蘇州市軌道交通集團有限公司運營二分公司 石光翔 代寶山 李永清 上海欣影電力科技股份有限公司 高如枝

變壓器主要作用是控制和調控電網電壓，其絕緣情況與電力系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定具有直接作用關系，由于一些客觀因素的存在，其絕緣介質并不總是處于致密狀態(tài)，如氣泡、氣孔、懸浮顆粒物等因素，這些因素會降低變壓器的絕緣性能，從而在運行過程中經常出現(xiàn)局部放電，變壓器長時間處于局部放電狀態(tài)，不對其進行有效處理和解決會導致變壓器放電面積逐漸擴大，降低變壓器的電氣性能，最終造成電力事故，從而導致電力系統(tǒng)無法正常運行。

一些發(fā)達國家供電一次設備的在線監(jiān)測設備已趨于成熟，目前地鐵公司運行的一次設備大部分沒有安裝在線監(jiān)測設備，特別是監(jiān)測一次設備運行缺陷的局放在線監(jiān)測裝置。隨著國家提出建設智慧軌道交通的建設思路，國內已有部分地鐵、部分設備廠家率先試點采用在線監(jiān)測設備，部分地鐵公司也在探索和搭建適用于軌道的交通的在線監(jiān)測系統(tǒng)。雖已取得一定成果，但現(xiàn)有方法在35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測應用中對于放電監(jiān)測不夠精準，存在較大的監(jiān)測誤差，已無法滿足實際需求，為此提出35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測方法。

1 變壓器局部放電監(jiān)測

1.1 變壓器局部放電信號獲取

變壓器局部放電主要發(fā)生在變壓器進線電纜處和變壓器內部，根據(jù)實際需求，此次利用高頻電流傳感器和特高頻傳感器來獲取變壓器兩處放電信號（表1）。

表1 變壓器局部放電信號采集裝置參數(shù)表

變壓器高頻電流傳感器主要用于高壓電力設備的在線監(jiān)測，根據(jù)傳感器的具體用途和空間位置，選擇相應的支架或固定架[1]。在變壓器高頻電流傳感器穿芯式卡裝在變壓器進線電纜本體上，采集該部位放電信號。

現(xiàn)場選1臺動力變壓器進線電纜，各安裝3只高頻電流傳感器（每相安裝1只）進行在線監(jiān)測，共計需要安裝3個高頻電流傳感器[2]。35kV干式變壓器內置特高頻局放傳感器，該傳感器是磁石吸附固定于箱體內壁，可檢測開關柜內部局部放電信號[3]。將特高頻傳感器用強磁吸附或安裝在變壓器箱體內壁，每臺變壓器裝三個監(jiān)測點，高壓側2只、低壓側1只，對角安裝。將高頻電流傳感器與特高頻傳感器采集到的放電信號上傳到計算機上，供后續(xù)放電信號特征提取和識別監(jiān)測計算使用。

1.2 局部放電信號特征提取

35kV干式變壓器局部放電時，局部相位會出現(xiàn)明顯的變化，通過對獲取的局部放電信號濾波、降頻處理，以信號時間域作為橫軸變量、以變壓器電量相位作為縱軸變量，繪制變壓器電量相位分布二維圖譜，局部放電時與正態(tài)情況下變壓器電量相位分布是不同的，其主要區(qū)別可用陡峭度、偏斜度、相互關系數(shù)、局部放電量因數(shù)、相位不對稱度反映出來，因此將該五個統(tǒng)計算子作為局部放電信號特征。

其中陡峭度是指變壓器局部相位分布形狀，相比于正常情況下變壓器相位局部形狀的凸起變化程度，其計算公式為式中：F表示35kV干式變壓器局部相位分布形狀的陡峭度；i表示35kV干式變壓器相位窗數(shù)量；xi表示第i個35kV干式變壓器電量相位分布二維圖譜相位窗的相位；u表示相位分布二維圖譜第i個相位窗內放電事件出現(xiàn)的頻次；g表示相位分布二維圖譜第i個相位窗內放電均值；Δx表示35kV干式變壓器電量相位分布二維圖譜相位窗的寬度；σ表示35kV干式變壓器電量相位分布二維圖譜第 個相位窗內放電事件的平均值[4]。

偏斜度是指35kV干式變壓器局部相位分布形狀，相比于正常情況下變壓器相位局部分布的左右方向偏離程度，其計算公式為式中：T表示35kV干式變壓器局部相位分布形狀的偏斜度；W表示工頻半周內的相位窗數(shù)量[5]。

相位關系數(shù)是反映正負半周內35kV干式變壓器局部相位分布形狀的相似程度，其計算公式為：Q=式中：Q表示變壓器局部相位關系數(shù)；ni表示電量相位分布二維圖譜正半周第i個相位窗內的放電重復率；qi表示電量相位分布二維圖譜負半周第i個相位窗內的放電重復率。

局部放電因數(shù)是反映正負半周內35kV干式變壓器放電差異，其計算公式為式中：C表示35kV干式變壓器局部放電因數(shù)；a1表示電量相位分布二維圖譜正半周相位窗內的平均放電量；di表示電量相位分布二維圖譜負半周相位窗內的平均放電量。

相位不對稱度可以反映出局部放電的起始相位差別，其計算公式為：K=Ψ-/Ψ+，式中：K表示35kV干式變壓器局部相位不對稱度；Ψ-表示35kV干式變壓器局部相位分布圖譜負半周放電起始相位角；Ψ+表示35kV干式變壓器局部相位分布圖譜正半周放電起始相位角。將獲取的局部放電信號帶入到上述公式中，對五個統(tǒng)計算子進行計算，提取到五個變壓器局部放電特征。

