变压器局部放电超高频在线监测技术研究

夏代雄，万 元，潘平衡

（湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙410004）

0 引言

变压器为电力系统核心设备之一，重要性非常突出。因此，其运行的可靠程度对于电力系统的安全稳定非常之关键，而电力变压器的安全可靠性很大程度上依赖于其绝缘的可靠性[1]。局放是绝缘性能的最重要表现形式之一[1-3]，也是引起变压器重大事故的重要根源。

由于电力变压器，尤其是大型、巨型的电力变压器，其计划停电检查、检修的时间相对比较少。为此，有效地在线检测变压器内部的放电，实时辨识其运行情况，是提前发现变压器的内部缺陷、预防重特大安全事故的重要方法与手段。

目前变压器局放在线检测方法根据其原理不一致，存在很多种，其中应用比较广泛的包括脉冲电流法、超声法、油色谱监测等[1-3]，系统设计或选型的关键需从以下两个方面考虑：（1）噪声抑制；（2）反应的迅捷度[1-3]。

本文从以上两方面分析传统监测方法不足的基础上，提出了变压器局放超高频在线监测法，介绍了其监测原理，干扰抑制方法和放电模式识别方法，并列举了其在现场应用的案例。

1 传统变压器局部放电监测方法

变压器的现场的干扰有很多种，具体包括变频电子设备干扰、移动通信干扰、载波通信干扰、外部电晕等[2-3]，根据试验研究，这些干扰所处的频段大多数在500 MHz以下[2-3]，脉冲电流法主要采用高频电流传感器（罗柯夫斯基线圈）作为检测用传感器，检测频段上限大约为50 MHz[3]，超声法主要选择超声波检测元件作为传感器，其传感器的检测频率上限在10 MHz附近[3]，显然，以上两种方法与变压器现场干扰存在重叠部分，从而不能避开变压器现场的电磁干扰，容易引起误测量。

当变压器的内部出现剧烈的电弧放电、高强度放电时，必须实时、及时地检测变压器内部的放电状况，以判断变压器是否需要立即停用，以预防重特大事故，即变压器局放监测须具有很强的实时性、迅捷度和准确度，油色谱监测法主要通过测量变压器油受高热分解而生成的溶解于油的气体（局放是导致油分解为气体的重要因素）实现[2-3]，本质上属于间接测量，实践证明其测量结果较准，是目前变压器监测的主流方法之一，但该方法实现局放的监测，需要经历气体的溶解、气体在变压器油箱内扩散、油气分离、气体传输、气体组分分离等一系列过程，从局放的发生至获得检测结果要经历较长的时间[2-3]，对变压器内部剧烈放电反应的迅捷度不满足要求。

因此，有必要研究变压器新的检测方法，使其在噪声抑制、监测的实时性及迅捷度方面满足要求。

2 变压器超高频局部放电监测原理

2.1 超高频传感器

油侵式变压器在内部发生局部放电时，将衍射出大量的高频电磁波，这种高频电磁波的频段一般在300～1 500 MHz之间[3-4]，通过有效检测变压器内部局部放电所衍射的电磁波，即可实现变压器内部放电的监测。检测电磁波的方法有很多种，其中阿基米德平面天线鉴于其耦合性好、灵敏度高、抗干扰性强等特征被广泛应用于空间中电磁波的检测[4]，本文介绍的超高频在线监测方法即采用阿基米德天线作为在线测量传感器。

鉴于变压器运行现场干扰的频段绝大多数在500 MHz以下[4]，本文选择的天线的检测频段为500～1 500 MHz，可较好的避开干扰频段，同时直接检测局放衍射的电磁波，实时性满足要求。图1为用于变压器局放在线测量的阿基米德天线。

图1 用于局放在线测量的阿基米德螺旋天线

阿基米德螺旋天线的安装位置大多数为变压器的人孔门或者放油阀门[3-4]，图2列出了安装在人孔门的阿基米德螺旋天线。

图2 安装在人孔门的阿基米德螺旋天线

2.2 超高频信号的降频方法

阿基米德平面天线耦合的频段高，能有效避开现场干扰，但由于主流的AD采样频率一般在200 MHz以下，以此采样频率无法有效捕获超高频信号，因此，在对超高频传感器获取的高频信号进行采集前，必须首先将高频信号的频率降低，以降低信号采样频率，目前，对信号进行降频处理的方法主要有两种，其工作原理具体如下[5]：

