高頻脈沖電流局部放電檢測中干擾信號識別方法

馬建濤，馮新巖，趙廷志，李承振

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250018）

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，其運行狀況直接影響電網(wǎng)的可靠性。國際CIGRE工作組國際調(diào)查報告的統(tǒng)計數(shù)字表明，局部放電造成的絕緣故障占58.3%以上［1］。因此，開展變壓器局部放電帶電檢測或在線監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部局部放電隱患，對保證電力變壓器的安全穩(wěn)定運行非常重要。

變壓器局部放電帶電檢測方法主要有絕緣油溶解氣體分析法、超聲波法、高頻脈沖電流法、特高頻法等檢測方法，其中，高頻脈沖電流法由于安裝使用方便、檢測靈敏度高等優(yōu)點，已成為變壓器局部放電帶電檢測或在線監(jiān)測的主要技術(shù)手段［2-5］。

變壓器發(fā)生局部放電時，通常會在其鐵芯、夾件、套管末屏等接地引下線上產(chǎn)生高頻脈沖電流。通過使用高頻電流傳感器檢測接地引下線或其他地電位連接線上的高頻脈沖電流信號，便可實現(xiàn)對變壓器局部放電的帶電檢測。其檢測原理如圖1所示。

圖1 脈沖電流法檢測原理

在運行變電站中存在大量干擾信號，根據(jù)其時域特征的不同，主要分為：白噪聲干擾、周期性信號干擾和脈沖型干擾3類［6-7］。白噪聲干擾主要包括熱噪聲、地網(wǎng)噪聲、配電線路中由于耦合而進入的各種隨機噪聲等，白噪聲在整個頻段是連續(xù)平緩的。周期性干擾信號主要來自電力系統(tǒng)載波通信、高頻保護信號以及無線電干擾等。脈沖型干擾信號主要來自線路高壓端的電暈放電、開關(guān)及晶閘管開斷過程中的脈沖干擾、懸浮電位物體放電、接地不良引起的干擾等，脈沖型干擾信號是持續(xù)時間短的脈沖信號，在時域與頻域上與局部放電信號非常相似，因此脈沖型干擾信號識別排除難度最大。目前，人們在信號數(shù)據(jù)處理及傳感器方面對抑制干擾信號做了大量的工作，也取得一定成效［8-10］，然而現(xiàn)場總有些干擾無法徹底消除，這些干擾信號的產(chǎn)生給脈沖電流法檢測的信號識別帶來很大困難，因此現(xiàn)場對干擾信號的識別和排除顯得尤為重要。

1 干擾信號識別方法

高頻脈沖電流局部放電檢測發(fā)現(xiàn)信號時，首先需要判定所測信號是否具有放電特征，對于沒有放電特征的高頻信號可直接判定為干擾信號。若所測高頻信號存在放電特征，則需進一步分析信號特征，判定信號是否來自變壓器內(nèi)部，若局部放電源位于變壓器外部則可定為外部放電干擾信號。

干擾信號的識別與判斷主要依據(jù)信號的時域特征和頻域特征進行分析辨別，包括信號的頻段、高頻電流波形的極性等；對于部分變壓器外部的局部放電類干擾信號，可采用特高頻信號與高頻信號的對應(yīng)關(guān)系將局部放電源定位，進而排除干擾信號。

1.1 頻率識別法

利用高頻脈沖電流法進行局部放電檢測時，檢測到一個信號波形，首先需要在10 ms時基范圍內(nèi)確認該信號是否存在工頻周期相關(guān)性，如圖2所示，若沒有工頻周期相關(guān)性，則說明檢測到的波形不存在局部放電特征；如果信號存在周期性，則需要將信號波形展開，計算所測信號的等效頻率。根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)程Q／GDW 11400—2015《電力設(shè)備高頻局部放電帶電檢測技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導則》中的規(guī)定，高頻電流局部放電脈沖的頻段為3～30 MHz，但是實際中曾檢測到信號頻率為2.5 MHz左右的變壓器內(nèi)部局部放電的脈沖電流信號，故上述經(jīng)驗頻率范圍僅作為一個參考，在實際檢測中可適當拓寬。當檢測到信號頻率在兩個邊界值周圍的信號時均需要仔細分析信號特征，不能直接采用頻率法將信號判為干擾信號而排除。

