封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置設計與應用

廣東電網有限責任公司中山供電局 李新海 王偉平 陳 昱 梁智康 梁麗麗 陳 權

局部放電（Partial Discharge，PD，簡稱局放）是絕緣介質區(qū)域中的局部擊穿導致的放電現(xiàn)象，由于局放是絕緣劣化的初始表象，研究局放發(fā)生的情況以及準確定位局放發(fā)生的位置對危險程度評估和制定相應的檢修策略具有重要的意義[1]。

變壓器是電力系統(tǒng)正常運行中必不可少的一個關鍵運行部件，其運行狀況與設備質量直接關系到整個電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性[2]。其中，變壓器的絕緣狀態(tài)對于變壓器整體的運行情況又是一大影響因素，由于變壓器在局部放電的過程中會產生大量的光、電、熱以及各種物理、化學反應，使得變壓器絕緣出現(xiàn)老化以及變形等嚴重問題，由此而引起的大大小小的電力事故已不在少數(shù)。國內外研究表明，變壓器局部放電檢測和定位已經成為保障電力系統(tǒng)安全運行的重中之重。

當變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象時，不僅會產生電荷轉移和電能損耗等現(xiàn)象，變壓器周圍的介質還會出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象，并伴隨著高頻輻射以及超聲波，為局部放電檢測技術的優(yōu)化提供了基礎[3]。根據(jù)變壓器局部放電產生的不同現(xiàn)象，科研人員可以使用與之對應的不同方法來收集這些信號，從而實現(xiàn)局部放電的檢測。目前，國內外學者對變壓器進行局放檢測的手段可分為電氣檢測法和非電氣檢測法兩大類。電氣檢測法包括脈沖電流法、特高頻法等；非電氣檢測法包括油中溶解氣體分析法、超聲波法、光測法等。脈沖電流法抗干擾能力差，信號易受干擾，不能實現(xiàn)局放的定位，目前，脈沖電流法主要用在電氣設備的型式試驗和離線檢修工作中，難以用于電氣設備PD絕緣缺陷的在線監(jiān)測[4]。油中溶解氣體分析法雖然不受電磁干擾，但是對與局放信號的響應較慢，不能及時的反饋局放信號；超聲波法可根據(jù)信號幅值和相位分布對放電類型和嚴重程度進行判斷，可對局部放電信號精確定位，但超聲波信號衰減較快，檢測區(qū)域較小[5]。光測法對于所使用的檢測部件的透明性的要求很強，設備成本也較高，導致其在實際檢測中受限；超聲波法只能對變壓器外殼周邊的信號進行檢測，且抗干擾能力較差；相對來說，特高頻法檢測覆蓋面較廣、對于局放信號的靈敏度高且定位精度高、抗干擾能力強，更適合于對運行中的變壓器內部進行局部放電的在線監(jiān)測和精確定位。

本文例舉出了幾種針對變壓器特高頻局部放電的檢測方法，分析了它們不同的檢測技術，包括檢測原理、使用現(xiàn)狀等內容，同時基于現(xiàn)有檢測方法的不足，提出了一種封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置的設計與應用情況。

1 特高頻帶電檢測技術

1.1 基本原理

特高頻帶電檢測技術其主要的檢測設備分為兩大塊：信號采集裝置和局部放電檢測裝置。變壓器內部出現(xiàn)局部放電時，會產生上升/下降沿1ns左右的快速放電脈沖電流，在快速的擊穿過程中，這些快速脈沖會在變壓器腔體內輻射出300-3000MHz的特高頻信號。局部放電產生的高階電磁波信號可以沿著變壓器的金屬結構長距離的向前傳播，速度較快，近似于光速，并且特高頻信號可以通過變壓器設備上的非鐵磁材料位置擴散到外部[6]。由于變電站空氣中電暈干擾的電磁波頻段主要集中在300MHz以下，因此該技術具有較高的抗干擾能力，能實現(xiàn)實際工作中局部放電巡檢、定位及缺陷識別和診斷[7]。

