電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)及定位技術(shù)的思考

【摘 要】電力設(shè)備的安全運(yùn)行是保證電網(wǎng)安全的第一道防線，變壓器作為電能傳輸和配送過程中能量轉(zhuǎn)換的核心，是電網(wǎng)安全運(yùn)行中最重要和最關(guān)鍵的設(shè)備。其容量和電壓等級(jí)也隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)越來(lái)越高，其可靠運(yùn)行關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電氣設(shè)備的故障分為三類：機(jī)械故障、導(dǎo)體故障和絕緣故障。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，以上三種故障中，絕緣引起的故障比重最大。而局部放電是造成電力變壓器絕緣劣化的重要原因，因此需要對(duì)電力變壓器的局部放電情況進(jìn)行檢測(cè)和定位，以避免絕緣故障的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】變壓器；局部放電；帶電檢測(cè)；定位技術(shù)

1電力變壓器局部放電的機(jī)理及分類

1.1絕緣介質(zhì)的內(nèi)部放電

變壓器內(nèi)部層壓木、層壓紙板，內(nèi)部或多或少的會(huì)有氣穴或介質(zhì)不因數(shù)不同的物質(zhì)。在交變的回路中，場(chǎng)強(qiáng)排列反比其介質(zhì)常數(shù) ，氣態(tài)的介質(zhì)常數(shù)一般遠(yuǎn)小于固態(tài)的，進(jìn)而所受電磁場(chǎng)力大，所以該區(qū)域等電壓大到一定程度時(shí)，該絕緣件薄弱內(nèi)部氣穴會(huì)最先產(chǎn)生局部放電。當(dāng)外部施加的時(shí)直流電時(shí)，氣穴放電產(chǎn)生的電量，在電壓作用下挪到到氣穴邊沿上；這些電荷又聚集在一起形成與外加電壓方向相反的電荷，降低了氣穴中的電場(chǎng)，很可能使絕緣材料中的氣穴中放電消失。然而當(dāng)施加交變的電壓，因?yàn)榻涣麟妷旱闹芷谛裕^緣材料中的外施加電場(chǎng)方向周期變化，與氣穴中放電電荷形成的反電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了氣穴中電場(chǎng)強(qiáng)度，使得氣穴能在較低的電壓下產(chǎn)生放電。因而交變的電壓下固體內(nèi)部的局部放電要比直流回路中要大的多。

1.2絕緣介質(zhì)的沿面放電

絕緣介質(zhì)處于電場(chǎng)中，電場(chǎng)中的各個(gè)分量中有一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)分量平行于介質(zhì)表面，并且這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)分量高于耐受場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。在絕緣介質(zhì)的彎曲處，絕緣紙板的尖角處都會(huì)發(fā)生表面放電。絕緣介質(zhì)的表面發(fā)生局放與電場(chǎng)的電極形狀有關(guān)，當(dāng)發(fā)生局放的電極不對(duì)稱時(shí)，脈沖幅值的正負(fù)半周就會(huì)產(chǎn)生變化。如果固體件表面放電的電極位于大電壓時(shí)，此時(shí)放電零點(diǎn)坐標(biāo)下的放電波形會(huì)較大、較?。徽胫艿姆烹娒}沖一般較小、很密。當(dāng)施加電壓相反時(shí)，放電圖形也會(huì)相反。放電波形密集，一、三象限不對(duì)稱，放電小的象限波形更為密集。放電頻率類似油中放電。放電量較大時(shí)伴隨氣穴放電。放電量的大小隨勵(lì)磁升高而顯著增大。一般采用沿面放電的絕緣紙重新包扎，更換沿面放電的夾木等方式處理。