對于信號頻率在1 MHz以下的低頻信號，多來自接地網(wǎng)回路中耦合干擾，在變壓器的不同接地部分均可檢測到類似信號，可根據(jù)頻率法直接判定此類信號為干擾信號。對于特高頻干擾信號比較明顯的環(huán)境，在進行高頻電流檢測時會檢測到部分頻率高達100 MHz的周期性信號，該部分信號多是直接耦合到高頻電流檢測回路的特高頻信號，可以直接判為干擾信號。

圖2 10 ms時基下脈沖電流波形

1.2 脈沖電流波形極性識別法

針對檢測到的脈沖電流波形，如果呈現(xiàn)工頻周期性，且信號頻率在脈沖電流檢測頻率范圍之內(nèi)，則可通過信號波形極性法來判別信號源范圍。一般變壓器或換流變壓器進行高頻電流檢測時，分別從鐵芯和夾件接地下引線部位測取信號。如果發(fā)現(xiàn)鐵芯夾件上二者信號極性相反（如圖3所示，高頻電流波形第一個脈沖的極性），則表示變壓器內(nèi)部存在異常放電現(xiàn)象，需要利用其他方法對該信號進行進一步定位。如圖4所示，當換流變壓器閥側(cè)繞組或網(wǎng)側(cè)繞組對鐵芯之間的絕緣發(fā)生破壞產(chǎn)生局部放電時，能量流向局部放電點、局部放電電流從繞組流向鐵芯，鐵芯接地線中流過正向的局部放電電流，夾件中會有電流從接地網(wǎng)流回局部放電點。其他部位的接地引線中也會有電流回流到故障點，圖4中紅色箭頭標識了具體電流流向（即極性）。當閥側(cè)繞組或者網(wǎng)側(cè)繞組對夾件之間的絕緣發(fā)生破壞以及鐵芯與夾件之間絕緣發(fā)生破壞時，鐵芯與夾件中的接地高頻電流脈沖極性相反。

圖3 鐵芯夾件極性相反的脈沖電流波形

如果鐵芯與夾件部位的高頻電流信號極性相同，如圖5所示，則不能完全排除變壓器內(nèi)部無異常放電，這時需要結(jié)合其他手段對該信號進行排除和確認。如圖6所示，閥側(cè)繞組對地發(fā)生局部放電時，換流變壓器鐵芯夾件上的高頻信號極性相同。

借助不同位置套管的末屏引下線，可檢測不同位置的高頻脈沖信號幅值大小及頻率，結(jié)合變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可有效判斷變壓器內(nèi)部局部放電的大體位置，如圖4和圖6所示，套管末屏接地部位亦可進行高頻局部放電檢測。而目前多數(shù)變壓器套管在設(shè)計時并沒有考慮末屏引下線，因此，若未對套管進行后期技術(shù)改造，脈沖電流極性識別法只能在鐵芯夾件處檢測，從而限制了其應(yīng)用和發(fā)展。

