采用超高頻方式進行變壓器內(nèi)部局部放電帶電檢測技術(shù)的應(yīng)用研究

魏哲宇

[摘? ? 要] 基于目前在GIS領(lǐng)域成功應(yīng)用的超高頻方式，通過傳感器來采集變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻信號，并結(jié)合放電信號的PRPD圖譜來分析判斷局部放電的性質(zhì)與嚴重程度，精準的計算放電信息參數(shù)，更直觀反應(yīng)變壓器運行時的真實情況。該項技術(shù)在工程層面的應(yīng)用，有望給變壓器的局放帶電檢測技術(shù)帶來實質(zhì)的突破，有助于實現(xiàn)大型變壓的狀態(tài)檢修并提升設(shè)備管理水平。

[關(guān)鍵詞] 超高頻;局放檢測;帶電檢測

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 037

[中圖分類號] F273? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）03- 0090- 06

1? ? ? 研究背景和意義

變壓器內(nèi)部局部放電的帶電檢測是變壓器帶電檢測項目中最具價值的測試之一，但由于現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境及局部放電的微弱性，也使之成為帶電檢測項目中最具挑戰(zhàn)的測試。在近些年來的應(yīng)用研究中，由于變壓器套管末屏取信號方式受限，而從變壓器接地端非電容式取信號的局限性較大，導致變壓器內(nèi)部局放的帶電檢測一直無法取得有效突破。

本項目是基于目前在GIS領(lǐng)域成功應(yīng)用的超高頻方式（200 MHz～1 GHz），通過傳感器來采集變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻信號。由于變壓器油箱本身具有的噪聲屏蔽作用，結(jié)合超高頻段的各類噪聲及干擾較小且易于識別的特點，使這種測試方式具有很強的抗干擾性，可以有效地檢測變壓器內(nèi)部發(fā)生的局部放電現(xiàn)象。由于帶電檢測無法對局部放電定量，故主要是通過放電量的相對變化來進行分析，并結(jié)合放電信號的PRPD圖譜來分析判斷局部放電的性質(zhì)與嚴重程度。

隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等的不斷發(fā)展，局部放電的檢測向著超高頻和超寬頻方向發(fā)展。局部放電超高頻檢測是通過超高頻傳感器提出變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻信號，從而實現(xiàn)局部放電的檢測。局部放電超高頻檢測技術(shù)作為電氣設(shè)備局部放電檢測的一種新的手段和方法，越來越受到重視，在國內(nèi)外取得了較快的發(fā)展，并在電力設(shè)備如GIS、同步發(fā)電機、電纜等的檢測中得到了初步的應(yīng)用。

近年來，荷蘭研究人員Rutgers，Pemen等人在實驗室中對變壓器局部放電的超高頻檢測進行了一些初步研究，它們的研究結(jié)果表明：油中放電上升沿很陡，脈沖寬度多為ns級的，能激起1 GHz以上的超高頻電磁波。法國ALSTOM輸配電研究中心的K. Raja等人在實驗室對各種典型放電模型局部放電的超高頻特性進行了研究，并發(fā)明了能夠選擇干擾最小的頻段進行檢測的超高頻局部放電檢測方法，并據(jù)此建立了局部放電模式識別的方法。在國內(nèi)，清華大學的陳慶國、王曉寧等人也在實驗室對變壓器局部放電的超高頻檢測進行了研究，他們在實驗室建立了局部放電的超高頻檢測系統(tǒng)，對放電模型在空氣和油中的放電特性進行了對比和分析，并對將超高頻傳感器安置于在變壓器內(nèi)部引出線附近來檢測局部放電進行了研究。在變壓器局部放電超高頻檢測的研究中，國內(nèi)外研究人員在思路和方法上存在許多的相似之處。

2? ? ? 項目的理論和實踐依據(jù)

2.1? ?變壓器局部放電機理及其超高頻傳感器選擇

變壓器的液體、固體的組合絕緣性能比較好，但也難以完全消除微量的氣泡，即使在制造已去除了氣泡，但在運行過程中，由于熱脹冷縮，不同材料特別是導體與介質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，也會逐漸出現(xiàn)裂縫;或者在運行中由于有機高分子的老化分解出各種揮發(fā)物，這些都可能使絕緣體中出現(xiàn)氣泡或氣隙而導致局部放電。局部放電一般不會引起絕緣的貫通性擊穿，但是可以導致電介質(zhì)（特別是有機電介質(zhì)）的局部損壞。若局部放電長期存在，則在一定條件下可能造成絕緣介質(zhì)電氣強度的降低。因此局部放電對絕緣設(shè)備的破壞是一個緩慢的發(fā)展過程，對于高壓電氣設(shè)備來說是一種隱患。局部放電的特性一般可與絕緣缺陷相互很好的印證，即根據(jù)局部放電特性可以確定電氣設(shè)備絕緣的局部損壞程度。在某種情況下，絕緣的性能可以按某種最能說明問題的特性來判斷，而對于不同設(shè)備的絕緣，這些特性可能各不相同。在多數(shù)情況下，綜合測量各種局部放電特性可以較客觀的評價產(chǎn)品的絕緣水平。

