局部放電嚴(yán)重程度評(píng)定方法的研究

王春月++馬昊++劉海峰

摘 要：變壓器絕緣系統(tǒng)的性能是變壓器正常運(yùn)行的關(guān)鍵。為了解決變壓器局部放電檢測(cè)中嚴(yán)重程度判定的問(wèn)題，研究絕緣系統(tǒng)在不同狀況下的局部放電信號(hào)，該文在已有的局部放電模擬、檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)了升壓法和恒壓法兩種加速壽命試驗(yàn)方法。提出了不同嚴(yán)重程度局部放電的試驗(yàn)?zāi)M方法，以及用最大放電幅值、放電次數(shù)及最大放電幅值變化率來(lái)反映出壓器局部放電的發(fā)展情況，從而反映內(nèi)部絕緣的性能，并編寫了一套試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析程序。

關(guān)鍵詞：電力變壓器 局部放電 UHF 嚴(yán)重程度

中圖分類號(hào)：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（a）-0077-02

局部放電的嚴(yán)重程度是針對(duì)絕緣系統(tǒng)狀態(tài)而言的，局部放電越嚴(yán)重，絕緣系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)越大，絕緣壽命越短。傳統(tǒng)的變壓器局部放電檢測(cè)中，視在放電量是主要的特征參量，但是也不能準(zhǔn)確的反映變壓器內(nèi)部局部放電的嚴(yán)重程度，預(yù)知絕緣系統(tǒng)壽命。

近年來(lái)，人們注意到特高頻（UHF）檢測(cè)技術(shù)兼有抗干擾能力強(qiáng)和靈敏度高的特點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，該方法已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)取得了豐碩的成果，并正在走向工程應(yīng)用[1]。但是，UHF法檢測(cè)局部放電還存在一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題即無(wú)法判斷局部放電嚴(yán)重程度，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了研究。文[2]認(rèn)為UHF信號(hào)特征量和視在放電量不能很好的對(duì)應(yīng)。文[3]采用短期加速壽命試驗(yàn)檢測(cè)了不同電老化階段下絕緣局部放電的UHF信號(hào)，發(fā)現(xiàn)放電發(fā)展過(guò)程中伴隨著放電頻率、幅值和相位的變化。

我們認(rèn)為局部放電是由某一種或幾種絕緣缺陷引起的，因?yàn)榻^緣缺陷具有一定的穩(wěn)定性，故局部放電現(xiàn)象也具有一定的穩(wěn)定性[4-5]，當(dāng)絕緣缺陷發(fā)展到一定程度時(shí)，才會(huì)改變局部放電信號(hào)的特征。本文設(shè)計(jì)了一套局部放電嚴(yán)重程度試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了評(píng)定局部放電嚴(yán)重程度和變壓器絕緣狀態(tài)的試驗(yàn)方法和特征參數(shù)。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由局部放電模擬系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，并設(shè)計(jì)了四回路同時(shí)加壓的開關(guān)裝置，示意圖如圖1所示。

1.1.1 局部放電模擬系統(tǒng)

局部放電模擬系統(tǒng)包括試驗(yàn)加壓系統(tǒng)和放電模型設(shè)計(jì)。試驗(yàn)變壓器為江都華宇電氣有限公司生產(chǎn)的整套設(shè)備，型號(hào)為YDTW-10/120的工頻單項(xiàng)無(wú)暈變壓器，在額定電壓120kV下局部放電不超過(guò)5pC，保護(hù)電阻為10kΩ。本文建立了4種模型來(lái)模擬變壓器內(nèi)部的局部放電：氣泡放電、針板放電、懸浮放電和沿面放電。如圖2所示。

1.1.2 局部放電檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)的檢測(cè)系統(tǒng)由脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)、UHF檢測(cè)系統(tǒng)、超聲波檢測(cè)系統(tǒng)、高頻電流檢測(cè)系統(tǒng)等組成。部分硬件設(shè)備見圖3。

脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)阻抗和DST-4型局部放電測(cè)試儀，局部放電測(cè)試儀的檢測(cè)頻帶為40kHz～80kHz，檢測(cè)靈敏度為5pC。UHF檢測(cè)系統(tǒng)由UHF傳感器、放大器等組成，UHF傳感器使用的是阿基米德平面螺旋天線，工作頻帶為500M～1500M，與UHF傳感器配合使用的放大器工作頻帶為500M～1500M，設(shè)計(jì)增益為35dB（平均值）。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)包括超聲波探頭和放大器，超聲波探頭靈敏度在60～180kHz范圍內(nèi)都比較高，基本保持在60dB左右，放大器采用了和傳感器配套的PA II-寬帶前置放大器，該放大器的頻率覆蓋了10kHz～2MHz，增益達(dá)到40dB。最后，本文設(shè)計(jì)了一套高頻電流檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量頻帶為1M～20M。

1.1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由示波器、GPIB卡和計(jì)算機(jī)組成。示波器使用的是YOKOGAWA DL1540L數(shù)字示波器，最大采樣速率為200M/s。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)GPIB卡傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存及分析處理。利用Lab VIEW虛擬儀器語(yǔ)言編寫了一套試驗(yàn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究絕緣系統(tǒng)在不同狀況下的局部放電信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了兩種加速壽命試驗(yàn)：升壓法和恒壓法?？紤]到放電試驗(yàn)中試品被擊穿后產(chǎn)生的沖擊信號(hào)可能對(duì)測(cè)量?jī)x器（示波器）造成損壞，在測(cè)量?jī)x器前端加過(guò)壓保護(hù)裝置。

升壓法為短時(shí)間內(nèi)的加速壽命試驗(yàn)，定義起始電壓下的放電為初級(jí)階段，逐步升高電壓后，為放電的發(fā)展階段，鄰近擊穿電壓時(shí)，為放電的嚴(yán)重階段。但是在實(shí)際中，變壓器內(nèi)部局部放電的產(chǎn)生、發(fā)展直至擊穿需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，而且電壓強(qiáng)度不變，故短期的加速壽命試驗(yàn)很難模擬絕緣的實(shí)際劣化過(guò)程。本文還設(shè)計(jì)了較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的加速壽命試驗(yàn)，即恒壓法。在試驗(yàn)電壓恒定的前提下，定義試驗(yàn)前期的放電為初級(jí)階段，中期為放電的發(fā)展階段，后期為放電的嚴(yán)重階段。在放電模型特性相似的前提下，做多組加速壽命試驗(yàn)，觀察不同嚴(yán)重程度下試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

試驗(yàn)采集的信號(hào)包括工頻周期信號(hào)和射頻信號(hào)兩類，其中工頻周期信號(hào)包括脈沖電流、檢波、超聲波和高頻電流四組檢測(cè)信號(hào)，射頻信號(hào)包括脈沖電流和射頻信兩組檢測(cè)信號(hào)，其采樣率比工頻周期信號(hào)要高。該文中涉及的信號(hào)采集都包括這兩類信號(hào)。

1.2.1 升壓法

逐漸升高試品兩端電壓至有放電產(chǎn)生，持續(xù)加壓一段時(shí)間（如15分鐘）并采集100組放電信號(hào)。然后電壓升高1kV，持續(xù)一段相同的時(shí)間并采集100組放電信號(hào)，重復(fù)以上步驟至試品擊穿，記錄試品的放電起始電壓，以及各電壓等級(jí)和電壓持續(xù)時(shí)間。

1.2.2 恒壓法

根據(jù)第一步試驗(yàn)，我們得到了各種典型放電類型的放電起始電壓和擊穿電壓，取兩者之間的一個(gè)定值為試驗(yàn)電壓。保持該試驗(yàn)電壓不變，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量局部放電信號(hào)，同時(shí)考慮到試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)性，采用四個(gè)回路同時(shí)加壓的方法。

