電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)及定位技術(shù)

馬洪杰 邊慶華 陳文通

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司崇左供電局）

0 引言

電力變壓器在我國(guó)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，電力變壓器的絕緣性決定了變壓器的使用壽命，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)變壓器局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)展開了大量研究實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)出相應(yīng)的檢測(cè)方法和定位方法，例如脈沖電流檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法、超聲波定位法和特高頻定位法等等，這些檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。

1 電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)

1.1 高頻電流檢測(cè)法

高頻電流檢測(cè)方法是通過羅氏線圈對(duì)電力變壓器局部放電鐵心位置進(jìn)行電流信號(hào)測(cè)量，通過對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分析，判斷出電力變壓器局部放電的問題［1］。高頻電流檢測(cè)法在耦合回路中測(cè)量阻抗力非常小，能夠在不影響變壓器正常運(yùn)行下進(jìn)行非電式測(cè)量，但是利用高頻電流法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)耦合方式發(fā)生改變，通過對(duì)變壓器添加濾波器可以對(duì)干擾進(jìn)行分離，也可以通過對(duì)其多次測(cè)量和數(shù)據(jù)分析來解決以上問題，電力變壓器局部放電高頻電流檢測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1

1.2 超聲波檢測(cè)法

在電力變壓器局部放電過程中，會(huì)產(chǎn)生大量超聲波信號(hào)，通過超聲波檢測(cè)法可以準(zhǔn)確快速找出變壓器局部放電的位置以及放電量的大小。超聲波具有高頻率、波長(zhǎng)短的特點(diǎn)，在對(duì)電力變壓器局部放電進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。可以對(duì)范圍在20～200kHz放電頻率的變壓器進(jìn)行檢測(cè)，變壓器局部放電量較大時(shí)超聲波測(cè)量的信號(hào)與放電量成正比關(guān)系，工作人員就可以根據(jù)超聲波的強(qiáng)弱對(duì)局部放電情況進(jìn)行識(shí)別［2］。但是，超聲波在傳播放電量時(shí)過程比較復(fù)雜，無法準(zhǔn)確判斷出放電類型。因此，超聲波法在電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)中依舊起到輔助作用，電力變壓器超聲波局部放電檢測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2

1.3 脈沖電流檢測(cè)法

在電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)中，脈沖電流檢測(cè)法是最常見的一種方法。電力變壓器局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖電流，這些電流會(huì)經(jīng)過地面進(jìn)入傳感器，將傳感器和變壓器回路相連接，通過對(duì)脈沖電流測(cè)算可以計(jì)算出變壓器局部放電的電荷量，并精確找到放電位置［3］。電力變壓器脈沖電流檢測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3

1.4 光學(xué)檢測(cè)法

在變壓器放電過程中會(huì)出現(xiàn)發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象，利用紫外線、可見光和紅外線這些光輻射信號(hào)可以判斷出變壓器放電的位置。光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，通過電壓信號(hào)的幅值和脈沖電流的放電量顯示出變壓器放電強(qiáng)弱，光學(xué)檢測(cè)主要是對(duì)變壓器內(nèi)部和外部放電情況通過紫外線光學(xué)攝像進(jìn)行視頻檢測(cè)，形成數(shù)據(jù)檢測(cè)報(bào)告，如圖4所示。

圖4

在光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上延伸出熒光光纖檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)可以對(duì)普通光學(xué)傳感器無法深入的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象不受微光信號(hào)的限制，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍。通過運(yùn)用光學(xué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)變壓器局部放電帶電檢測(cè)，不僅能夠更加直觀地反映出變壓器放電情況，同時(shí)還能檢測(cè)出變壓器局部放電次數(shù)和電流強(qiáng)弱。光學(xué)檢測(cè)方法是電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)中是一種新的變壓器故障檢測(cè)方法［4］。同時(shí)，該方法尚不成熟，依舊有很多技術(shù)和問題需要進(jìn)一步研究解決，比如說光電轉(zhuǎn)換成本比較高，內(nèi)部設(shè)備對(duì)檢測(cè)結(jié)果易造成影響等等。

1.5 超高頻檢測(cè)法

超高頻檢測(cè)法是電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)常見的技術(shù)方法，具有很高的靈活度和抗干擾能力。當(dāng)電力變壓器局部產(chǎn)生電流時(shí)，超高頻檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)植糠烹娦盘?hào)頻率在300～3000MHz范圍內(nèi)的電流信號(hào)進(jìn)行快速檢測(cè)，獲得局部放電信息實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器故障的快速診斷。在進(jìn)行高頻檢測(cè)時(shí)，高頻傳感器起到了重要作用，它不僅可以安裝在變壓器內(nèi)部，也可以安裝在變壓器外部，如圖5所示。

圖5

1.6 油色譜分析法

近年來變壓器運(yùn)行過程中從油中產(chǎn)生的氣體對(duì)變壓器故障預(yù)警起到重要作用，在變壓器局部產(chǎn)生電流時(shí)，局部絕緣體會(huì)因老化等情況產(chǎn)生化學(xué)氣體，這些氣體很快會(huì)溶解在變壓器油中。工作人員通過對(duì)油中氣體的特征、成分和含量進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步判斷出變壓器故障的原因。氣體分析法不僅可以在變壓器帶電運(yùn)行中進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)也可以進(jìn)行離線狀態(tài)檢測(cè)［5］。此方法的不足之處在于，無法對(duì)變壓器瞬間產(chǎn)生的故障進(jìn)行分類，大多還需要企業(yè)專業(yè)人員進(jìn)行輔助判斷。

