席 禹，林 冬，于 力，陳 波

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

大氣過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、多次短路沖擊的積累效應(yīng)和長(zhǎng)期工頻電壓下的局部放電（PD）都會(huì)造成變壓器損壞。絕緣介質(zhì)的局部放電雖然能量小，但由于長(zhǎng)時(shí)間存在，會(huì)對(duì)絕緣材料產(chǎn)生持續(xù)破壞作用，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。因此，研究電力變壓器局部放電源定位技術(shù)是十分必要的，可以快速排查電力變壓器局部放電原因，消除安全隱患。

局部放電檢測(cè)有許多方法[1-3]，包括溶解氣體分析法（dissolved gas analysis，DGA）[4]、射頻法（radio frequency，RF）[5]、聲學(xué)法[6]和電測(cè)法[7-9]，每種局部放電檢測(cè)方法都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。為了利用每種方法的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們開(kāi)始研究多種檢測(cè)方法的組合測(cè)量。文獻(xiàn)[10]結(jié)合了射頻法和電測(cè)法來(lái)檢測(cè)PD源的特性；文獻(xiàn)[5]利用RF射頻傳感器進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，以改進(jìn)PD源定位。此外，還有很多檢測(cè)局部放電源的研究：文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)不同位置采集的電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析來(lái)檢測(cè)不同PD源的位置；文獻(xiàn)[4]通過(guò)采集兩個(gè)射頻傳感器信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)判斷可能存在的PD源。還有一些研究方法是通過(guò)比較射頻局部放電信號(hào)特征來(lái)區(qū)分不同的局部放電源，包括小波相似函數(shù)法[12-13]和局部放電信號(hào)包絡(luò)線分析法[14-17]。但上述方法都需要多個(gè)傳感器來(lái)確定局部放電源。

由此可見(jiàn)，目前局部放電源檢測(cè)方法大多通過(guò)多個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了降低成本，本文通過(guò)研究PD源特征識(shí)別的理論基礎(chǔ)，提出采用單個(gè)超高頻（UHF）傳感器來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別單個(gè)局部放電源的方法，介紹用于比較UHF PD信號(hào)之間相似度最大相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法，并在變壓器油中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)球放電（point to sphere discharge，PS）、表面放電（surface discharge，SD）、懸浮電位放電（floating potential discharge，F(xiàn)P）3類局部放電試驗(yàn)，驗(yàn)證支持該計(jì)算方法的5個(gè)條件，進(jìn)而證明該計(jì)算方法的可行性。

1 UHF識(shí)別局部放電源理論

A AKBARI等[18]指出，頻率為300 MHz～2 GHz的電磁波在油中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為100～700 mm。為了獲得最佳靈敏度，輻射源的最小尺寸應(yīng)為目標(biāo)波長(zhǎng)的一半，即50～350 mm，其大小遠(yuǎn)大于典型PD源。這一理論隨后由SHI L R等[5]進(jìn)行擴(kuò)展，證明了在局部放電源處產(chǎn)生的高頻電流能發(fā)射相應(yīng)的UHF局部放電信號(hào)。超高頻局部放電的初始輻射行為取決于高壓源和局部放電源之間的結(jié)構(gòu)，而不是放電源本身。

UHF局部放電信號(hào)具有放電場(chǎng)的特征。當(dāng)信號(hào)通過(guò)變壓器油箱內(nèi)的各種介質(zhì)傳播時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的畸變[19]，該畸變信號(hào)由放電位置和UHF傳感器位置決定。因此，固定位置的單個(gè)傳感器記錄局部放電信號(hào)應(yīng)與其PD源位置高度相關(guān)，而且相關(guān)性應(yīng)隨著PD源或UHF傳感器位置的變化而迅速減小。

統(tǒng)計(jì)任意兩個(gè)UHF PD信號(hào)之間的相關(guān)性，可以用采樣互相關(guān)法[20-21]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效處理數(shù)據(jù)采集信號(hào)的變化。

