變壓器局部放電的檢測(cè)技術(shù)

尹奎龍，任社宜，任 煒

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司物資公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引 言

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是可靠供電的前提條件，而變壓器又是電力系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。絕緣狀態(tài)對(duì)變壓器運(yùn)行狀況產(chǎn)生直接影響，當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)引起電力變壓器絕緣老化甚至變形的各種反應(yīng)，包括物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，將造成正常運(yùn)行中的電力系統(tǒng)發(fā)生不同程度的事故。隨著我國(guó)電力行業(yè)的不斷發(fā)展，所使用的電壓等級(jí)進(jìn)一步提高，對(duì)變壓器絕緣性能的安全可靠性提出了更高的要求。然而，在實(shí)際的制造與維修時(shí)，變壓器的金屬組件和絕緣部分無法避免地出現(xiàn)包括毛刺和尖角等不平整的地方，大量電荷會(huì)在電場(chǎng)的作用下積聚在這些部位。同時(shí)，由于變壓器的絕緣體中存在著空氣間隙，而絕緣油中也存在著微量氣泡，都可能引起變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象。不僅如此，局部放電也會(huì)因?yàn)樽儔浩鞯倪^電壓而發(fā)生。由于在局部放電時(shí)會(huì)伴隨著電流的出現(xiàn)，導(dǎo)致絕緣體的溫度升高，也可能會(huì)產(chǎn)生某些活性物質(zhì)，促使變壓器的絕緣體進(jìn)一步老化，降低了變壓器的絕緣性，最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生故障。所以，為了預(yù)防和減少電力故障的發(fā)生，檢測(cè)變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象就變得非常重要。

當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移和電能損耗等現(xiàn)象，變壓器周圍的介質(zhì)還會(huì)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(cè)技術(shù)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)[2]。截至目前，科研人員通過收集變壓器局部放電產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行局放的檢測(cè)，而根據(jù)不同的局放信號(hào)可以將這些檢測(cè)法分為電氣檢測(cè)法和非電氣檢測(cè)法。電氣檢測(cè)法主要分為脈沖電流法和超高頻檢測(cè)法，非電氣檢測(cè)法主要分為氣相色譜法、超聲波檢測(cè)法和光測(cè)法。在變壓器局部放電的檢測(cè)中，這些方法都得到了應(yīng)用，有效地預(yù)防了電力故障的發(fā)生。

為了有效地檢測(cè)出變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象，本文例舉出了幾種針對(duì)變壓器局放的檢測(cè)方法，分析了不同類別的檢測(cè)技術(shù)，包括檢測(cè)原理、使用現(xiàn)狀等內(nèi)容，以提供更好的檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)也分析了局部放電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 電氣檢測(cè)法

1.1 脈沖電流法

國(guó)際上公認(rèn)時(shí)間最早、應(yīng)用最為廣泛的電氣檢測(cè)法便是脈沖電流法，而且脈沖電流法還獨(dú)有一套國(guó)際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（IEC60270）[3]。脈沖電流法的工作原理是通過電流互感器或者檢測(cè)電路中的檢測(cè)阻抗獲取變壓器不同位置接地線上的電流，而這些脈沖電流會(huì)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)設(shè)備的處理，最終獲取局部放電的有關(guān)信息。

脈沖電流法比較靈敏，因此這種檢測(cè)方法能夠檢測(cè)出的局部放電量比較準(zhǔn)確。此外，與超聲波檢測(cè)法結(jié)合，可以準(zhǔn)確把握變壓器發(fā)生局部放電的位置。然而，脈沖電流法也有以下不足：

（1）要保證檢測(cè)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定；

（2）不能進(jìn)行在線檢測(cè)；

（3）不具備較強(qiáng)的抗干擾能力；

（4）頻率低且頻帶窄，取得的信息量少。

針對(duì)以上問題，科研人員也研制出了寬帶脈沖電流檢測(cè)法。與現(xiàn)有的脈沖電流法以及脈沖量相比較，寬帶脈沖電流檢測(cè)系統(tǒng)可以更加靈敏地捕獲局放信號(hào)且不易被周圍的干擾源干擾。此外，該系統(tǒng)還可以在相對(duì)復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境中，更加準(zhǔn)確地識(shí)別出局部放電的相關(guān)信息。

