采用超高频方式进行变压器内部局部放电带电检测技术的应用研究

魏哲宇

[摘    要] 基于目前在GIS领域成功应用的超高频方式，通过传感器来采集变压器内部局部放电所产生的超高频信号，并结合放电信号的PRPD图谱来分析判断局部放电的性质与严重程度，精准的计算放电信息参数，更直观反应变压器运行时的真实情况。该项技术在工程层面的应用，有望给变压器的局放带电检测技术带来实质的突破，有助于实现大型变压的状态检修并提升设备管理水平。

[关键词] 超高频;局放检测;带电检测

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 037

[中图分类号] F273    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）03- 0090- 06

1      研究背景和意义

变压器内部局部放电的带电检测是变压器带电检测项目中最具价值的测试之一，但由于现场复杂环境及局部放电的微弱性，也使之成为带电检测项目中最具挑战的测试。在近些年来的应用研究中，由于变压器套管末屏取信号方式受限，而从变压器接地端非电容式取信号的局限性较大，导致变压器内部局放的带电检测一直无法取得有效突破。

本项目是基于目前在GIS领域成功应用的超高频方式（200 MHz～1 GHz），通过传感器来采集变压器内部局部放电所产生的超高频信号。由于变压器油箱本身具有的噪声屏蔽作用，结合超高频段的各类噪声及干扰较小且易于識别的特点，使这种测试方式具有很强的抗干扰性，可以有效地检测变压器内部发生的局部放电现象。由于带电检测无法对局部放电定量，故主要是通过放电量的相对变化来进行分析，并结合放电信号的PRPD图谱来分析判断局部放电的性质与严重程度。

随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向着超高频和超宽频方向发展。局部放电超高频检测是通过超高频传感器提出变压器内部局部放电所产生的超高频信号，从而实现局部放电的检测。局部放电超高频检测技术作为电气设备局部放电检测的一种新的手段和方法，越来越受到重视，在国内外取得了较快的发展，并在电力设备如GIS、同步发电机、电缆等的检测中得到了初步的应用。

近年来，荷兰研究人员Rutgers，Pemen等人在实验室中对变压器局部放电的超高频检测进行了一些初步研究，它们的研究结果表明：油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为ns级的，能激起1 GHz以上的超高频电磁波。法国ALSTOM输配电研究中心的K. Raja等人在实验室对各种典型放电模型局部放电的超高频特性进行了研究，并发明了能够选择干扰最小的频段进行检测的超高频局部放电检测方法，并据此建立了局部放电模式识别的方法。在国内，清华大学的陈庆国、王晓宁等人也在实验室对变压器局部放电的超高频检测进行了研究，他们在实验室建立了局部放电的超高频检测系统，对放电模型在空气和油中的放电特性进行了对比和分析，并对将超高频传感器安置于在变压器内部引出线附近来检测局部放电进行了研究。在变压器局部放电超高频检测的研究中，国内外研究人员在思路和方法上存在许多的相似之处。

2      项目的理论和实践依据

2.1   变压器局部放电机理及其超高频传感器选择

变压器的液体、固体的组合绝缘性能比较好，但也难以完全消除微量的气泡，即使在制造已去除了气泡，但在运行过程中，由于热胀冷缩，不同材料特别是导体与介质的膨胀系数不同，也会逐渐出现裂缝;或者在运行中由于有机高分子的老化分解出各种挥发物，这些都可能使绝缘体中出现气泡或气隙而导致局部放电。局部放电一般不会引起绝缘的贯通性击穿，但是可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘介质电气强度的降低。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于高压电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘缺陷相互很好的印证，即根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。在某种情况下，绝缘的性能可以按某种最能说明问题的特性来判断，而对于不同设备的绝缘，这些特性可能各不相同。在多数情况下，综合测量各种局部放电特性可以较客观的评价产品的绝缘水平。

超高频传感器是变压器局部放电超高频检测系统中最重要的部分，能够有效接收局部放电脉冲发射的电磁波，变压器局部放电超高频传感器安装位置方法主要两种：①在变压器箱体安装介质窗，透过介质窗可检测内部高频电磁场，该方法在实验室研究已取得了良好的效果，然而该方法要求在停电状态下来安装介质窗，对已投运变压器非常困难;②将天线从变压器油阀中插入，保持天线面与箱体内壁在同一平面上，将所测得的信号通过直接用电缆从变压器中导出并送入检测装置。这样不仅提高了检测的灵敏度，而且安装方便，易于实现。

