110KV变压器局部放电定位试验方法研究

摘要：为了定位110KV变压器中的局部放电源，研究了局部放电脉冲沿变压器方向的传播原理以及局部放电脉冲在变换器外检测项处的响应。通过数值模型进行了仿真分析，并对变压器进行了仿真实验。根据局部放电源位置的不同，其性质也存在差异，因此局部放电位置之间的关系可以为局部放电定位提供相应信息。在对这种关系进行数值处理的基础上，提出了局部放电定位的实验方法。测量信号的能量用于定位局部放电源。研制了变压器绕组局部放电脉冲模拟装置。在实验过程中，测量了不同位置的局部放电脉冲产生的终端信号，结果表明，所提出的实验方法定位精度满足工程实际使用要求。

关键词：局部放电;传播原理;动态响应;数值模型;仿真实验

1引言

局部放电导致的变压器故障造成的经济损失通常十分巨大。如果能够在早期检测到局部放电引起的绝缘劣化，并采取预防性维护措施。局部放电源的检测和定位对于监测变压器的状态具有重要意义。由于变压器内绕组的复杂结构，精确定位非常困难。局部放电产生的脉冲在从其起始位置传输到测量终端时会发生畸变和衰减。在端子处测得的信号是原始局部放电脉冲的高度失真表示，但包含有关放电位置和性质的信息。如果可以提取该信息，则可以定位到局部放电的位置，并确定局部放电对变压器工作寿命可能产生的影响[1]。局部放电通过逐渐侵蚀破坏变压器绝缘层，是导致绝缘失效的主要因素。所以如何定位局部放电源对于变压器的安全稳定运行至关重要[2]。局部放电的定位方法主要分为基于声信号的定位方法和基于电信号的定位方法。声定位法的优点是算法简单，抗噪性好，但灵敏度差，高压变压器结构复杂，无法很好地检测局部放电引起的超声波信号[3]。基于电信号的定位方法具有更好的灵敏度，因为它依赖于在变压器端子处测量的脉冲电流信号。但是依旧缺乏一种简单实用的局部放电定位方法。由于局部放电源的位置不同，其信号的波形和幅度也不同。这些信息对于局部电流定位非常有用[4]。本文通过数值模型和模拟实验对变压器绕组进行了仿真分析，并给出了仿真结果。通过对所提出的定位方法进行仿真分析，建立了局部放电定位规则，并进行了试验验证。

2仿真模型

将对110KV变压器进行仿真分析，在一个相位中有三个绕组：高压，中压和低压。变压器的高压和中压绕组由连续盘和交错盘组成，盘数分别为96和94。低压绕组为螺旋式线圈。在仿真模拟中，在每个节点和接地点连接模拟局部放电电流源，模拟绕组中不同位置的局部电流。仿真模型是一个等效的R-L-C电路网络模型，该模型应具有与变压器绕组相同的外部电路行为。变压器绕组划分为物理单元，每个单元在等效网络中表示为集总元件电路单元。电路单元由电容支路和电感支路组成。电容分支表示圆盘导体的电阻和自感。电容分支表示匝间和盘间电容。然后根据变压器的结构数据计算模型中的电气参数。

所有单元构成电路网络，相邻两个单元的连接称为节点，节点编号用于表示局部放电源位置。绕组与外壳或铁芯之间的电容在节点处等效连接。为了得到传播路径的传递函数，计算变压器绕组外测试端子的响应。三个端子包括高压和中压绕组套管接地线，选择变压器中性点接地线。

3模拟实验

在激励实验中，将局部放电脉冲的激励电流输入绕组的不同位置，檢测测量端的响应，从而研究脉冲传播路径对局部放电信号的影响。通常情况下采用3电容模型来分析出现在外电极上的局部放电脉冲电流。Cg是放电区域的电容。Cb是串联区域的电容，Ca是电介质中剩余区域的电容。当Cg中发生放电时，电流Id通过电容Ca和Cb的耦合作用于外部端子。

根据该模型，开发了局部放电脉冲激励电路。E是电容器的直接充电电源。其电压在0至400kV范围内连续可调。电荷区的电容Cg为150pF。Ca和Cb分别为960pf和100pf。开关k可在1ns内闭合，Cg从其周期性开/关开始放电和充电，以便产生放电电流。电阻R为50Ω，作为输出激励电流的测量电阻。该电路产生的脉冲波形其主脉冲宽度约为15ns，上升沿约为5ns。这些时间参数与局部放电波形的测试结果相似。

分析了变压器绕组与接地之间的放电情况，指出了变压器绕组与接地之间的放电是现场最常见的放电状态。因此，模拟局部放电源在等效电路中连接到节点和接地。模拟局部放电信号由函数发生器产生。当在绕组不同位置输入局部放电源时，通过计算获得绕组端的响应信号。由于发现信号能量对局部放电传播路径的长度具有更好的灵敏度，因此将其作为特征来寻找局部放电位置与局部放电信号之间的关系。在半高压绕组中逐个选择节点作为局部放电源的输入端。随着移动长度的增加，局部放电信号的振幅衰减将增强。因此，如果定义了局部放电信号和局部放电源位置之间的关系，则可以表示局部放电定位的测量方法。

4结果分析

在局部放电测试中放电强度未知，无法直接使用信号的绝对振幅，因为它决定了放电电流的传播方向和强度。因此使用不同端子处信号的相对比率。在局部放电定位算法中，需要至少两个终端的信号。由于现场试验条件的限制，可以测试的局部放电节点很少。所以将比率关系进行简化。该线路仅由两个局部放电节点定义，因此其测试过程将很容易实现。整个绕组中有48个节点，因此通过线性关系定位的最大误差为：4/48*100% =8%。

用每个局部放电节点计算“h”和“g”（分别命名为Eh和Eg）处响应信号的能量，Eh和Eg的比率呈向下的直线。随着节点数目的增加，Eh和Eg的比值逐渐减小。将模拟的局部放电脉冲注入变压器绕组盘中。测量了“h”和“g”处的响应信号。在测试了所有可能的局部放电节点后，测量出了能量比和节点数之间的关系。模拟结果与实验结果相似。以同样的方式，关系被简化为一条线。

5结论

为了确定高压变压器中局部放电源的位置，研究了放电脉冲沿变压器方向传播的原理。首先通过仿真分析其传播特性，找出信号参数与局部放电源位置之间的一些相对规律。局部放电信号的能量被视为信号特征，因此局部放电源可以进行定位。仿真实验结果验证了定位算法的正确性。

参考文献

[1]张浩然，杨玉新，金辰.电力电缆局部放电在线监测技术的研究与应用[J].电力设备管理，2021（04）：62-64+99.

[2]杜伯学，姜金鹏.换流变压器油纸绝缘水分对局部放电行为的影响综述[J].高电压技术，2021，47（08）：2932-2945.

[3]王云皓，厉伟.变压器局部放电超声波信号处理方法研究[J].电气开关，2021，59（02）：32-36.

[4]李洪超，王薇.基于等离子体模型的局部放电量计算方法[J].中国设备工程，2021（07）：96-97.

作者简介

李焱，男，汉族，1983年8月4日，工程师，江苏张家港，江苏省电力有限公司张家港供电分公司，215600，研究方向：变电站设维护与状态分析。