變壓器局部放電在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及前景

文德斌，吳廣寧，周利軍，劉君，杜培東，劉益岑

0 引言

局部放電是導(dǎo)致電力變壓器絕緣劣化的重要原因之一，自20世紀(jì)中期起，人們就開始對局部放電作了較深入的研究[1]，并取得了很大的進展。通過大量實驗表明：局部放電試驗是能成功地檢測絕緣中微小缺陷的有效方法之一，也是考核變壓器能否在工作電壓下長期安全運行的最有效的方法，因而在現(xiàn)場監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

為了提高變壓器的產(chǎn)品質(zhì)量，必須對變壓器局部放電實施在線監(jiān)測并及時報警，這對預(yù)防重大事故的發(fā)生、保障變壓器穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 局部放電機理

局部放電又稱游離，也就是靜電荷流動的意思。局部放電是電介質(zhì)中的一部分原子或分子產(chǎn)生電離和去電離的運動形式。電離是從外施電場中吸取能量，生成正、負電荷，并使電荷運動。去電離是正、負電荷中和，釋放能量，生成新的原子和分子。該過程會產(chǎn)生持續(xù)時間非常短的脈沖電流，發(fā)射電磁波，相應(yīng)地會在電介質(zhì)中出現(xiàn)發(fā)熱、發(fā)光和振動（聲波和超聲波）等物理現(xiàn)象。

由于電壓和電流作用于電介質(zhì)時可能引起局部放電，所以局部放電可以分為電場型放電和電流型放電。形成電場型局部放電的基本條件：作用在電介質(zhì)上的電場強度，超過該電介質(zhì)的耐受電場強度。形成電流型局部放電的基本條件：受到外力（電動力或機械力）的作用，導(dǎo)體中的電流被迫進入電介質(zhì)。

2 局部放電的種類及影響

變壓器中的局部放電主要有氣隙放電、懸浮放電、夾層放電、尖端放電和“驅(qū)流”放電5種。對變壓器局部放電試驗時，必須認(rèn)清放電類型，然后有針對性地加以分析，予以解決。

2.1 氣隙放電

氣隙放電又稱氣泡放電，變壓器中的氣泡主要以少數(shù)分子聚集成微小氣泡為主懸浮于油中，所以產(chǎn)生局部放電的氣泡是相對靜止的。主要以2種形式存在于變壓器中：一種是密封于固體內(nèi)的氣泡；另一種是油和固體（固體絕緣或金屬）包圍的氣泡。

在變壓器油中，由于氣體的介電常數(shù)遠小于油的介電常數(shù)，而電場強度與介電常數(shù)成反比，所以氣體中的電場強度比油中的大很多。而氣泡放電量與電場強度密切相關(guān)，因此氣泡就更加容易放電。在做局部放電試驗時，必須將視在發(fā)電量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，不然就會轉(zhuǎn)換成破壞性的氣泡放電，從而使介質(zhì)受損，而且放電的電解作用會使絕緣加速氧化，并腐蝕絕緣，從而降低變壓器的使用壽命。

2.2 懸浮放電

對于變壓器內(nèi)部不固定電位的導(dǎo)體稱為懸浮體，由它引起的放電稱為懸浮放電。導(dǎo)致懸浮放電必須具備 2個基本條件：一是懸浮導(dǎo)體處于電場中，根據(jù)電容分壓機理，必須取得一定的電位并能積蓄一定的能量。二是由于懸浮導(dǎo)體引起電場畸變作用，使局部絕緣的作用電場強度超過其耐受電場強度。變壓器在運行中，由于受力而引起部件松動、脫落，很容易引起懸浮放電。所以在變壓器固定器件的小支板與螺栓連接處的夾件上不需要涂漆，避免金屬連接件接觸不良而導(dǎo)致懸浮放電，影響變壓器正常運行。

2.3 夾層放電

變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中有許多夾層，夾層有集積水分或其他極性分子的作用，該現(xiàn)象被稱為夾層效應(yīng)。由夾層效應(yīng)引起的局部放電，簡稱夾層放電。當(dāng)發(fā)生夾層放電后，會出現(xiàn)線匝絕緣間、段間絕緣間貫穿性放電、低壓繞組引線夾表面貫穿性放電、沿圍屏貫穿性樹枝狀放電和沿紙板非貫穿性樹枝狀放電，如圖1所示。做夾層試驗時候，必須確保只處于非貫穿性樹枝狀放電。

圖1 夾層放電痕跡圖

2.4 尖端放電

尖端是尖形電極的簡稱，位于電場中的尖端，不論其本身的電位高低，包括處于地電位，都會引起電場畸變，使尖端附近的電場強度增大，該作用被稱為尖端效應(yīng)。由尖端效應(yīng)引起的局部放電，簡稱尖端放電。該放電能深入到絕緣紙板的層間和深處，最終導(dǎo)致變壓器被擊穿。設(shè)計制造時，廠家把尖端圓形化或加均壓罩，其目的就是為了防止尖端放電。

