廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 李新海 王偉平 陳 昱 梁智康 梁麗麗 陳 權(quán)

局部放電（Partial Discharge，PD，簡(jiǎn)稱局放）是絕緣介質(zhì)區(qū)域中的局部擊穿導(dǎo)致的放電現(xiàn)象，由于局放是絕緣劣化的初始表象，研究局放發(fā)生的情況以及準(zhǔn)確定位局放發(fā)生的位置對(duì)危險(xiǎn)程度評(píng)估和制定相應(yīng)的檢修策略具有重要的意義[1]。

變壓器是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行中必不可少的一個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行部件，其運(yùn)行狀況與設(shè)備質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性[2]。其中，變壓器的絕緣狀態(tài)對(duì)于變壓器整體的運(yùn)行情況又是一大影響因素，由于變壓器在局部放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的光、電、熱以及各種物理、化學(xué)反應(yīng)，使得變壓器絕緣出現(xiàn)老化以及變形等嚴(yán)重問題，由此而引起的大大小小的電力事故已不在少數(shù)。國(guó)內(nèi)外研究表明，變壓器局部放電檢測(cè)和定位已經(jīng)成為保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重中之重。

當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移和電能損耗等現(xiàn)象，變壓器周圍的介質(zhì)還會(huì)出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象，并伴隨著高頻輻射以及超聲波，為局部放電檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)[3]。根據(jù)變壓器局部放電產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，科研人員可以使用與之對(duì)應(yīng)的不同方法來(lái)收集這些信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變壓器進(jìn)行局放檢測(cè)的手段可分為電氣檢測(cè)法和非電氣檢測(cè)法兩大類。電氣檢測(cè)法包括脈沖電流法、特高頻法等；非電氣檢測(cè)法包括油中溶解氣體分析法、超聲波法、光測(cè)法等。脈沖電流法抗干擾能力差，信號(hào)易受干擾，不能實(shí)現(xiàn)局放的定位，目前，脈沖電流法主要用在電氣設(shè)備的型式試驗(yàn)和離線檢修工作中，難以用于電氣設(shè)備PD絕緣缺陷的在線監(jiān)測(cè)[4]。油中溶解氣體分析法雖然不受電磁干擾，但是對(duì)與局放信號(hào)的響應(yīng)較慢，不能及時(shí)的反饋局放信號(hào)；超聲波法可根據(jù)信號(hào)幅值和相位分布對(duì)放電類型和嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷，可對(duì)局部放電信號(hào)精確定位，但超聲波信號(hào)衰減較快，檢測(cè)區(qū)域較小[5]。光測(cè)法對(duì)于所使用的檢測(cè)部件的透明性的要求很強(qiáng)，設(shè)備成本也較高，導(dǎo)致其在實(shí)際檢測(cè)中受限；超聲波法只能對(duì)變壓器外殼周邊的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，且抗干擾能力較差；相對(duì)來(lái)說(shuō)，特高頻法檢測(cè)覆蓋面較廣、對(duì)于局放信號(hào)的靈敏度高且定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)，更適合于對(duì)運(yùn)行中的變壓器內(nèi)部進(jìn)行局部放電的在線監(jiān)測(cè)和精確定位。

本文例舉出了幾種針對(duì)變壓器特高頻局部放電的檢測(cè)方法，分析了它們不同的檢測(cè)技術(shù)，包括檢測(cè)原理、使用現(xiàn)狀等內(nèi)容，同時(shí)基于現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足，提出了一種封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況。

1 特高頻帶電檢測(cè)技術(shù)