1.3尖端放電

在極不均勻的電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度很高的部位通常都會(huì)發(fā)生放電，這種現(xiàn)象稱之為電暈放電。交變電場(chǎng)下，交變波形零坐標(biāo)的電壓更容易產(chǎn)生電暈。在導(dǎo)體的曲率半徑小的位置，特別是尖端位置，場(chǎng)強(qiáng)集中并且更高，非常容易產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。在正常進(jìn)行局放測(cè)量時(shí)，一般都對(duì)變壓器佛手扣上均壓環(huán)或均壓冒，目的就是為了防止佛手產(chǎn)生電暈，造成對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤判。特別是引線曲率半徑比較小的地方，此處由于電荷分布很密集，高電場(chǎng)比較強(qiáng)。會(huì)使得在導(dǎo)體和絕緣油或者絕緣紙等介質(zhì)發(fā)生放電，也稱作尖端放電。不勻稱的場(chǎng)強(qiáng)中常會(huì)呈現(xiàn)，不勻稱的場(chǎng)強(qiáng)部位，像套管蘿卜頭附近，電場(chǎng)強(qiáng)度分布比較集中，易發(fā)生電暈放電，易采用加包絕緣，加大絕緣距離以及采用絕緣隔離等方式來(lái)減少此類放電。

2電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)方法

2.1紅外線檢測(cè)法

紅外熱成像監(jiān)測(cè)法即是通過熱成像系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備的紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)電氣設(shè)備外層溫度的變化和差異間接判斷出設(shè)備局部放電的位置和程度。輻射在穿透空氣過程中其能量隨著傳輸距離的增大成遞減趨勢(shì)，但由于大氣中的不同成分（二氧化碳、臭氧、水蒸氣）對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的吸收程度存在差異，通過實(shí)驗(yàn)室觀察發(fā)現(xiàn)紅外輻射在1μm-2.5μm、3μm-5μm、8μm-14μm這三個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)被大氣的吸收作用最弱，在這三個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行紅外輻射檢測(cè)收到的效果最好，這三個(gè)波長(zhǎng)范圍也被稱為“大氣窗口”。常用的紅外檢測(cè)設(shè)備選用的波段是3μm-5μm（短波）、8μm-14μm（長(zhǎng)波）。目前變電、輸電、檢修等專業(yè)廣泛使用的紅外測(cè)溫儀器，也叫做焦平面紅外熱像儀，其原理是通過高密度的半導(dǎo)體光電耦合元件（類似CCD或CMOS）將紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)輸出到顯示器。

2.2高頻電流法

該方法是由傳統(tǒng)脈沖電流法演變而來(lái)的，屬于非電接觸式測(cè)量法，測(cè)量抗阻為高頻羅氏線圈，局部放電產(chǎn)生的脈沖電流信號(hào)又耦合回路中獲取。高頻電流法的信號(hào)應(yīng)引入測(cè)量回路的等效阻抗非常小，而且能夠在不影響設(shè)備運(yùn)行的情況下進(jìn)行非電接觸式測(cè)量，以開環(huán)式結(jié)構(gòu)羅氏線圈較為常見。

2.3超聲波檢測(cè)法

高壓電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量超聲波信號(hào)。超聲信號(hào)從局部放電源沿絕緣介質(zhì)和金屬構(gòu)件傳遞到電力設(shè)備外殼，并通過介質(zhì)和縫隙向周圍空氣中傳播。超聲波具有頻率高、波長(zhǎng)短、方向性強(qiáng)、能量集中的特點(diǎn)，因此檢測(cè)較容易。通常若檢測(cè)值超過7dB，則環(huán)網(wǎng)柜很可能出現(xiàn)了局部放電現(xiàn)象。