2.5 “驅(qū)流”放電

“驅(qū)流”放電是電流型放電，是電流從導(dǎo)體被驅(qū)逐到電介質(zhì)中的一種物理現(xiàn)象，平常使用的電焊，其原理和“驅(qū)流”放電的原理相同。雖然該放電的幾率比較小，但是由于“驅(qū)流”放電造成的影響非常大，因此同樣不能忽視。

3 局部放電定位

局部放電定位是根據(jù)局部放電過程中產(chǎn)生的電磁波、聲、光、熱和化學(xué)變化等現(xiàn)象來實現(xiàn)定位，其定位方法有超聲波定位、電氣定位、電-聲聯(lián)合定位、光定位和熱定位等。目前國內(nèi)外主要以超聲波定位、電氣定位和電-聲聯(lián)合定位方法為主。

3.1 超聲波定位

超聲波定位主要是根據(jù)在局部放電過程中產(chǎn)生的超聲波傳播的方向和時間來確定放電位置的。包括電-聲定位和聲-聲定位[3]，當(dāng)發(fā)生局部放電時，由于超聲波通過不同介質(zhì)向外傳播，到達油箱壁的時間就不同，在變壓器油箱外殼安裝多個超聲波傳感器，由于空間位置不同，檢測到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號時間不同，通過測量超聲波傳播的延時時間就能確定局部放電源的空間位置。

超聲波定位計算精度很難把握。伴隨著聲波傳播機理的深入研究，目前已經(jīng)出現(xiàn)了順序定位法和模式識別法。

3.2 電氣定位

電氣定位可以分為幾何定位法和基于模型分析法。當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時，產(chǎn)生的放電脈沖沿繞組傳播到達測量端，該放電脈沖包含了放電特性和局部放電定位所需的有用信息，通過對放電脈沖進行分析，可以確定局部放電源的空間位置。雖然目前適用于糾結(jié)式繞組，但是它的精度非常高，定位精度可以達到不大于繞組長度的2%[4]。

3.3 電-聲聯(lián)合定位法

電-聲聯(lián)合定位法主要在電-聲聯(lián)合檢測法的基礎(chǔ)上利用超聲波在變壓器油和箱壁中的傳播速度低于電信號傳播速度的特點來實現(xiàn)定位。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，速度較快的電信號先觸發(fā)監(jiān)測器，監(jiān)測器再根據(jù)隨后超聲信號到達的時差大小，推測變壓器內(nèi)部局部放電的位置。

4 局部放電在線檢測方法

局部放電檢測是以發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的電、光等現(xiàn)象為依據(jù)來判斷局部放電的狀態(tài)。目前有脈沖電流法、超聲波檢測法、氣相色譜檢測法、超高頻檢測法、電磁波檢測法、光檢測法、紅外熱像法、射頻檢測法等多種檢測方法。

4.1 脈沖電流法

脈沖電流法主要通過檢測阻抗來檢測變壓器套管末端接地線、外殼接地線、中性點接地線、鐵心接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流，獲得一些基本放電量。檢測放電脈沖的電流傳感器通常用羅哥夫斯基線圈制成。該方法靈敏度高，可以定量測量局部放電的特征參數(shù)，還可以與聲信號一起通過電-聲定位方法確定局部放電的位置。但檢測靈敏度會隨著試品電容的增加而下降，而且易受外界干擾噪聲（f＜10 MHz）的影響，抗干擾能力差，因此無法有效應(yīng)用于現(xiàn)場在線監(jiān)測。

4.2 超聲波檢測法

變壓器在發(fā)生局部放電時，會同時發(fā)出電信號和聲信號，超聲波檢測法測量的是放電時產(chǎn)生的聲波信號。超聲波檢測法是用固定在變壓器箱壁上的超聲波傳感器接收變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波，以檢測局部放電量的大小和位置。超聲傳感器的頻帶約為70～150 kHz（或300 kHz），大量研究表明：局部放電產(chǎn)生的聲波信號的頻譜大都集中在150 kHz左右[5，6]，如圖2所示。目前的超聲波傳感器靈敏度低、抗干擾能力差，無法在現(xiàn)場有效地檢測信號。因此，主要用于定性地判斷局部放電信號的有無，以及結(jié)合脈沖電流法對局部放電源進行物理定位。