1.1 基本原理

特高頻帶電檢測(cè)技術(shù)其主要的檢測(cè)設(shè)備分為兩大塊：信號(hào)采集裝置和局部放電檢測(cè)裝置。變壓器內(nèi)部出現(xiàn)局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生上升/下降沿1ns左右的快速放電脈沖電流，在快速的擊穿過(guò)程中，這些快速脈沖會(huì)在變壓器腔體內(nèi)輻射出300-3000MHz的特高頻信號(hào)。局部放電產(chǎn)生的高階電磁波信號(hào)可以沿著變壓器的金屬結(jié)構(gòu)長(zhǎng)距離的向前傳播，速度較快，近似于光速，并且特高頻信號(hào)可以通過(guò)變壓器設(shè)備上的非鐵磁材料位置擴(kuò)散到外部[6]。由于變電站空氣中電暈干擾的電磁波頻段主要集中在300MHz以下，因此該技術(shù)具有較高的抗干擾能力，能實(shí)現(xiàn)實(shí)際工作中局部放電巡檢、定位及缺陷識(shí)別和診斷[7]。

1.2 局放特高頻傳感器分類及優(yōu)缺點(diǎn)

按照使用時(shí)安裝位置的不同，通?？梢詫⑻馗哳l傳感器大致分為兩類，分別是外置傳感器和內(nèi)置傳感器。外置傳感器在對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，如果存在金屬屏蔽，是無(wú)法有效采集信號(hào)的，因此需提前預(yù)留非金屬澆注口。但是外置傳感器具有安裝拆卸方便、安全性高及經(jīng)濟(jì)成本低的優(yōu)點(diǎn)[8]。

變電站變壓器特高頻局放檢測(cè)傳感器一般采用內(nèi)置傳感器，相較于外置傳感器，由于內(nèi)置傳感器安放在變壓器殼體的內(nèi)部，因此受到的外部電磁干擾很小，幾乎不受影響，這使得檢測(cè)的靈敏度也得到了提高。內(nèi)置式傳感器的頻率響應(yīng)曲線在特高頻段（300MHz～3GHz）范圍內(nèi)幾乎為一條上升的直線，在該頻段范圍內(nèi)具有優(yōu)秀的頻率響應(yīng)特性[9]。但是在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中特高頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象，所以需要間隔一定的距離安裝多個(gè)傳感器，一般至少需要在變壓器的不同位置布置4個(gè)特高頻傳感器，一般是在變壓器檢修手孔和人孔位置安裝，因此對(duì)傳感器制造安裝的工藝要求較高，特別是當(dāng)變壓器結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜時(shí)，安裝難度和成本會(huì)大大提高。

傳感器安裝前需要對(duì)變壓器進(jìn)行停電、排油和濾油處理，安裝完成后還需要對(duì)變壓器進(jìn)行相關(guān)的檢查和試驗(yàn)，這導(dǎo)致施工周期較長(zhǎng)，施工成本較高。在安裝時(shí)還需要注意，不要影響到變壓器原有的電場(chǎng)分布以及絕緣。傳感器感應(yīng)面多采用金屬材料，這導(dǎo)致安裝傳感器后可能對(duì)變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)分布存在影響；為了保證信號(hào)采集，有時(shí)傳感器可能會(huì)出現(xiàn)伸入過(guò)多的情況，從而導(dǎo)致變壓器的絕緣特性降低。因此對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)和安裝要求較高，還需要計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證傳感器的安裝是否對(duì)變壓器的運(yùn)行存在影響。

目前存在一種排油閥型內(nèi)置式傳感器，即利用變壓器油閥作為安裝通道，將傳感器伸入變壓器箱體內(nèi)部，與變壓器油直接接觸后耦合PD產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，該方式可以在變電站現(xiàn)場(chǎng)帶電狀態(tài)或停電狀態(tài)下進(jìn)行安裝和拆卸，是目前已投運(yùn)變壓器PD內(nèi)置式特高頻傳感器最常用的安裝方式[10]，但是監(jiān)測(cè)效果并不理想，原因如下：大部分變壓器的排油閥管路彎曲，很難將傳感器伸入變壓器的內(nèi)部；排油閥內(nèi)部設(shè)有金屬擋板，信號(hào)采集受到阻斷，導(dǎo)致不能有效的采集到的特高頻信號(hào)；排油閥型傳感器只能用于安裝在排油閥為球閥和閘閥的變壓器，對(duì)于蝶閥的變壓器并不適用。

