電力變壓器局部放電帶電檢測及定位方法分析

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局 李華軒

伴隨著我國智能電網(wǎng)擁有了更快的發(fā)展速度和更高的發(fā)展質(zhì)量，其可靠性和安全性得到了社會各界的認(rèn)可。而電力變壓器是輸變電過程中必須要有的設(shè)備之一，如能保證它處于穩(wěn)定的狀態(tài)，整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性就有極大的保障?，F(xiàn)階段，很多大型電力變壓器習(xí)慣于使用油紙復(fù)合絕緣，盡管在它的設(shè)計(jì)之初會被要求必須具備電氣強(qiáng)度和力學(xué)性能，但是在實(shí)踐過程中，生產(chǎn)制造、裝備運(yùn)行等環(huán)節(jié)會因?yàn)檫@樣或那樣的偶然因素造成絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)問題，最為嚴(yán)重的后果是系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)癱瘓。從其主要原因來看，很多時(shí)候故障發(fā)生的源頭是因?yàn)榫植糠烹?，這一原因又被視為絕緣劣化程度的評估手段，所以，定期開展局部放電檢測可實(shí)時(shí)獲得放電點(diǎn)的具體位置，使得設(shè)備現(xiàn)場的運(yùn)維效率和水平上升到新的層次，設(shè)備安全處于穩(wěn)定的狀態(tài)之中。

目前變壓器局部放電現(xiàn)場檢測精度及效果較之以往有了新的突破和進(jìn)展，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者更是做了大量的試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐，像是高頻電流法、超聲波法等如雨后春筍般出現(xiàn)。從一些數(shù)據(jù)材料看，帶電檢測不但具有離線時(shí)間與在線監(jiān)測的優(yōu)勢，還有非侵入、便攜性等特征，讓其具有非常廣闊的市場。

1 局部放電帶電檢測技術(shù)原理及特征

當(dāng)前的局部放電檢測技術(shù)還是以局部放電進(jìn)而產(chǎn)生的不同物理現(xiàn)象作為重要抓手，通過物理量來對發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行具體表述，最終呈現(xiàn)出局部的放電狀態(tài)?，F(xiàn)有的帶電檢測方法分為以下種類：

1.1 高頻（射頻）電流法

高頻電流法是從傳統(tǒng)的脈沖電流法演變而來的，是一種不需直接接觸電的方式。將高頻羅氏線圈取代測量阻抗的地位，并通過在耦合回路中運(yùn)行，最后得到局部放電產(chǎn)生的陡脈沖電流信號。因?yàn)檫@樣方法信號響應(yīng)引入測量回路沒有那么大的等效阻抗，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)穿套于試品接地線或接地扁鐵，體現(xiàn)出了不需要直接接觸電的優(yōu)勢，所以它對于設(shè)備正常運(yùn)行所產(chǎn)生的影響微乎其微。在很多帶電檢測中，開環(huán)式結(jié)構(gòu)的羅氏線圈是使用次數(shù)較多、出現(xiàn)頻率較高的檢測方式（圖1）。

圖1 電力變壓器高頻局部放電檢測示意圖

這種方法與標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電流法有著很多相同的地方，如果在一切條件都得到滿足后，可適時(shí)地進(jìn)行相位跟蹤測量，將放電幅值及放電次數(shù)等建立起緊密的聯(lián)系，并通過PRPS、PRPD等統(tǒng)計(jì)分析模式的具體使用，查看測變壓器的設(shè)備是否處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，知曉絕緣缺陷到底屬于哪一類型。此外，開窗技術(shù)對放電相位的頻譜分析有著非常有利的作用，可將時(shí)間頻域作為重要的突破口，以實(shí)時(shí)對照或聯(lián)合分析的方式，找到檢測當(dāng)中出現(xiàn)的一些異常事件的頻域特征量[1]。

1.2 超高頻法

如果在油紙絕緣內(nèi)部發(fā)生了局部放電情況，頻率高達(dá)GHz的電磁波將會被最大程度地激發(fā)出來，但這一信號在金屬箱體內(nèi)的衰減速度要比在自由空間里慢很多，但還是可以通過箱體與套管的連接與縫隙之間傳出。這種方法有兩種不同的安裝方式，分為既有內(nèi)部的內(nèi)置型傳感器，也有外部的UHF外置傳感器。

使用這一方法檢測到的頻率范圍比較廣，300～3000MHz的局部放電信號其受到了市場上的更多青睞，如在實(shí)踐中能科學(xué)合理的選帶，那么它發(fā)揮出的價(jià)值和作用將更加明顯。此外，外部的UHF外置傳感器瞬態(tài)響應(yīng)好、線性度高等特征也是其獨(dú)有的優(yōu)勢。盡管經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)證明脈沖電流參數(shù)與超高頻參數(shù)基本上是同增或同減的趨勢，但變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有想象中的簡單，這一方法的測量機(jī)理與以往的方式有很大區(qū)別，從不同的位置和不同的類型就能發(fā)現(xiàn)他們的缺陷所在，這也為局部放電電磁波強(qiáng)度的提高和傳播路徑優(yōu)化出了一道難題。