1.2 超高頻檢測(cè)法

超高頻檢測(cè)法作為檢測(cè)局部放電的新方法，對(duì)傳統(tǒng)的局部放電檢測(cè)法進(jìn)行了改進(jìn)，使得變壓器局部放電的檢測(cè)結(jié)果更加可靠。由于在變壓器發(fā)生局部放電的過程中，會(huì)伴隨著300～3 000 MHz的高頻信號(hào)，因此利用超高頻檢測(cè)法可以有效地檢測(cè)和定位出電力變壓器的局部放電，同時(shí)也能夠降低周圍干擾因素的影響。在使用超高頻檢測(cè)法檢測(cè)變壓器的局部放電時(shí)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，其脈沖的頻帶寬與能量具有相關(guān)性，從熱噪聲影響靈敏度的角度來說超高頻檢測(cè)法更加靈敏；

（2）由于寬頻法能夠較好地減輕電暈的電磁干擾，因此超高頻傳感器可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)變壓器局部放電的數(shù)據(jù)信息。

由此可以看出，傳感器決定著超高頻檢測(cè)法的檢測(cè)質(zhì)量，傳感器的靈敏度直接影響著局部放電的檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)局部放電信號(hào)的超高頻天線可以內(nèi)置也可以外置。為了與不同的超高頻檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，大多數(shù)超高頻天線要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。所以，優(yōu)化超高頻檢測(cè)法的關(guān)鍵在于怎樣使超高頻天線能夠更加有效地接收到電磁波信號(hào)。

2 非電氣檢測(cè)法

2.1 氣相色譜法

電力變壓器中的絕緣體會(huì)在局部放電發(fā)生的過程中被破壞與分解，并產(chǎn)生出新物質(zhì)。氣相色譜法就是通過檢測(cè)生成物的成分、濃度等信息對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可以對(duì)局部放電的情況進(jìn)行判斷[4]。目前，氣相色譜法主要對(duì)變壓器進(jìn)行在線檢測(cè)，其配套使用的模式識(shí)別系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別出電氣故障，然而這種故障識(shí)別形式還沒有統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，雖然氣相色譜法能夠靈敏地檢測(cè)出潛在的設(shè)備故障，但是無法及時(shí)地檢測(cè)出突發(fā)的設(shè)備故障。

2.2 超聲波檢測(cè)法

在變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)出超聲波。超聲波檢測(cè)法就是利用傳感器捕獲到的超聲波對(duì)局放進(jìn)行檢測(cè)和定位。雖然工作原理簡(jiǎn)單是超聲波檢測(cè)法的一大優(yōu)勢(shì)，但是這種檢測(cè)方法存在一定的缺點(diǎn)，超聲波傳感器容易受到較強(qiáng)電磁的干擾，無法靈敏地捕獲超聲波信號(hào)，使得超聲波檢測(cè)法的檢測(cè)結(jié)果不夠理想。因此，超聲波檢測(cè)法一般用于定位出局部放電地位置，并只對(duì)采集到的局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析。目前，一些科研單位已經(jīng)利用超聲波法對(duì)110 kV及以上電壓等級(jí)變壓器的局部放電現(xiàn)象進(jìn)行了大規(guī)模的檢測(cè)。結(jié)果表明，超聲波檢測(cè)法可以準(zhǔn)確判斷變壓器是否發(fā)生了局部放電現(xiàn)象。

2.3 光測(cè)法

電力變壓器發(fā)生局部放電之后，會(huì)釋放400～700 nm不等波長(zhǎng)的光波，而檢測(cè)所需的光電流就是這些光波經(jīng)過光電倍增管的處理后產(chǎn)生的[5]。檢測(cè)人員利用光波的波長(zhǎng)和光電流的強(qiáng)度就能夠檢測(cè)和定位出變壓器中的局部放電。雖然光測(cè)法近年來在實(shí)驗(yàn)室的模擬檢測(cè)研究中取得了可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，但是由于需要使用透明性強(qiáng)的檢測(cè)部件，加之較高的設(shè)備成本，因此光測(cè)法并沒有在實(shí)際的檢測(cè)中得到廣泛采用，目前只是對(duì)變壓器局部放電進(jìn)行定性分析。不過，光纖技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)光測(cè)法的優(yōu)化和創(chuàng)新，如果將光測(cè)法與其他檢測(cè)方法進(jìn)行結(jié)合，可以促使光測(cè)法在檢測(cè)變壓器局部放電中得到一定程度的發(fā)展。

