變壓器局部放電研究綜述

郭雪婷

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 201306）

0 引言

電力變壓器的任何故障都會導致電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的重大損失。電力變壓器一般會運行很長時間，因此，定期對其設備的狀態(tài)進行監(jiān)測與維護十分重要。其中，局部放電（Partial Discharge，PD）是一種可以監(jiān)測的故障，通常發(fā)生在電力變壓器的絕緣系統(tǒng)中，它是變壓器產(chǎn)生絕緣劣化的主要因素之一，也是其絕緣進一步劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式。據(jù)統(tǒng)計，84%的變壓器停電是由于絕緣故障引起的[1]。在799 例對變電站變壓器進行的調查顯示，近40%的故障是由于介電問題，其中主要是局部放電[2]。

變壓器健康檢測是一種監(jiān)測變壓器工作參數(shù)的技術，有助于估計和避免絕緣系統(tǒng)的故障。它是一種無損診斷測試，用于識別絕緣系統(tǒng)中的早期故障。因此，測量設備必須在變壓器完全擊穿之前提供與變壓器相關的問題警告，以便在預定的關閉期間進行維修[3]。PD 源位置的精確定位，能夠準確、快速地反映變壓器的絕緣情況，供相關人員及時制定相應的維修措施，保證設備的運行穩(wěn)定性和可靠性。由此可見，變壓器的PD 源監(jiān)測與定位對于保障電力系統(tǒng)的安全運行具有十分重要的意義。

1 局部放電檢測方法研究現(xiàn)狀

定期的PD 測量可以幫助估計設備的未來性能和安全性。因此，必須使用至少一種局部放電監(jiān)測技術來連續(xù)監(jiān)測變壓器的狀況，以避免由于局部放電而導致變壓器絕緣系統(tǒng)的災難性故障。電力變壓器有許多PD 監(jiān)測方法，如電氣、聲學、化學、光學和超高頻（Ultra High Frequency，UHF）方法。

1.1 電氣局部放電檢測方法

電氣方法是標準IEC60270 方法。該方法專注于檢測變壓器中發(fā)生局部放電事件時產(chǎn)生的電脈沖。通常它以皮克庫倫（pC）為單位對脈沖進行測量。這個方法提供了精確的校準，但需要在測量電路中有足夠的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）來濾除PD 信號中的環(huán)境噪聲。電氣檢測方法的主要優(yōu)點是頻率范圍寬、靈敏度高，并且可以完成PD 源的定位，但這種方法也有一定的缺點，例如，它會受到電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的影響以及環(huán)境噪聲的影響，不適合現(xiàn)場測試。

1.2 聲學局部放電檢測方法

發(fā)生局部放電事件時，PD 脈沖形放電產(chǎn)生機械應力，從而產(chǎn)生聲波。聲波通過變壓器內的油向周圍傳播。通常，PD 源在變壓器內產(chǎn)生的聲發(fā)射信號頻率范圍為20 kHz～1 MHz[4]，可以通過聲學傳感器進行檢測和觀察。聲學檢測方法通常應用于高壓變壓器以及氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，GIS）。聲學傳感器可以安裝在變壓器油箱的內部或外部，另外，變壓器內部聲波的傳播速度取決于介質，在材料界面處發(fā)生的聲信號的反射和混響會導致聲音傳播行為的改變，因此研究聲波通過變壓器的不同部分傳播，如絕緣油、鐵芯、繞組。同電氣和化學方法相比，聲學檢測可以通過各個傳感器接收到的聲信號來定位PD 源，且不受EMI 的干擾。但是變壓器內部聲波的分布具有復雜性，由于變壓器是不均勻的器件，聲波以均勻的波前傳播，當聲壓波穿過變壓器的金屬部件（如鐵芯和繞組）時，波前會受到反射和折射，這使得多徑聲波在變壓器內部傳播并發(fā)生衰減，降低了信號強度。

1.3 光學局部放電檢測方法

與通過檢測脈沖的電氣檢測方法不同，光學檢測方法主要取決于PD 源的強度、絕緣材料、溫度和壓力等因素，主要通過光學傳感器來捕獲變壓器中發(fā)生局部放電時發(fā)出的光。直接檢測方法側重于通過安裝在變壓器壁外或變壓器油箱內來檢測PD使用光纖傳感器產(chǎn)生的光。在光聲法中，當PD 聲壓波撞擊光纖傳感器時，其光學特性發(fā)生變化，使壓力波的結構變形。它表現(xiàn)為纖維的機械應力和應變[5]。

1.4 超高頻局部放電檢測方法

超高頻（UHF）檢測用于檢測局部放電源所產(chǎn)生的電磁波。與聲學信號相比較，PD 源發(fā)出的UHF 脈沖信號電磁波傳播距離更長，且可以穿透多種介質[6]。與傳統(tǒng)的脈沖電流法相比較，UHF 檢測法在靈敏度、精度及安裝方便性方面具有明顯的優(yōu)勢[7]。通過UHF 傳感器接收這些電磁波信號，通常PD 源在變壓器中產(chǎn)生的電磁波信號范圍為 300 MHz～3 GHz。超高頻檢測法抗干擾能力強、靈敏度高，已成為PD 源定位檢測的重要方法。

