上的電磁波信號，則可有效避開電暈等干擾，提高信噪比。

2003年至今，華北電力大學(xué)高壓所在特高頻定位方法的基礎(chǔ)上，提高檢測頻帶(1～10GHz)并優(yōu)化定位方法［3］，對采用超寬帶射頻檢測的多傳感器檢測定位技術(shù)進(jìn)行了開創(chuàng)性的探索研究，通過理論仿真和試驗室模型試驗研究了變壓器鐵芯、繞組和油紙復(fù)合絕緣對局部放電輻射的超寬帶電磁波信號傳播的影響，研究發(fā)現(xiàn)鐵芯等大尺寸障礙物對局部放電射頻電磁波信號造成嚴(yán)重的衰減和畸變，使得難以直接依據(jù)費瑪最短光程原理進(jìn)行放電源的定位而線圈的多油隙結(jié)構(gòu)則有利于電磁波以近直線路徑傳播油紙絕緣主要是對電磁波傳播速度的產(chǎn)生一定影響，而引起的衰減和畸變卻很小。在此基礎(chǔ)上提出了基于超寬帶射頻傳感器陣列定位方法，并通過模型試驗驗證了采用該方法進(jìn)行變壓器定位的可行性。研究者在前期實驗研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了射頻定位傳感器，建立模擬實際變壓器結(jié)構(gòu)且易于開展實驗室研究的變壓器局部放電定位試驗平臺并分別在此平臺上和真實的220kV變壓器試品上開展基于超寬帶射頻定位技術(shù)的局部放電源定位研究(如圖1所示)，改進(jìn)了時間差定位算法并提出適用于真實變壓器局部放電源故障定位的合理波速值，從而進(jìn)一步完善了超寬帶射頻定位技術(shù)。

圖1 UHF檢測傳感器與陣列布置

在傳感器現(xiàn)場布置方面，現(xiàn)有技術(shù)通常將信號處理單元布置在變壓器附近，處理后的信號通過光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送到變電站控制中心，UHF傳感器和信號處理單元布置位置如圖2所示。

圖2 UHF傳感器現(xiàn)場布置

2.5 超聲波定位法

超聲波定位方法是年代開始發(fā)展，年代趨于成熟的一種局部放電定位方法，目前這種方法己得到比較廣泛的應(yīng)用。其基本原理是當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，會產(chǎn)生電磁波、放電脈沖和超聲波等信號，不同放電類型的頻譜特性如表1所示。超聲波在變壓器中的不同介質(zhì)中傳播油紙、繞組和隔板等，到達(dá)固定在變壓器油箱壁卜的超聲傳感器。通過多個超聲傳感器測量不同傳感器測量到信號的時間延時，經(jīng)過定位算法的計算，就能夠確定局放源的位置，超聲波陣列傳感器如圖3所示。根據(jù)基準(zhǔn)信號的不同，超聲波定位又可分為利用放電產(chǎn)生的電脈沖信號和超聲信號之間的時延的電一聲定位方法和直接利用各超聲信號的時延進(jìn)行定位的聲一聲定位方法兩類。在超聲波定位中，定位算法是能否進(jìn)行準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。目前，常用的定位算法有順序定位算法、球面定位法、雙曲面定位算法、模式識別定位法和遺傳算法等。

表1 各種模型放電超聲波信號的頻譜特性

盡管人們對超聲波定位方法做了大量研究，發(fā)展了多種定位方法，并對其進(jìn)行了許多改進(jìn)，但仍然難以進(jìn)行準(zhǔn)確和有效的定位。主要原因是:①變壓器內(nèi)各種聲介質(zhì)，尤其是油箱外殼對超聲波信號的衰減非常嚴(yán)重，而超聲波傳感器的靈敏度較低，由此導(dǎo)致超聲方法難以有效地檢測信號，造成無法定位或定位不準(zhǔn);②變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲波信號在不同介質(zhì)中的等值聲速難以準(zhǔn)確確定，加之定位算法不盡完善，造成定位不準(zhǔn);③超聲波傳感器所檢測到的信號持續(xù)時間一般為數(shù)百微秒左右，當(dāng)兩次放電的時間間隔小于數(shù)百微秒時，所測到的超聲波信號在時間上相互疊加，難以分辨。因此，當(dāng)放電密集或存在多點放電時，超聲波探頭檢測的放電信號是由多次放電復(fù)雜疊加的波形，難以清晰地對草次脈沖進(jìn)行分辨，因此無法解決多放電點定位的問題。

圖3 超聲波陣列傳感器

3 結(jié)論

本文介紹了包括光定位法、電氣定位法、射線激勵定位法、特高頻電磁波定位法以及超聲波定位法在內(nèi)的多種變壓器局放定位方法。通過比較分析，認(rèn)為特高頻電磁波定位法和超聲波定位法更適合于現(xiàn)場應(yīng)用，之后分別闡述了這兩種方法傳感器的布置方式和存在的問題。

［1］邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［2］劉云鵬，律方成，李成榕，等.基于多導(dǎo)體傳輸線模型的單相變壓器繞組中放電的距離函數(shù)法定位［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(1)，115－120.

［3］王偉，唐志國，李成榕，等.用法檢測電力變壓器局部放電的研究［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(10):32 －34.