电力变压器局部放电检测及定位技术研究

国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司 刘睿桐 隋一冰

1 引言

随着我国社会不断进步，人们对电力需求量不断增大，电力变压器能够对电力系统中的电压等级进行升降处理，确保电力系统能够在稳定工况下运行。电力变压器内部采用的是油—纸绝缘材料，这两种材料在电力变压器运行时会产生一定的气隙，埋下安全隐患。随着电力变压器使用频率不断增加，一定程度上增加电力变压器磨损程度，影响电力变压器的绝缘性能。电力变压器在长时间运行时会产生局部放电现象，经过长时间局部放电后，电力变压器性能下降，元器件损害，从而引发大面积停电事故。电力变压器局部放电现象是一个长久变化的过程，因此对电力变压器局部放电现象研究十分有必要。

2 电力变压器局部放电机理及类型

2.1 电力变压器局部放电机理

电力变压器局部放电机理主要由两部分组成：一是汤逊理论。当电力变压器通电时，电力变压器内的电子会在电场下与内部气体发生碰撞，此时在高速运动的电子经过碰撞之间的动能会不断增大，当该参数的数值达到沸点之后，电子就会脱离控制成为自由电子。除此之外，随着电子移动还会导致电力变压器内部温度不断上升，局部温度越高，产生电子数量也就越多，大量的电子数量积累到一起就会在局部产生电子雪崩现象，这就是局部放电现象[1]。

二是流注放电理论。在流注放电理论中认为，变压器在通电状况下其内部属于一个小型的电场，变压器内的各个元件会在电场的作用下不断电离，从而产生电离子。随着时间的推移，电力变压器内部电离子的数量会不断增多，此时在有限的空间内部分电离子会产生碰撞，导致电子初崩。在初崩作用下电子会不断向外扩张，并伴随着电离子和正离子碰撞，进而产生局部放电现象。在电力变压器中电离子和正离子浓度越高，产生局部放电的现象就越明显。

2.2 电力变压器局部放电类型

电力变压器在发生局部放电现象的瞬间，变压器的电压信号会发生波动变化，并伴随着能量的变化，常见的电力变压器放电类型有以下几点。

2.2.1 电晕放电

电晕放电是最为常见的一种局部放电类型。当电力变压器内部的绝缘结构性能发生变化，此时在变压器内部能量释放会发生不均衡现象。电力变压器两侧电极所接受的电力不一致，电力变压器的电压会不断升高，内部电场强度增大，电子发生游离现象，电力变压器间隙变大。当电力变压器的电极曲率增大到一定程度后，会产生局部放电现象，且该现象还将会形成持续放电，这就是电晕放电。

2.2.2 沿面放电

电力变压器内部经常会有固定介质，其主要目的是对带电部分进行固定和支撑，在一般情况下固定介质会安装在空气中。电力变压器在设计时有固定的电压频率，当实际频率与设计频率高很多时，电力变压器所承受到的电压就比较大，此时在高压作用下内部介质电子会发生碰撞现象，从而在固定介质的沿面发生局部放电[2]。无论是固定介质还是空气介质，其作为电力变压器中的材料本身就存在击穿电压，随着电力变压器端电压的增加，此时介质所承受的电压也会增大，当电压达到闪络电压临界值，此时在介质的表面或者是空气的杂质表面就会产生局部放电现象。

2.2.3 气隙放电

气隙放电与电力变压器的加工工艺以及材料有较大关系。电力变压器在生产时如果其采用的工艺、材料无法满足标准要求，这样电力变压器的绝缘体以及表面都存在气隙或者是杂质，导致电力变压器性能下降。气隙含量与空气含量大致相同，且气隙内的压强与大气压基本一致。电力变压器作为控制电压升降操作的设备，当其通入交变高压时，电力变压器内的气隙或者是杂质会在高压作用下产生局部击穿现象，这就是气隙放电。

电力变压器局部放电类型不同，其产生的放电现象也略有差异。在一般情况下，电力变压器局部放电现象比较常见，但是如果该现象一直存在就会对电力变压器性能产生较大影响，导致电力变压器多点位发生变化，增加电力变压器故障风险。当电力电压器电场场强越大，发生局部放电现象的频率就越大，此时电力变压器被击穿的可能性就越大，因此对局部放电现象进行检测和定位十分有必要。

3 电力变压器局部放电检测技术

电力变压器在运行过程中经常会受到多种因素影响，从而产生局部放电现象，影响电力变压器性能，甚至有可能造成电力系统运行故障，因此为了降低局部放电对电力变压器性能影响，需要在电力变压器运行时实时跟踪和检测电力变压器局部放电现象。当前，常用检测技术有以下几点。

3.1 脉冲电流检测技术

当电力变压器存在局部放电现象时，此时与电力变压器相连的电流互感器会及时探测到这一变化，并产生脉冲电流。脉冲电流作为模拟量信号会经过数字信号处理设备的作用，将模拟量信号转变为数字量信号，从而显示局部放电相关参数。脉冲电流检测技术对检测设备要求比较高，且电流互感器等设备需要电力变压器内部稳定才可以起到精准测量局部放电量的目的[3]。如果电力变压器的电容量较大，此时利用脉冲电流检测技术会产生一定的耦合阻抗，从而降低检测灵敏度，影响检测效果。

