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

【摘要】

隨著電力設(shè)備電壓等級的提高，電力部門對電力設(shè)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(yīng)用，并對采用此檢測原理的變壓器局部放電在線檢測設(shè)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(shè)備絕緣中的某些薄弱部位在強電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會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。若局部放電長期存在，在一定條件下會導致絕緣劣化甚至擊穿。對電力設(shè)備進行局部放電試驗，不但能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)制造與安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及其嚴重程度。因此，對電力設(shè)備進行局部放電測試是電力設(shè)備制造和運行中的一項重要預(yù)防性試驗。我國國家標準和國際電工委員會都對此提出了相應(yīng)規(guī)范。局部放電檢測技術(shù)即是在這個背景下快速發(fā)展起來。

人們對局部放電的認識可以追溯到 1777 年，Lichtenberg 在Gottingen 皇家社團會議上發(fā)表了他試驗研究的新結(jié)果。他利用伏特新設(shè)計的檢測儀可以看到奇妙的星形或圓形塵埃輪廓。見圖1 所示。他們認為，這些看來像放電通道的塵埃輪廓即代表著絕緣體表面放電現(xiàn)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 提出了電磁學假設(shè)，1896 年赫茲通過實驗證明了Maxwell 關(guān)于電磁波存在性及其在空間、時間上傳播的假說，這些理論和實驗工作都成為了局部放電檢測設(shè)備設(shè)計和物理模型開發(fā)的基礎(chǔ)。

最初用于局部放電的檢測設(shè)備是基于西林電橋的功耗電橋。該設(shè)備在1919 年開發(fā)出來，并在1924 年首次用于局部放電檢測。一年后，即1925 年，Schwaiger 發(fā)現(xiàn)了電暈放電時的無線電頻率特性。這項發(fā)現(xiàn)為設(shè)計測量電暈放電的無線電干擾儀奠定了基礎(chǔ)。這種無線電干擾電壓法(RIV)至今仍在一些國家，尤其是在北美國家中廣泛應(yīng)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，至今仍在應(yīng)用。

此后，各種局部放電檢測技術(shù)應(yīng)運而生。基于對發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的各種電、光、聲、熱等現(xiàn)象的研究，局部放電檢測技術(shù)中也相應(yīng)出現(xiàn)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，隨著變頻電源的廣泛應(yīng)用，一些變頻系統(tǒng)絕緣出現(xiàn)過早老化的情況，在脈沖條件下的局部放電檢測也引起人們的關(guān)注。本文綜述了近年來應(yīng)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(xiàn)象即引起電極間的電荷移動。每一次局部放電都伴有一定數(shù)量的電荷通過電介質(zhì)，引起試樣外部電極上的電壓變化。另外，每次放電過程持續(xù)時間很短，在氣隙中一次放電過程在10ns 量級;在油隙中一次放電時間也只有1ms 。根據(jù)Maxwell 電磁理論，如此短持續(xù)時間的放電脈沖會產(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原理。常見的檢測方法有脈沖電流法、無線電干擾電壓法、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得到廣泛關(guān)注，并逐漸有實用化的產(chǎn)品問世。

2.1.1 脈沖電流法

脈沖電流法是一種應(yīng)用最為廣泛的局部放電測試方法，國際電工委員會(IEC)專門對此方法制定了相關(guān)標準(IEC-270)。該標準規(guī)定了工頻交流下局部放電的測試方法，同時，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(xiàn)場環(huán)境下，會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(shù)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(yīng)用廣泛，目前市場上大部分電類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 無線電干擾電壓法(RIV)

無線電干擾電壓法，包括射頻檢測法，最早可追溯到1925 年，Schwarger 發(fā)現(xiàn)電暈放電會發(fā)射電磁波，通過無線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線電干擾電壓表檢測局部放電的運用，在國內(nèi)，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 線圈電流傳感器和射頻天線傳感器等。RIV 方法能定性檢測局部放電是否發(fā)生，甚至可以根據(jù)電磁信號的強弱對電機線棒和沒有屏蔽層的長電纜進行局部放電定位;采用Rogowski 線圈傳感器也能定量檢測放電強度，測試頻帶較寬(1~30MHz)，現(xiàn)場測試證明，該方法具有較好的實用價值。

