電力變壓器局部放電檢測(cè)及定位技術(shù)研究

國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司遼陽(yáng)供電公司 劉睿桐 隋一冰

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)不斷進(jìn)步，人們對(duì)電力需求量不斷增大，電力變壓器能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中的電壓等級(jí)進(jìn)行升降處理，確保電力系統(tǒng)能夠在穩(wěn)定工況下運(yùn)行。電力變壓器內(nèi)部采用的是油—紙絕緣材料，這兩種材料在電力變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的氣隙，埋下安全隱患。隨著電力變壓器使用頻率不斷增加，一定程度上增加電力變壓器磨損程度，影響電力變壓器的絕緣性能。電力變壓器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間局部放電后，電力變壓器性能下降，元器件損害，從而引發(fā)大面積停電事故。電力變壓器局部放電現(xiàn)象是一個(gè)長(zhǎng)久變化的過(guò)程，因此對(duì)電力變壓器局部放電現(xiàn)象研究十分有必要。

2 電力變壓器局部放電機(jī)理及類型

2.1 電力變壓器局部放電機(jī)理

電力變壓器局部放電機(jī)理主要由兩部分組成：一是湯遜理論。當(dāng)電力變壓器通電時(shí)，電力變壓器內(nèi)的電子會(huì)在電場(chǎng)下與內(nèi)部氣體發(fā)生碰撞，此時(shí)在高速運(yùn)動(dòng)的電子經(jīng)過(guò)碰撞之間的動(dòng)能會(huì)不斷增大，當(dāng)該參數(shù)的數(shù)值達(dá)到沸點(diǎn)之后，電子就會(huì)脫離控制成為自由電子。除此之外，隨著電子移動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致電力變壓器內(nèi)部溫度不斷上升，局部溫度越高，產(chǎn)生電子數(shù)量也就越多，大量的電子數(shù)量積累到一起就會(huì)在局部產(chǎn)生電子雪崩現(xiàn)象，這就是局部放電現(xiàn)象[1]。

二是流注放電理論。在流注放電理論中認(rèn)為，變壓器在通電狀況下其內(nèi)部屬于一個(gè)小型的電場(chǎng)，變壓器內(nèi)的各個(gè)元件會(huì)在電場(chǎng)的作用下不斷電離，從而產(chǎn)生電離子。隨著時(shí)間的推移，電力變壓器內(nèi)部電離子的數(shù)量會(huì)不斷增多，此時(shí)在有限的空間內(nèi)部分電離子會(huì)產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致電子初崩。在初崩作用下電子會(huì)不斷向外擴(kuò)張，并伴隨著電離子和正離子碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。在電力變壓器中電離子和正離子濃度越高，產(chǎn)生局部放電的現(xiàn)象就越明顯。

2.2 電力變壓器局部放電類型

電力變壓器在發(fā)生局部放電現(xiàn)象的瞬間，變壓器的電壓信號(hào)會(huì)發(fā)生波動(dòng)變化，并伴隨著能量的變化，常見(jiàn)的電力變壓器放電類型有以下幾點(diǎn)。

2.2.1 電暈放電

電暈放電是最為常見(jiàn)的一種局部放電類型。當(dāng)電力變壓器內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化，此時(shí)在變壓器內(nèi)部能量釋放會(huì)發(fā)生不均衡現(xiàn)象。電力變壓器兩側(cè)電極所接受的電力不一致，電力變壓器的電壓會(huì)不斷升高，內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電子發(fā)生游離現(xiàn)象，電力變壓器間隙變大。當(dāng)電力變壓器的電極曲率增大到一定程度后，會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，且該現(xiàn)象還將會(huì)形成持續(xù)放電，這就是電暈放電。

2.2.2 沿面放電

電力變壓器內(nèi)部經(jīng)常會(huì)有固定介質(zhì)，其主要目的是對(duì)帶電部分進(jìn)行固定和支撐，在一般情況下固定介質(zhì)會(huì)安裝在空氣中。電力變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)有固定的電壓頻率，當(dāng)實(shí)際頻率與設(shè)計(jì)頻率高很多時(shí)，電力變壓器所承受到的電壓就比較大，此時(shí)在高壓作用下內(nèi)部介質(zhì)電子會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象，從而在固定介質(zhì)的沿面發(fā)生局部放電[2]。無(wú)論是固定介質(zhì)還是空氣介質(zhì)，其作為電力變壓器中的材料本身就存在擊穿電壓，隨著電力變壓器端電壓的增加，此時(shí)介質(zhì)所承受的電壓也會(huì)增大，當(dāng)電壓達(dá)到閃絡(luò)電壓臨界值，此時(shí)在介質(zhì)的表面或者是空氣的雜質(zhì)表面就會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。

2.2.3 氣隙放電

氣隙放電與電力變壓器的加工工藝以及材料有較大關(guān)系。電力變壓器在生產(chǎn)時(shí)如果其采用的工藝、材料無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣電力變壓器的絕緣體以及表面都存在氣隙或者是雜質(zhì)，導(dǎo)致電力變壓器性能下降。氣隙含量與空氣含量大致相同，且氣隙內(nèi)的壓強(qiáng)與大氣壓基本一致。電力變壓器作為控制電壓升降操作的設(shè)備，當(dāng)其通入交變高壓時(shí)，電力變壓器內(nèi)的氣隙或者是雜質(zhì)會(huì)在高壓作用下產(chǎn)生局部擊穿現(xiàn)象，這就是氣隙放電。

