電聲聯(lián)合檢測技術(shù)在變壓器局部放電在線(xiàn)檢測中的應

【摘要】

隨著(zhù)電力設備電壓等級的提高，電力部門(mén)對電力設備運行可靠性提出了更加苛刻的要求。局部放電檢測作為一種非破壞性試驗，越來(lái)越得到人們的重視。文章介紹了局部放電檢測中電—聲聯(lián)合檢測技術(shù)的應用，并對采用此檢測原理的變壓器局部放電在線(xiàn)檢測設備作了介紹。

1 引言

局部放電，是絕緣介質(zhì)中的一種電氣放電，這種放電僅限制在被測介質(zhì)中一部分且只使導體間的絕緣局部橋接，這種放電可能發(fā)生或可能不發(fā)生于導體的鄰近。電力設備絕緣中的某些薄弱部位在強電場(chǎng)的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問(wèn)題。雖然局部放電一般不會(huì )引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導致電介質(zhì)(特別是有機電介質(zhì))的局部損壞。若局部放電長(cháng)期存在，在一定條件下會(huì )導致絕緣劣化甚至擊穿。對電力設備進(jìn)行局部放電試驗，不但能夠了解設備的絕緣狀況，還能及時(shí)發(fā)現許多有關(guān)制造與安裝方面的問(wèn)題，確定絕緣故障的原因及其嚴重程度。因此，對電力設備進(jìn)行局部放電測試是電力設備制造和運行中的一項重要預防性試驗。我國國家標準和國際電工委員會(huì )都對此提出了相應規范。局部放電檢測技術(shù)即是在這個(gè)背景下快速發(fā)展起來(lái)。

人們對局部放電的認識可以追溯到 1777 年，Lichtenberg 在Gottingen 皇家社團會(huì )議上發(fā)表了他試驗研究的新結果。他利用伏特新設計的檢測儀可以看到奇妙的星形或圓形塵埃輪廓。見(jiàn)圖1 所示。他們認為，這些看來(lái)像放電通道的塵埃輪廓即代表著(zhù)絕緣體表面放電現象。

圖 1 正極(左)和負極(右)處表面放電產(chǎn)生的塵埃特征

1873 年，Maxwell 提出了電磁學(xué)假設，1896 年赫茲通過(guò)實(shí)驗證明了Maxwell 關(guān)于電磁波存在性及其在空間、時(shí)間上傳播的假說(shuō)，這些理論和實(shí)驗工作都成為了局部放電檢測設備設計和物理模型開(kāi)發(fā)的基礎。

最初用于局部放電的檢測設備是基于西林電橋的功耗電橋。該設備在1919 年開(kāi)發(fā)出來(lái)，并在1924 年首次用于局部放電檢測。一年后，即1925 年，Schwaiger 發(fā)現了電暈放電時(shí)的無(wú)線(xiàn)電頻率特性。這項發(fā)現為設計測量電暈放電的無(wú)線(xiàn)電干擾儀奠定了基礎。這種無(wú)線(xiàn)電干擾電壓法(RIV)至今仍在一些國家，尤其是在北美國家中廣泛應用。1928 年，Lloyd 和Starr 提出了平行四邊形測量局部放電的方法，該方法可以認為是積分電橋的始祖。積分電橋是Dakin 和Malinaric 在1960 年提出。該方法在局部放電的物理研究中具有獨到的優(yōu)點(diǎn)，至今仍在應用。

此后，各種局部放電檢測技術(shù)應運而生?；趯Πl(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的各種電、光、聲、熱等現象的研究，局部放電檢測技術(shù)中也相應出現了電檢測法和光測法、聲測法、紅外熱測法等非電量檢測方法。近年來(lái)，隨著(zhù)變頻電源的廣泛應用，一些變頻系統絕緣出現過(guò)早老化的情況，在脈沖條件下的局部放電檢測也引起人們的關(guān)注。本文綜述了近年來(lái)應用較為廣泛的聲—電聯(lián)合局部放電檢測方法，并且介紹了一款采用此技術(shù)的成熟產(chǎn)品。