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)點受到人們的關(guān)注，通常所說的超高頻檢測技術(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傳感器。利用窄帶天線作傳感器早在1980 年Kurtz等人就提出過，他們設(shè)計的傳感器用于大型電機局部放電測試，安裝在一個或兩個磁極上，可探測到單根定子線棒的放電。目前，窄帶天線傳感器已在檢測大型電力變壓器、GIS、電力電纜等設(shè)備的局部放電上有相關(guān)應(yīng)用。

2.2 超聲波檢測法

介質(zhì)中發(fā)生局部放電時，其瞬時釋放的能量將放電源周圍的介質(zhì)加熱使其蒸發(fā)，此時放電源如同一個聲源，向外發(fā)出聲波。由于放電持續(xù)時間很短，所發(fā)射的聲波頻譜很寬，可達到數(shù)MHz。要有效檢測聲信號并將其轉(zhuǎn)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(condensermicrophone)、駐極體麥克風(electrets microphone)和動態(tài)麥克風(dynamic microphone);用于液體中類似于聲納的所謂水中聽診器(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(shè)備放電源定位方面有獨到的優(yōu)點。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。這使得實際中一般不獨立使用聲測法，而將聲測法和電測法結(jié)合起來使用則可以得到較為準確的在線檢測數(shù)據(jù)。

3.電-聲聯(lián)合局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理與組成

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

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

如圖1所示，系統(tǒng)中本地主機用于處理從傳感器獲取的信號并將其數(shù)字化，而采用上位機進行局放信號的篩選、分析并完成局放脈沖數(shù)值記錄、監(jiān)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(shè)備四周總是充斥著各類噪聲，因而要求檢測系統(tǒng)具有高性能系統(tǒng)配置及信號處理能力以便檢測設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的微弱局放信號。因此，系統(tǒng)同時配有兩類傳感器，并采用不同的信號處理技術(shù)，在時域中同步分析交變場中的檢測信號。

系統(tǒng)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(shù)字濾波、波形測量、脈沖記數(shù)、波形數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。終端用戶安裝專用軟件后可通過個人電腦設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)及工作條件、顯示波形、進行信號分析，同時可對局放信號自動分析并存儲相關(guān)信息(如信號的幅值、頻率、相位等)，從而實現(xiàn)了對設(shè)備的遠端監(jiān)測。

3.2 電-聲聯(lián)合檢測系統(tǒng)之技術(shù)特點

檢測方法方面：系統(tǒng)同時采用電-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檢測至少采用四個超聲波傳感器，故系統(tǒng)可針對某個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，以及結(jié)合電脈沖信號或直接利用超聲信號對局放源進行物理定位。在電力變壓器的在線檢測中，它是主要的輔助測量手段。

此外系統(tǒng)將射頻檢測法應(yīng)用于局放在線檢測。它是在脈沖電流法的基礎(chǔ)上，利用Rogowski線圈從變壓器的接地線處測取信號，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，同時測試系統(tǒng)安裝方便，檢測設(shè)備不改變電力系統(tǒng)的運行方式。裝置中采用了開合鉗式射頻電流傳感器，自變壓器油箱接地線上取脈沖電流信號，故安裝無須設(shè)備停電。

3.3 局放脈沖識別及計數(shù)

3.3.1 局部放電脈沖識別

系統(tǒng)僅將同時滿足下列三個條件的信號認作局部放電信號。首先，系統(tǒng)必須至少檢測到高于閾值的三個連續(xù)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)時間(T2) 應(yīng)在500μS 內(nèi)。若上述三個條件同時滿足，則系統(tǒng)記錄為一個局放脈沖計數(shù)。

圖 2. 局部放電信號三個判別條件示意圖

此外，系統(tǒng)另設(shè)有其他相應(yīng)的局放脈沖識別標準及條件，由此系統(tǒng)提出變壓器在線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(shù))，進而可對該指標進行階段性趨勢分析，如按照月或年度時間跨度進行局放發(fā)展趨勢分析。

3.3.2 閾值設(shè)置

系統(tǒng) 的閾值設(shè)置一類用于硬件脈沖計數(shù)， 另一類用于軟件脈沖計數(shù)。閾值設(shè)定范圍為-2,000mV~+2,000mV。閾值是測量局放脈沖的重要參數(shù)，為提高測量精度則需根據(jù)系統(tǒng)安裝及環(huán)境條件選取適當?shù)拈撝怠?/p>