2 實(shí)驗(yàn)方法

理論研究表明，單個(gè)UHF傳感器可用于準(zhǔn)確識(shí)別單個(gè)局部放電源。為了驗(yàn)證這一方法的可行性，處理后的局部放電信號(hào)與局部放電類型和大小無(wú)關(guān)，與結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒕植糠烹妭鬏斅窂胶蛡鞲衅魑恢糜嘘P(guān)，即需要滿足以下5個(gè)條件：①歸一化后，超高頻局部放電信號(hào)與局部放電源信號(hào)振幅無(wú)關(guān)；②超高頻局部放電信號(hào)與局部放電源的類型無(wú)關(guān)；③超高頻局部放電信號(hào)包含了從局部放電源到超高頻傳感器傳播過(guò)程中所特有的畸變特性；④接收到的超高頻局部放電信號(hào)取決于超高頻探頭方向；⑤超高頻局部放電信號(hào)在變壓器結(jié)構(gòu)位置中具有特定的信號(hào)特征。

為了驗(yàn)證這5個(gè)條件，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置包括高壓電源和3個(gè)位于裝滿礦物油的玻璃罐內(nèi)的PD源，高壓電源可通過(guò)總線分別連接到3個(gè)局部放電源，玻璃罐長(zhǎng)度為0.68 m（x軸）、寬度為0.50 m（y軸）、高為0.52 m（z軸），如圖1所示。PD源類型分別為點(diǎn)對(duì)球放電（PS）、表面放電（SD）和懸浮電位放電（FP），如圖2所示。點(diǎn)對(duì)球放電源由夾在高壓點(diǎn)電極、接地球形電極及二者之間的絕緣板組成；表面放電源的絕緣板與高壓電極和接地電極緊密接觸；懸浮電位放電源的高壓電極與接地電極之間由絕緣板和懸浮導(dǎo)體之間的間隙隔開(kāi)。

圖1 玻璃罐內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device in glass jar

圖2 3個(gè)局部放電源Fig.2 Three partical discharge sources

使用頻率范圍為300 MH～3 GHz的UHF探頭檢測(cè)UHF局部放電信號(hào)，如圖3所示。探頭專為標(biāo)準(zhǔn)DN80油閥設(shè)計(jì)。探頭置于空氣中，與試驗(yàn)箱外部保持規(guī)定距離。UHF探頭相對(duì)于PS源的參考位置為x=-1 140 mm、z=-1 100 mm，方向?yàn)檠豿軸的探頭方向?yàn)?°。探頭連接到3 GHz LeCroy Wavepro 7300示波器，采樣率為10 GS/s。圖4和圖5分別為時(shí)域和頻域中PS放電示意圖，可以看出，放電時(shí)間在300 ns以內(nèi)，放電能量集中在低于1.0 GHz頻段內(nèi)。1 μs的捕獲周期由時(shí)域局部放電和環(huán)境噪聲之間的信噪比決定。

圖3 適用于標(biāo)準(zhǔn)DN80油閥的UHF探頭Fig.3 UHF probe suitable for standard DN80 oil valves

圖4 PS-UHF時(shí)域局部放電Fig.4 PS-UHF time domain partial discharge

圖5 PS-UHF頻域局部放電Fig.5 PS-UHF frequency domain partial discharge

實(shí)驗(yàn)裝置還包括基于IEC 60270:2015的局部放電電氣測(cè)量的Omicron MPD系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于監(jiān)測(cè)視在電荷，為PD強(qiáng)度提供參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 UHF局部放電信號(hào)與PD源信號(hào)振幅無(wú)關(guān)

為驗(yàn)證條件1，對(duì)3個(gè)局部放電源隨機(jī)捕獲UHF局部放電信號(hào)，同時(shí)通過(guò)Omicron MPD系統(tǒng)對(duì)視在電荷值進(jìn)行電氣監(jiān)測(cè)。PS的表觀電荷范圍在50～500 pC之間，F(xiàn)P和SD的表觀電荷范圍在700～10 000 pC之間。

為了證實(shí)條件①的準(zhǔn)確性，無(wú)論表觀電荷值如何，歸一化UHF PD信號(hào)之間的最大相關(guān)系數(shù)應(yīng)接近于1。表1～3中以對(duì)稱矩陣形式給出了5個(gè)FPUHF、PS-UHF和SD-UHF局部放電的時(shí)域結(jié)果。從表1～3可以發(fā)現(xiàn)，在每種情況下，矩陣中最大相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均值μ都超過(guò)了0.9，標(biāo)準(zhǔn)差很?。é摇?.05），說(shuō)明歸一化UHF PD信號(hào)間的高度相關(guān)性，從而驗(yàn)證條件①的準(zhǔn)確性。