3 電氣與非電氣結(jié)合檢測(cè)法

由于生產(chǎn)用電量的不斷提升，電壓等級(jí)越來越高，對(duì)變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。最近幾年，科研人員將電氣與非電氣檢測(cè)法進(jìn)行結(jié)合可以使得檢測(cè)結(jié)果更加可靠，其中超聲波法與高頻脈沖電流法的結(jié)合檢測(cè)法正被越來越多地使用到檢測(cè)局部放電工作，工作原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，結(jié)合檢測(cè)法的采集系統(tǒng)由高頻電流傳感器（High Frequency Current Transducer，HFCT）與超聲波傳感器（AE）兩種傳感器組成，這兩種傳感器分別采集被測(cè)對(duì)象的高頻電流信號(hào)與超聲波信號(hào)。當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，超聲波信號(hào)會(huì)被安裝在變壓器外壁上的超聲波傳感器捕獲，高頻脈沖電流會(huì)被安裝在變壓器接地線上的高頻電流傳感器捕獲。

變壓器發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，很容易受到周圍環(huán)境中干擾源的影響。為了解決這個(gè)問題，該檢測(cè)系統(tǒng)配置的兩類傳感器的性能以及處理信號(hào)的能力都很高。傳感器在時(shí)域中之所以可以同步分析交變場(chǎng)中的檢測(cè)信號(hào)，是因?yàn)樗幚硇盘?hào)方法的原理不同。檢測(cè)系統(tǒng)中的主機(jī)由中央處理器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及數(shù)據(jù)圖譜顯示等模塊組成，主要是為了放大和處理收集到的信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)的處理器能夠通過專業(yè)軟件對(duì)傳感器采集到的相關(guān)信息進(jìn)行信號(hào)分析，也能夠?qū)⒆儔浩鞯木植糠烹娦盘?hào)信號(hào)與典型圖譜進(jìn)行比較分析，從而判斷出放電的類型并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的在線檢測(cè)。

檢測(cè)系統(tǒng)之所以將超聲波法和高頻脈沖電流法進(jìn)行結(jié)合，是因?yàn)檫@樣不僅可以結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，還可以避免單獨(dú)檢測(cè)時(shí)存在的局限性。結(jié)合檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)包括以下兩點(diǎn)。

（1）檢測(cè)信號(hào)在傳播過程中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的衰減和畸變，使得超聲波檢測(cè)法不能準(zhǔn)確反映電氣量的變化，而高頻脈沖電流檢測(cè)法具有較高的靈敏度、較強(qiáng)的抗電磁干擾能力以及較高的脈沖分辨率，檢測(cè)結(jié)果更為精準(zhǔn)。

（2）使用雙超聲傳感器的球面分析定位法對(duì)變壓器的局部放電進(jìn)行檢測(cè)，能夠非常精準(zhǔn)地判斷出放電源的位置。技術(shù)人員可以利用三維圖形分析和判斷電力變壓器的運(yùn)行情況，從而避免了高頻脈沖電流法檢測(cè)局部放電信號(hào)時(shí)無法對(duì)其定位的問題[7]。

4 結(jié) 論

綜上所述，脈沖電流法和超高頻檢測(cè)法等電氣檢測(cè)法的抗干擾能力較弱，而超聲波檢測(cè)法、光測(cè)法和氣相色譜法等非電氣檢測(cè)法抗干擾能力較強(qiáng)，所以非電氣檢測(cè)法在檢測(cè)局部放電方面擁有更高的應(yīng)用價(jià)值和更廣闊的發(fā)展?jié)摿Α５?，無論是電氣檢測(cè)法還是非電氣檢測(cè)法，均應(yīng)該不斷創(chuàng)新、向前發(fā)展，提升檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證電力系統(tǒng)安全地運(yùn)行，為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供有效的檢測(cè)結(jié)果。本文提出的電氣與非電氣結(jié)合檢測(cè)法就是局部放電檢測(cè)技術(shù)未來的一種發(fā)展趨勢(shì)，將超聲波法和高頻脈沖電流進(jìn)行結(jié)合，發(fā)揮出各自的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。這種結(jié)合檢測(cè)法不僅能夠更加靈敏地捕獲局部放電信號(hào)，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力和準(zhǔn)確定位的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)受到單一檢測(cè)方法的局限，從而提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。