（1）混频法：根据正弦定理，两个不同频率的正弦信号相乘时，可分解成一高频信号与一低频信号，其中高频信号的频率为两个正弦信号频率之和，低频信号为两个正弦信号频率之差，因此，由硬件电路实时产生某个特定频率的正弦信号，并混入到超高频传感器获取的信号之中，与之相乘，即可实现混频。采用低通滤波器滤掉混频后信号中的高频成分，而保留低频成分，即可完成降频。

（2）检波法：检波法是常用的降低信号频率的方法之一，具体原理见图3所示，从图可知，当高频信号脉冲出现时，若其波峰值大于电容的残余电压，二极管D便导通，高频脉冲信号经由二极管D不断向电容器C充电，直至高频脉冲信号电压瞬时值与电容器残余电压相等，此时，二极管D被截止，同时电容器C开始通过R向外释放能量，对于检波器，一般要求电容器的充电时间常数要远小于放电时间常数，即二极管的内阻要远小于电阻R的阻值，通过合理选择检波参数（包括D的内阻，C的电容值及R的电阻值），便可完成信号频率的降低。

图3 检波器工作原理及其等效电路

目前，对于变压器超高频在线测量技术，国际上主要采用检波法来降低信号的频率。

2.3 背景噪声的抑制

检测回路一般容易耦合背景噪声，为了提高局部放电在线检测的准确性，必须将背景噪声有效抑制，以保证局部放电检测的真实性，可通过小波变换抑制背景噪声[6]。但小波去燥效果在一定程度上依赖于母小波与原始脉冲信号在时域波形上相似程度，而阿基米德天线获得的变压器局放信号与环境的关联度是非常大的。这就给母小波的选择带来了一定的难度，必须分层采用不同的母小波对信号进行匹配，不同层均选择匹配度大的小波作为该层的最佳母小波[6]。

对于不同的放电形式（比如油中空气间隙放电、油中沿面局放、油中悬浮的电位体放电、油中电晕等四种模型），分三个试验电压等级测试改进后的小波去噪算法，结果表明逐层最优小波分解有利于减少分解过程中产生的能量损失[6]。

图4 四种放电模型产生的超高频信号去噪结果

2.4 故障判断方法

由于高频电磁波在高压变压器的内部存在大量的反射、折射现象，不同的故障位置产生的放电信号传输到阿基米德天线的路径、衰减程度不一致[3]，[6]。采用超高频法检测变压器局放信号时，目前尚无法形成一套有效的标定方法，无法有效构建局放指标量的故障判定标准，目前大多数采用趋势分析方法完成故障诊断。同时，放电随电压工频信号的分布能有效反映放电的类型、位置及放电特征[1-2]，因此，可采用放电谱图分析法实现超高频局放检测的故障定位。

由此可知，采用超高频法测量变压器内部局放时，其故障诊断方法可以分成两步：

第一步：判断故障是否发生，以及严重程度，主要通过趋势分析实现，但趋势持续增大或者趋势发生突变时，即实现故障的判断；

第二步：采用放电谱图法判断故障的原因、故障的具体位置，实现故障的深度诊断。

3 故障诊断案例

某抽水蓄能电厂1号主变压器（双绕组变压器），该变压器容量340 MVA，高压绕组的额定电压550 kV，该变压器于2009年在检修时安装了超高频法局放在线检测设备，2014年8月，电厂工作人员通过趋势分析，发现变压器内部局放持续增大，并且维持在较高水平。专业人员通过检测装置调取放电信号（如图5所示）[7]进行分析。

图5 某抽水蓄能电厂故障主变的放电图谱

显然放电谱图存在明显异常，电厂征求变压器生产厂家意见后，立即组织变压器的内检，未发现问题，后又对变压器进行了吊罩与解体检查（绕组未进行解体），通过排查发现变压器内部有两个故障点[7]，具体如下：

（1）铁心之间的电屏蔽与高压绕组的上端面存在明显的断裂点，同时存在明显的放电痕迹；

（2）高压绕组下部端面与铁心之间的固体绝缘上有碎片脱离现象，并且存在明显的放电痕迹。

电厂立即将该主变压器送回生产厂家修理，修理后局放检测装置显示的结果全部正常。上述实例有效地证明了变压器超高频局放监测技术结果的可靠性。

4 结语

近年来，电力变压器局部放电监测技术研究中，应用超高频法来实现变压器内部放电的检测等相关技术越来越受到重视。

本文阐述了变压器超高频局放检测技术的基本原理、背景噪声抑制方法、故障判定方法。通过现场应用案例有效地验证了采取合理设计超高频传感器的参数、优化噪声抑制、运用趋势分析软件来判断变压器是否存在局部放电故障是可行的和有效的。