變壓器局部放電超高頻在線監(jiān)測技術(shù)研究

夏代雄，萬 元，潘平衡

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

變壓器為電力系統(tǒng)核心設(shè)備之一，重要性非常突出。因此，其運行的可靠程度對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定非常之關(guān)鍵，而電力變壓器的安全可靠性很大程度上依賴于其絕緣的可靠性[1]。局放是絕緣性能的最重要表現(xiàn)形式之一[1-3]，也是引起變壓器重大事故的重要根源。

由于電力變壓器，尤其是大型、巨型的電力變壓器，其計劃停電檢查、檢修的時間相對比較少。為此，有效地在線檢測變壓器內(nèi)部的放電，實時辨識其運行情況，是提前發(fā)現(xiàn)變壓器的內(nèi)部缺陷、預(yù)防重特大安全事故的重要方法與手段。

目前變壓器局放在線檢測方法根據(jù)其原理不一致，存在很多種，其中應(yīng)用比較廣泛的包括脈沖電流法、超聲法、油色譜監(jiān)測等[1-3]，系統(tǒng)設(shè)計或選型的關(guān)鍵需從以下兩個方面考慮：（1）噪聲抑制；（2）反應(yīng)的迅捷度[1-3]。

本文從以上兩方面分析傳統(tǒng)監(jiān)測方法不足的基礎(chǔ)上，提出了變壓器局放超高頻在線監(jiān)測法，介紹了其監(jiān)測原理，干擾抑制方法和放電模式識別方法，并列舉了其在現(xiàn)場應(yīng)用的案例。

1 傳統(tǒng)變壓器局部放電監(jiān)測方法

變壓器的現(xiàn)場的干擾有很多種，具體包括變頻電子設(shè)備干擾、移動通信干擾、載波通信干擾、外部電暈等[2-3]，根據(jù)試驗研究，這些干擾所處的頻段大多數(shù)在500 MHz以下[2-3]，脈沖電流法主要采用高頻電流傳感器（羅柯夫斯基線圈）作為檢測用傳感器，檢測頻段上限大約為50 MHz[3]，超聲法主要選擇超聲波檢測元件作為傳感器，其傳感器的檢測頻率上限在10 MHz附近[3]，顯然，以上兩種方法與變壓器現(xiàn)場干擾存在重疊部分，從而不能避開變壓器現(xiàn)場的電磁干擾，容易引起誤測量。

當變壓器的內(nèi)部出現(xiàn)劇烈的電弧放電、高強度放電時，必須實時、及時地檢測變壓器內(nèi)部的放電狀況，以判斷變壓器是否需要立即停用，以預(yù)防重特大事故，即變壓器局放監(jiān)測須具有很強的實時性、迅捷度和準確度，油色譜監(jiān)測法主要通過測量變壓器油受高熱分解而生成的溶解于油的氣體（局放是導(dǎo)致油分解為氣體的重要因素）實現(xiàn)[2-3]，本質(zhì)上屬于間接測量，實踐證明其測量結(jié)果較準，是目前變壓器監(jiān)測的主流方法之一，但該方法實現(xiàn)局放的監(jiān)測，需要經(jīng)歷氣體的溶解、氣體在變壓器油箱內(nèi)擴散、油氣分離、氣體傳輸、氣體組分分離等一系列過程，從局放的發(fā)生至獲得檢測結(jié)果要經(jīng)歷較長的時間[2-3]，對變壓器內(nèi)部劇烈放電反應(yīng)的迅捷度不滿足要求。

因此，有必要研究變壓器新的檢測方法，使其在噪聲抑制、監(jiān)測的實時性及迅捷度方面滿足要求。

2 變壓器超高頻局部放電監(jiān)測原理

2.1 超高頻傳感器

油侵式變壓器在內(nèi)部發(fā)生局部放電時，將衍射出大量的高頻電磁波，這種高頻電磁波的頻段一般在300～1 500 MHz之間[3-4]，通過有效檢測變壓器內(nèi)部局部放電所衍射的電磁波，即可實現(xiàn)變壓器內(nèi)部放電的監(jiān)測。檢測電磁波的方法有很多種，其中阿基米德平面天線鑒于其耦合性好、靈敏度高、抗干擾性強等特征被廣泛應(yīng)用于空間中電磁波的檢測[4]，本文介紹的超高頻在線監(jiān)測方法即采用阿基米德天線作為在線測量傳感器。

鑒于變壓器運行現(xiàn)場干擾的頻段絕大多數(shù)在500 MHz以下[4]，本文選擇的天線的檢測頻段為500～1 500 MHz，可較好的避開干擾頻段，同時直接檢測局放衍射的電磁波，實時性滿足要求。圖1為用于變壓器局放在線測量的阿基米德天線。

圖1 用于局放在線測量的阿基米德螺旋天線

阿基米德螺旋天線的安裝位置大多數(shù)為變壓器的人孔門或者放油閥門[3-4]，圖2列出了安裝在人孔門的阿基米德螺旋天線。

圖2 安裝在人孔門的阿基米德螺旋天線

2.2 超高頻信號的降頻方法

阿基米德平面天線耦合的頻段高，能有效避開現(xiàn)場干擾，但由于主流的AD采樣頻率一般在200 MHz以下，以此采樣頻率無法有效捕獲超高頻信號，因此，在對超高頻傳感器獲取的高頻信號進行采集前，必須首先將高頻信號的頻率降低，以降低信號采樣頻率，目前，對信號進行降頻處理的方法主要有兩種，其工作原理具體如下[5]：