2 聲—電聯(lián)合檢測技術(shù)原理

2.1 電檢測法

局部放電最直接的現象即引起電極間的電荷移動(dòng)。每一次局部放電都伴有一定數量的電荷通過(guò)電介質(zhì)，引起試樣外部電極上的電壓變化。另外，每次放電過(guò)程持續時(shí)間很短，在氣隙中一次放電過(guò)程在10ns 量級;在油隙中一次放電時(shí)間也只有1ms 。根據Maxwell 電磁理論，如此短持續時(shí)間的放電脈沖會(huì )產(chǎn)生高頻的電磁信號向外輻射。局部放電電檢測法即是基于這兩個(gè)原理。常見(jiàn)的檢測方法有脈沖電流法、無(wú)線(xiàn)電干擾電壓法、介質(zhì)損耗分析法等等。特別是，二十世紀八十年代由S. A. Boggs 博士和G. C.Stone 博士提出的超高頻檢測法近年來(lái)得到廣泛關(guān)注，并逐漸有實(shí)用化的產(chǎn)品問(wèn)世。

2.1.1 脈沖電流法

脈沖電流法是一種應用最為廣泛的局部放電測試方法，國際電工委員會(huì )(IEC)專(zhuān)門(mén)對此方法制定了相關(guān)標準(IEC-270)。該標準規定了工頻交流下局部放電的測試方法，同時(shí)，此方法也適合于直流條件下的局部放電測量。脈沖電流法的基本測試回路分為直測法和平衡法兩種。直測法常遇到各種干擾，特別是在現場(chǎng)環(huán)境下，會(huì )嚴重影響測試靈敏度。而平衡法由于其抑制共模干擾的優(yōu)良性能，得到廣泛采用。平衡法測試回路有西林電橋、差分電橋以及雙電橋等形式。目前西林電橋干擾抑制比可達到幾十，差分法可達到數百甚至上千。但是，平衡法的測量靈敏度一般比直測法低。脈沖電流法應用廣泛，目前市場(chǎng)上大部分電類(lèi)局部放電測試儀都采用直測法回路，如瑞士Haefely 公司的TE571 局部放電測試儀等。

2.1.2 無(wú)線(xiàn)電干擾電壓法(RIV)

無(wú)線(xiàn)電干擾電壓法，包括射頻檢測法，最早可追溯到1925 年，Schwarger 發(fā)現電暈放電會(huì )發(fā)射電磁波，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電干擾電壓表可以檢測到局部放電的發(fā)生。國外目前仍有采用無(wú)線(xiàn)電干擾電壓表檢測局部放電的運用，在國內，常用射頻傳感器檢測放電，故又叫射頻檢測法。較常用射頻傳感器有耦合電容傳感器、Rogowski 線(xiàn)圈電流傳感器和射頻天線(xiàn)傳感器等。RIV 方法能定性檢測局部放電是否發(fā)生，甚至可以根據電磁信號的強弱對電機線(xiàn)棒和沒(méi)有屏蔽層的長(cháng)電纜進(jìn)行局部放電定位;采用Rogowski 線(xiàn)圈傳感器也能定量檢測放電強度，測試頻帶較寬(1~30MHz)，現場(chǎng)測試證明，該方法具有較好的實(shí)用價(jià)值。

2.1.3 超高頻(UHF)局部放電檢測技術(shù)

超高頻檢測又分為超高頻窄帶檢測和超高頻超寬頻帶檢測。前者中心頻率在 500MHz 以上，帶寬十幾MHz 或幾十MHz，后者帶寬可達幾GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測技術(shù)有噪聲抑制比高、包含信息多等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注，通常所說(shuō)的超高頻檢測技術(shù)即指超高頻超寬頻帶檢測。

用于超高頻局部放電檢測的傳感器主要為窄帶天線(xiàn)傳感器。利用窄帶天線(xiàn)作傳感器早在1980 年Kurtz等人就提出過(guò)，他們設計的傳感器用于大型電機局部放電測試，安裝在一個(gè)或兩個(gè)磁極上，可探測到單根定子線(xiàn)棒的放電。目前，窄帶天線(xiàn)傳感器已在檢測大型電力變壓器、GIS、電力電纜等設備的局部放電上有相關(guān)應用。

