套管局放UHF在線監(jiān)測與定位技術(shù)研究及應(yīng)用

朱學(xué)成,高自偉，姜云龍，王海姣,徐 超

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300000)

?

套管局放UHF在線監(jiān)測與定位技術(shù)研究及應(yīng)用

朱學(xué)成1,高自偉1，姜云龍2，王海姣1,徐 超1

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030; 2.國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300000)

為解決依靠例行和診斷性試驗來評估變壓器套管的絕緣狀態(tài),難以及時發(fā)現(xiàn)運行中套管的潛在故障和現(xiàn)有的套管局部放電測量通過末屏引出信號安全性差,且易受干擾的問題,提出了基于特高頻信號的套管局部放電帶電檢測與時間差定位方法。闡明了特高頻定位方法的基本原理,并進行了仿真計算及套管實體缺陷模型局放特性比對與定位,且通過現(xiàn)場對在運變壓器套管進行測試,結(jié)果表明,該方法可以辨識出套管局部放電缺陷類型及放電部位。

套管;特高頻;局部放電;方向定位

套管是變壓器的重要部件之一,因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、緊湊性,會受到設(shè)計缺陷、安裝工藝、運行工況及環(huán)境因素的影響產(chǎn)生局部過熱、接觸不良、放電,甚至導(dǎo)致套管炸裂、損毀 等[1-7]。這些故障前期都會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象,所以及時發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象,確定放電部位并排除缺陷是避免發(fā)生套管絕緣故障的有效措施。傳統(tǒng)的測量方法因測試安全可靠性低、抗干擾能力差等,使在線檢測有較大局限性。所以,近年來一些學(xué)者采用閾值法、相關(guān)系數(shù)法、能量累計法等時延分析方法[8-12],對基于特高頻信號的局部放電進行分析,并得到了不同程度的應(yīng)用,但涉及套管局放檢測和定位的研究較少。

本文結(jié)合套管典型缺陷類型進行了仿真計算和實體放電模型的驗證,獲得了不同模型下的局放特高頻信號,提出了適合套管局放的時延分析方法,通過天線陣列采集局放信號,對套管產(chǎn)生的特高頻信號進行檢測及定位,并在現(xiàn)場進行了實際測試和應(yīng)用,為保證變電站和電網(wǎng)的安全可靠運行提供了保障。

1 套管局部放電UHF 信號傳播特征

1.1 自由空間電磁波傳播理論

局部放電通道由時間寬度為納秒級別的脈沖電流產(chǎn)生,并向外輻射電磁波。局部放電通道的直徑和長度極小,通常是毫米級別,遠小于UHF電磁波的波長(λ)。因此,局部放電的電磁輻射可以用短電偶極子電磁輻射理論來解釋。

短電偶極子是一根長度(l)極小的短線天線,有l(wèi)?λ,如圖1所示。

圖1 短電偶極子與坐標(biāo)系

可見,電場強度和磁場強度均隨著離開場源的距離r的增加而減小,但是各項的減小程度不同。當(dāng)kr?1時,場點P組成的區(qū)域稱為遠區(qū)。在遠區(qū)內(nèi),Er≈0,只有2個有效的場分量Eθ和HΦ,其表達式可簡化為

變壓器油單一介質(zhì)中距離與頻率的關(guān)系如表1所示。

表1 遠場區(qū)的距離與頻率的關(guān)系

Table 1 Far-field distance region and frequency relationship

頻率/MHz10λ/2π/m3001．605000．9615000．32頻率/MHz10λ/2π/m20000．2430000．16

對于特高頻(300～3000 MHz)電磁信號的檢測范圍而言,只要試品距傳感器1.6 m之外均可認(rèn)為試品處于電磁波傳播的遠場范圍,其傳播規(guī)律遵循信號幅值隨距離成反比的衰減規(guī)律。

1.2 套管末屏接觸不良放電電磁波傳播仿真

采用有限時域差分法(FDTD)計算電磁波在套管本體中的傳播路徑和規(guī)律。不同缺陷情況電磁波傳播路徑不同,最終都會被特高頻天線檢測到。以套管末屏接觸不良典型缺陷為例,得到的局部放電電磁波傳播仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 t=1.5 ns和t=5 ns末屏接觸不良放電的傳播過程

從圖2仿真過程可以看出,不同時刻末屏處的放電無法通過防護罩直接傳播到外部空間,而是通過末屏接線柱小套管進入套管油道,進而向兩端傳播;末屏處的電磁波信號沿油道向上傳播時,會從末屏上方的瓷套處泄漏出去,進而向周圍空間傳播;電磁波傳播至電容芯子兩端時,分別會繞射進入電容芯子內(nèi)部繼續(xù)傳播?？傊?油箱中電磁波的傳播速度較慢,傳播距離會落后于外部空間。