2.2   变压器局部放电检测抗干扰方法

通讯信号、检测设备的热噪声、系统白噪声、来自电力系统的电晕及电气设备的操作都会干扰对超高频信号的检测、识别和分析。通常，抗干扰技术包括硬件滤波技术和软件滤波技术。通过对系统硬件设计，可在一定程度上抑制某些类型的干扰，但由于现场干扰的复杂性，仅仅依靠硬件滤波不能达到满意的结果。随着现代数字信号处理技术的发展，开始尝试用数字信号处理的方法解决如何从强大的干扰中提取局部放电信息的问题。

近年来发展起来的小波分析为局部放电去噪研究提供了新的强有力的工具。小波分析同时具有很强的时域和频域的分析能力，成为近年来数字信号处理研究领域研究的热点。目前，用于局部放电监测的小波去噪方法主要有模极大值法和阈值法两类，前者实现过程比较复杂，重构信号误差较大。后者算法简捷，在局部放电监测去噪中应用较多。在采用阈值法去除与局部放电脉冲混叠的背景噪声时，由于基小波和阈值的选择对去噪信号的畸变具有直接影响，因此，最优基小波和阈值的选择是解决小波去噪后的局部放电脉冲信号畸变及幅值误差的关键问题。

2.3   局部放电模式识别技术

要准确地了解和掌握电力变压器内缺陷类型性质和特征，有效的方法是对获得的局部放电信号进行模式识别。研究局部放电现象与绝缘缺陷之间的关系，是局部放电模式识别的主要目的。

自20世纪90年代以来，模式识别方法开始应用于局部放电类型的识别，和传统的依靠专家目测进行放电类型判定相比，显著提高了识别的科学性和有效性。随着超高频检测法的发展，应用于脉冲电流检测法的局部放电模式识别技术被引入超高频检测法。局部放电模式识别大致可以分为放电模式构造、特征提取和模式分类三个主要部分。

（1）放电模式。局部放电模式主要包括PRPS模式、PRPD模式、缸模式与放电脉冲波形模式等四种主要应用的局部放电模式。

（2）局部放电模式特征参数。目前局部放电模式特征提取常用的方法主要有统计特征参数法、分形特征参数法、数字图像矩特征参数法、波形特征参数法、小波理论方法等。

（3）模式分类。在模式识别中，常用的分类器有基于距离的模式分类器、线性及非线性分类器、聚类分析分类器、模糊识别分类器、人工神经网络分类器等。人工神经网络在局部放电模式识别中得到了最广泛应用，并取得了良好的应用效果。

本项目从工程应用的角度出发，针对以上提及的局部放电超高频信号的提取、抗干扰、模式识别等技术方式，对电力变压器局部放电超高频检测系统进行全面研究。

3      试验材料与方法

局部放電是电力变压器绝缘劣化的重要原因，局部放电的检测和评价一直是变压器绝缘状态检测的手段。因此，无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都非常关心局部放电检测技术的发展。超高频方法用于测量GIS已经有了很多成熟的经验。但是由于变压器结构复杂，超高频方法用于测量变压器局部放电也才刚刚开始。

3.1   局部放电超高频测量技术原理

每一个局放的产生都会伴随有一个很陡的电流脉冲，并向其周围辐射电磁波。变压器油隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到几GHz。研究表明，变压器中局部放电脉冲上升沿时间基本上为1～2 ns，因此，它发射的电磁波中超高频分量相当的高。这些超高频成分可以用电容传感器或超高频天线加以接收。

近几年，出现的一种新型局部放电检测方法——超高频（UHF）检测法。局部放电超高频检测法通过测量变压器内部局部放电所产生的超高频电信号，实现局部放电检测、定位，其抗干扰性能好。

3.2   变压器内部局部放电超高频检测系统组成

本项目主要进行对变压器内部局部放电带电检测研究的局部放电超高频检测系统主要由高频传感器、信号调理模块、数据采集处理系统等构成。其中，数据采集系统包括数据采集和工控机。其中，超高频传感器可以通过变压器的油阀伸入变压器内，整个过程可以带电操作，变压器无须停电。

信号调理单元主要功能是根据计算机的指令，调节选通信号的带宽和中心频率，使得只有特定频率的信号才能通过，这样既可以滤掉频率较低的电晕放电等信号的干扰，也能避开移动电话、无线电通信等频带较为固定的超高频信号的干扰，因而系统的抗干扰性强。