超高頻傳感器是變壓器局部放電超高頻檢測系統(tǒng)中最重要的部分，能夠有效接收局部放電脈沖發(fā)射的電磁波，變壓器局部放電超高頻傳感器安裝位置方法主要兩種：①在變壓器箱體安裝介質(zhì)窗，透過介質(zhì)窗可檢測內(nèi)部高頻電磁場，該方法在實驗室研究已取得了良好的效果，然而該方法要求在停電狀態(tài)下來安裝介質(zhì)窗，對已投運變壓器非常困難;②將天線從變壓器油閥中插入，保持天線面與箱體內(nèi)壁在同一平面上，將所測得的信號通過直接用電纜從變壓器中導出并送入檢測裝置。這樣不僅提高了檢測的靈敏度，而且安裝方便，易于實現(xiàn)。

2.2? ?變壓器局部放電檢測抗干擾方法

通訊信號、檢測設(shè)備的熱噪聲、系統(tǒng)白噪聲、來自電力系統(tǒng)的電暈及電氣設(shè)備的操作都會干擾對超高頻信號的檢測、識別和分析。通常，抗干擾技術(shù)包括硬件濾波技術(shù)和軟件濾波技術(shù)。通過對系統(tǒng)硬件設(shè)計，可在一定程度上抑制某些類型的干擾，但由于現(xiàn)場干擾的復(fù)雜性，僅僅依靠硬件濾波不能達到滿意的結(jié)果。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，開始嘗試用數(shù)字信號處理的方法解決如何從強大的干擾中提取局部放電信息的問題。

近年來發(fā)展起來的小波分析為局部放電去噪研究提供了新的強有力的工具。小波分析同時具有很強的時域和頻域的分析能力，成為近年來數(shù)字信號處理研究領(lǐng)域研究的熱點。目前，用于局部放電監(jiān)測的小波去噪方法主要有模極大值法和閾值法兩類，前者實現(xiàn)過程比較復(fù)雜，重構(gòu)信號誤差較大。后者算法簡捷，在局部放電監(jiān)測去噪中應(yīng)用較多。在采用閾值法去除與局部放電脈沖混疊的背景噪聲時，由于基小波和閾值的選擇對去噪信號的畸變具有直接影響，因此，最優(yōu)基小波和閾值的選擇是解決小波去噪后的局部放電脈沖信號畸變及幅值誤差的關(guān)鍵問題。

2.3? ?局部放電模式識別技術(shù)

要準確地了解和掌握電力變壓器內(nèi)缺陷類型性質(zhì)和特征，有效的方法是對獲得的局部放電信號進行模式識別。研究局部放電現(xiàn)象與絕緣缺陷之間的關(guān)系，是局部放電模式識別的主要目的。

自20世紀90年代以來，模式識別方法開始應(yīng)用于局部放電類型的識別，和傳統(tǒng)的依靠專家目測進行放電類型判定相比，顯著提高了識別的科學性和有效性。隨著超高頻檢測法的發(fā)展，應(yīng)用于脈沖電流檢測法的局部放電模式識別技術(shù)被引入超高頻檢測法。局部放電模式識別大致可以分為放電模式構(gòu)造、特征提取和模式分類三個主要部分。

（1）放電模式。局部放電模式主要包括PRPS模式、PRPD模式、缸模式與放電脈沖波形模式等四種主要應(yīng)用的局部放電模式。

（2）局部放電模式特征參數(shù)。目前局部放電模式特征提取常用的方法主要有統(tǒng)計特征參數(shù)法、分形特征參數(shù)法、數(shù)字圖像矩特征參數(shù)法、波形特征參數(shù)法、小波理論方法等。

（3）模式分類。在模式識別中，常用的分類器有基于距離的模式分類器、線性及非線性分類器、聚類分析分類器、模糊識別分類器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在局部放電模式識別中得到了最廣泛應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。

本項目從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，針對以上提及的局部放電超高頻信號的提取、抗干擾、模式識別等技術(shù)方式，對電力變壓器局部放電超高頻檢測系統(tǒng)進行全面研究。

