变压器局部放电在线检测的地线传感法研究

陈晨，陈悦，刘卫东，高文胜

（1．国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310052；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）

变压器局部放电在线检测的地线传感法研究

陈晨1，2，陈悦1，刘卫东2，高文胜2

（1．国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310052；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）

局部放电在线检测对监视电力变压器的运行状态具有重要意义。提出了1种检测变压器局部放电的地线传感方法，只需要对变压器进行较小的改造即可进行局部放电检测。选取较高的检测频段，以达到较高的测量灵敏度。通过计算机仿真和实验室试验，验证了该方法用于变压器局部放电检测的可行性。在此基础上对多种不同结构进行检测试验，分析了实际检测得到的信号特性，对今后的实际测量提出了建议。

变压器；局部放电；检测方法；地线传感

0 引言

对电力变压器进行局部放电在线检测具有重要意义。通过监测局部放电的发生，能够早期发现变压器内部的绝缘劣化，避免重大事故发生[1-3]。变压器局部放电检测的主要方法有脉冲电流法、超声检测法、气相色谱法、特高频法、光测法等[4-8]。特高频法选取了较高的频段，从而可有效避开现场电磁干扰的影响，但是现有的特高频方法往往需要对变压器进行改造，有可能对变压器运行造成不良影响[9-14]。

本文提出一种检测变压器局部放电的新思路，即地线传感法，试图减小测量对变压器运行的影响，同时达到比较高的测量灵敏度。通过仿真和实验,对地线传感法的可行性进行了验证，并对测量得到的放电信号进行分析。

1 地线传感方法的基本原理

每一次局部放电都将产生正负电荷的中和，伴随产生1个较陡的电流脉冲，在周围激发高频电磁场，并向周围辐射电磁波。研究表明，局部放电击穿过程越快，电流脉冲的陡度越大，则辐射高频电磁波的能力越强。大量实验表明，在变压器内部发生的局部放电脉冲上升沿时间能够达到纳秒级，辐射的电磁波涵盖甚高频（VHF）乃至特高频（UHF）频段[15-17]。通过检测放电引发的高频电磁辐射，能够对变压器内部的局部放电进行在线监测，衡量设备的绝缘性能。

局部放电发生时激发出电磁辐射，在变压器内部的各种导体，如绕组、接地线等均会受电磁场激发，感应出与局部放电相关联的高频电磁波。变压器铁心接地线经由出线套管从变压器内部延伸到外部，从而也将所感应的放电信号携带到变压器壳体以外。

地线传感方法的思路就是在变压器外部测取铁心接地线上的放电信号，表征局部放电的发生。

常规的铁心接地线经过引线套管引至变压器体外，在外部连接扁平地线，顺着变压器外壳引入地下。变压器一旦制造完成，其内部结构是不能随意更改的，只能对外部的接地线部分进行改造，使之便于测量得到放电信号。

测量结构如图1所示。

图1 地线传感方法示意

对地线进行弯折处理，使地线上附加产生1个等效的小电感。由于接地线仍使用扁平金属线，有较高的电导率，等效电感值也很小，对工频表现出的阻抗极小，该结构几乎不改变工频接地阻抗值，保证变压器铁心可靠接地，不影响变压器正常运行。而当局部放电信号经由接地线传播时，由于频率达到了甚高频至特高频频段，等效电感会表现出很大的阻抗，放电信号会在接地线两端形成明显的压降UAB，因此可以通过测量这一电压降来监测局部放电。因为变电站现场电磁环境恶劣，空间存在着大量的电磁干扰，如果不加屏蔽，这些干扰信号都会耦合到外露的接地线上，从而影响测量效果。因此还要为测量段的接地线增设金属屏蔽罩，以屏蔽空间干扰，同时将测量段地线末端与屏蔽罩相连，屏蔽罩与变压器金属外壳相连，保证地线末端、屏蔽罩都为地电位，使外露地线上耦合的干扰信号能够从屏蔽罩传播，不影响测量部分。

概括来看，地线传感方法的原理就是以变压器内部的铁心接地线作为耦合单元，感应放电辐射；对变压器壳体外部的接地线进行改造，使其成为测量单元，测取放电信号。

相对于目前常用的脉冲电流法以及超声测量方法，地线检测方法选取了较高的频段，主动避开大多数的干扰频段，使其在电磁环境恶劣的变电站现场的抗干扰能力大大增强；相对于特高频检测方法，地线检测方法对变压器的改动较少，降低了检测成本，同时避免因大规模改造而造成影响变压器正常运行的可能。

2 时域有限差分仿真

2.1 时域有限差分（Finite-difference Timedomain）方法简介

FDTD（时域有限差分）方法是一种在时域中求解电磁场问题的方法，是由Kane S.Yee在1966年提出的。该方法将空间区域离散化并划分为立方体网格，以给定的空间网格点的电磁参数代表整个空间的电磁特性。在相应的边界条件和初始条件下求解有限差分方程，通过类似蛙步跳跃式步骤，用前一时刻的电磁场值得到当前时刻的电磁场值，并在每一时刻将此过程求遍整个空间，从而得到整个空间电磁场的时域信息[18，19]。

2.2 仿真模型的建立

首先在计算机中使用FDTD方法，对地线传感结构进行仿真运算，从仿真角度验证其测量的可行性。

由于变压器结构复杂，为了便于仿真计算，需要对其结构进行简化处理。因为实际测量中主要关心的是变压器铁心接地线，尤其是接地线伸出变压器外壳之外的部分，因此可以在仿真模型中忽略无关的绕组和其他导体。