对于 UHF 测量结果，除了相对变化状况之外，也可以形成放电信号的PRPD 图谱，通过 PRPD 图谱分析判别局放的性质与严重程度。

4      试验过程与结果

4.1   项目实施方案

检测系统构建如图1所示。

超高频传感器通过变压器的油阀伸入变压器内，整个过程可以带电操作，变压器无须停电。

高频传感器与信号转换器的测量频率范围为200 MHz～2 GHz，传感器装置自身带有法兰和标尺，通过变压器的放油阀置入变压器油箱。所连接的转换器把所测量到的超高频信号转变为数据采集单元可以处理的信号之后发送到数据采集单元。该传感器在变压器油箱内部采集局放电所产生的超高频信号，由于油箱本身所具有的屏蔽作用，以及超高频段的各类噪声及干扰比较小且易于识别，所以这种测量方式具有很强的抗干扰性，可以有效地监测变压器油箱内部所发生的局部放电现象。虽然该信号本身无法对局部放电进行定量，不过可以对放电量的相对变化进行相对监测。采样之后的数字信号发送到采集单元内部基于 FPGA 的实时信号处理系统。

实现：中心频率与带宽均可自由调节的数字滤波器，可按照现场条件在系统调试过程中进行调节，达到最佳的测量信噪比状态。

后台系统检测软件主要完成：实时数据测量管理、测量数据保存、基于趋势统计结果的告警逻辑处理、基于浏览器的数据图形化用户管理等。

软件功能特性：形成PRPD 图谱，为专家系统对局放类型以及严重程度评估提供基础。数据采集与存储管理，所有数据都保存到数据库中形成趋势记录。数据处理与显示，以设定的方式以及选定的图形对采集数据进行处理和显示。专家分析系统，以各个信号为基础，对其性质进行自动判断。

4.2   试验过程及数据分析

4.2.1   在变压器送电前后，安装与变压器接地上的高频CT的测试结果比较

通过高频CT的测试比较，较难清晰看到图谱差异，为此，采用3CFRD技术，对噪声与局放进行三频率分析，区隔出局放，通过选定分离，可以得到较为明确的局放图谱

4.2.2   在变压器送电前后，超高频测试UHF的测试结果比较

送电前UHF的测试结果如图2所示。

可以看到测试图谱非常干净，没有任何干扰

送电后UHF的测试结果如图3所示。

不需要任何噪声分离，可以看到非常清晰的局放图谱

4.2.3    变压器内部局放，高频CT与超高频UHF的测试结果比较

通过比较常规的高频CT测试与超高频UHF的测试图谱，可以看出，超高频的局放图谱背景无噪声，局放非常清晰，而高频CT测试结果则需要进行复杂的噪声分离处理，才能初步确定局放。因此，对于变压器内部局放测试，超高频具有非常显著的优势，给现场分析判断带来极大的便利，非常有助于对变压器内部局放的分析判断，这是选用超高频测试变压器内部局放的价值所在。

4.2.4   高频CT与超高频UHF测试结果的验证

由于高频CT测试与超高频UHF测试，是完全独立的兩个MPD局放采集测试系统完成，因此，可以将这两个系统的测试最终结果进行互相验证，如果是真正的变压器内部局部放电，则两个测试结果应该是一致的，因为理想局放在各个频率段都是一致的，以下为两个测试结果的PRPD图比较高频CT测试图谱（3CFRD噪声分离后回放图谱），如图4所示。

超高频UHF测试图谱如图5所示。

通过以上图谱比较，可以清晰看出为同一局部放电，其电压相位完全相同，可以在高频与超高频区域互相验证。

4.2.5   超高频测试中心频率频带选择研究

通过UHF频谱曲线，选择300 M测试中心频率，在UHF图谱中选择了灵敏的中心频率与频带，测试图谱清晰良好，测试电压达到17.66 mv。选择400 M测试中心频率，在UHF图谱中选择了另一个灵敏的中心频率与频带，测试图谱清晰良好，测试电压达到23.13 mv。选择500 M测试中心频率。在UHF图谱中选择了不灵敏的中心频率与频带，测试图谱不明晰，测试电压仅有0.34mv。可以看出，通过FFT频谱图，选择合适的中心频率与频带，对于局放测试非常重要。

4.2.6   超高频传感器插入深度对测试影响的分析研究

超高频传感器完全插入时，测试电压为23.13 mv。超高频传感器退出10 CM时，测试电压为10.83 mv。超高频传感器退出20 CM时，测试电压仅为2.594 mv通过以上试验分析，可以看出，需要尽可能将超高频传感器插入变压器器身，在确保安全前提下，获得最佳的测试效果。

5      技术关键与创新点

5.1   超高频传感器选择

研究表明，局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正比，当只考虑检测仪元件的热噪声对灵敏度的影响时，用宽频带检测有更高的灵敏度，因此，变压器局部放电超高频传感器选用宽频带是有利的。在变压器局部放电检测现场，干扰源多且干扰信号强，这极大地增加了局部放电信号提取的难度。研究表明，在变压器工作现场，变电站背景噪声和空气中电晕干扰的频率通常小于400 MHz。研究人员还发现，变压器局部放电所激发的超高频信号能量主要集中在400 MHz到1 100 MHz。考虑天线内置的需要，因此，选择天线的下限截止频率为500 MHz，可以较好地抑制噪声干扰（具有固定频率的电台和移动通讯干扰可通过软件加以剔除），同时获取尽量多的放电信息。对于变压器内部的局部放电，到达接收天线的电磁波经多次折、反射和衰减后已发生畸变，高频分量不易精确提取，因此选择天线的上限截止频率为1 500 MHz。这样既能有效的抑制大部分外部干扰，又能获取尽可能多的放电信息。