1.3 局部放電識別及監(jiān)測

利用識別算法對提取到的局部放電特征進行綜合分析，計算出變壓器局部放電系數(shù)值，其計算公式為式中：γ表示35kV干式變壓器局部放電系數(shù)值；m表示提取的特征因子數(shù)量；k表示歸一化指數(shù)；w表示特征因子權重值。

利用上述公式計算出變壓器局部放電系數(shù)，根據(jù)變壓器實際情況設定一個局部放電閾值，如計算到的局部放電系數(shù)小于該閾值，則表示監(jiān)測區(qū)域當前不存在局部放電；如計算到的局部放電系數(shù)大于該閾值，則表示監(jiān)測區(qū)域當前存在局部放電。對于識別到的局部放電故障進行監(jiān)測，根據(jù)變壓器局部放電監(jiān)測需求設計監(jiān)測算法，該算法是以聲-聲雙曲面數(shù)學理論作為理論依據(jù)，根據(jù)傳感器與放電源的相對位置，以其中一個傳感器作為基準傳感器，根據(jù)每個傳感器接收到超聲波信號時間確定放電源位置。

如圖1所示，假設安裝在變壓器上的傳感器分別為 1、 2、 3、 4，已知四個傳感器位置，放電源為R，根據(jù)超聲波信號傳播速度和時間計算出傳感器與放電源之間的距離：h=vt，式中：h表示傳感器與放電源之間的距離；v表示信號傳播速度；t表示信號傳播時間。

以A1為基準傳感器，已知超聲波信號接收時刻，計算出不同傳感器之間信號傳播時間差：s=t1-t2，式中：s表示不同傳感器之間信號傳播時間差；t1表示基準傳感器信號接收時刻；t2表示其他傳感器信號接收時刻。根據(jù)雙曲線監(jiān)測原理，則可以求出變壓器局部放電位置，其計算公式為：

式中：x、y、z分別表示35kV干式變壓器局部放電源的橫坐標、縱坐標和斜坐標；x1、y1、z1分別表示基準傳感器的坐標值；x＊、y＊、y＊表示其與傳感器的坐標和。利用以上設計的監(jiān)測算法對變壓器局部放電位置進行定位監(jiān)測，以此完成了變壓器局部放電監(jiān)測。

2 實驗論證分析

為驗證此次提出的35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測思路的可行性與可靠性，選取某城市軌道交通35kV干式變壓器為監(jiān)測對象，該變壓器規(guī)格為3000mm×1500mm×1550mm，由于該變壓器使用時間較長，部分區(qū)域已出現(xiàn)老化現(xiàn)象，經常出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，故利用此次設計方法與傳統(tǒng)方法對該35kV干式變壓器進行局部放電監(jiān)測。

根據(jù)該35kV干式變壓器實際情況，準備了特高頻局放傳感器與高頻電流傳感器各兩個，其安裝坐標分別為（0，265，458）、（1560，0，765）、（869，1426，0）、（2000，693，248），其中以第一個特高頻傳感器為基準傳感器位置，將特高頻局放傳感器的傳感頻率設定為1.26Hz、采樣周期設定為0.12s、靈敏度設定為4.5，將高頻電流傳感器傳感頻率設定為1.26Hz、采樣周期設定為1.2s、靈敏度設定為5，按照說明書將高頻電流傳感器和特高頻傳感器進行安裝和調試，實驗中高頻電流傳感器采集到0.26GB信號，特高頻傳感器采集到2.16GB超聲波信號，得到的35kV干式變壓器局部放電信號圖如圖2。

信號的采樣頻率為4.56MHz，采樣點數(shù)為1600點，幅值為10~30mV，將采集到的信號將其作為實驗數(shù)據(jù)樣本，通過對數(shù)據(jù)處理、分析，共監(jiān)測到48個局部放電，其中包括懸浮放電、針板放電、沿面放電及氣隙放電，隨機選取8個局部放電監(jiān)測結果，將其與實際局部放電情況進行對比，計算出兩種方法局部放電監(jiān)測誤差，將其作為兩種方法精度評價指標，使用電子表格對數(shù)據(jù)進行記錄（表2）。

通過對表2中數(shù)據(jù)分析可得出：設計方法對35kV干式變壓器局部放電源監(jiān)測誤差較小，最大誤差僅為1.36mm、最小監(jiān)測誤差僅為0.89mm，平均監(jiān)測誤差為1.03mm，數(shù)值較小、基本可忽略不計，設計方法可將監(jiān)測誤差控制在1.5mm以內，表示設計方法具有較高的變壓器局部放電監(jiān)測精度，監(jiān)測結果基本與實際情況相符。而傳統(tǒng)方法對于35kV干式變壓器局部放電源監(jiān)測誤差相對較大，最大誤差為29.34mm、最小監(jiān)測誤差為20.26mm、平均監(jiān)測誤差為25.48mm，遠高于設計方法，因此實驗結果證明了在精度方面設計方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，相比傳統(tǒng)方法更適用于35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測。

表2 兩種方法變壓器局部放電監(jiān)測誤差對比（mm）

3 結語

針對傳統(tǒng)方法存在的弊端和不足提出一條新的35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測思路，有效降低了變壓器局部放電源監(jiān)測誤差，提高了35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測精度，以及提高35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測技術水平，此次研究具有良好的現(xiàn)實意義。但由于此次研究時間有限，提出的監(jiān)測方法尚未在實際應用中進行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會對35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測方法優(yōu)化進行探究，為35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測提供有力的理論支撐。