電力變壓器局部放電類型不同，其產(chǎn)生的放電現(xiàn)象也略有差異。在一般情況下，電力變壓器局部放電現(xiàn)象比較常見(jiàn)，但是如果該現(xiàn)象一直存在就會(huì)對(duì)電力變壓器性能產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致電力變壓器多點(diǎn)位發(fā)生變化，增加電力變壓器故障風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)電力電壓器電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越大，發(fā)生局部放電現(xiàn)象的頻率就越大，此時(shí)電力變壓器被擊穿的可能性就越大，因此對(duì)局部放電現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)和定位十分有必要。

3 電力變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)

電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到多種因素影響，從而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，影響電力變壓器性能，甚至有可能造成電力系統(tǒng)運(yùn)行故障，因此為了降低局部放電對(duì)電力變壓器性能影響，需要在電力變壓器運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤和檢測(cè)電力變壓器局部放電現(xiàn)象。當(dāng)前，常用檢測(cè)技術(shù)有以下幾點(diǎn)。

3.1 脈沖電流檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)電力變壓器存在局部放電現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)與電力變壓器相連的電流互感器會(huì)及時(shí)探測(cè)到這一變化，并產(chǎn)生脈沖電流。脈沖電流作為模擬量信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備的作用，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)，從而顯示局部放電相關(guān)參數(shù)。脈沖電流檢測(cè)技術(shù)對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求比較高，且電流互感器等設(shè)備需要電力變壓器內(nèi)部穩(wěn)定才可以起到精準(zhǔn)測(cè)量局部放電量的目的[3]。如果電力變壓器的電容量較大，此時(shí)利用脈沖電流檢測(cè)技術(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的耦合阻抗，從而降低檢測(cè)靈敏度，影響檢測(cè)效果。

3.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

電力變壓器發(fā)生局部放電時(shí)經(jīng)常會(huì)伴隨著聲波的出現(xiàn)，因此在進(jìn)行局部放電檢測(cè)時(shí)也可以以聲波作為檢測(cè)依據(jù)。在超聲波檢測(cè)時(shí)需要有專門(mén)的設(shè)備對(duì)聲波信息進(jìn)行接收、整理，然后根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度、幅值等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究，確定位置信息。利用該技術(shù)對(duì)電力變壓器設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電的位置進(jìn)行間歇具有檢測(cè)方便、工作原理簡(jiǎn)單、檢測(cè)技術(shù)易操作等優(yōu)勢(shì)，但是由于其在工作時(shí)以超聲波信號(hào)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，很容易受到電磁干擾等因素的影響，降低檢測(cè)靈敏度。

3.3 光測(cè)技術(shù)

光測(cè)技術(shù)能夠?qū)獠ㄐ盘?hào)的頻率、幅值以及強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后定位局部放電位置。光測(cè)設(shè)備中具有信號(hào)接收裝置、信號(hào)處理裝置等，接收裝置會(huì)接收電力變壓器產(chǎn)生的光波信號(hào)，然后將該信號(hào)傳遞到信號(hào)處理裝置中進(jìn)行放大、增強(qiáng)，然后將經(jīng)過(guò)處理的光波信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換形成光電流。光測(cè)技術(shù)是以光電流大小為依據(jù)進(jìn)行判斷的，因此該技術(shù)具有檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，但是由于該技術(shù)光波信號(hào)檢測(cè)對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求性較高，很容易受到外界因素干擾，降低檢測(cè)靈敏度，因此光測(cè)技術(shù)主要是應(yīng)用到局部放電定性分析中。

3.4 化學(xué)檢測(cè)技術(shù)

電力變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，此時(shí)內(nèi)部的絕緣體會(huì)發(fā)生變化，會(huì)有部分的絕緣體被分解，導(dǎo)致絕緣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的化學(xué)物質(zhì)，因此化學(xué)檢測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)電力變壓器內(nèi)部的新生化學(xué)物質(zhì)為依據(jù)，判斷是否發(fā)生局部放電。在化學(xué)檢測(cè)技術(shù)下會(huì)根據(jù)新生成化學(xué)物質(zhì)的類型、成分、含量、濃度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，然后確定電力變壓器是否發(fā)生故障以及發(fā)生故障的程度。化學(xué)檢測(cè)技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用到在線故障診斷中，能夠起到良好診斷效果，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該檢測(cè)技術(shù)無(wú)法快速識(shí)別靈敏度較高的突發(fā)故障，降低故障識(shí)別效率。

3.5 超高頻檢測(cè)技術(shù)