1.3 超聲波法

這一方法的可檢測頻率范圍沒有上一種方法大，但20～200kHz的局部放電信號具有不俗的抗干擾能力，實(shí)踐中習(xí)慣用毫伏（mV）表征信號強(qiáng)度。如果變壓器內(nèi)的放電量突然變大，那么就可以得到聲壓信號幅值和放電量二者之間有著正相關(guān)的關(guān)系，這也證明了這一方法可有效判斷出放電量是強(qiáng)還是弱。站在局部放電類型的識別角度看，可對超聲波的到達(dá)時(shí)間、放電次數(shù)等多項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行提取計(jì)算，客觀具體地指出不同放電類型的具體相位分布特征，同時(shí)又能知道對應(yīng)的頻譜特征。但超聲波信號在變壓器內(nèi)部的傳播過程讓人捉摸不透，想要進(jìn)行類型的判斷和定量的分析非常困難，所以經(jīng)常以一種輔助的身份存在。

2 電力變壓器局部放電帶電定位技術(shù)

超聲波檢測定位。想要更好地運(yùn)用帶電位置定位技術(shù)，要更加夯實(shí)檢測的基礎(chǔ)。超聲波檢測定位是當(dāng)前使用次數(shù)較多的技術(shù)手段之一，通過其脈沖的強(qiáng)度可知曉最終電流互感器的局部放電到底在哪里。所以，當(dāng)局部放電客觀發(fā)生以后，電力變壓器便不會像以往正常有序的運(yùn)作。這就要求在核查的過程當(dāng)中，要確保其他的功能處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣最終部分的排放區(qū)才能得到精準(zhǔn)科學(xué)的定位。

特高頻檢測定位。電力變壓器的局部出現(xiàn)了較嚴(yán)重放電情況，一定要及時(shí)地采用特高頻檢測定位技術(shù)。這一技術(shù)的穿透力非常強(qiáng)，復(fù)雜的絕緣板及金屬結(jié)構(gòu)可非常輕松的穿過。同時(shí)繞組的方法也可將電磁波的傳輸控制能力提升到新的層次，對于電力變壓器的檢測也會產(chǎn)生一定的影響，所以對于檢測過程中所使用的技術(shù)方法一定要慎重。但它對于復(fù)雜多變的情況確實(shí)有著獨(dú)一無二的檢測與觀察優(yōu)勢，如果變壓器內(nèi)部存在著可預(yù)測或不可預(yù)測的異常情況，這一技術(shù)的穿透效果非常明顯。但其也不是完美無缺的，綜合控制能力還有待提升，盡管有著非常良好的穿透效果，但檢測精準(zhǔn)度還有待提高，需通過技術(shù)的優(yōu)化和升級將自身的優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大，將現(xiàn)有的檢測與定位所消耗的時(shí)間進(jìn)一步縮短，從而具備更強(qiáng)的硬實(shí)力。

電氣定位法。是這幾種方法中最為簡單便捷的，只需要對局部放電的過程中所產(chǎn)生的電脈波中的波形信息及信號能量變化建立相應(yīng)的傳遞函數(shù)即可，并通過深入的分析和細(xì)致的總結(jié)，精準(zhǔn)的確定好局部放電過程的帶電空間的具體位置。這種方法將波的延遲功能及相關(guān)特性發(fā)揮到淋漓盡致，可通過波的延遲時(shí)間，較為貼切地計(jì)算出電源的所在范圍和距離電源的具體位置，這樣一來局部放電的帶電點(diǎn)將會浮出水面。而使用到的起始電壓法需以繞組的長度及兩端的定位作為重要基礎(chǔ)和依據(jù)，并需緊密結(jié)合放電電壓等多個(gè)參數(shù)，從而以公式推導(dǎo)的方式確定好放電的最終位置。

局部放電檢測定位聯(lián)合方法。可看作是一種大融合、大貫通的方法，對于變壓器中的局部放電復(fù)雜性有著獨(dú)特的解決方法，可以快速精準(zhǔn)地進(jìn)行帶電檢測，并在定位電力變壓器的過程當(dāng)中能夠及時(shí)知曉局部放電的最新情況，加之技術(shù)的高效整合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位的科學(xué)化和精準(zhǔn)化。此外，電力變壓器的運(yùn)行環(huán)境會造成一定的干擾和影響，需通過這樣的方法切實(shí)增強(qiáng)綜合的判斷能力，以更強(qiáng)的基礎(chǔ)優(yōu)勢對抗更多的環(huán)境干擾。但在這一技術(shù)具體應(yīng)用的過程中，要對最終的整體效果進(jìn)行相關(guān)性和必要性的論述，使得各環(huán)節(jié)的綜合操控能力能夠解決更多的實(shí)際問題。

