朱學(xué)成,高自偉，姜云龍，王海姣,徐 超

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300000)

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套管局放UHF在線監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)研究及應(yīng)用

朱學(xué)成1,高自偉1，姜云龍2，王海姣1,徐 超1

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300000)

為解決依靠例行和診斷性試驗(yàn)來評(píng)估變壓器套管的絕緣狀態(tài),難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中套管的潛在故障和現(xiàn)有的套管局部放電測(cè)量通過末屏引出信號(hào)安全性差,且易受干擾的問題,提出了基于特高頻信號(hào)的套管局部放電帶電檢測(cè)與時(shí)間差定位方法。闡明了特高頻定位方法的基本原理,并進(jìn)行了仿真計(jì)算及套管實(shí)體缺陷模型局放特性比對(duì)與定位,且通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)在運(yùn)變壓器套管進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,該方法可以辨識(shí)出套管局部放電缺陷類型及放電部位。

套管;特高頻;局部放電;方向定位

套管是變壓器的重要部件之一,因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、緊湊性,會(huì)受到設(shè)計(jì)缺陷、安裝工藝、運(yùn)行工況及環(huán)境因素的影響產(chǎn)生局部過熱、接觸不良、放電,甚至導(dǎo)致套管炸裂、損毀 等[1-7]。這些故障前期都會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象,所以及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象,確定放電部位并排除缺陷是避免發(fā)生套管絕緣故障的有效措施。傳統(tǒng)的測(cè)量方法因測(cè)試安全可靠性低、抗干擾能力差等,使在線檢測(cè)有較大局限性。所以,近年來一些學(xué)者采用閾值法、相關(guān)系數(shù)法、能量累計(jì)法等時(shí)延分析方法[8-12],對(duì)基于特高頻信號(hào)的局部放電進(jìn)行分析,并得到了不同程度的應(yīng)用,但涉及套管局放檢測(cè)和定位的研究較少。

本文結(jié)合套管典型缺陷類型進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)體放電模型的驗(yàn)證,獲得了不同模型下的局放特高頻信號(hào),提出了適合套管局放的時(shí)延分析方法,通過天線陣列采集局放信號(hào),對(duì)套管產(chǎn)生的特高頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)及定位,并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用,為保證變電站和電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供了保障。

1 套管局部放電UHF 信號(hào)傳播特征

1.1 自由空間電磁波傳播理論

局部放電通道由時(shí)間寬度為納秒級(jí)別的脈沖電流產(chǎn)生,并向外輻射電磁波。局部放電通道的直徑和長(zhǎng)度極小,通常是毫米級(jí)別,遠(yuǎn)小于UHF電磁波的波長(zhǎng)(λ)。因此,局部放電的電磁輻射可以用短電偶極子電磁輻射理論來解釋。

短電偶極子是一根長(zhǎng)度(l)極小的短線天線,有l(wèi)?λ,如圖1所示。

圖1 短電偶極子與坐標(biāo)系

可見,電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度均隨著離開場(chǎng)源的距離r的增加而減小,但是各項(xiàng)的減小程度不同。當(dāng)kr?1時(shí),場(chǎng)點(diǎn)P組成的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)。在遠(yuǎn)區(qū)內(nèi),Er≈0,只有2個(gè)有效的場(chǎng)分量Eθ和HΦ,其表達(dá)式可簡(jiǎn)化為

變壓器油單一介質(zhì)中距離與頻率的關(guān)系如表1所示。

表1 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的距離與頻率的關(guān)系

Table 1 Far-field distance region and frequency relationship

頻率/MHz10λ/2π/m3001．605000．9615000．32頻率/MHz10λ/2π/m20000．2430000．16

對(duì)于特高頻(300～3000 MHz)電磁信號(hào)的檢測(cè)范圍而言,只要試品距傳感器1.6 m之外均可認(rèn)為試品處于電磁波傳播的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍,其傳播規(guī)律遵循信號(hào)幅值隨距離成反比的衰減規(guī)律。

1.2 套管末屏接觸不良放電電磁波傳播仿真

采用有限時(shí)域差分法(FDTD)計(jì)算電磁波在套管本體中的傳播路徑和規(guī)律。不同缺陷情況電磁波傳播路徑不同,最終都會(huì)被特高頻天線檢測(cè)到。以套管末屏接觸不良典型缺陷為例,得到的局部放電電磁波傳播仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 t=1.5 ns和t=5 ns末屏接觸不良放電的傳播過程

從圖2仿真過程可以看出,不同時(shí)刻末屏處的放電無法通過防護(hù)罩直接傳播到外部空間,而是通過末屏接線柱小套管進(jìn)入套管油道,進(jìn)而向兩端傳播;末屏處的電磁波信號(hào)沿油道向上傳播時(shí),會(huì)從末屏上方的瓷套處泄漏出去,進(jìn)而向周圍空間傳播;電磁波傳播至電容芯子兩端時(shí),分別會(huì)繞射進(jìn)入電容芯子內(nèi)部繼續(xù)傳播?？傊?油箱中電磁波的傳播速度較慢,傳播距離會(huì)落后于外部空間。

1.3 典型缺陷位置的傳播試驗(yàn)