3? ? ? 試驗材料與方法

局部放電是電力變壓器絕緣劣化的重要原因，局部放電的檢測和評價一直是變壓器絕緣狀態(tài)檢測的手段。因此，無論是研究機構(gòu)、制造廠商，還是電力系統(tǒng)運行部門，都非常關(guān)心局部放電檢測技術(shù)的發(fā)展。超高頻方法用于測量GIS已經(jīng)有了很多成熟的經(jīng)驗。但是由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超高頻方法用于測量變壓器局部放電也才剛剛開始。

3.1? ?局部放電超高頻測量技術(shù)原理

每一個局放的產(chǎn)生都會伴隨有一個很陡的電流脈沖，并向其周圍輻射電磁波。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，最高頻率能夠達到幾GHz。研究表明，變壓器中局部放電脈沖上升沿時間基本上為1～2 ns，因此，它發(fā)射的電磁波中超高頻分量相當?shù)母?。這些超高頻成分可以用電容傳感器或超高頻天線加以接收。

近幾年，出現(xiàn)的一種新型局部放電檢測方法——超高頻（UHF）檢測法。局部放電超高頻檢測法通過測量變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻電信號，實現(xiàn)局部放電檢測、定位，其抗干擾性能好。

3.2? ?變壓器內(nèi)部局部放電超高頻檢測系統(tǒng)組成

本項目主要進行對變壓器內(nèi)部局部放電帶電檢測研究的局部放電超高頻檢測系統(tǒng)主要由高頻傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和工控機。其中，超高頻傳感器可以通過變壓器的油閥伸入變壓器內(nèi)，整個過程可以帶電操作，變壓器無須停電。

信號調(diào)理單元主要功能是根據(jù)計算機的指令，調(diào)節(jié)選通信號的帶寬和中心頻率，使得只有特定頻率的信號才能通過，這樣既可以濾掉頻率較低的電暈放電等信號的干擾，也能避開移動電話、無線電通信等頻帶較為固定的超高頻信號的干擾，因而系統(tǒng)的抗干擾性強。

對于 UHF 測量結(jié)果，除了相對變化狀況之外，也可以形成放電信號的PRPD 圖譜，通過 PRPD 圖譜分析判別局放的性質(zhì)與嚴重程度。

4? ? ? 試驗過程與結(jié)果

4.1? ?項目實施方案

檢測系統(tǒng)構(gòu)建如圖1所示。

超高頻傳感器通過變壓器的油閥伸入變壓器內(nèi)，整個過程可以帶電操作，變壓器無須停電。

高頻傳感器與信號轉(zhuǎn)換器的測量頻率范圍為200 MHz～2 GHz，傳感器裝置自身帶有法蘭和標尺，通過變壓器的放油閥置入變壓器油箱。所連接的轉(zhuǎn)換器把所測量到的超高頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)采集單元可以處理的信號之后發(fā)送到數(shù)據(jù)采集單元。該傳感器在變壓器油箱內(nèi)部采集局放電所產(chǎn)生的超高頻信號，由于油箱本身所具有的屏蔽作用，以及超高頻段的各類噪聲及干擾比較小且易于識別，所以這種測量方式具有很強的抗干擾性，可以有效地監(jiān)測變壓器油箱內(nèi)部所發(fā)生的局部放電現(xiàn)象。雖然該信號本身無法對局部放電進行定量，不過可以對放電量的相對變化進行相對監(jiān)測。采樣之后的數(shù)字信號發(fā)送到采集單元內(nèi)部基于 FPGA 的實時信號處理系統(tǒng)。

實現(xiàn)：中心頻率與帶寬均可自由調(diào)節(jié)的數(shù)字濾波器，可按照現(xiàn)場條件在系統(tǒng)調(diào)試過程中進行調(diào)節(jié)，達到最佳的測量信噪比狀態(tài)。

后臺系統(tǒng)檢測軟件主要完成：實時數(shù)據(jù)測量管理、測量數(shù)據(jù)保存、基于趨勢統(tǒng)計結(jié)果的告警邏輯處理、基于瀏覽器的數(shù)據(jù)圖形化用戶管理等。

軟件功能特性：形成PRPD 圖譜，為專家系統(tǒng)對局放類型以及嚴重程度評估提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集與存儲管理，所有數(shù)據(jù)都保存到數(shù)據(jù)庫中形成趨勢記錄。數(shù)據(jù)處理與顯示，以設(shè)定的方式以及選定的圖形對采集數(shù)據(jù)進行處理和顯示。專家分析系統(tǒng)，以各個信號為基礎(chǔ)，對其性質(zhì)進行自動判斷。