表1 時(shí)域中FP-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.904，σ=0.050)Tab.1 Maximum correlation coefficient of FP-UHF PD samples in time domain(μ=0.904,σ=0.050)

表2 時(shí)域中PS-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.913，σ=0.048)Tab.2 Maximum correlation coefficient of PS-UHF PD samples in time domain(μ=0.913,σ=0.048)

表3 時(shí)域中SD-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.905，σ=0.049)Tab.3 Maximum correlation coefficient of SD-UHF PD samples in time domain(μ=0.905,σ=0.049)

此外，還對(duì)局部放電頻域響應(yīng)之間的相關(guān)性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表4～6所示。從表4～6可以看出，與時(shí)域不同，頻域計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值較小，標(biāo)準(zhǔn)差較大。這一結(jié)果表明，雖然在頻域中仍然存在一定的相關(guān)性，但通過(guò)在時(shí)域中應(yīng)用相關(guān)算法，可以顯著提高辨別度。

表4 頻域中FP-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.878，σ=0.067)Tab.4 Maximum correlation coefficient of FP-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.878,σ=0.067)

3.2 UHF局部放電信號(hào)與PD源類型無(wú)關(guān)

為了驗(yàn)證條件②，進(jìn)行3種局部放電實(shí)驗(yàn)以確定來(lái)自3種不同類型局部放電源的UHF局部放電信號(hào)之間的相關(guān)程度。不同來(lái)源的UHF PD信號(hào)之間應(yīng)保持較高的最大相關(guān)性，而與PD源類型無(wú)關(guān)。表7～9分別列出了FP到PS、FP到SD和PS到SD源的最大相關(guān)系數(shù)。從表7～9可以看出，在每種情況下，矩陣內(nèi)相關(guān)項(xiàng)的算術(shù)平均值都略高（μ＞0.79），同時(shí)保持較小的標(biāo)準(zhǔn)差（σ≤0.03)，從而證明了條件②的準(zhǔn)確性。

表5 頻率域中PS-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.667，σ=0.254)Tab.5 Maximum correlation coefficient of PS-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.667,σ=0.254)

表6 頻域中SD-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.695，σ=0.252)Tab.6 Maximum correlation coefficient of SD-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.695,σ=0.252)

表7 時(shí)域中FP和PS UHF PD樣本之間的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.796，σ=0.016)Tab.7 Maximum correlation coefficient between FP and PS UHF PD samples in time domain(μ=0.796,σ=0.016)

表8 時(shí)域中FP和SD UHF PD樣本之間的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.792，σ=0.007)Tab.8 Maximum correlation coefficient between FP and SD UHF PD samples in time domain(μ=0.792,σ=0.007)

表9 時(shí)域中PS和SD UHF PD樣本之間的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.855，σ=0.022)Tab.9 Maximum correlation coefficient between PS and SD UHF PD samples in time domain(μ=0.855,σ=0.022)

3.3 傳輸過(guò)程具有畸變特征

條件③是UHF局部放電信號(hào)具有從局部放電源到UHF傳感器傳播過(guò)程中特有的畸變特性。在此基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)任何兩個(gè)PD信號(hào)之間的相關(guān)性高度依賴于其測(cè)量點(diǎn)。為了驗(yàn)證這一條件，將UHF探頭放在11個(gè)不同位置測(cè)量PS產(chǎn)生的UHF局部放電信號(hào)。UHF探頭測(cè)量位置是相對(duì)于基準(zhǔn)位置沿y軸0.2 m步長(zhǎng)的整數(shù)倍，偏移坐標(biāo)范圍為（-1 m，+1 m）。

在每個(gè)探頭位置記錄8個(gè)UHF PD數(shù)據(jù)，然后比較每個(gè)位置的數(shù)據(jù)，得出任意兩個(gè)位置之間最大相關(guān)性的算術(shù)平均值，結(jié)果如圖6和表10所示（對(duì)稱矩陣形式）。為了驗(yàn)證該條件，任何兩個(gè)UHF PD信號(hào)之間最大相關(guān)性的算術(shù)平均值應(yīng)與其測(cè)量位置之間的空間距離成反比。根據(jù)圖6和表10可知，隨著測(cè)量位置之間距離的增加，最大相關(guān)系數(shù)減小，從而驗(yàn)證了這一條件的準(zhǔn)確性。

圖6 PS-UHF局部放電的最大相關(guān)性與距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum correlation and distance of PS UHF PD