3.2 超声波检测技术

电力变压器发生局部放电时经常会伴随着声波的出现，因此在进行局部放电检测时也可以以声波作为检测依据。在超声波检测时需要有专门的设备对声波信息进行接收、整理，然后根据接收信号的强度、幅值等相关参数进行研究，确定位置信息。利用该技术对电力变压器设备内部发生局部放电的位置进行间歇具有检测方便、工作原理简单、检测技术易操作等优势，但是由于其在工作时以超声波信号作为判断标准，很容易受到电磁干扰等因素的影响，降低检测灵敏度。

3.3 光测技术

光测技术能够对光波信号的频率、幅值以及强度等相关参数进行监测，然后定位局部放电位置。光测设备中具有信号接收装置、信号处理装置等，接收装置会接收电力变压器产生的光波信号，然后将该信号传递到信号处理装置中进行放大、增强，然后将经过处理的光波信号进行光电转换形成光电流。光测技术是以光电流大小为依据进行判断的，因此该技术具有检测速度快、准确率高等特点，但是由于该技术光波信号检测对检测设备要求性较高，很容易受到外界因素干扰，降低检测灵敏度，因此光测技术主要是应用到局部放电定性分析中。

3.4 化学检测技术

电力变压器发生局部放电时，此时内部的绝缘体会发生变化，会有部分的绝缘体被分解，导致绝缘体发生化学反应生成新的化学物质，因此化学检测技术主要是根据电力变压器内部的新生化学物质为依据，判断是否发生局部放电。在化学检测技术下会根据新生成化学物质的类型、成分、含量、浓度等相关参数进行分析，然后确定电力变压器是否发生故障以及发生故障的程度。化学检测技术经常应用到在线故障诊断中，能够起到良好诊断效果，但在实际应用时，该检测技术无法快速识别灵敏度较高的突发故障，降低故障识别效率。

3.5 超高频检测技术

超高频检测技术主要是通过传感器设备对超高频信号进行数据采集和处理。超高频技术具有检测频带宽、检测灵敏度高、良好的抗干扰性能等特点，因此在超高频技术下所检测到的结果精确性较高、灵敏度较高。但是在实际应用时超高频检测技术会受到设备性能、信号传输质量等因素的影响，降低检测效果。因此，在应用时为了保证检测效果，往往会设计专用检测天线，用于信号传输。

4 电力变压器局部放电定位技术

电力变压器是变电站以及电力系统中最为关键的设备之一，电力变压器设备运行状况，直接影响到整个电力系统的运行质量。一旦电力变压器在运行时发生故障，就需要及时定位故障，确定故障信息，为电力变压器故障检修提供基础。当前，在电力变压器局部放电中应用最为常见的定位技术有以下几点。

4.1 电气定位法

电力变压器发生局部放电现象时会伴随着信号波和能量的产生，而电气定位法就是对产生的信号波进行电气计算，通过传递函数的作用将所传播的信号波进行处理和计算，然后得到具体位置[4]。信号波在电力变压器中进行传播时由于介质等因素的存在，信号会存在时延特征，以此特征为基础就可以确定信号波发射的位置。在局部放电下电力变压器两侧端子上产生的放电信号不同，此时可以根据两个不同电信号进行计算，确定产生局部放电的位置。

4.2 超声波定位法

信号在传输时都会产生一定的时延现象，在局部放电现象下电力变压器内部会同时产生脉冲信号和超声波信号，这样两个信号频率不同，因此在介质以及传感器传播时会产生时间差。将信号传输时间差输入到双曲面计算公式中可以确定局部放电位置。超声波定位法主要是以时间差为依据结合算法进行定位，因此其定位结果很容易受到时间差测量、等值声速等的不同，从而影响最终的定位精度。为了有效防止时间差对定位精度的影响，在实际定位测量时会采取增加探头、变化声速变量等方式进行优化，以达到提升定位精度的目的。

4.3 阵列传感器定位法

在阵列传感器定位法下将多个传感器排列成矩阵，收集不同路径下传输的信号，从而解决信号多径传播问题。除此之外，在多个传感器作用下，可以避免某一传感器接收性能下降或信号接收失误对最终结果的影响，提高定位精度。在阵列中不同位置的传感器所接收到的信号幅值、强度等相关参数是不同，此时在该定位方法下能够对利用这些参数之间的差值进行计算，从而有效防止电磁干扰等信号的影响。

4.4 局联合定位法

对于以上几种常见的局部放电定位技术可以确定，每一项定位技术都有优势和不足，具体定位性能见表1。

表1 定位技术性能

电气定位法能够精确确定电气放电位置，具有反应灵敏、抗干扰能力强等特点。超声波定位法可以精确定位局部放电几何位置，具有成本低、应用广泛等特点。阵列传感器定位法能够同时定位多个局部放电目标，定位灵敏度高。不同定位方法具有不同的应用优势和劣势，为了保证定位结果，在实际应用时往往会采用多种定位技术联合法进行定位，具体应用时需要结合具体局部放电现象选择合适的定位技术进行联合定位。

5 结语

电力变压器是变电站中最为常见的电力设备，一旦电力变压器发生故障会直接影响到整个变电站设备运行状况，甚至还有可能发生电力系统故障，造成大面积停电现象，因此对电力变压器进行故障检测十分有必要。局部放电是电力变压器中最为常见的故障，本文以电力变压器局部放电现象为例，探究局部放电的机理和类型，然后探究电力变压器局部放电检测技术和定位技术，为电力变压器局部放电检测和定位提供指导。经过研究可知，在电力变压器放电检测和定位技术中，不同的技术和方法可以起到不同的效果，在实际应用时需要结合实际情况，科学选择不同的检测技术和定位技术，以期能够达到良好应用效果。