綜上所述，傳感器存在設(shè)計(jì)制造工藝要求高、安裝施工復(fù)雜，且檢測(cè)位置選取困難等問題，這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)變壓器的特高頻局部放電監(jiān)測(cè)研究應(yīng)用停滯不前，較大的限制了特高頻檢測(cè)技術(shù)在變壓器局部放電檢測(cè)的推廣和應(yīng)用。

2 封蓋式變壓器特高頻局放信號(hào)采集

2.1 封蓋式變壓器特高頻局放信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

為了解決信號(hào)采集裝置的安裝施工周期較長(zhǎng)，施工成本較高、設(shè)計(jì)要求高、檢測(cè)位置選擇困難等問題。如圖1和圖2所示，提出了一種封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置，包括裝置外殼和信號(hào)采集器件兩部分。

圖1 封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置外殼

圖2 封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

裝置外殼內(nèi)設(shè)置用于放置信號(hào)采集裝置，由CT二次接線盒蓋板、防水盒底盒和防水盒上蓋組成；通過(guò)三部分的密切安裝達(dá)到密封，實(shí)現(xiàn)防水、防潮、防塵及防小動(dòng)物的作用，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66。CT二次接線盒蓋板表面設(shè)置傳感器感應(yīng)面用于局放信號(hào)的采集，板面設(shè)有四個(gè)蓋板固定螺孔用于信號(hào)采集裝置的固定。信號(hào)采集裝置的尺寸和結(jié)構(gòu)是可以通過(guò)對(duì)CT二次接線盒蓋板的大小的設(shè)計(jì)以及四個(gè)蓋板固定螺孔的孔位設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的變壓器升高座電流互感器二次端子箱的封蓋進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集裝置的通用性和特定性，從而達(dá)到對(duì)多種不同變壓器的信號(hào)采集裝置的匹配和快速安裝，平均等效高度可達(dá)12mm。防水底盒上設(shè)置有特高頻電纜穿線孔，同軸電纜可以通過(guò)此孔將連接信號(hào)檢測(cè)裝置上的同軸電纜接頭，從而傳出信號(hào)。

信號(hào)采集裝置包括N型接頭、三通接頭、過(guò)電壓保護(hù)器和特高頻同軸電纜接頭。過(guò)壓保護(hù)器、三通接、N型接頭連接、特高頻同軸電纜接頭這四個(gè)部件如圖2所示依次連接，其中N型接頭靈敏度為-75dBm～-5dBm、動(dòng)態(tài)范圍70dBm的特高頻檢測(cè)和定位設(shè)備技術(shù)參數(shù)匹配，一方面保證了連接安全可靠以及降低損耗，另一方面實(shí)現(xiàn)變壓器和套管特高頻局放信號(hào)的測(cè)試和定位分析。而特高頻同軸電纜接頭保證了封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置對(duì)電磁波有優(yōu)良的耦合技術(shù)。

N型接頭技術(shù)參數(shù)：接口類型N型公頭，N型接頭匹配阻抗50Ω，適用線徑1/4英寸，阻抗50Ω±1Ω，工作頻段0～18000MHz，衰減度910 MHz典型衰減小于-110dBm，工作溫度-40～85℃。

此封蓋式變壓器局部放電信號(hào)采集裝置技術(shù)參數(shù)、主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下：