表10 時(shí)域中PS-UHF PD樣本的最大相關(guān)性與距離的關(guān)系Tab.10 Relationship between maximum correlation and distance of PS UHF PD samples in time domain

3.4 UHF探頭方向相關(guān)性

條件④認(rèn)為接收到的UHF PD信號(hào)取決于UHF探頭方向。為了驗(yàn)證這一條件，在0°和90°之間改變UHF探頭方向（將探頭方向從沿x軸改變?yōu)檠貀軸），比較PS源產(chǎn)生的UHF局部放電信號(hào)，結(jié)果如表11～13所示。

表11 PS-UHF PD樣本在時(shí)域中0°探頭方向的最大相關(guān)性（μ=0.945，σ=0.030）Tab.11 Maximum correlation of PS-UHF PD samples in time domain and 0°probe orientation(μ=0.945,σ=0.030)

對(duì)于相同的探針?lè)较?，?1和表12中分別記錄了0°和90°探針?lè)较虻臉颖窘Y(jié)果，可以看出最大相關(guān)系數(shù)較高（μ≥0.889）。然而，當(dāng)比較不同探針?lè)较虻臉悠窌r(shí)，如表13所示，最大相關(guān)系數(shù)相對(duì)于表11和表12中的值顯著降低（μ=0.477）。

表12 PS-UHF PD樣本在時(shí)域中90°探頭方向的最大相關(guān)性（μ=0.889，σ=0.066）Tab.12 Maximum correlation of PS-UHF PD samples in time domain and 90°probe orientation(μ=0.889,σ=0.066)

表13 PS-UHF PD樣本的0°和90°探頭方向之間的最大相關(guān)性（μ=0.477，σ=0.015）Tab.13 Maximum correlation between 0°and 90°probe orientations of PS-UHF PD samples(μ=0.477,σ=0.015)

3.5 具有特定的信號(hào)特征

為了驗(yàn)證條件⑤，通過(guò)在之前的PD源位置引入電感，對(duì)源阻抗進(jìn)行更改。這種方法的基本原理是，整個(gè)變壓器結(jié)構(gòu)中存在顯著的電感和電容影響，加入電感可以產(chǎn)生明顯的影響，比改變局部放電位置產(chǎn)生的影響更顯著。

通過(guò)添加直徑為60 mm的絕緣線匝的整數(shù)倍得出附加電感，從而產(chǎn)生5個(gè)0.5～2.5 μH的附加電感。圖1顯示了直接連接到PS源的5匝感應(yīng)回路（2.5 μH）。記錄每次實(shí)驗(yàn)PS源的UHF PD信號(hào)，與附加源電感的最大相關(guān)性如表14和圖7所示。

表14 與附加源電感的最大相關(guān)性Tab.14 Maximum correlation with additional source inductance

圖7 PS-UHF PD樣品與附加源電感的最大相關(guān)性Fig.7 Maximum correlation with additional source inductance of PS-UHF PD samples

為了驗(yàn)證這一條件，任意兩個(gè)UHF PD信號(hào)之間的最大相關(guān)性應(yīng)與各測(cè)試實(shí)驗(yàn)之間的源電感差成反比，即隨著樣本之間的源電感差增大，它們的最大相關(guān)性應(yīng)減小。由表14和圖7可以發(fā)現(xiàn)，最大相關(guān)性隨著樣本之間源電感差的增大而減小，因此條件⑤成立。

4 結(jié)論

本文基于PD源識(shí)別理論，提出使用經(jīng)適當(dāng)信號(hào)處理單個(gè)UHF傳感器來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別電力變壓器內(nèi)的單個(gè)局部放電源。為了驗(yàn)證基于超高頻傳感器的局部放電定位這一方法的可行性，信號(hào)處理后的局部放電信號(hào)必須與局部放電類型和大小無(wú)關(guān)，并且與結(jié)構(gòu)拓?fù)?、局部放電傳輸路徑和傳感器位置有關(guān)。通過(guò)變壓器油中PS、SD、FP 3類局部放電試驗(yàn)，驗(yàn)證了支撐這一方法的5個(gè)條件的準(zhǔn)確性。

本文提出的識(shí)別單個(gè)局部放電源特有信號(hào)的方法，有助于改善現(xiàn)有的UHF/聲學(xué)局部放電定位技術(shù)，且有望突破多個(gè)局部放電源的識(shí)別技術(shù)。