1.3 結(jié)合特高頻信號識別法

當檢測到脈沖電流信號極性相同時，判斷信號來自變壓器內(nèi)部還是外部較困難時，可同時結(jié)合特高頻信號來進行判斷。如圖7所示，如果每次檢測到的脈沖電流信號均有對應(yīng)的特高頻信號，則可采用多個特高頻傳感器進行檢測，利用特高頻信號時間領(lǐng)先法進行粗略判斷局部放電源位置。可在變壓器周圍放置3個特高頻傳感器，1個放置在變壓器周圍命名為A，1個放置于變壓器高壓側(cè)命名為B，1個放置于變壓器低壓側(cè)命名為C，觀察10 ms時基下脈沖電流信號和特高頻信號在周期上是否對應(yīng)，若不存在周期對應(yīng)關(guān)系，可判斷為干擾信號，若存在周期對應(yīng)關(guān)系，將波形展開，比較3個特高頻傳感器的時間差，若傳感器B最領(lǐng)先，則說明特高頻信號來自變壓器高壓側(cè)，若傳感器C最領(lǐng)先，則說明特高頻信號來自變壓器低壓側(cè)，若傳感器A領(lǐng)先于B和C，則說明特高頻信號來自變壓器周圍。這時需要在變壓器周圍對信號進行再細分定位，判斷信號來自變壓器內(nèi)部還是套管上的干擾，如表1所示。

圖4 繞組對鐵芯發(fā)生局部放電示意

圖5 鐵芯夾件極性相同的脈沖電流波形

圖6 繞組對外殼發(fā)生局部放電示意

圖7 脈沖電流信號與特高頻信號的對應(yīng)

表1 結(jié)合特高頻信號識別法的判斷

2 典型案例

2.1 脈沖電流極性法檢測換流變內(nèi)部局部放電

對某站換流變壓器進行高頻脈沖局部放電檢測，在換流變壓器鐵芯夾件上檢測到一個周期性高頻脈沖信號，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)021 C相鐵芯與夾件高頻脈沖信號極性相反，而其余相換流變壓器鐵芯與夾件高頻脈沖信號極性均相同，如圖9所示。分析圖9中信號，信號頻率約為30 MHz，頻率較高。不考慮放電類型因素的情況下，頻率較高的信號距離檢測部位較近，因此判斷信號源距離鐵芯與夾件引出部位距離較近。由于油色譜未出現(xiàn)異常，判斷信號放電能量較少。

圖8 021 C相鐵芯夾件高頻信號（極性相反）

圖9 021 B相鐵芯夾件高頻信號（極性相同）

2.2 結(jié)合特高頻信號識別法檢測變壓器內(nèi)部局部放電

對某變電站進行高頻脈沖局部放電檢測，在變壓器鐵芯夾件上檢測到一周期性高頻脈沖信號。將信號展開后發(fā)現(xiàn)鐵芯與夾件高頻脈沖信號極性相同，如圖10所示，分析其信號頻率為18 MHz，頻率在高頻脈沖放電信號頻率范圍之內(nèi)。外接2個特高頻信號傳感器，一個放置在變壓器周圍，另一個遠離變壓器周圍移動，發(fā)現(xiàn)靠近變壓器的特高頻信號始終超前其外側(cè)傳感器信號，如圖11所示。由此判斷變壓器內(nèi)部存在局部放電。

圖10 變壓器檢測脈沖電流法信號展開波形

圖11 外接特高頻傳感器的時間領(lǐng)先法波形

3 結(jié)語

針對現(xiàn)場高頻電流局部放電檢測過程中存在干擾信號難以識別判定的難題，分析現(xiàn)場存在的干擾信號類型以及各自特征，提出采用計算高頻電流脈沖信號頻率的方法對變壓器鐵芯及夾件接地線中存在的低頻干擾信號以及耦合在高頻電流檢測回路中特高頻信號進行排除；分析了脈沖電流的極性鑒別法，鐵芯夾件脈沖電流極性相反則必定存在局部放電，兩者極性相同時需要進一步判定；特高頻信號與高頻電流信號一一對應(yīng)時，可結(jié)合多路特高頻信號識別法實現(xiàn)局部放電源的定位，進而區(qū)分變壓器外部干擾信號。換流變壓器局部放電案例驗證了頻率法、極性法以及特高頻信號識別法的有效性。熟練掌握干擾信號的識別排除方法，可以明顯提升現(xiàn)場高頻電流局部放電檢測的效率，讓高頻電流局部放電檢測法發(fā)揮真正的作用。