城市轨道交通35kV干式变压器局部放电监测方法

苏州市轨道交通集团有限公司运营二分公司 石光翔 代宝山 李永清 上海欣影电力科技股份有限公司 高如枝

变压器主要作用是控制和调控电网电压，其绝缘情况与电力系统运行是否稳定具有直接作用关系，由于一些客观因素的存在，其绝缘介质并不总是处于致密状态，如气泡、气孔、悬浮颗粒物等因素，这些因素会降低变压器的绝缘性能，从而在运行过程中经常出现局部放电，变压器长时间处于局部放电状态，不对其进行有效处理和解决会导致变压器放电面积逐渐扩大，降低变压器的电气性能，最终造成电力事故，从而导致电力系统无法正常运行。

一些发达国家供电一次设备的在线监测设备已趋于成熟，目前地铁公司运行的一次设备大部分没有安装在线监测设备，特别是监测一次设备运行缺陷的局放在线监测装置。随着国家提出建设智慧轨道交通的建设思路，国内已有部分地铁、部分设备厂家率先试点采用在线监测设备，部分地铁公司也在探索和搭建适用于轨道的交通的在线监测系统。虽已取得一定成果，但现有方法在35kV干式变压器局部放电监测应用中对于放电监测不够精准，存在较大的监测误差，已无法满足实际需求，为此提出35kV干式变压器局部放电监测方法。

1 变压器局部放电监测

1.1 变压器局部放电信号获取

变压器局部放电主要发生在变压器进线电缆处和变压器内部，根据实际需求，此次利用高频电流传感器和特高频传感器来获取变压器两处放电信号（表1）。

表1 变压器局部放电信号采集装置参数表

变压器高频电流传感器主要用于高压电力设备的在线监测，根据传感器的具体用途和空间位置，选择相应的支架或固定架[1]。在变压器高频电流传感器穿芯式卡装在变压器进线电缆本体上，采集该部位放电信号。

现场选1台动力变压器进线电缆，各安装3只高频电流传感器（每相安装1只）进行在线监测，共计需要安装3个高频电流传感器[2]。35kV干式变压器内置特高频局放传感器，该传感器是磁石吸附固定于箱体内壁，可检测开关柜内部局部放电信号[3]。将特高频传感器用强磁吸附或安装在变压器箱体内壁，每台变压器装三个监测点，高压侧2只、低压侧1只，对角安装。将高频电流传感器与特高频传感器采集到的放电信号上传到计算机上，供后续放电信号特征提取和识别监测计算使用。

1.2 局部放电信号特征提取

35kV干式变压器局部放电时，局部相位会出现明显的变化，通过对获取的局部放电信号滤波、降频处理，以信号时间域作为横轴变量、以变压器电量相位作为纵轴变量，绘制变压器电量相位分布二维图谱，局部放电时与正态情况下变压器电量相位分布是不同的，其主要区别可用陡峭度、偏斜度、相互关系数、局部放电量因数、相位不对称度反映出来，因此将该五个统计算子作为局部放电信号特征。

其中陡峭度是指变压器局部相位分布形状，相比于正常情况下变压器相位局部形状的凸起变化程度，其计算公式为式中：F表示35kV干式变压器局部相位分布形状的陡峭度；i表示35kV干式变压器相位窗数量；xi表示第i个35kV干式变压器电量相位分布二维图谱相位窗的相位；u表示相位分布二维图谱第i个相位窗内放电事件出现的频次；g表示相位分布二维图谱第i个相位窗内放电均值；Δx表示35kV干式变压器电量相位分布二维图谱相位窗的宽度；σ表示35kV干式变压器电量相位分布二维图谱第 个相位窗内放电事件的平均值[4]。

偏斜度是指35kV干式变压器局部相位分布形状，相比于正常情况下变压器相位局部分布的左右方向偏离程度，其计算公式为式中：T表示35kV干式变压器局部相位分布形状的偏斜度；W表示工频半周内的相位窗数量[5]。

相位关系数是反映正负半周内35kV干式变压器局部相位分布形状的相似程度，其计算公式为：Q=式中：Q表示变压器局部相位关系数；ni表示电量相位分布二维图谱正半周第i个相位窗内的放电重复率；qi表示电量相位分布二维图谱负半周第i个相位窗内的放电重复率。