1.7 紅外線檢測(cè)法

紅外線檢測(cè)法是通過變壓器外部溫度變化形成的紅外線成像進(jìn)行變壓器局部放電帶電檢測(cè)。由于大氣中存在不同成分的氣體，這些氣體對(duì)紅外線的波長(zhǎng)輻射吸收存在明顯差異。紅外線呈現(xiàn)出短波和長(zhǎng)波兩種狀態(tài)。通過變壓器耦合元件將紅外線輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過專業(yè)設(shè)備顯示在顯示器中，方便工作人員進(jìn)行檢測(cè)。紅外線檢測(cè)法具有很強(qiáng)的實(shí)效性，并且在一定的距離內(nèi)進(jìn)行直接檢測(cè)，由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和傳熱過程的復(fù)雜，紅外線檢測(cè)法只針對(duì)一些變壓器外部故障進(jìn)行檢測(cè)。

1.8 超頻寬帶法

此種方法是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析對(duì)變壓器放電的電荷進(jìn)行輸入和輸出差計(jì)算，更加直觀地對(duì)電力變壓器局部放電位置進(jìn)行判斷，方便技術(shù)人員及時(shí)檢修。這種方法的缺點(diǎn)在于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，放電位置電荷流動(dòng)不穩(wěn)定，對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算存在誤差。

1.9 新型現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

定向耦合差動(dòng)平衡技術(shù)是一種新興現(xiàn)代技術(shù)，在電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)中應(yīng)用越來越廣泛。其工作原理主要是針對(duì)電壓器在放電過程中產(chǎn)生的電磁信號(hào)進(jìn)行抑制，自動(dòng)形成屏蔽墻，快速判斷放電帶電位置，同時(shí)還能判斷出不同放電位置的電流強(qiáng)弱［6］。有時(shí)候變壓器放電帶電位置不止一處，運(yùn)用定向耦合差動(dòng)平衡技術(shù)可以同時(shí)讓雙向脈沖電流或者三向脈沖電流發(fā)出信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)的大小對(duì)放電區(qū)域進(jìn)行帶電檢測(cè)。

分形理論放電檢測(cè)技術(shù)在電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)中根據(jù)變壓器帶電區(qū)域的放電次數(shù)和放電量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和識(shí)別，提取重要參數(shù)通過人工智能技術(shù)和電力變壓器對(duì)其進(jìn)行不同維度的分析，展現(xiàn)出放電的規(guī)律，幫助工作人員進(jìn)行帶電檢測(cè)。

2 電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)定位技術(shù)

2.1 特高頻定位法

利用 高 頻 定 位 技 術(shù)（Uitra High Frequency，UHF），可以對(duì)變壓器局部放電信號(hào)做出快速定位，有利于及早排除故障。其定位原理是對(duì)變壓器局部放電過程中產(chǎn)生的電磁波信號(hào)進(jìn)行局部定位，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和高靈敏度。由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)電力變壓器進(jìn)行局部放電時(shí)，電磁波從變壓器內(nèi)部傳出，在傳出過程中遇到金屬障礙物時(shí)，電磁信號(hào)會(huì)明顯降低［7］。所以在具體應(yīng)用中，高頻定位法依然存在很大的局限性。電力變壓器局部放電帶電定位系統(tǒng)如圖6所示。

圖6

2.2 超聲波定位法

當(dāng)變壓器局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超聲波能量，通過不同介質(zhì)超聲波向外進(jìn)行傳播，根據(jù)超聲波傳播時(shí)延時(shí)間的長(zhǎng)短，就能對(duì)變壓器放電位置定位。超聲波傳播路徑主要有兩條，如圖7所示。

圖7

超聲波定位是以變壓器的傳感器作為參考點(diǎn)，通過對(duì)變壓器的放電信號(hào)傳播到其他傳感器與參考點(diǎn)的時(shí)延相對(duì)比，將時(shí)間差帶入幾何關(guān)系方程式中求解，便可得出變壓器放電的位置。影響該放電位置精確度的因素主要有三種，第一種是定位的計(jì)算方法，第二種是傳感器之間的時(shí)延估計(jì)，第三種是等值申訴V的取值。超聲波定位系統(tǒng)如圖8所示。

圖8

2.3 聯(lián)合定位法

變壓器在局部放電時(shí)產(chǎn)生大量脈沖電流，脈沖電流會(huì)受到各種因素如噪音的干擾，使其抗干擾能力低，造成對(duì)局部定位放電位置定位不準(zhǔn)確。為了進(jìn)一步提高電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)定位的準(zhǔn)確性，采取聯(lián)合定位法。如特高頻技術(shù)與聲聯(lián)合定位，特高頻定位技術(shù)與光聯(lián)合定位法等等。特高頻與聲聯(lián)合定位是通過將超聲波與特高頻定位法技術(shù)相結(jié)合，將獲得的超聲信號(hào)時(shí)差與高頻電磁波時(shí)差進(jìn)行相比較，在定位時(shí)通過變壓器的特高頻傳感器進(jìn)行信號(hào)傳播，避免電磁波造成電信號(hào)的衰弱，從而更準(zhǔn)確地定位變壓器放電位置。聯(lián)合定位法彌補(bǔ)了單一定位法的缺陷，在電力變壓器局部放電時(shí)，作出快速準(zhǔn)確的帶電檢測(cè)。

3 結(jié)束語

電力變壓器的局部放電會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成事故安全隱患，其中變壓器的絕緣老化是導(dǎo)致安全問題的重要原因，同時(shí)電力變壓器結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)仍然具有更多的研究?jī)r(jià)值，目前的檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該做到取長(zhǎng)補(bǔ)短。除此之外，對(duì)電力變壓器局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)的研究是為了更好地保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電力變壓器的安全性能，隨著電力行業(yè)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和數(shù)字信息化處理方面的技術(shù)不斷提高，相關(guān)研究人員還需進(jìn)一步對(duì)變壓器進(jìn)行深入研究。