4.2? ?試驗過程及數(shù)據(jù)分析

4.2.1? ?在變壓器送電前后，安裝與變壓器接地上的高頻CT的測試結(jié)果比較

通過高頻CT的測試比較，較難清晰看到圖譜差異，為此，采用3CFRD技術(shù)，對噪聲與局放進行三頻率分析，區(qū)隔出局放，通過選定分離，可以得到較為明確的局放圖譜

4.2.2? ?在變壓器送電前后，超高頻測試UHF的測試結(jié)果比較

送電前UHF的測試結(jié)果如圖2所示。

可以看到測試圖譜非常干凈，沒有任何干擾

送電后UHF的測試結(jié)果如圖3所示。

不需要任何噪聲分離，可以看到非常清晰的局放圖譜

4.2.3? ? 變壓器內(nèi)部局放，高頻CT與超高頻UHF的測試結(jié)果比較

通過比較常規(guī)的高頻CT測試與超高頻UHF的測試圖譜，可以看出，超高頻的局放圖譜背景無噪聲，局放非常清晰，而高頻CT測試結(jié)果則需要進行復(fù)雜的噪聲分離處理，才能初步確定局放。因此，對于變壓器內(nèi)部局放測試，超高頻具有非常顯著的優(yōu)勢，給現(xiàn)場分析判斷帶來極大的便利，非常有助于對變壓器內(nèi)部局放的分析判斷，這是選用超高頻測試變壓器內(nèi)部局放的價值所在。

4.2.4? ?高頻CT與超高頻UHF測試結(jié)果的驗證

由于高頻CT測試與超高頻UHF測試，是完全獨立的兩個MPD局放采集測試系統(tǒng)完成，因此，可以將這兩個系統(tǒng)的測試最終結(jié)果進行互相驗證，如果是真正的變壓器內(nèi)部局部放電，則兩個測試結(jié)果應(yīng)該是一致的，因為理想局放在各個頻率段都是一致的，以下為兩個測試結(jié)果的PRPD圖比較高頻CT測試圖譜（3CFRD噪聲分離后回放圖譜），如圖4所示。

超高頻UHF測試圖譜如圖5所示。

通過以上圖譜比較，可以清晰看出為同一局部放電，其電壓相位完全相同，可以在高頻與超高頻區(qū)域互相驗證。

4.2.5? ?超高頻測試中心頻率頻帶選擇研究

通過UHF頻譜曲線，選擇300 M測試中心頻率，在UHF圖譜中選擇了靈敏的中心頻率與頻帶，測試圖譜清晰良好，測試電壓達到17.66 mv。選擇400 M測試中心頻率，在UHF圖譜中選擇了另一個靈敏的中心頻率與頻帶，測試圖譜清晰良好，測試電壓達到23.13 mv。選擇500 M測試中心頻率。在UHF圖譜中選擇了不靈敏的中心頻率與頻帶，測試圖譜不明晰，測試電壓僅有0.34mv。可以看出，通過FFT頻譜圖，選擇合適的中心頻率與頻帶，對于局放測試非常重要。

4.2.6? ?超高頻傳感器插入深度對測試影響的分析研究

超高頻傳感器完全插入時，測試電壓為23.13 mv。超高頻傳感器退出10 CM時，測試電壓為10.83 mv。超高頻傳感器退出20 CM時，測試電壓僅為2.594 mv通過以上試驗分析，可以看出，需要盡可能將超高頻傳感器插入變壓器器身，在確保安全前提下，獲得最佳的測試效果。

5? ? ? 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點

5.1? ?超高頻傳感器選擇

研究表明，局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比，當只考慮檢測儀元件的熱噪聲對靈敏度的影響時，用寬頻帶檢測有更高的靈敏度，因此，變壓器局部放電超高頻傳感器選用寬頻帶是有利的。在變壓器局部放電檢測現(xiàn)場，干擾源多且干擾信號強，這極大地增加了局部放電信號提取的難度。研究表明，在變壓器工作現(xiàn)場，變電站背景噪聲和空氣中電暈干擾的頻率通常小于400 MHz。研究人員還發(fā)現(xiàn)，變壓器局部放電所激發(fā)的超高頻信號能量主要集中在400 MHz到1 100 MHz?？紤]天線內(nèi)置的需要，因此，選擇天線的下限截止頻率為500 MHz，可以較好地抑制噪聲干擾（具有固定頻率的電臺和移動通訊干擾可通過軟件加以剔除），同時獲取盡量多的放電信息。對于變壓器內(nèi)部的局部放電，到達接收天線的電磁波經(jīng)多次折、反射和衰減后已發(fā)生畸變，高頻分量不易精確提取，因此選擇天線的上限截止頻率為1 500 MHz。這樣既能有效的抑制大部分外部干擾，又能獲取盡可能多的放電信息。