2.2 超聲波檢測法

介質(zhì)中發(fā)生局部放電時(shí)，其瞬時(shí)釋放的能量將放電源周?chē)慕橘|(zhì)加熱使其蒸發(fā)，此時(shí)放電源如同一個(gè)聲源，向外發(fā)出聲波。由于放電持續時(shí)間很短，所發(fā)射的聲波頻譜很寬，可達到數MHz。要有效檢測聲信號并將其轉化為電信號，傳感器的選擇是關(guān)鍵。常用的聲傳感器有用于氣體中的電容麥克風(fēng)(condensermicrophone)、駐極體麥克風(fēng)(electrets microphone)和動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)(dynamic microphone);用于液體中類(lèi)似于聲納的所謂水中聽(tīng)診器(hydrophone);用于固體中的測震儀(accelerometer)和聲發(fā)射(acousticemission)傳感器。

較之電測法，聲測法在復雜設備放電源定位方面有獨到的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴重，聲測法基本不能反映放電量的大小。這使得實(shí)際中一般不獨立使用聲測法，而將聲測法和電測法結合起來(lái)使用則可以得到較為準確的在線(xiàn)檢測數據。

3.電-聲聯(lián)合局部放電在線(xiàn)監測系統的工作原理與組成

3.1 系統構成

采用電-聲聯(lián)合檢測技術(shù)應用于大型電力變壓器局部放電在線(xiàn)檢測的系統基本示意圖如下所示。

如圖1所示，系統中本地主機用于處理從傳感器獲取的信號并將其數字化，而采用上位機進(jìn)行局放信號的篩選、分析并完成局放脈沖數值記錄、監測局放量發(fā)展狀況等功能。該裝置所采用的傳感器分別為超聲波傳感器(AE)與射頻電流傳感器(RFCT)，AE傳感器用于測量伴隨局部放電產(chǎn)生的超聲波信號，RFCT傳感器則用于檢測高頻脈沖電流。由于高壓設備四周總是充斥著(zhù)各類(lèi)噪聲，因而要求檢測系統具有高性能系統配置及信號處理能力以便檢測設備內部產(chǎn)生的微弱局放信號。因此，系統同時(shí)配有兩類(lèi)傳感器，并采用不同的信號處理技術(shù)，在時(shí)域中同步分析交變場(chǎng)中的檢測信號。

系統中的本地主機包括CPU、ADC插板、信號處理插板、主板、電源及機箱等部件。主要功能為信號放大、信號處理(如：數字濾波、波形測量、脈沖記數、波形數據以及數據傳輸等)。終端用戶(hù)安裝專(zhuān)用軟件后可通過(guò)個(gè)人電腦設置系統參數及工作條件、顯示波形、進(jìn)行信號分析，同時(shí)可對局放信號自動(dòng)分析并存儲相關(guān)信息(如信號的幅值、頻率、相位等)，從而實(shí)現了對設備的遠端監測。

3.2 電-聲聯(lián)合檢測系統之技術(shù)特點(diǎn)

檢測方法方面：系統同時(shí)采用電-聲聯(lián)合檢測法，較單一測試方法更為靈活、可靠;各通道檢測圖可分別采用二維、三維及其他方式顯示。

由于對單臺變壓器在線(xiàn)檢測至少采用四個(gè)超聲波傳感器，故系統可針對某個(gè)局放脈沖計算出聲源參考位置;超聲檢測主要用于定性地判斷局放信號的有無(wú)，以及結合電脈沖信號或直接利用超聲信號對局放源進(jìn)行物理定位。在電力變壓器的在線(xiàn)檢測中，它是主要的輔助測量手段。

此外系統將射頻檢測法應用于局放在線(xiàn)檢測。它是在脈沖電流法的基礎上，利用Rogowski線(xiàn)圈從變壓器的接地線(xiàn)處測取信號，這樣測量的信號頻率可以達到30MHz，大大提高了局部放電的測量頻率，同時(shí)測試系統安裝方便，檢測設備不改變電力系統的運行方式。裝置中采用了開(kāi)合鉗式射頻電流傳感器，自變壓器油箱接地線(xiàn)上取脈沖電流信號，故安裝無(wú)須設備停電。