1.2 局放特高頻傳感器分類及優(yōu)缺點

按照使用時安裝位置的不同，通?？梢詫⑻馗哳l傳感器大致分為兩類，分別是外置傳感器和內置傳感器。外置傳感器在對局放信號進行采集時，如果存在金屬屏蔽，是無法有效采集信號的，因此需提前預留非金屬澆注口。但是外置傳感器具有安裝拆卸方便、安全性高及經濟成本低的優(yōu)點[8]。

變電站變壓器特高頻局放檢測傳感器一般采用內置傳感器，相較于外置傳感器，由于內置傳感器安放在變壓器殼體的內部，因此受到的外部電磁干擾很小，幾乎不受影響，這使得檢測的靈敏度也得到了提高。內置式傳感器的頻率響應曲線在特高頻段（300MHz～3GHz）范圍內幾乎為一條上升的直線，在該頻段范圍內具有優(yōu)秀的頻率響應特性[9]。但是在信號傳輸?shù)倪^程中特高頻信號會出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象，所以需要間隔一定的距離安裝多個傳感器，一般至少需要在變壓器的不同位置布置4個特高頻傳感器，一般是在變壓器檢修手孔和人孔位置安裝，因此對傳感器制造安裝的工藝要求較高，特別是當變壓器結構過于復雜時，安裝難度和成本會大大提高。

傳感器安裝前需要對變壓器進行停電、排油和濾油處理，安裝完成后還需要對變壓器進行相關的檢查和試驗，這導致施工周期較長，施工成本較高。在安裝時還需要注意，不要影響到變壓器原有的電場分布以及絕緣。傳感器感應面多采用金屬材料，這導致安裝傳感器后可能對變壓器內部的電場分布存在影響；為了保證信號采集，有時傳感器可能會出現(xiàn)伸入過多的情況，從而導致變壓器的絕緣特性降低。因此對于傳感器的設計和安裝要求較高，還需要計算和試驗驗證傳感器的安裝是否對變壓器的運行存在影響。

目前存在一種排油閥型內置式傳感器，即利用變壓器油閥作為安裝通道，將傳感器伸入變壓器箱體內部，與變壓器油直接接觸后耦合PD產生的電磁波信號，該方式可以在變電站現(xiàn)場帶電狀態(tài)或停電狀態(tài)下進行安裝和拆卸，是目前已投運變壓器PD內置式特高頻傳感器最常用的安裝方式[10]，但是監(jiān)測效果并不理想，原因如下：大部分變壓器的排油閥管路彎曲，很難將傳感器伸入變壓器的內部；排油閥內部設有金屬擋板，信號采集受到阻斷，導致不能有效的采集到的特高頻信號；排油閥型傳感器只能用于安裝在排油閥為球閥和閘閥的變壓器，對于蝶閥的變壓器并不適用。

綜上所述，傳感器存在設計制造工藝要求高、安裝施工復雜，且檢測位置選取困難等問題，這導致國內變壓器的特高頻局部放電監(jiān)測研究應用停滯不前，較大的限制了特高頻檢測技術在變壓器局部放電檢測的推廣和應用。

2 封蓋式變壓器特高頻局放信號采集

2.1 封蓋式變壓器特高頻局放信號采集裝置設計

為了解決信號采集裝置的安裝施工周期較長，施工成本較高、設計要求高、檢測位置選擇困難等問題。如圖1和圖2所示，提出了一種封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置，包括裝置外殼和信號采集器件兩部分。

圖1 封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置外殼

圖2 封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置設計

裝置外殼內設置用于放置信號采集裝置，由CT二次接線盒蓋板、防水盒底盒和防水盒上蓋組成；通過三部分的密切安裝達到密封，實現(xiàn)防水、防潮、防塵及防小動物的作用，防護等級達到IP66。CT二次接線盒蓋板表面設置傳感器感應面用于局放信號的采集，板面設有四個蓋板固定螺孔用于信號采集裝置的固定。信號采集裝置的尺寸和結構是可以通過對CT二次接線盒蓋板的大小的設計以及四個蓋板固定螺孔的孔位設計，實現(xiàn)對不同型號的變壓器升高座電流互感器二次端子箱的封蓋進行匹配，實現(xiàn)信號采集裝置的通用性和特定性，從而達到對多種不同變壓器的信號采集裝置的匹配和快速安裝，平均等效高度可達12mm。防水底盒上設置有特高頻電纜穿線孔，同軸電纜可以通過此孔將連接信號檢測裝置上的同軸電纜接頭，從而傳出信號。