1.3 典型缺陷位置的傳播試驗

以套管末屏接觸不良電磁波傳播過程試驗驗證為例,通過考察到不同位置傳感器的時延來判別信號輻射位置。將3個傳感器以套管為中心水平等間距放置,測得仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看到,中間傳感器(2號傳感器)分別領(lǐng)先兩側(cè)傳感器(1、3號傳感器)1.5 ns和2.0 ns左右,說明信號輻射位置在3個傳感器中垂線略偏1號傳感器上,即套管中垂線偏末屏位置。同理,調(diào)整傳感器高度位置,可以在垂直方向上確定放電位置。

圖3 套管末屏接觸不良試驗驗證波形首波圖

2 套管典型缺陷局部放電特高頻信號分析

不同缺陷類型的放電特征不同,因此為識別放電類型及部位提供了依據(jù)?，F(xiàn)以套管頂部接觸不良缺陷為例,進行局部放電特高頻信號時域分析、頻域分析和相位譜圖分析,其波形如圖4所示。

圖4 套管頂部接觸不良缺陷特高頻信號波形

通過圖4可以發(fā)現(xiàn):在時域方面,波形等效時長16 ns,首波上升時間0.1 ns,波形上升時間0.6 ns,波形下降時間0.2 ns,峰值0.04 V;頻域方面,套管頂部接觸不良的頻譜比較平均,主要集中在0.6～1.8 GHz左右,平均等效頻寬為1.53 GHz,信號頻域比較豐富,高頻成分較多;相位譜圖分析方面,局部放電量約為800 pC,主要分布在90°和270°附近,一、三象限,譜圖基本符合空氣中懸浮放電的特征。

對套管典型的局部放電缺陷模型進行檢測、分析,根據(jù)計算得到的等效時長和等效頻寬信息,繪制出頂部懸浮放電、末屛放電、油中懸浮放電和下瓷套沿面放電4個典型放電模型的TF譜圖,如圖5所示。

圖5 四種放電模型特高頻信號TF譜圖

從圖5可以看到,4種放電信號具有不同的時頻特征,在TF譜圖中有著顯著的區(qū)別,因此可以作為信號聚類和分離的依據(jù)。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果

以慶北變電站現(xiàn)場實測為例驗證實際定位效果。為屏蔽現(xiàn)場通信的干擾,檢測頻帶選擇1～1.5 GHz。

現(xiàn)場實測時,在變壓器附近架設(shè)多通道特高頻測量設(shè)備,反復(fù)調(diào)整示波器觸發(fā)閾值,尋找疑似局部放電陣列信號。在確定局放信號基本特征后,根據(jù)特高頻信號到達時間先后進行特高頻信號源測向,確定主變附近特高頻信號的來源方向及進行定位。

在2號主變正前方定位天線陣列接收到的一組特高頻信號波形,如圖6所示,疑似放電信號,而天線陣列的中垂線正對2號主變110 kV中性點接地刀閘。

將四通道定位陣列布置在接地刀閘附近,定位結(jié)果如表2所示。

由表2可知,放電位置位于接地刀閘支柱頂部。

圖6 2號主變特高頻信號時延示意圖

表2 定位結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 針對套管典型缺陷開展了特高頻信號傳播過程仿真,驗證了與理論衰減特性的一致性。

2) 分析研究了套管不同部位局部放電特高頻信號的傳播特征,套管不同部位的局放,特高頻信號因傳播路徑不同,其波形有不同的形態(tài)特征。

3) 通過變電站的現(xiàn)場實測,發(fā)現(xiàn)了多處不同程度不同設(shè)備的局放信號,并進行了精確地定位,不僅驗證方法有效性還累積了大量現(xiàn)場實測定位經(jīng)驗。

4) 采用特高頻方法對套管局部放電現(xiàn)象進行檢測與定位,解決了高壓套管在線監(jiān)測面臨的安全可靠性低、抗干擾能力差等問題,實現(xiàn)了對放電源進行簡單、快速、準(zhǔn)確的定位。

[1] 鄭冰,王峰.并聯(lián)型APF補償?shù)湫碗娏餍椭C波源負(fù)載仿真[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報,2009,32(4):372-378. ZHENG Bing, WANG Feng. Simulation in compensation model current harmonic load with shunt active power filter[J]. Journal of University of Science and Technology Liaoning, 2009,32(4): 372-378.