其中，硬件脈沖計數(shù)閾值設(shè)定可于系統(tǒng)安裝完畢后，通過檢測各通道脈沖幅值而確定背景噪聲水平，并將閾值的設(shè)定介于背景噪聲及局放信號之間使其得以優(yōu)化。而軟件脈沖計數(shù)閾值設(shè)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(shè)定介于噪聲及局放信號之間已使其得以優(yōu)化。

3.4 局部放電檢測的電磁干擾及抑制

變壓器局放現(xiàn)場測量環(huán)境的嚴重電磁干擾打打降低了檢測的靈敏度，有時甚至使得測量根本無法進行，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(tǒng)高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等等;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作產(chǎn)生高頻涌流引起，隨機脈沖型干擾包括高壓輸電線上的電暈放電、其他電力設(shè)備的局部放電、分接開關(guān)動作產(chǎn)生放電以及接觸不良產(chǎn)生的懸浮電位放電等;白噪聲包括線圈的熱噪聲、地網(wǎng)噪聲、配點線路和變壓器繼電保護信號線中的耦合進入的各種噪聲以及檢測線路中的半導體器件的噪聲等。

針對不同類型的干擾采用相應(yīng)的抑制方法。周期型干擾也稱為窄帶干擾，具有強度大且相位比較固定的特點。大多采用頻域方法處理，主要包括FFT閥值濾波器、自適應(yīng)濾波器、固定系數(shù)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(wěn)隨機喜好，屬于寬帶干擾信號。

3.4.1 濾波器設(shè)置

系統(tǒng)濾波功能應(yīng)分為帶通濾波器、帶阻濾波器以及自適應(yīng)濾波器三類。系統(tǒng)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。在波形檢測過程中可采用該濾波器濾除干擾;而自適應(yīng)濾波器濾除波形檢測過程中的某些連續(xù)噪聲。存在某些較強連續(xù)噪聲的環(huán)境中，可采用該濾波器。但根據(jù)奈科斯特穩(wěn)定性判據(jù)(Nyquist Theorem)，濾波器上限截止頻率應(yīng)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說，再確定變壓器內(nèi)部的局部放電后，快速而準確地對局部放電進行故障定位，對于及時了解故障發(fā)生、發(fā)展情況進而保障電力系統(tǒng)的正常運行具有重要意義。

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

4.1 局部放電的精確定位

變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，不但在變壓器各引出端產(chǎn)生高頻脈沖電信號，同時產(chǎn)生超聲波。超聲波在變壓器內(nèi)部以球面波的方式向四周傳播。對某一路局部放電脈沖進行采樣時，設(shè)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行局部放電脈沖識別，進而獲取各超聲波信號相對于電脈沖的時延(t1、t2、t3、t4、t5)。將變壓器內(nèi)部按空間分成若干個體單元后，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)，通過計算所有體元與各超聲波探頭之間的超聲波傳播所需時延范圍進而可針對某個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延測量有較大誤差時，仍可得到較精確的定位結(jié)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：統(tǒng)計分析法和時域分析法。統(tǒng)計分析法一般基于傳統(tǒng)的低頻、窄帶局部放電測量，是在相域空間上進行的，也是指針對局部放電的統(tǒng)計分布譜圖進行的。目前常見的有基于二維分布圖及Q-N-Φ三維分布圖的統(tǒng)計分析法、頻域分析法等。時域分析法是針對高速采集一次放電產(chǎn)生的時域脈沖所得到的波形特征或相應(yīng)的變換結(jié)果進行模式識別。

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行，如采用講局放超聲信號轉(zhuǎn)換到頻域后利用幅頻特性進行識別的技術(shù)等。

6 結(jié)語

局部放電檢測研究的最終目的是實現(xiàn)局部放電的在線檢測，隨著信號處理技術(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質(zhì)和放電程度等提供較為滿意的分析和判斷。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(yīng)用前景。

本文的在線監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)電力行業(yè)的應(yīng)用超過五年，系統(tǒng)表現(xiàn)出較強的抗干擾特性，提供的數(shù)據(jù)比較客觀地反映了被監(jiān)測電力變壓器的運行狀態(tài)，并為現(xiàn)場工作人員診斷設(shè)備狀態(tài)時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(jù)。

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