仿真模型选取了变压器上盖板、铁心接地线和屏蔽罩3个部分，与图1中的结构相对应。仿真模型如图2所示。

变压器铁心接地线采用20 mm×5 mm的理想导体，接地线折成三匝，间距50 mm。以线电流源模拟局部放电，置于变压器腔体内部，长2 cm，注入高斯电流脉冲。

图2 地线检测结构的仿真模型

网格划分为5 mm×5 mm×5 mm，时间步长9.629 ps，最高频率6 GHz。

2.3 仿真结果分析

向模拟放电源注入如图3所示的高斯电流脉冲，幅值1 A，脉宽0.96 ns。电流源产生的辐射场向空间传播，接地线处于辐射场中，感应出与模拟放电相对应的信号，并沿地线传播至变压器外。图2（b）中地线上A点对外壳的电压如图4所示，其波形已不同于电流源的高斯脉冲，而是振荡衰减的波形，说明地线在耦合电磁辐射时有特定的频率响应特性，在信号沿地线传播的过程中，地线匝间、地线和周边导体间有相互感应和谐振的现象，使得在某些频段的信号被加强而在另一些频段被减弱。

2.4 仿真小结

FDTD仿真证明：铁心接地线能够耦合变压器内的放电信号，并且能够通过改造后的地线结构，在变压器外部测量到局部放电信号。

图3 高斯电流脉冲波形

图4 仿真计算波形

3 局部放电试验

3.1 放电模型及测量方式

在实验室对典型的油中沿面放电进行测量，采用的沿面放电试品结构如图5所示，测量装置示意图如图6所示。

图5 沿面放电试品

接地金属盒内的部分为改造后的地线结构，用以测量局部放电信号，外部的地线通过金属盒上的小孔穿入金属盒内部，模拟变压器内部铁心接地线经由出线套管伸出变压器腔体，地线伸出金属盒外1.4 m。实验室本身屏蔽良好，环境噪声较低，因此可以省去图中虚线所示的变压器外壳结构。在实验室空间设置的放电源相当于变压器内部发生的局部放电，屏蔽盒内则相当于变压器壳体之外的测量单元。

实际试验中，采用了如图7所示的3种不同地线结构作为测量单元，在验证可行性的同时比较不同结构的灵敏度和频率响应特性。伸出金属盒外的地线作为耦合单元保持不变。

3.2 放电波形分析

使用沿面放电模型，施加电压15.8 kV。放电源距离地线端部1.4 m。试验中所捕获的局部放电时域波形及其频谱分析结果如图8—10所示。

测量结果表明，使用地线传感的方法能够检测到局部放电信号，且3种地线结构都测量到了局部放电。

从时域上看，放电波形信号幅值大约为11～ 22 mV。不同结构的地线，信号幅值有所不同，多次测量结果均表明，1号地线信号幅值最大，达到20 mV以上，2号、3号幅值相对较小，约12 mV。

从频域上看，测量得到信号能量主要集中在50～300 MHz的频段。一方面，由地线传感法的原理可知，在频率较高时地线上才能获得较高的压降，因此低频段能量较小；另一方面，由于高频信号在空间传播的损耗比较大，局部放电信号在传播到地线的途中，高频成分有比较大的衰减，同时，地线传感方法使用变压器本身的铁心接地线作为耦合元件，而没有特意引入宽频天线来接收放电信号，地线的长导线结构对高频信号的响应效率较低，所以，在高频段的能量也比较小。不同结构的地线，所得信号的频谱也略有不同，1号地线测得信号频率较高，在100～300 MHz，2号、3号地线相似，在50～200 MHz。

对比3种结构可以发现，1号地线结构测量的灵敏度较高，信号能量也分布在较高的频段上，是这3种结构中最为理想的一种。

图7 试验中使用的3种地线结构

图8 1号地线测量波形及频谱分析

图9 2号地线测量波形及频谱分析

图10 3号地线测量波形及频谱分析

4 结论

（1）仿真计算结果表明，本文提出的地线传感方法能够检测到变压器内部的放电信号，理论分析和仿真均验证了该方法用于变压器局部放电检测的可行性。

（2）实验室试验结果表明，实验室模拟的地线结构能够有效检测变压器中典型的油中沿面放电信号，进一步验证了地线传感方法的可行性。

（3）分析实验室测试数据，在测量油中沿面放电时，地线传感方法所得信号频率范围大约为50～300 MHz。

（4）实验室测量时，几种不同地线结构表现出的测量灵敏度及频率响应特性有所不同，实际应用时可以进一步优化得到理想的测量结构。

（5）地线传感方法在实验室环境下的可行性得到了充分验证，下一步还要结合实际运行的变压器进行现场试验，进一步对这种方法进行研究。

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（本文编辑：龚皓）

Research on the Ground Wire Sensing Method for On-line Partial Discharge Detection of Transformers

CHEN Chen1，2，CHEN Yue1，LIU Weidong2，GAO Wensheng2
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310052，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

On-line partial discharge detection is of great importance for monitoring the operating status of pow

er transformers.A new method for detecting partial discharge of power transformer using ground wire sensing method is proposed，in which only tiny reconstruction of transformer is needed to detect partial discharge. High-frequency band is chosen to acquire higher sensitivity.Computer simulations and experimental tests are used to verify the feasibility of grounding wire sensing method for partial discharge detection of transformers. On the basis above，signals captured by several different structures are analyzed and suggestions are proposed for practical measurement in the future.

transformer；partial discharge；detection method；ground wire sensing

TM855+.1

：B

：1007-1881（2014）12-0021-05

2014-05-08

作者简历：陈晨（1988-），男，浙江杭州人，助理工程师，从事电力设备在线检测相关的研究。