直接升壓至試驗(yàn)電壓并保持電壓恒定，每隔一段時(shí)間（如30分鐘）集100組放電信號(hào)，直至所有試品擊穿。信號(hào)采集的步驟：（1）斷開2～4回路開關(guān)，測(cè)量1回路放電信號(hào)；（2）逐漸升高電壓至放電產(chǎn)生，記錄放電起始電壓，然后直接升壓至試驗(yàn)電壓；（3）采集數(shù)據(jù)；（4）重復(fù)1～3步，依次測(cè)量每個(gè)試品的放電信號(hào)。endprint

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

2.1 對(duì)工頻周期信號(hào)的處理方法

為了對(duì)采集到的工頻周期信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，利用LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)編寫了數(shù)據(jù)處理分析的程序，主要有Qmax-Φ譜圖統(tǒng)計(jì)、N-Φ譜圖統(tǒng)計(jì)、N-U譜圖統(tǒng)計(jì)等，圖4為數(shù)據(jù)分析程序界面。利用這些數(shù)據(jù)處理程序?qū)Σ杉降木植糠烹娦盘?hào)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，得到需要的結(jié)果。

各種放電譜圖的定義如下：

（1）Qmax-Φ：將每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期平均分成100個(gè)相位段，令各個(gè)相位段的最大放電量為相應(yīng)的Qmax，與其對(duì)應(yīng)的還有Umax-Φ、Uav-Φ譜圖。

（2）N-Φ：令統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)各個(gè)相位段的放電次數(shù)相加為相應(yīng)的N。

（3）N-U：將放電幅值按照一定的刻度劃分，令統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)各個(gè)刻度范圍中的放電次數(shù)之和為相應(yīng)的N。

放電譜圖描述了局部放電在一個(gè)工頻周期內(nèi)的相位、放電次數(shù)、幅值等特征參數(shù)的情況。由于放電嚴(yán)重程度和絕緣特性的差異，在工頻周期內(nèi)的特征參數(shù)也會(huì)不同。也就是說(shuō)，放電特征參量隨電壓高低或加壓時(shí)間長(zhǎng)短而變化的規(guī)律可以反映出變壓器局部放電的發(fā)展情況，從而反映絕緣的性能。

該文定義了三種放電趨勢(shì)圖：最大放電幅值（可以反映最大放電量）趨勢(shì)圖、放電次數(shù)趨勢(shì)圖和最大放電幅值變化率趨勢(shì)圖。取每100個(gè)工頻周期中放電幅值的最大值形成最大放電幅值發(fā)展趨勢(shì)圖，取100個(gè)工頻周期的放電次數(shù)總和形成放電次數(shù)發(fā)展趨勢(shì)譜圖。定義最大放電幅值變化率Nu=ln（U1max/U2max），式中，U1max是U1或T1下的最大放電幅值，U2max是U2或T2下的最大放電幅值。

綜合最大放電幅值（最大放電量）、放電次數(shù)和最大放電幅值（最大放電量）變化率來(lái)評(píng)定不同嚴(yán)重程度局部放電。

2.2 對(duì)射頻信號(hào)的處理方法

對(duì)采集到的射頻信號(hào)可以仿照工頻周期信號(hào)的處理方法，進(jìn)行最大放電幅值（最大放電量）及其變化率的趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)。

對(duì)每100組射頻信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到其平均頻譜，觀察不同試驗(yàn)條件下放電頻譜范圍的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

本文在已有局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩種加速壽命試驗(yàn)方法：升壓法和恒壓法，提出了用最大放電幅值、放電次數(shù)及最大放電幅值變化率來(lái)綜合評(píng)定局部放電嚴(yán)重程度的方法，編寫了一套試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析程序。至此為止，在試驗(yàn)室中建立了完整的變壓器局部放電模擬、檢測(cè)和分析系統(tǒng)，為局部放電嚴(yán)重程度的試驗(yàn)研究工作做好了準(zhǔn)備。

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