2.4超高頻檢測(cè)法

利用紅外測(cè)溫傳感器和熒光屏發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷問題后，可以進(jìn)一步使用超高頻局放檢測(cè)技術(shù)對(duì)主變壓器周圍放電情況進(jìn)行檢測(cè)，確定局部放電特點(diǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況來(lái)看，主變壓器10kV低壓側(cè)放電信號(hào)較為明顯，而且越接近低壓側(cè)放電信號(hào)越強(qiáng)。同樣利用超高頻傳感器和熒光屏自動(dòng)獲得超高頻檢測(cè)圖譜，通過對(duì)圖譜進(jìn)行觀察，可以看出主變壓器的兩側(cè)放電信號(hào)都開始減弱，而且高頻側(cè)幾乎檢測(cè)不到異常的放電信號(hào)。這說明放電信號(hào)不是干擾信號(hào)，而是由于紅外測(cè)溫檢測(cè)中設(shè)備熱度異常升高部分存在局部放電缺陷導(dǎo)致的。接下來(lái)可以根據(jù)超高頻圖譜特點(diǎn)，確定放電波形幅值較為密集、具有對(duì)稱性、存在于正半周，且相鄰放電信號(hào)的時(shí)間間隔基本一致，具有較為典型的懸浮放電特征。

3電力變壓器局部放電檢測(cè)定位技術(shù)分析

3.1超聲波定位

該定位方法是利用超聲波信號(hào)和電脈沖信號(hào)之間的時(shí)差進(jìn)行定位。具有抗干擾能力強(qiáng)、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，是目外比較常用的定位方法。在進(jìn)行定位時(shí)，以變壓器箱體上貼附的一路傳感器為參考點(diǎn)，測(cè)試放電信號(hào)參考點(diǎn)與其他傳感器之間的時(shí)差，然后利用雙曲面法計(jì)算放電的位置。然而在計(jì)算的過程中，經(jīng)常會(huì)將聲速假設(shè)為以個(gè)固定的等值，但實(shí)際情況是由于放電部位等的差異，超聲波傳播的速度并不一樣，所以會(huì)對(duì)定位的精確性造成比較大的誤差，所以在使用超聲波定位的過程中必須要注意，采用聲速變量以及增加探頭的方式進(jìn)行優(yōu)化。此外，影響超聲波定位準(zhǔn)確的因素還有計(jì)算方法、時(shí)差估計(jì)等。

3.2特高頻定位技術(shù)

特高頻定位技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是抗干擾能力強(qiáng)、定位速度快，因此在現(xiàn)實(shí)中得到了有效應(yīng)用。這種定位技術(shù)的缺陷非常明顯，即穿透能力較弱，且電力變壓器的內(nèi)部構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，因此在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中存在局限性。為了解決這一問題，必須對(duì)特高頻定位技術(shù)的影響因素給予有效分析。當(dāng)電力變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，電磁波會(huì)從設(shè)備內(nèi)部傳播出來(lái)。在面對(duì)實(shí)體金屬時(shí)，電磁波信號(hào)會(huì)發(fā)生劇烈衰減。為了保障帶電測(cè)量定位的準(zhǔn)確度，必須計(jì)算出不同傳感器之間的時(shí)延，同時(shí)定位計(jì)算局部放電的電源，具體可應(yīng)用復(fù)數(shù)域內(nèi)牛頓迭代算法。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，可以對(duì)非線性方程進(jìn)行線性化處理，關(guān)系式為：

其中，假設(shè)?是f（x）=0的根，x、y、z、t分別代表復(fù)數(shù)域內(nèi)?的初始近似值。將一組復(fù)數(shù)作為初始值，即將（x0，y0，z0，t0）這組數(shù)帶入到方程式中進(jìn)行迭代運(yùn)算，將迭代誤差嚴(yán)格控制在ε以內(nèi)，一直到迭代運(yùn)算結(jié)束，局部放電現(xiàn)象就能得到精確定位。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉嘉林，董明，安珊，楊蘭均，鄺石，張偉政.電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)及定位技術(shù)綜述[J].絕緣材料，2015，4808：1-7.

作者簡(jiǎn)介：

張福生（1982），男，山西朔州人，2008年畢業(yè)于臨汾電力高級(jí)技工學(xué)校，高級(jí)技師，工程師，從事電氣試驗(yàn)和帶電檢測(cè)技術(shù)工作。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司）