圖2 局部放電頻譜圖

4.3 氣體色譜檢測法

油中氣體色譜分析法（DGA）是檢測局部放電最有效的工具之一。DGA主要是以三比值法為依據(jù)，對三比值進行編碼，各種事故對應(yīng)不同的編碼，而局部放電對應(yīng)比值所對應(yīng)的編碼組合是 0，1，0[7]。DGA是建立在變壓器多年積累的DGA數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的，目前，該方法已廣泛用于變壓器在線故障診斷。由于油氣分離時間過長，對于突發(fā)性的局部放電很難發(fā)現(xiàn)，所以DGA主要對變壓器局部放電進行定性分析，而無法進行定位分析。

4.4 超高頻檢測法

超高頻法（UHF法）是通過超高頻信號傳感器接收局部放電過輻射的超高頻電磁波，實現(xiàn)局部放電的檢測。變壓器油—隔板結(jié)構(gòu)的絕緣強度比較高，因此變壓器中的局部放電能夠輻射很高頻率的電磁波。變壓器局部放電測量時，現(xiàn)場干擾信號的頻譜一般小于300 MHz，UHF檢測技術(shù)的檢測頻率范圍一般為500～1 500 MHz，可最大限度避開干擾信號。而且超高頻傳感器安置在變壓器箱體內(nèi)部，變壓器殼體的屏蔽作用使得超高頻檢測法的抗干擾能力優(yōu)于目前傳統(tǒng)局部放電檢測法。只是需要特別的超高頻傳感器，因此尚待加強該傳感器的研發(fā)。

5 變壓器局部放電在線監(jiān)測的發(fā)展前景

目前，國內(nèi)在變壓器局部放電方面的研究取得了很好的成就，筆者認(rèn)為以后研究重點應(yīng)該放在以下幾個方面：

（1）對局部放電理論進行深入研究，對各種局部放電種類建立理論模型，通過研究局部放電的特征，從而采用有效的措施抑制外界干擾。

（2）由于變壓器一般都是多點放電，應(yīng)該將局部放電放在對變壓器進行多點定位的基礎(chǔ)上。

（3）必須有效地識別和抑制干擾信號[8]。差動平衡法和脈沖極性鑒別法[9]可以很好地抑制干擾信號。目前局部放電在線監(jiān)測主要采用最小均方誤差（LMS）自適應(yīng)算法和遞推的最小二乘法（RLS）自適應(yīng)算法。

（4）對新型傳感器的研究。超高頻傳感器、光纖傳感器在局部放電中的應(yīng)用[10，11]已經(jīng)取得了很好的效果。

（5）放電量標(biāo)定問題是判斷變壓器局部放電嚴(yán)重程度及絕緣是否受損的關(guān)鍵所在。必須解決如何對放電量進行標(biāo)定的問題。

（6）建立一套完整的在線監(jiān)測系統(tǒng)需要將整個系統(tǒng)都考慮進去。

6 結(jié)束語

局部放電在線監(jiān)測主要對變壓器實施實時在線監(jiān)控，隨著傳感器技術(shù)和信息分析技術(shù)的發(fā)展，將使得變壓器局部放電在線監(jiān)測的靈敏度、監(jiān)測精度越來越高。目前，對于正在運行中的變壓器，由于放電部位很多，無法逐一實行監(jiān)測，需要把監(jiān)測定位主要放在具有破壞性（包括引起油分解）的局部放電在線監(jiān)測上。

[1]Kemp I J.Partial discharge planting-monitoring technolgy：Present and future developments[J].IEE Proc.-Sci.Meas.Technol.，January 1995，142（1）：4-10.

[2]李文征，王軍.變壓器局部放電試驗中的故障分析及處理[J].電力設(shè)備，2007，8（9）：63-66.

[3]孫才新，羅兵.變壓器局部放電源的電-聲和聲-聲定位法及其評判的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，1997，12（5）：49-52.

[4]張言蒼，張毅剛，徐大可.變壓器局部放電在線檢測的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].繼電器，2004，32（44）：70-75.

[5]侯國平，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]朱瑞華，席保鋒.徐陽，等.變壓器局部放電超聲法檢測中超聲傳感器的應(yīng)用[J].絕緣材料，2007，40（4）：62-65.

[7]操敦奎.變壓器油中氣體分析診斷與故障檢查[M].北京：中國電力出版社，2005.

[8]徐淑珍，秦松林.變壓器局部放電在線監(jiān)測中實用抗干擾技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24（21）：49-51.

[9]Borisi H, et al.Application of Rogowiski Coils for Partial Discharge Decoupling and Noise Suppression ISH.1987,42.02.

[10]王頌，李香龍，等.變壓器局部放電超高頻信號外傳播特性的試驗研究[J].高壓電器，2007，43（2）：100-102.

[11]王國利，郝艷棒，李彥明.光纖技術(shù)在電力變壓器絕緣監(jiān)測中的應(yīng)用[J].高壓電器，2001，37（2）：32-35.