傳感器的靈敏度指標(biāo)：傳感器平均等效高度不小于12mm；

傳感器的工作頻帶測(cè)量頻帶范圍：300MHz-1500MHz；

傳感器的信號(hào)接頭：N型母頭；

傳感器的電氣安全性指標(biāo)：傳感器工頻接地電阻≤0.1Ω；

傳感器工頻瞬時(shí)沖擊電流承受能力≥10kA/2ms；

保護(hù)器的工頻接地電阻≤0.1Ω；

保護(hù)器的工頻瞬時(shí)沖擊電流承受能力≥10kA/2ms；

保護(hù)器接入衰減≤1.0dB；

傳感器的特高頻對(duì)地阻抗≥2kΩ；

傳感器的機(jī)械安全性；

抗震動(dòng)能力IEC60068-2-6-Vabration±1g、抗沖擊能力IEC60068-2-7-Shock 15g/11ms、抗擊打能力IEC60068-2-9-Bump 10g/16ms、適應(yīng)壓力-1Bar～10Bar；

傳感器的環(huán)境適應(yīng)性：適應(yīng)的環(huán)境濕度≤95%；適應(yīng)的環(huán)境溫度：-40℃～85℃。傳感器接線端子盒具備防水、防潮、防塵及防小動(dòng)物密封措施，提供方便快捷的安裝接線環(huán)境，防護(hù)等級(jí)IP66。傳感器與N型檢測(cè)接口、靈敏度為-75dBm～-5dBm、動(dòng)態(tài)范圍70dBm的特高頻檢測(cè)和定位設(shè)備技術(shù)參數(shù)匹配，保證可靠安全、低損耗的連接，實(shí)現(xiàn)變壓器和套管特高頻局放信號(hào)的測(cè)試和定位分析。配置靈敏度為-75dBm～-5dBm、動(dòng)態(tài)范圍70dBm的特高頻檢測(cè)設(shè)備，可準(zhǔn)確檢測(cè)到變壓器內(nèi)部不大于100pC的局放信號(hào)。

2.2 封蓋式變壓器特高頻局放信號(hào)采集裝置安裝布置

由于目前運(yùn)行變壓器升高座電流互感器二次接線端子分布固定在環(huán)氧板上，而環(huán)氧板的直徑較大，二次端子件存在較大的間隙，這為信號(hào)采集裝置的安裝提供了足夠的空間，可以將CT二次接線盒蓋板替換原二次端子箱的封蓋安裝在主變壓器升高座電流互感器二次端子箱位置；為了到達(dá)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)變壓器的局部放電，如今很多變壓器在設(shè)計(jì)制造時(shí)都會(huì)預(yù)先留有檢測(cè)口，也就是變壓器預(yù)留特高頻局放測(cè)試接口，是監(jiān)測(cè)局放相對(duì)合適的位置；鐵芯是變壓器中主要的磁路部分，而夾件位于其上下鐵軛的兩側(cè)，在電壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵芯和夾件必須有一點(diǎn)可靠接地，所以鐵芯夾件接地端子接口也是測(cè)量局放的合適位置。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，這三個(gè)位置都可以輻射出特高頻局部放電信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)采集。

本信號(hào)采集裝置可長(zhǎng)期安裝于變壓器套管升高座CT二次端子、變壓器預(yù)留特高頻局部接口及鐵芯夾件接地端子接口以上這三個(gè)位置，通過(guò)信號(hào)采集裝置傳感器感應(yīng)面采集特高頻局部放電信號(hào)的同時(shí)，為信號(hào)采集裝置的安置提供方便快捷的安裝接線環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了安裝信號(hào)采集裝置不影響設(shè)備的運(yùn)行安全。

2.3 局放信號(hào)采集檢測(cè)

封蓋式變壓器信號(hào)采集裝置將長(zhǎng)期安裝在主變壓器套管升高座CT二次端子、變壓器預(yù)留特高頻局部接口及鐵芯夾件接地端子接口以上這三個(gè)位置，通過(guò)傳感器感應(yīng)面采集變壓器的特高頻局部放電信號(hào)，特高頻同軸電纜接頭通過(guò)連接同軸電纜與就地端子箱的標(biāo)準(zhǔn)接口連接，就地端子箱將信號(hào)傳輸?shù)阶儔浩骶植糠烹娦盘?hào)檢測(cè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)變壓器信號(hào)的采集過(guò)程。