3.3 局放脈沖識別及計數

3.3.1 局部放電脈沖識別

系統僅將同時(shí)滿(mǎn)足下列三個(gè)條件的信號認作局部放電信號。首先，系統必須至少檢測到高于閾值的三個(gè)連續脈沖;其次，超聲波信號波形的峰-峰值頻率 (T1) 須介于100KHz ~ 300KHz;而射頻頻電流信號波形的峰-峰值頻率 (T1) 須介于100KHz ~ 3MHz;最后，信號包絡(luò )時(shí)間(T2) 應在500μS 內。若上述三個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足，則系統記錄為一個(gè)局放脈沖計數。

圖 2. 局部放電信號三個(gè)判別條件示意圖

此外，系統另設有其他相應的局放脈沖識別標準及條件，由此系統提出變壓器在線(xiàn)條件下得到的局部放電檢測指標為pps(每秒鐘局部放電脈沖計數)，進(jìn)而可對該指標進(jìn)行階段性趨勢分析，如按照月或年度時(shí)間跨度進(jìn)行局放發(fā)展趨勢分析。

3.3.2 閾值設置

系統 的閾值設置一類(lèi)用于硬件脈沖計數， 另一類(lèi)用于軟件脈沖計數。閾值設定范圍為-2,000mV~+2,000mV。閾值是測量局放脈沖的重要參數，為提高測量精度則需根據系統安裝及環(huán)境條件選取適當的閾值。

其中，硬件脈沖計數閾值設定可于系統安裝完畢后，通過(guò)檢測各通道脈沖幅值而確定背景噪聲水平，并將閾值的設定介于背景噪聲及局放信號之間使其得以?xún)?yōu)化。而軟件脈沖計數閾值設定則可借助于軟件帶通濾波功能盡可能濾除信號中的噪聲后，確定信號中噪聲水平。隨后將閾值設定介于噪聲及局放信號之間已使其得以?xún)?yōu)化。

3.4 局部放電檢測的電磁干擾及抑制

變壓器局放現場(chǎng)測量環(huán)境的嚴重電磁干擾打打降低了檢測的靈敏度，有時(shí)甚至使得測量根本無(wú)法進(jìn)行，因而有效地抑制電磁干擾是電力變壓器局部放電檢測技術(shù)的關(guān)鍵之一。

局部放電檢測的干擾是多樣的，按照時(shí)域波形可分為周期性干擾、脈沖型干擾和白噪聲。周期性干擾包括系統高次諧波、載波通訊以及無(wú)線(xiàn)電通訊等等;脈沖型干擾分為周期脈沖型干擾和隨機脈沖型干擾，周期脈沖型干擾主要由電力電子元件動(dòng)作產(chǎn)生高頻涌流引起，隨機脈沖型干擾包括高壓輸電線(xiàn)上的電暈放電、其他電力設備的局部放電、分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生放電以及接觸不良產(chǎn)生的懸浮電位放電等;白噪聲包括線(xiàn)圈的熱噪聲、地網(wǎng)噪聲、配點(diǎn)線(xiàn)路和變壓器繼電保護信號線(xiàn)中的耦合進(jìn)入的各種噪聲以及檢測線(xiàn)路中的半導體器件的噪聲等。

針對不同類(lèi)型的干擾采用相應的抑制方法。周期型干擾也稱(chēng)為窄帶干擾，具有強度大且相位比較固定的特點(diǎn)。大多采用頻域方法處理，主要包括FFT閥值濾波器、自適應濾波器、固定系數濾波器和帶阻濾波器等。隨機型干擾較難剔除，干擾和局部放電信號在頻域有相似性，因而多在時(shí)域考慮。與局部放電信號混雜在一起的白噪聲是一均值為零的平穩隨機喜好，屬于寬帶干擾信號。