[1] 陳麗娟,胡小正.2009年全國輸變電設(shè)施可靠性分析[J].中國電力,2010,43(5):1-6. CHEN Lijuan, HU Xiaozheng.Statistic analysis on reliability of power transmission and transformation facilities in China in 2009[J].Electric Power,2010,43(5):1-6.

[2] 陳麗娟,胡小正.2010年全國輸變電設(shè)施可靠性分析[J].中國電力,2011,44(6):71-77. CHEN Lijuan, HU Xiaozheng.Statistic analysis on reliability of power transmission and transformation facilities in China in 2010[J].Electric Power,2011,44(6):71-77

[3] 陳麗娟,李霞.2011年全國輸變電設(shè)施可靠性分析[J].中國電力,2012,45(7):89-93. CHEN Lijuan, LI Xia.Statistic analysis on reliability of power transmission and transformation facilities in China in 2011[J].Electric Power,2012,45(7):89-93.

[4] 任曉紅,王偉,鄭健康,等.500 kV變壓器套管典型故障及分析[J].高電壓技術(shù),2008,34(11):2513-2516. REN xiaohong, WANG wei,ZHENG Jiankang,et al.Typical fault analysis of 500 kV transformer bushings[J].High Voltage Engineering.2008,34(11):2513-2516.

[5] 林赫,王元峰.變壓器高壓套管故障原因分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(S2):253-255. LIN He, WANG Yuanfeng.Analysis on the reason of transformer thimble fault[J].Power System Technology,2008,32(S2):253-255.

[6] 孫勇,朱建新.換流變壓器套管爆炸事故原因分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2(5):82-83. SUN Yong, ZHU Jianxin.Cause analysis of an explosive accident of converter transformer bushing[J].Southern Power System Technology,2008,2(5):82-83.

[7] 唐嘉宏.220kV變壓器高壓套管末屏故障原因分析與處理[J].華電技術(shù),2011,33(7):45-47.

[8] 肖天為,張強,黃炎光,等. 特高頻方法用于套管局部放電檢測的可行性研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(6):1719-1724. XIAO Tianwei, ZHANG Qiang, HUANG Yanguang, et al. Experimental research on partial discharge location for bushings using UHF Method[J]. Power System Technolog,2015,39(6):1719-1724.

[9] 高文勝,丁登偉,劉衛(wèi)東,等.采用特高頻檢測技術(shù)的局部放電源定位方法[J].高電壓技術(shù),2009,35(11):2680-2684. GAO Wensheng, DING Dengwei, LIU Weidong,et al. Location of PD by searching in space using UHF method[J].High Voltage Engineering,2009,35(11):2680-2684.

[10] 常文治,唐志國,李成榕,等.變壓器局部放電超寬帶射頻定位技術(shù)的試驗分析[J].高電壓技術(shù),2010,36(8):1981-1988. CHANG Wenzhi,TANG Zhiguo,LI Chengrong,et al. Experimental analysis on partial discharge location in power transformer using UWB RF method[J]. High Voltage Engineering. 2010,36(8):1981-1988.

[11] 唐志國，李成榕，黃興泉，等.基于輻射電磁波檢測的電力變壓器局部放電定位研究[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(3): 96-101. TANG Zhiguo,LI Chengrong,HUANG Xingquan,et al. Study of partial discharge location in power transformer based on the detection of electromagnetic waves[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(3):96-101.

[12] 唐炬，周加斌，胡忠，等變壓器油中局放UHF信號能量與放電量的關(guān)系[J].高電壓技術(shù),2009,35(5):1009-1013. TANG Ju, ZHOU Jiabin, HU Zhong, et al. Relation between UHF signal energy and charge quantity of partial discharge in transformer oil[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(5): 1009-1013.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Study and application of bushing partial discharge online monitoring andlocation based on UHF

ZHU Xuecheng1, GAO Ziwei1, JIANG Yunlong2, WANG Haijiao1, XU Chao1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China;2.Maintenance Company, State Grid Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300000, China)

In order to solve the problems in the evaluation of insulation condition of transformer bushing through routine and diagnostic test, including the difficulty in discovering the hidden fault in the running bushing in time and the poor security of bushing partial discharge measurement of which the signal is educed through end screen, this paper proposed the bushing partial discharge live detection and location by difference of times based on UHF, expounded the basic principle of UHF location, simulated and calculated the method, and compared the located the partial discharge of bushing defect model. The test of the running transformer bushing shows that this method is able to identify the type and location of bushing partial discharge.

bushing; UHF; partial discharge; location

2016-01-01。

朱學(xué)成(1966—),男,高級工程師,主要從事高電壓技術(shù)方向研究工作。

TM855

A

2095-6843(2016)02-0141-04