以套管末屏接觸不良電磁波傳播過程試驗(yàn)驗(yàn)證為例,通過考察到不同位置傳感器的時(shí)延來判別信號(hào)輻射位置。將3個(gè)傳感器以套管為中心水平等間距放置,測(cè)得仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看到,中間傳感器(2號(hào)傳感器)分別領(lǐng)先兩側(cè)傳感器(1、3號(hào)傳感器)1.5 ns和2.0 ns左右,說明信號(hào)輻射位置在3個(gè)傳感器中垂線略偏1號(hào)傳感器上,即套管中垂線偏末屏位置。同理,調(diào)整傳感器高度位置,可以在垂直方向上確定放電位置。

圖3 套管末屏接觸不良試驗(yàn)驗(yàn)證波形首波圖

2 套管典型缺陷局部放電特高頻信號(hào)分析

不同缺陷類型的放電特征不同,因此為識(shí)別放電類型及部位提供了依據(jù)。現(xiàn)以套管頂部接觸不良缺陷為例,進(jìn)行局部放電特高頻信號(hào)時(shí)域分析、頻域分析和相位譜圖分析,其波形如圖4所示。

圖4 套管頂部接觸不良缺陷特高頻信號(hào)波形

通過圖4可以發(fā)現(xiàn):在時(shí)域方面,波形等效時(shí)長(zhǎng)16 ns,首波上升時(shí)間0.1 ns,波形上升時(shí)間0.6 ns,波形下降時(shí)間0.2 ns,峰值0.04 V;頻域方面,套管頂部接觸不良的頻譜比較平均,主要集中在0.6～1.8 GHz左右,平均等效頻寬為1.53 GHz,信號(hào)頻域比較豐富,高頻成分較多;相位譜圖分析方面,局部放電量約為800 pC,主要分布在90°和270°附近,一、三象限,譜圖基本符合空氣中懸浮放電的特征。

對(duì)套管典型的局部放電缺陷模型進(jìn)行檢測(cè)、分析,根據(jù)計(jì)算得到的等效時(shí)長(zhǎng)和等效頻寬信息,繪制出頂部懸浮放電、末屛放電、油中懸浮放電和下瓷套沿面放電4個(gè)典型放電模型的TF譜圖,如圖5所示。

圖5 四種放電模型特高頻信號(hào)TF譜圖

從圖5可以看到,4種放電信號(hào)具有不同的時(shí)頻特征,在TF譜圖中有著顯著的區(qū)別,因此可以作為信號(hào)聚類和分離的依據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

以慶北變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為例驗(yàn)證實(shí)際定位效果。為屏蔽現(xiàn)場(chǎng)通信的干擾,檢測(cè)頻帶選擇1～1.5 GHz。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí),在變壓器附近架設(shè)多通道特高頻測(cè)量設(shè)備,反復(fù)調(diào)整示波器觸發(fā)閾值,尋找疑似局部放電陣列信號(hào)。在確定局放信號(hào)基本特征后,根據(jù)特高頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間先后進(jìn)行特高頻信號(hào)源測(cè)向,確定主變附近特高頻信號(hào)的來源方向及進(jìn)行定位。

在2號(hào)主變正前方定位天線陣列接收到的一組特高頻信號(hào)波形,如圖6所示,疑似放電信號(hào),而天線陣列的中垂線正對(duì)2號(hào)主變110 kV中性點(diǎn)接地刀閘。

將四通道定位陣列布置在接地刀閘附近,定位結(jié)果如表2所示。

由表2可知,放電位置位于接地刀閘支柱頂部。

圖6 2號(hào)主變特高頻信號(hào)時(shí)延示意圖

表2 定位結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)套管典型缺陷開展了特高頻信號(hào)傳播過程仿真,驗(yàn)證了與理論衰減特性的一致性。

2) 分析研究了套管不同部位局部放電特高頻信號(hào)的傳播特征,套管不同部位的局放,特高頻信號(hào)因傳播路徑不同,其波形有不同的形態(tài)特征。

3) 通過變電站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)了多處不同程度不同設(shè)備的局放信號(hào),并進(jìn)行了精確地定位,不僅驗(yàn)證方法有效性還累積了大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)定位經(jīng)驗(yàn)。

4) 采用特高頻方法對(duì)套管局部放電現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)與定位,解決了高壓套管在線監(jiān)測(cè)面臨的安全可靠性低、抗干擾能力差等問題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電源進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的定位。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Study and application of bushing partial discharge online monitoring andlocation based on UHF

ZHU Xuecheng1, GAO Ziwei1, JIANG Yunlong2, WANG Haijiao1, XU Chao1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China;2.Maintenance Company, State Grid Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300000, China)

In order to solve the problems in the evaluation of insulation condition of transformer bushing through routine and diagnostic test, including the difficulty in discovering the hidden fault in the running bushing in time and the poor security of bushing partial discharge measurement of which the signal is educed through end screen, this paper proposed the bushing partial discharge live detection and location by difference of times based on UHF, expounded the basic principle of UHF location, simulated and calculated the method, and compared the located the partial discharge of bushing defect model. The test of the running transformer bushing shows that this method is able to identify the type and location of bushing partial discharge.

bushing; UHF; partial discharge; location

2016-01-01。

朱學(xué)成(1966—),男,高級(jí)工程師,主要從事高電壓技術(shù)方向研究工作。

TM855

A

2095-6843(2016)02-0141-04