信號采集裝置包括N型接頭、三通接頭、過電壓保護器和特高頻同軸電纜接頭。過壓保護器、三通接、N型接頭連接、特高頻同軸電纜接頭這四個部件如圖2所示依次連接，其中N型接頭靈敏度為-75dBm～-5dBm、動態(tài)范圍70dBm的特高頻檢測和定位設備技術參數(shù)匹配，一方面保證了連接安全可靠以及降低損耗，另一方面實現(xiàn)變壓器和套管特高頻局放信號的測試和定位分析。而特高頻同軸電纜接頭保證了封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置對電磁波有優(yōu)良的耦合技術。

N型接頭技術參數(shù)：接口類型N型公頭，N型接頭匹配阻抗50Ω，適用線徑1/4英寸，阻抗50Ω±1Ω，工作頻段0～18000MHz，衰減度910 MHz典型衰減小于-110dBm，工作溫度-40～85℃。

此封蓋式變壓器局部放電信號采集裝置技術參數(shù)、主要功能和技術指標如下：

傳感器的靈敏度指標：傳感器平均等效高度不小于12mm；

傳感器的工作頻帶測量頻帶范圍：300MHz-1500MHz；

傳感器的信號接頭：N型母頭；

傳感器的電氣安全性指標：傳感器工頻接地電阻≤0.1Ω；

傳感器工頻瞬時沖擊電流承受能力≥10kA/2ms；

保護器的工頻接地電阻≤0.1Ω；

保護器的工頻瞬時沖擊電流承受能力≥10kA/2ms；

保護器接入衰減≤1.0dB；

傳感器的特高頻對地阻抗≥2kΩ；

傳感器的機械安全性；

抗震動能力IEC60068-2-6-Vabration±1g、抗沖擊能力IEC60068-2-7-Shock 15g/11ms、抗擊打能力IEC60068-2-9-Bump 10g/16ms、適應壓力-1Bar～10Bar；

傳感器的環(huán)境適應性：適應的環(huán)境濕度≤95%；適應的環(huán)境溫度：-40℃～85℃。傳感器接線端子盒具備防水、防潮、防塵及防小動物密封措施，提供方便快捷的安裝接線環(huán)境，防護等級IP66。傳感器與N型檢測接口、靈敏度為-75dBm～-5dBm、動態(tài)范圍70dBm的特高頻檢測和定位設備技術參數(shù)匹配，保證可靠安全、低損耗的連接，實現(xiàn)變壓器和套管特高頻局放信號的測試和定位分析。配置靈敏度為-75dBm～-5dBm、動態(tài)范圍70dBm的特高頻檢測設備，可準確檢測到變壓器內部不大于100pC的局放信號。

2.2 封蓋式變壓器特高頻局放信號采集裝置安裝布置

由于目前運行變壓器升高座電流互感器二次接線端子分布固定在環(huán)氧板上，而環(huán)氧板的直徑較大，二次端子件存在較大的間隙，這為信號采集裝置的安裝提供了足夠的空間，可以將CT二次接線盒蓋板替換原二次端子箱的封蓋安裝在主變壓器升高座電流互感器二次端子箱位置；為了到達準確監(jiān)測變壓器的局部放電，如今很多變壓器在設計制造時都會預先留有檢測口，也就是變壓器預留特高頻局放測試接口，是監(jiān)測局放相對合適的位置；鐵芯是變壓器中主要的磁路部分，而夾件位于其上下鐵軛的兩側，在電壓器正常運行時，鐵芯和夾件必須有一點可靠接地，所以鐵芯夾件接地端子接口也是測量局放的合適位置。當變壓器內部發(fā)生局部放電時，這三個位置都可以輻射出特高頻局部放電信號，可以實現(xiàn)有效的信號采集。

