蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)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(diào)控電網(wǎng)電壓，其絕緣情況與電力系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定具有直接作用關(guān)系，由于一些客觀因素的存在，其絕緣介質(zhì)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(huì)降低變壓器的絕緣性能，從而在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)局部放電，變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于局部放電狀態(tài)，不對(duì)其進(jìn)行有效處理和解決會(huì)導(dǎo)致變壓器放電面積逐漸擴(kuò)大，降低變壓器的電氣性能，最終造成電力事故，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

一些發(fā)達(dá)國(guó)家供電一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備已趨于成熟，目前地鐵公司運(yùn)行的一次設(shè)備大部分沒(méi)有安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，特別是監(jiān)測(cè)一次設(shè)備運(yùn)行缺陷的局放在線監(jiān)測(cè)裝置。隨著國(guó)家提出建設(shè)智慧軌道交通的建設(shè)思路，國(guó)內(nèi)已有部分地鐵、部分設(shè)備廠家率先試點(diǎn)采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)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(cè)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(cè)應(yīng)用中對(duì)于放電監(jiān)測(cè)不夠精準(zhǔn)，存在較大的監(jiān)測(cè)誤差，已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，為此提出35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)方法。

1 變壓器局部放電監(jiān)測(cè)

1.1 變壓器局部放電信號(hào)獲取

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

表1 變壓器局部放電信號(hào)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(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)傳感器的具體用途和空間位置，選擇相應(yīng)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(jìn)線電纜本體上，采集該部位放電信號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)選1臺(tái)動(dòng)力變壓器進(jìn)線電纜，各安裝3只高頻電流傳感器（每相安裝1只）進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，共計(jì)需要安裝3個(gè)高頻電流傳感器[2]。35kV干式變壓器內(nèi)置特高頻局放傳感器，該傳感器是磁石吸附固定于箱體內(nèi)壁，可檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電信號(hào)[3]。將特高頻傳感器用強(qiáng)磁吸附或安裝在變壓器箱體內(nèi)壁，每臺(tái)變壓器裝三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，高壓側(cè)2只、低壓側(cè)1只，對(duì)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(hào)上傳到計(jì)算機(jī)上，供后續(xù)放電信號(hào)特征提取和識(shí)別監(jiān)測(cè)計(jì)算使用。

1.2 局部放電信號(hào)特征提取

35kV干式變壓器局部放電時(shí)，局部相位會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，通過(guò)對(duì)獲取的局部放電信號(hào)濾波、降頻處理，以信號(hào)時(shí)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(shí)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(guān)系數(shù)、局部放電量因數(shù)、相位不對(duì)稱(chēng)度反映出來(lái)，因此將該五個(gè)統(tǒng)計(jì)算子作為局部放電信號(hào)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(jì)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(gè)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(gè)相位窗內(nèi)放電事件出現(xiàn)的頻次；g表示相位分布二維圖譜第i個(gè)相位窗內(nèi)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(gè)相位窗內(nèi)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(jì)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(nèi)的相位窗數(shù)量[5]。

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

局部放電因數(shù)是反映正負(fù)半周內(nèi)35kV干式變壓器放電差異，其計(jì)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(nèi)的平均放電量；di表示電量相位分布二維圖譜負(fù)半周相位窗內(nèi)的平均放電量。

相位不對(duì)稱(chēng)度可以反映出局部放電的起始相位差別，其計(jì)算公式為：K=Ψ-/Ψ+，式中：K表示35kV干式變壓器局部相位不對(duì)稱(chēng)度；Ψ-表示35kV干式變壓器局部相位分布圖譜負(fù)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(hào)帶入到上述公式中，對(duì)五個(gè)統(tǒng)計(jì)算子進(jìn)行計(jì)算，提取到五個(gè)變壓器局部放電特征。

1.3 局部放電識(shí)別及監(jiān)測(cè)

利用識(shí)別算法對(duì)提取到的局部放電特征進(jìn)行綜合分析，計(jì)算出變壓器局部放電系數(shù)值，其計(jì)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(quán)重值。