3 局部放電檢測聯(lián)合定位方法

3.1 “特高頻-聲”聯(lián)合檢測

跟傳統(tǒng)“電-聲”檢測方法有著異曲同工之妙，但站在實(shí)踐的角度來看，超聲波與特高頻聯(lián)合定位法也會在變壓器內(nèi)部的傳播時(shí)出現(xiàn)細(xì)微的誤差問題，而在這時(shí)超聲波檢測定位法就可以起到非常大的幫助。如果單獨(dú)使用特高頻法，當(dāng)然也可以對變壓器的放電源進(jìn)行定位，并通過將其傳感器放到變壓器的充油閥附近，確實(shí)可以防止變壓器箱壁的衰減等一系列情況發(fā)生。但在變壓器的周圍充油閥一般都是在3個(gè)以內(nèi)，這樣一來局部放電源的定位范圍要比其他方法更大，要實(shí)現(xiàn)更加精確的定位和更小范圍的確定便非常困難。針對上述問題的存在，“特高頻-聲”聯(lián)合檢測給予了有力的解答[2]。

第一步，將多個(gè)特高頻傳感器就放在變壓器充油閥近前，通過深入分析個(gè)傳感器獲得的特高頻信號幅值，知曉放電源的大體位置；第二步，將兩個(gè)超聲波傳感器放在距離放電源較近的換油閥跟前，而這一步則需要使用到超聲探頭，以此作為接受超聲信號和特高頻信號的重要渠道，并通過將放電源的超聲探頭進(jìn)行一定時(shí)間的延長，讓局部放電的定位效果變得更加良好。從上述兩個(gè)步驟可以看出，“特高頻-聲”聯(lián)合檢測無疑在現(xiàn)階段是具有更強(qiáng)優(yōu)勢的檢測方法。

除此之外，在多種方法的對比之中，“特高頻-聲”聯(lián)合檢測的定位方法不再受限于具體的變壓器充油閥數(shù)量限制，其固有的超聲波信號在傳播路徑上也得到了一定程度的縮減，因此其推廣價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值是巨大的。

3.2 “特高頻-光”聯(lián)合檢測

通過多方面的對比和研究，普通塑料光纖要比熒光光纖有著更為突出的優(yōu)勢，從圖2能看到普通光纖的具體結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗淖陨頂?shù)值孔徑非常固定，所以接收到的房間光線好基本上來自于上下端部的數(shù)值孔徑限制角范圍內(nèi)，所以采用光測法對于電力變壓器進(jìn)行放電定位是比較科學(xué)的。因?yàn)樗目讖较拗平欠浅Ｐ?，所以在使用光測法期間只能在小范圍內(nèi)發(fā)揮出實(shí)際的作用，所以還需要有機(jī)利用其他方式進(jìn)行定位的聯(lián)合檢測。

圖2 普通光纖結(jié)構(gòu)

經(jīng)過深入分析和細(xì)致研究后發(fā)現(xiàn)，如果對普通塑料光纖的探頭進(jìn)行固定，那么在光纖端部接收到的光信號強(qiáng)度與局部放電強(qiáng)度之間會呈現(xiàn)出直接的正相關(guān)關(guān)系。假如接收到的光信號是比較強(qiáng)的，則證明此時(shí)光纖距離放電點(diǎn)的位置非常近。通常情況下，會將數(shù)字識別技術(shù)和光纖陣列技術(shù)結(jié)合起來使用，這樣的方法對于電力設(shè)備表面的放電檢測更為有利（圖3）。

圖3 基于數(shù)字識別技術(shù)的放電源定位原理圖

從上述的定位分析方法中可以得出，我國所具備了非常多的帶電測試方法，每一種帶電測試方法都對電力變壓器的局部放電檢測巨大的作用和價(jià)值。但是它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及適用范圍條件非常受限，如果方法使用不當(dāng)，那么將會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的誤差。所以在實(shí)踐中，要因時(shí)因勢的考察好變壓器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，以更加貼切的方法使用，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的定位。

與此同時(shí)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的研究過程中，需要對變壓器的局部放電所產(chǎn)生的聲光電等相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)的放電方面研究，并以多元化的聯(lián)合定位方法進(jìn)行放電檢測，從而在創(chuàng)新和創(chuàng)造的過程中實(shí)現(xiàn)新的突破和進(jìn)展。展望未來，電力變壓器的局部測定方法與放電源的定位會朝著實(shí)用化和簡潔化等正確的方向發(fā)展，借助于可視化的技術(shù)支撐，不管局部放電還是不放電，它的發(fā)生位置都能清晰地展現(xiàn)在我們面前。