（1）混頻法：根據(jù)正弦定理，兩個不同頻率的正弦信號相乘時，可分解成一高頻信號與一低頻信號，其中高頻信號的頻率為兩個正弦信號頻率之和，低頻信號為兩個正弦信號頻率之差，因此，由硬件電路實時產(chǎn)生某個特定頻率的正弦信號，并混入到超高頻傳感器獲取的信號之中，與之相乘，即可實現(xiàn)混頻。采用低通濾波器濾掉混頻后信號中的高頻成分，而保留低頻成分，即可完成降頻。

（2）檢波法：檢波法是常用的降低信號頻率的方法之一，具體原理見圖3所示，從圖可知，當高頻信號脈沖出現(xiàn)時，若其波峰值大于電容的殘余電壓，二極管D便導(dǎo)通，高頻脈沖信號經(jīng)由二極管D不斷向電容器C充電，直至高頻脈沖信號電壓瞬時值與電容器殘余電壓相等，此時，二極管D被截止，同時電容器C開始通過R向外釋放能量，對于檢波器，一般要求電容器的充電時間常數(shù)要遠小于放電時間常數(shù)，即二極管的內(nèi)阻要遠小于電阻R的阻值，通過合理選擇檢波參數(shù)（包括D的內(nèi)阻，C的電容值及R的電阻值），便可完成信號頻率的降低。

圖3 檢波器工作原理及其等效電路

目前，對于變壓器超高頻在線測量技術(shù)，國際上主要采用檢波法來降低信號的頻率。

2.3 背景噪聲的抑制

檢測回路一般容易耦合背景噪聲，為了提高局部放電在線檢測的準確性，必須將背景噪聲有效抑制，以保證局部放電檢測的真實性，可通過小波變換抑制背景噪聲[6]。但小波去燥效果在一定程度上依賴于母小波與原始脈沖信號在時域波形上相似程度，而阿基米德天線獲得的變壓器局放信號與環(huán)境的關(guān)聯(lián)度是非常大的。這就給母小波的選擇帶來了一定的難度，必須分層采用不同的母小波對信號進行匹配，不同層均選擇匹配度大的小波作為該層的最佳母小波[6]。

對于不同的放電形式（比如油中空氣間隙放電、油中沿面局放、油中懸浮的電位體放電、油中電暈等四種模型），分三個試驗電壓等級測試改進后的小波去噪算法，結(jié)果表明逐層最優(yōu)小波分解有利于減少分解過程中產(chǎn)生的能量損失[6]。

圖4 四種放電模型產(chǎn)生的超高頻信號去噪結(jié)果

2.4 故障判斷方法

由于高頻電磁波在高壓變壓器的內(nèi)部存在大量的反射、折射現(xiàn)象，不同的故障位置產(chǎn)生的放電信號傳輸?shù)桨⒒椎绿炀€的路徑、衰減程度不一致[3]，[6]。采用超高頻法檢測變壓器局放信號時，目前尚無法形成一套有效的標定方法，無法有效構(gòu)建局放指標量的故障判定標準，目前大多數(shù)采用趨勢分析方法完成故障診斷。同時，放電隨電壓工頻信號的分布能有效反映放電的類型、位置及放電特征[1-2]，因此，可采用放電譜圖分析法實現(xiàn)超高頻局放檢測的故障定位。

由此可知，采用超高頻法測量變壓器內(nèi)部局放時，其故障診斷方法可以分成兩步：

第一步：判斷故障是否發(fā)生，以及嚴重程度，主要通過趨勢分析實現(xiàn)，但趨勢持續(xù)增大或者趨勢發(fā)生突變時，即實現(xiàn)故障的判斷；

第二步：采用放電譜圖法判斷故障的原因、故障的具體位置，實現(xiàn)故障的深度診斷。

3 故障診斷案例

某抽水蓄能電廠1號主變壓器（雙繞組變壓器），該變壓器容量340 MVA，高壓繞組的額定電壓550 kV，該變壓器于2009年在檢修時安裝了超高頻法局放在線檢測設(shè)備，2014年8月，電廠工作人員通過趨勢分析，發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部局放持續(xù)增大，并且維持在較高水平。專業(yè)人員通過檢測裝置調(diào)取放電信號（如圖5所示）[7]進行分析。

圖5 某抽水蓄能電廠故障主變的放電圖譜

顯然放電譜圖存在明顯異常，電廠征求變壓器生產(chǎn)廠家意見后，立即組織變壓器的內(nèi)檢，未發(fā)現(xiàn)問題，后又對變壓器進行了吊罩與解體檢查（繞組未進行解體），通過排查發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部有兩個故障點[7]，具體如下：

（1）鐵心之間的電屏蔽與高壓繞組的上端面存在明顯的斷裂點，同時存在明顯的放電痕跡；

（2）高壓繞組下部端面與鐵心之間的固體絕緣上有碎片脫離現(xiàn)象，并且存在明顯的放電痕跡。

電廠立即將該主變壓器送回生產(chǎn)廠家修理，修理后局放檢測裝置顯示的結(jié)果全部正常。上述實例有效地證明了變壓器超高頻局放監(jiān)測技術(shù)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)語

近年來，電力變壓器局部放電監(jiān)測技術(shù)研究中，應(yīng)用超高頻法來實現(xiàn)變壓器內(nèi)部放電的檢測等相關(guān)技術(shù)越來越受到重視。

本文闡述了變壓器超高頻局放檢測技術(shù)的基本原理、背景噪聲抑制方法、故障判定方法。通過現(xiàn)場應(yīng)用案例有效地驗證了采取合理設(shè)計超高頻傳感器的參數(shù)、優(yōu)化噪聲抑制、運用趨勢分析軟件來判斷變壓器是否存在局部放電故障是可行的和有效的。