3.4.1 濾波器設置

系統濾波功能應分為帶通濾波器、帶阻濾波器以及自適應濾波器三類(lèi)。系統用于處理RFCT傳感器信號的頻率范圍為100KHz~5MHz;帶阻濾波器僅濾除頻率介于高頻及低頻間信號，其他頻率的信號均可通過(guò)。在波形檢測過(guò)程中可采用該濾波器濾除干擾;而自適應濾波器濾除波形檢測過(guò)程中的某些連續噪聲。存在某些較強連續噪聲的環(huán)境中，可采用該濾波器。但根據奈科斯特穩定性判據(Nyquist Theorem)，濾波器上限截止頻率應等于或小于1/2采樣頻率。

4 變壓器局部放電的定位

對于變壓器運行及維護人員來(lái)說(shuō)，再確定變壓器內部的局部放電后，快速而準確地對局部放電進(jìn)行故障定位，對于及時(shí)了解故障發(fā)生、發(fā)展情況進(jìn)而保障電力系統的正常運行具有重要意義。

超聲波定位方法的原理是通過(guò)測量超聲波傳播的時(shí)延來(lái)確定局放源的位置，分為電-聲定位和聲-聲定位。電-聲定位的關(guān)鍵參數是放電點(diǎn)至傳感器之間的聲波直接傳播時(shí)間T，近似為電、聲信號的時(shí)間差。

4.1 局部放電的精確定位

變壓器內部發(fā)生局部放電時(shí)，不但在變壓器各引出端產(chǎn)生高頻脈沖電信號，同時(shí)產(chǎn)生超聲波。超聲波在變壓器內部以球面波的方式向四周傳播。對某一路局部放電脈沖進(jìn)行采樣時(shí)，設定采集卡的采樣頻率后，對屬于同一局放源的電脈沖及超聲波脈沖進(jìn)行局部放電脈沖識別，進(jìn)而獲取各超聲波信號相對于電脈沖的時(shí)延(t1、t2、t3、t4、t5)。將變壓器內部按空間分成若干個(gè)體單元后，將超聲波等值波速作為定位算法中的變量。運用單元模塊搜索技術(shù)，通過(guò)計算所有體元與各超聲波探頭之間的超聲波傳播所需時(shí)延范圍進(jìn)而可針對某個(gè)局放脈沖測定出局放源的參考位置。當其中一路超聲信號的電聲時(shí)延測量有較大誤差時(shí)，仍可得到較精確的定位結果。

5 局部放電的模式識別

局部放電的模式識別從其特征提取上分為兩類(lèi)：統計分析法和時(shí)域分析法。統計分析法一般基于傳統的低頻、窄帶局部放電測量，是在相域空間上進(jìn)行的，也是指針對局部放電的統計分布譜圖進(jìn)行的。目前常見(jiàn)的有基于二維分布圖及Q-N-Φ三維分布圖的統計分析法、頻域分析法等。時(shí)域分析法是針對高速采集一次放電產(chǎn)生的時(shí)域脈沖所得到的波形特征或相應的變換結果進(jìn)行模式識別。

迄今為止，局部放電的模式識別主要圍繞電脈沖信號及超聲脈沖信號進(jìn)行，如采用講局放超聲信號轉換到頻域后利用幅頻特性進(jìn)行識別的技術(shù)等。

6 結語(yǔ)

局部放電檢測研究的最終目的是實(shí)現局部放電的在線(xiàn)檢測，隨著(zhù)信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷提高，局部放電電信號檢測將為電力變壓器局部放電的實(shí)質(zhì)和放電程度等提供較為滿(mǎn)意的分析和判斷。超聲診斷主要用于局部放電的定位，電-聲聯(lián)合診斷局部放電將有很廣泛的應用前景。

本文的在線(xiàn)監測系統在國內電力行業(yè)的應用超過(guò)五年，系統表現出較強的抗干擾特性，提供的數據比較客觀(guān)地反映了被監測電力變壓器的運行狀態(tài)，并為現場(chǎng)工作人員診斷設備狀態(tài)時(shí)提供了較好的輔助作用，能為電力變壓器的狀態(tài)檢修提供比較可信的依據。

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