其中采用低損耗的同軸電纜作為輸出連接，且同一臺(tái)主變的所有信號(hào)采集裝置的同軸電纜采用等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到適應(yīng)變壓器特高頻局放定位技術(shù)應(yīng)用要求的目的，同軸線纜技術(shù)參數(shù)如下。

內(nèi)導(dǎo)體材料為銅包鋁線，外導(dǎo)體材料為皺紋銅屏蔽，線徑1/4英寸，阻抗50Ω±1Ω，工作頻段0～18000MHz，衰減度在頻率小于1000MHz時(shí)100米同軸電纜衰減小于20dB，工作溫度-40℃～85℃。

3 局部放電測(cè)試

采用上述封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置對(duì)一500kV東莞站#4主變壓器B相進(jìn)行局放測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，在電壓升至1.3U0時(shí)，可以檢測(cè)到一個(gè)持續(xù)性沿面放電缺陷局部放電信號(hào)，幅值約-47.69dBm，信號(hào)密度較大。

分別在以下六個(gè)不同位置同時(shí)對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行采集對(duì)比，測(cè)試設(shè)備的各通道接入情況如下：變中側(cè)手孔處信號(hào)采集裝置接入通道1，中性點(diǎn)CT二次端子盒信號(hào)采集裝置接入通道2，變低CT二次端子盒信號(hào)采集裝置接入通道3，鐵芯夾件端子位置信號(hào)采集裝置接入通道4，變高CT二次端子盒信號(hào)采集裝置接入通道5，變壓器外部（空氣中）信號(hào)采集裝置接入通道6，詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3和圖4。

由圖3和圖4可以得出在鐵芯夾件接地位置傳感器信號(hào)幅值最大，套管升高座位置安裝的信號(hào)采集裝置中中性點(diǎn)套管升高座傳感器信號(hào)幅值最大，即對(duì)局部放電信號(hào)的反應(yīng)靈敏準(zhǔn)確。此封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置在規(guī)定安裝位置可以實(shí)現(xiàn)局部放電的有效監(jiān)測(cè)。

圖3 PRPS圖譜

圖4 PRPD圖譜

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決信號(hào)采集裝置的安裝施工周期較長(zhǎng)，施工成本較高及信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)要求高、很難確定合適的檢測(cè)位置的問題，提出了一種封蓋式變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置。本信號(hào)采集裝置運(yùn)用特高頻信號(hào)耦合技術(shù)，保證其對(duì)電磁波有優(yōu)良的耦合技術(shù)；可根據(jù)不同型號(hào)變壓器的封蓋的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工匹配封板，在保障不影響運(yùn)行安全的前提下，保證傳感器的高靈敏度，對(duì)不同型號(hào)變壓器的高匹配度。信號(hào)采集裝置通過(guò)安裝在變壓器套管升高座CT二次端子、變壓器預(yù)留特高頻局部接口及鐵芯夾件接地端子接口以上這三個(gè)位置，就能監(jiān)測(cè)到變壓器內(nèi)部局部放電信號(hào)，做到了變壓器特高頻局部放電信號(hào)采集裝置的安裝不改變變壓器內(nèi)部電場(chǎng)分布、不伸入變壓器殼體內(nèi)部、不接觸絕緣油、不影響變壓器絕緣特性、安裝過(guò)程中不需要進(jìn)行排油和濾油、信號(hào)采集裝置安裝后不需要對(duì)變壓器檢查和試驗(yàn)，解決了變壓器特高頻局放監(jiān)測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用中信號(hào)采集裝置布置的難題，突破變壓器特高頻局放檢測(cè)技術(shù)發(fā)展瓶頸。