利用上述公式計(jì)算出變壓器局部放電系數(shù)，根據(jù)變壓器實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)局部放電閾值，如計(jì)算到的局部放電系數(shù)小于該閾值，則表示監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)前不存在局部放電；如計(jì)算到的局部放電系數(shù)大于該閾值，則表示監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)前存在局部放電。對(duì)于識(shí)別到的局部放電故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)變壓器局部放電監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)算法，該算法是以聲-聲雙曲面數(shù)學(xué)理論作為理論依據(jù)，根據(jù)傳感器與放電源的相對(duì)位置，以其中一個(gè)傳感器作為基準(zhǔn)傳感器，根據(jù)每個(gè)傳感器接收到超聲波信號(hào)時(shí)間確定放電源位置。

如圖1所示，假設(shè)安裝在變壓器上的傳感器分別為 1、 2、 3、 4，已知四個(gè)傳感器位置，放電源為R，根據(jù)超聲波信號(hào)傳播速度和時(shí)間計(jì)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(hào)傳播速度；t表示信號(hào)傳播時(shí)間。

以A1為基準(zhǔn)傳感器，已知超聲波信號(hào)接收時(shí)刻，計(jì)算出不同傳感器之間信號(hào)傳播時(shí)間差：s=t1-t2，式中：s表示不同傳感器之間信號(hào)傳播時(shí)間差；t1表示基準(zhǔn)傳感器信號(hào)接收時(shí)刻；t2表示其他傳感器信號(hào)接收時(shí)刻。根據(jù)雙曲線監(jiān)測(cè)原理，則可以求出變壓器局部放電位置，其計(jì)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(biāo)、縱坐標(biāo)和斜坐標(biāo)；x1、y1、z1分別表示基準(zhǔn)傳感器的坐標(biāo)值；x＊、y＊、y＊表示其與傳感器的坐標(biāo)和。利用以上設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)算法對(duì)變壓器局部放電位置進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，以此完成了變壓器局部放電監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證此次提出的35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)象，該變壓器規(guī)格為3000mm×1500mm×1550mm，由于該變壓器使用時(shí)間較長(zhǎng)，部分區(qū)域已出現(xiàn)老化現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，故利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該35kV干式變壓器進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)。

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

信號(hào)的采樣頻率為4.56MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1600點(diǎn)，幅值為10~30mV，將采集到的信號(hào)將其作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理、分析，共監(jiān)測(cè)到48個(gè)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(jī)選取8個(gè)局部放電監(jiān)測(cè)結(jié)果，將其與實(shí)際局部放電情況進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出兩種方法局部放電監(jiān)測(cè)誤差，將其作為兩種方法精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用電子表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄（表2）。

通過(guò)對(duì)表2中數(shù)據(jù)分析可得出：設(shè)計(jì)方法對(duì)35kV干式變壓器局部放電源監(jiān)測(cè)誤差較小，最大誤差僅為1.36mm、最小監(jiān)測(cè)誤差僅為0.89mm，平均監(jiān)測(cè)誤差為1.03mm，數(shù)值較小、基本可忽略不計(jì)，設(shè)計(jì)方法可將監(jiān)測(cè)誤差控制在1.5mm以?xún)?nèi)，表示設(shè)計(jì)方法具有較高的變壓器局部放電監(jiān)測(cè)精度，監(jiān)測(cè)結(jié)果基本與實(shí)際情況相符。而傳統(tǒng)方法對(duì)于35kV干式變壓器局部放電源監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)較大，最大誤差為29.34mm、最小監(jiān)測(cè)誤差為20.26mm、平均監(jiān)測(cè)誤差為25.48mm，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在精度方面設(shè)計(jì)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(cè)。

表2 兩種方法變壓器局部放電監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比（mm）

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(cè)思路，有效降低了變壓器局部放電源監(jiān)測(cè)誤差，提高了35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)精度，以及提高35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，此次研究具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。但由于此次研究時(shí)間有限，提出的監(jiān)測(cè)方法尚未在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會(huì)對(duì)35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)方法優(yōu)化進(jìn)行探究，為35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)提供有力的理論支撐。