本信號采集裝置可長期安裝于變壓器套管升高座CT二次端子、變壓器預留特高頻局部接口及鐵芯夾件接地端子接口以上這三個位置，通過信號采集裝置傳感器感應面采集特高頻局部放電信號的同時，為信號采集裝置的安置提供方便快捷的安裝接線環(huán)境，實現(xiàn)了安裝信號采集裝置不影響設備的運行安全。

2.3 局放信號采集檢測

封蓋式變壓器信號采集裝置將長期安裝在主變壓器套管升高座CT二次端子、變壓器預留特高頻局部接口及鐵芯夾件接地端子接口以上這三個位置，通過傳感器感應面采集變壓器的特高頻局部放電信號，特高頻同軸電纜接頭通過連接同軸電纜與就地端子箱的標準接口連接，就地端子箱將信號傳輸?shù)阶儔浩骶植糠烹娦盘枡z測裝置，從而實現(xiàn)變壓器信號的采集過程。

其中采用低損耗的同軸電纜作為輸出連接，且同一臺主變的所有信號采集裝置的同軸電纜采用等長設計，可以達到適應變壓器特高頻局放定位技術應用要求的目的，同軸線纜技術參數(shù)如下。

內導體材料為銅包鋁線，外導體材料為皺紋銅屏蔽，線徑1/4英寸，阻抗50Ω±1Ω，工作頻段0～18000MHz，衰減度在頻率小于1000MHz時100米同軸電纜衰減小于20dB，工作溫度-40℃～85℃。

3 局部放電測試

采用上述封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置對一500kV東莞站#4主變壓器B相進行局放測試。測試過程中，在電壓升至1.3U0時，可以檢測到一個持續(xù)性沿面放電缺陷局部放電信號，幅值約-47.69dBm，信號密度較大。

分別在以下六個不同位置同時對局放信號進行采集對比，測試設備的各通道接入情況如下：變中側手孔處信號采集裝置接入通道1，中性點CT二次端子盒信號采集裝置接入通道2，變低CT二次端子盒信號采集裝置接入通道3，鐵芯夾件端子位置信號采集裝置接入通道4，變高CT二次端子盒信號采集裝置接入通道5，變壓器外部（空氣中）信號采集裝置接入通道6，詳細測試數(shù)據(jù)如圖3和圖4。

由圖3和圖4可以得出在鐵芯夾件接地位置傳感器信號幅值最大，套管升高座位置安裝的信號采集裝置中中性點套管升高座傳感器信號幅值最大，即對局部放電信號的反應靈敏準確。此封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置在規(guī)定安裝位置可以實現(xiàn)局部放電的有效監(jiān)測。

圖3 PRPS圖譜

圖4 PRPD圖譜

4 結語

為了解決信號采集裝置的安裝施工周期較長，施工成本較高及信號采集裝置的設計要求高、很難確定合適的檢測位置的問題，提出了一種封蓋式變壓器特高頻局部放電信號采集裝置。本信號采集裝置運用特高頻信號耦合技術，保證其對電磁波有優(yōu)良的耦合技術；可根據(jù)不同型號變壓器的封蓋的尺寸和結構進行設計和加工匹配封板，在保障不影響運行安全的前提下，保證傳感器的高靈敏度，對不同型號變壓器的高匹配度。信號采集裝置通過安裝在變壓器套管升高座CT二次端子、變壓器預留特高頻局部接口及鐵芯夾件接地端子接口以上這三個位置，就能監(jiān)測到變壓器內部局部放電信號，做到了變壓器特高頻局部放電信號采集裝置的安裝不改變變壓器內部電場分布、不伸入變壓器殼體內部、不接觸絕緣油、不影響變壓器絕緣特性、安裝過程中不需要進行排油和濾油、信號采集裝置安裝后不需要對變壓器檢查和試驗，解決了變壓器特高頻局放監(jiān)測技術推廣應用中信號采集裝置布置的難題，突破變壓器特高頻局放檢測技術發(fā)展瓶頸。