5.2? ?典型局放模型局部放電的頻譜特征和譜圖特征分析

變壓器局部放電其放電類型主要有油中針板放電、絕緣紙板沿面放電、絕緣紙板內(nèi)部氣隙放電、油楔放電、懸浮放電。研究表明，隨運行電壓的增加，放電信號所對應(yīng)的頻譜分布變化不大，只是幅值有所增大，油中針板放電產(chǎn)生的超高頻電磁波主要集中在1 000 MHz以下。沿面型放電主要集中在500～800 MHz的頻帶內(nèi)，固體絕緣內(nèi)部氣隙放電主要集中在400～1 000 MHz，油楔放電主要集中在300～1 000 MHz，懸浮放電則廣泛分布在整個測量頻帶內(nèi)。通過對局部放電超高頻信號的相位特征分析發(fā)現(xiàn)，不同的放電類型，放電發(fā)生的相位有著其一定的范圍，隨電壓升高，放電頻率增大、放電幅值增加，但統(tǒng)計譜圖特征變化不大。

5.3? ?變壓器內(nèi)部超高頻信號傳播特性的理論分析

變壓器局部放電產(chǎn)生的電磁波其能量沿電磁波的傳播方向流動，在變壓器局部放電超高頻檢測過程中，局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波從放電點傳播到超高頻天線傳感器需經(jīng)過油紙絕緣，傳播過程中還會遇到金屬導體，如繞組、變壓器箱體，然后傳播到接收天線。由于變壓器箱體內(nèi)局部放電超高頻信號的傳播路徑復(fù)雜，因此，非常有必要對其傳播特性進行理論分析和實驗研究。

對于基于超高頻傳感的電力變壓器局部放電檢測，目前國內(nèi)研究并不多見，由于UHF有明顯的優(yōu)越性，加之現(xiàn)代計算機技術(shù)的快速發(fā)展，以及其他局部放電技術(shù)手段的融合互補，可以預(yù)料以后該方法的應(yīng)用將會有更廣泛、更全面的擴展延伸，這也需要加大對電磁波在變壓器中傳播機理的研究以及研制實用性強的傳感器。在有望給變壓器的局放帶電檢測技術(shù)帶來實質(zhì)的突破的同時，也有助于實現(xiàn)大型變壓器的狀態(tài)檢修并提升設(shè)備管理水平，另一方面在放電量標定、放電嚴重程度判斷、放電類型判別、檢測方式選擇和檢測規(guī)程建立等方面仍需要大量的試驗研究和經(jīng)驗積累。

6? ? ? 已推廣應(yīng)用的情況及存在不足

在現(xiàn)場超高頻傳感器安裝過程中，也發(fā)現(xiàn)了以下兩方面的問題：

（1）排油閥油管的長度影響到測試精度。在現(xiàn)場測試過程中，由于超高頻傳感器長度是固定的，但是變壓器排油管的長度各有不同，測試表明，短的排油管測量效果好于長的排油管，即局放信號雖然有折射及反射波進入長排油管，但是必然會有衰減，會導致測試的靈敏度下降。

（2）變壓器排油閥門不規(guī)則，導致部分主變無法安裝超高頻傳感器，隨著在檢修過程中逐步對主變的不規(guī)則閥門更換和統(tǒng)一后，這一問題會得以解決。

7? ? ? 結(jié)論與展望

目前，國內(nèi)外對變壓器局部放電超高頻檢測的研究還主要集中在實驗室中，現(xiàn)場的工作較少，并且檢測系統(tǒng)中所用儀器如頻譜分析儀、高速數(shù)字示波器等不但價格昂貴且不適合在現(xiàn)場長期運行。而對變壓器箱體內(nèi)變壓器油中超高頻信號的傳播規(guī)律的研究仍不充分，同時也非常有必要對適合變壓器現(xiàn)場運行特點的小型化、高檢測性能的超高頻傳感器進行研究。采用超高頻方式進行變壓器內(nèi)部局部放電帶電檢測，能夠精準地計算放電信息參數(shù)，更直觀反應(yīng)變壓器運行時的真實情況，通過在工程層面的應(yīng)用，將有望給變壓器的局放帶電檢測技術(shù)帶來實質(zhì)的突破，有助于實現(xiàn)大型變壓的狀態(tài)檢修并提升設(shè)備管理水平。

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