2 局部放電定位方法研究現(xiàn)狀

目前，局部放電源定位方法主要包括波達方向法（Direction of Arrival，DOA）、接收信號強度指示器 法（Received Signal Strength Indication，RSSI）、到達時間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）等[8]。DOA 法可以從UHF 信號中提取局部放電源的方位角信息，其中方位角能夠以較低的代價獲得，但精度較低；RSSI 法需要將許多測試點放置在監(jiān)控區(qū)域內以完成RSSI 指紋識別從而完成局部放電源的定位，但是它對硬件的要求比較低[9]，其局限性在于，當信號與噪聲混合，會使得接收的信號強度信息受到影響。相比較而言，TDOA 法的原理更簡單，技術也更為成熟。

目前，在基于UHF 的檢測方法中，基于TDOA（到達時間差）算法被廣泛用于變壓器中PD 源的定位算法中[10-12]?；赥DOA 的定位方法主要包含兩個步驟，即時延的估計和非線性方程的求解。目前國內外學者針對這兩個方面進行了研究。

2.1 時延的估計

時延是TDOA 法的一個關鍵參數(shù)。在實際檢測中，由于檢測系統(tǒng)的噪聲和采樣率等的影響，在測量和計算時延數(shù)據(jù)參數(shù)時不可避免地會存在誤差。因此，為了能夠更加準確地獲得局部放電源的位置，需要準確計算不同UHF 傳感器接收電磁波信號間的時延差。

XAVIER G V R 等人分別應用第一峰值法和能量累積法來計算TDOA，確定局部放電源位置并進行對比，發(fā)現(xiàn)均有良好的定位效果[13]。湯林等人提出了對PD 源特高頻脈沖信號特征區(qū)域進行三次樣條插值，并利用廣義相關法來估計信號的時延，從而減小時延誤差[14]。當信噪比較低甚至噪聲將信號淹沒時，通過能量累積法和閾值法難以準確捕捉到信號的到達時間?；ハ嚓P法需要信號與噪聲、噪聲與噪聲之間不具有相關性，對于非平穩(wěn)信號的時延估計性能較差，在實際應用中只能用加權函數(shù)的估計值來代替理論值，使得實際性能于理論性能存在一定差距。

除了在信號處理方面由于噪聲的影響存在時延誤差，測量時延的精確性通常也會受到PD 源到接收天線傳播路徑的影響[15]。電磁波在傳輸過程中具有反射、折射和衍射等情況，對PD 源的定位構成了巨大的挑戰(zhàn)。文獻[16]展示了最短光程原理在變壓器中電磁波傳播的適用性。高壓設備的內部結構會導致UHF 信號傳輸出現(xiàn)偏差，不能以簡單的歐氏距離進行計算，因此TDOA 可通過物理模型轉換為求解兩點間最短路徑來改進[17-23]。在文獻[18]中，UMEMOTO 等人對PD 源到接收天線的傳輸路徑進行簡化，將繞組構建為圓柱體結構，搭建數(shù)學模型來求解局部放電源到傳感器間的距離，將理論求得的TDOA 值與現(xiàn)場試驗進行對比，得到了較好的結果。

2.2 非線性方程的求解

基于TDOA 法建立的非線性方程組，無法直接進行求解。傳統(tǒng)的求解方法為數(shù)值解算法，即直接通過迭代法求解非線性方程，如牛頓法[24]、最小二乘法[25]等。它們在非線性迭代過程容易受到初始值的影響，在實際測量中，當初始值的精度不高時，容易導致迭代不能收斂，甚至出現(xiàn)無解。

常規(guī)迭代算法很難求解復雜的非線性方程組，因此需要對非線性方程組本身進行轉換。FRESNO等人提出采用迭代雙曲最小二乘法和非迭代最大似然估計器法結合求解基于TDOA 的非線性方程組[26]。WANG 等人提出一種基于變電站局部放電正則化的非線性變換定位算法。通過消除二階項對基于TDOA 建立的非線性方程進行線性化，得到線性定位方程。然后應用中心化和行平衡來處理定位方程，通過L 曲線法計算正則化參數(shù)，最后，采用Tikhonov 正則化法求解線性定位方程，確定局部放電位置[27]。NING 等人提出一種截斷奇異值分解（TSVD）正則化的定位算法，利用球面線性變換方法對非線性方程進行變換，再利用TSVD 正則化方法求解線性方程組[28]。這些方法有很好的表現(xiàn)，但是方法較復雜，計算需要消耗內 存資源。

3 結語

變壓器中的局部放電會逐漸降低絕緣性能，從而導致變壓器故障。實現(xiàn)PD 源的準確定位，對于保證電力安全和提高電力系統(tǒng)的整體效率非常重要。在UHF 檢測法中，基于TDOA 法來實現(xiàn)局部放電源的定位需要準確估計時延。目前的研究大多只關注于特高頻信號本身的處理，很少考慮變壓器內部有源結構對時延誤差的影響。目前的定位算法研究大多基于TDOA 非線性方程組，沒有考慮變壓器內部有源結構的影響。有些研究提出的定位算法較為復雜，加大了計算量，使得定位所需時間大大增加，當在現(xiàn)場需要快速定位時無法滿足。