5.2   典型局放模型局部放电的频谱特征和谱图特征分析

变压器局部放电其放电类型主要有油中针板放电、绝缘纸板沿面放电、绝缘纸板内部气隙放电、油楔放电、悬浮放电。研究表明，随运行电压的增加，放电信号所对应的频谱分布变化不大，只是幅值有所增大，油中针板放电产生的超高频电磁波主要集中在1 000 MHz以下。沿面型放电主要集中在500～800 MHz的频带内，固体绝缘内部气隙放电主要集中在400～1 000 MHz，油楔放电主要集中在300～1 000 MHz，悬浮放电则广泛分布在整个测量频带内。通过对局部放电超高频信号的相位特征分析发现，不同的放电类型，放电发生的相位有着其一定的范围，随电压升高，放电频率增大、放电幅值增加，但统计谱图特征变化不大。

5.3   变压器内部超高频信号传播特性的理论分析

变压器局部放电产生的电磁波其能量沿电磁波的传播方向流动，在变压器局部放电超高频检测过程中，局部放电产生的超高频电磁波从放电点传播到超高频天线传感器需经过油纸绝缘，传播过程中还会遇到金属导体，如绕组、变压器箱体，然后传播到接收天线。由于变压器箱体内局部放电超高频信号的传播路径复杂，因此，非常有必要对其传播特性进行理论分析和实验研究。

对于基于超高频传感的电力变压器局部放电检测，目前国内研究并不多见，由于UHF有明显的优越性，加之现代计算机技术的快速发展，以及其他局部放电技术手段的融合互补，可以预料以后该方法的应用将会有更广泛、更全面的扩展延伸，这也需要加大对电磁波在变压器中传播机理的研究以及研制实用性强的传感器。在有望给变压器的局放带电检测技术带来实质的突破的同时，也有助于实现大型变压器的状态检修并提升设备管理水平，另一方面在放电量标定、放电严重程度判断、放电类型判别、检测方式选择和检测规程建立等方面仍需要大量的试验研究和经验积累。

6      已推广应用的情况及存在不足

在现场超高频传感器安装过程中，也发现了以下两方面的问题：

（1）排油阀油管的长度影响到测试精度。在现场测试过程中，由于超高频传感器长度是固定的，但是变压器排油管的长度各有不同，测试表明，短的排油管测量效果好于长的排油管，即局放信号虽然有折射及反射波进入长排油管，但是必然会有衰减，会导致测试的灵敏度下降。

（2）变压器排油阀门不规则，导致部分主变无法安装超高频传感器，随着在检修过程中逐步对主变的不规则阀门更换和统一后，这一问题会得以解决。

7      结论与展望

目前，国内外对变压器局部放电超高频检测的研究还主要集中在实验室中，现场的工作较少，并且检测系统中所用仪器如频谱分析仪、高速数字示波器等不但价格昂贵且不适合在现场长期运行。而对变压器箱体内变压器油中超高频信号的传播规律的研究仍不充分，同时也非常有必要对适合变压器现场运行特点的小型化、高检测性能的超高频传感器进行研究。采用超高频方式进行变压器内部局部放电带电检测，能够精准地计算放电信息参数，更直观反应变压器运行时的真实情况，通过在工程层面的应用，将有望给变压器的局放带电检测技术带来实质的突破，有助于实现大型变压的状态检修并提升设备管理水平。

主要参考文献

[1]倪先锋，欧阳俊，张文亮，等.干式变压器在线综合监测与故障预警系统的实际应用[J].电气时代，2016（5）：94-97.

[2]刘洋，张园丰，卢毅.基于超声波检测法的变压器局部放电研究[J].电子世界，2014（9）：49.

[3]袁鸿鹏.超高频技术在变压器局部放电监测中的应用[J].科技信息，2013（35）：251-252.

[4]李文欣，陈国金，陈慧鹏，等.智能电网UHF局放在线监测仪设计[J].电子技术应用，2015，41（8）：57-59.

[5]陈文韬，刘熠.电力变压器PD超声与特高频检测方法对比研究[J].电气开关，2014，52（3）：18-22.

[6]刘兴元.变压器局放检测中超声波和超高频法的现状分析[J].机电信息，2014，52（3）：18-22.