超高頻檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)傳感器設(shè)備對(duì)超高頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。超高頻技術(shù)具有檢測(cè)頻帶寬、檢測(cè)靈敏度高、良好的抗干擾性能等特點(diǎn)，因此在超高頻技術(shù)下所檢測(cè)到的結(jié)果精確性較高、靈敏度較高。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)超高頻檢測(cè)技術(shù)會(huì)受到設(shè)備性能、信號(hào)傳輸質(zhì)量等因素的影響，降低檢測(cè)效果。因此，在應(yīng)用時(shí)為了保證檢測(cè)效果，往往會(huì)設(shè)計(jì)專用檢測(cè)天線，用于信號(hào)傳輸。

4 電力變壓器局部放電定位技術(shù)

電力變壓器是變電站以及電力系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，電力變壓器設(shè)備運(yùn)行狀況，直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。一旦電力變壓器在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，就需要及時(shí)定位故障，確定故障信息，為電力變壓器故障檢修提供基礎(chǔ)。當(dāng)前，在電力變壓器局部放電中應(yīng)用最為常見(jiàn)的定位技術(shù)有以下幾點(diǎn)。

4.1 電氣定位法

電力變壓器發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)會(huì)伴隨著信號(hào)波和能量的產(chǎn)生，而電氣定位法就是對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)波進(jìn)行電氣計(jì)算，通過(guò)傳遞函數(shù)的作用將所傳播的信號(hào)波進(jìn)行處理和計(jì)算，然后得到具體位置[4]。信號(hào)波在電力變壓器中進(jìn)行傳播時(shí)由于介質(zhì)等因素的存在，信號(hào)會(huì)存在時(shí)延特征，以此特征為基礎(chǔ)就可以確定信號(hào)波發(fā)射的位置。在局部放電下電力變壓器兩側(cè)端子上產(chǎn)生的放電信號(hào)不同，此時(shí)可以根據(jù)兩個(gè)不同電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，確定產(chǎn)生局部放電的位置。

4.2 超聲波定位法

信號(hào)在傳輸時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延現(xiàn)象，在局部放電現(xiàn)象下電力變壓器內(nèi)部會(huì)同時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)和超聲波信號(hào)，這樣兩個(gè)信號(hào)頻率不同，因此在介質(zhì)以及傳感器傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差。將信號(hào)傳輸時(shí)間差輸入到雙曲面計(jì)算公式中可以確定局部放電位置。超聲波定位法主要是以時(shí)間差為依據(jù)結(jié)合算法進(jìn)行定位，因此其定位結(jié)果很容易受到時(shí)間差測(cè)量、等值聲速等的不同，從而影響最終的定位精度。為了有效防止時(shí)間差對(duì)定位精度的影響，在實(shí)際定位測(cè)量時(shí)會(huì)采取增加探頭、變化聲速變量等方式進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提升定位精度的目的。

4.3 陣列傳感器定位法

在陣列傳感器定位法下將多個(gè)傳感器排列成矩陣，收集不同路徑下傳輸?shù)男盘?hào)，從而解決信號(hào)多徑傳播問(wèn)題。除此之外，在多個(gè)傳感器作用下，可以避免某一傳感器接收性能下降或信號(hào)接收失誤對(duì)最終結(jié)果的影響，提高定位精度。在陣列中不同位置的傳感器所接收到的信號(hào)幅值、強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)是不同，此時(shí)在該定位方法下能夠?qū)眠@些參數(shù)之間的差值進(jìn)行計(jì)算，從而有效防止電磁干擾等信號(hào)的影響。

4.4 局聯(lián)合定位法

對(duì)于以上幾種常見(jiàn)的局部放電定位技術(shù)可以確定，每一項(xiàng)定位技術(shù)都有優(yōu)勢(shì)和不足，具體定位性能見(jiàn)表1。

表1 定位技術(shù)性能

電氣定位法能夠精確確定電氣放電位置，具有反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。超聲波定位法可以精確定位局部放電幾何位置，具有成本低、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。陣列傳感器定位法能夠同時(shí)定位多個(gè)局部放電目標(biāo)，定位靈敏度高。不同定位方法具有不同的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，為了保證定位結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往會(huì)采用多種定位技術(shù)聯(lián)合法進(jìn)行定位，具體應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合具體局部放電現(xiàn)象選擇合適的定位技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合定位。

5 結(jié)語(yǔ)

電力變壓器是變電站中最為常見(jiàn)的電力設(shè)備，一旦電力變壓器發(fā)生故障會(huì)直接影響到整個(gè)變電站設(shè)備運(yùn)行狀況，甚至還有可能發(fā)生電力系統(tǒng)故障，造成大面積停電現(xiàn)象，因此對(duì)電力變壓器進(jìn)行故障檢測(cè)十分有必要。局部放電是電力變壓器中最為常見(jiàn)的故障，本文以電力變壓器局部放電現(xiàn)象為例，探究局部放電的機(jī)理和類型，然后探究電力變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)，為電力變壓器局部放電檢測(cè)和定位提供指導(dǎo)。經(jīng)過(guò)研究可知，在電力變壓器放電檢測(cè)和定位技術(shù)中，不同的技術(shù)和方法可以起到不同的效果，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況，科學(xué)選擇不同的檢測(cè)技術(shù)和定位技術(shù)，以期能夠達(dá)到良好應(yīng)用效果。