局部放电因数是反映正负半周内35kV干式变压器放电差异，其计算公式为式中：C表示35kV干式变压器局部放电因数；a1表示电量相位分布二维图谱正半周相位窗内的平均放电量；di表示电量相位分布二维图谱负半周相位窗内的平均放电量。

相位不对称度可以反映出局部放电的起始相位差别，其计算公式为：K=Ψ-/Ψ+，式中：K表示35kV干式变压器局部相位不对称度；Ψ-表示35kV干式变压器局部相位分布图谱负半周放电起始相位角；Ψ+表示35kV干式变压器局部相位分布图谱正半周放电起始相位角。将获取的局部放电信号带入到上述公式中，对五个统计算子进行计算，提取到五个变压器局部放电特征。

1.3 局部放电识别及监测

利用识别算法对提取到的局部放电特征进行综合分析，计算出变压器局部放电系数值，其计算公式为式中：γ表示35kV干式变压器局部放电系数值；m表示提取的特征因子数量；k表示归一化指数；w表示特征因子权重值。

利用上述公式计算出变压器局部放电系数，根据变压器实际情况设定一个局部放电阈值，如计算到的局部放电系数小于该阈值，则表示监测区域当前不存在局部放电；如计算到的局部放电系数大于该阈值，则表示监测区域当前存在局部放电。对于识别到的局部放电故障进行监测，根据变压器局部放电监测需求设计监测算法，该算法是以声-声双曲面数学理论作为理论依据，根据传感器与放电源的相对位置，以其中一个传感器作为基准传感器，根据每个传感器接收到超声波信号时间确定放电源位置。

如图1所示，假设安装在变压器上的传感器分别为 1、 2、 3、 4，已知四个传感器位置，放电源为R，根据超声波信号传播速度和时间计算出传感器与放电源之间的距离：h=vt，式中：h表示传感器与放电源之间的距离；v表示信号传播速度；t表示信号传播时间。

以A1为基准传感器，已知超声波信号接收时刻，计算出不同传感器之间信号传播时间差：s=t1-t2，式中：s表示不同传感器之间信号传播时间差；t1表示基准传感器信号接收时刻；t2表示其他传感器信号接收时刻。根据双曲线监测原理，则可以求出变压器局部放电位置，其计算公式为：

式中：x、y、z分别表示35kV干式变压器局部放电源的横坐标、纵坐标和斜坐标；x1、y1、z1分别表示基准传感器的坐标值；x＊、y＊、y＊表示其与传感器的坐标和。利用以上设计的监测算法对变压器局部放电位置进行定位监测，以此完成了变压器局部放电监测。

2 实验论证分析

为验证此次提出的35kV干式变压器局部放电监测思路的可行性与可靠性，选取某城市轨道交通35kV干式变压器为监测对象，该变压器规格为3000mm×1500mm×1550mm，由于该变压器使用时间较长，部分区域已出现老化现象，经常出现局部放电现象，故利用此次设计方法与传统方法对该35kV干式变压器进行局部放电监测。

根据该35kV干式变压器实际情况，准备了特高频局放传感器与高频电流传感器各两个，其安装坐标分别为（0，265，458）、（1560，0，765）、（869，1426，0）、（2000，693，248），其中以第一个特高频传感器为基准传感器位置，将特高频局放传感器的传感频率设定为1.26Hz、采样周期设定为0.12s、灵敏度设定为4.5，将高频电流传感器传感频率设定为1.26Hz、采样周期设定为1.2s、灵敏度设定为5，按照说明书将高频电流传感器和特高频传感器进行安装和调试，实验中高频电流传感器采集到0.26GB信号，特高频传感器采集到2.16GB超声波信号，得到的35kV干式变压器局部放电信号图如图2。

信号的采样频率为4.56MHz，采样点数为1600点，幅值为10~30mV，将采集到的信号将其作为实验数据样本，通过对数据处理、分析，共监测到48个局部放电，其中包括悬浮放电、针板放电、沿面放电及气隙放电，随机选取8个局部放电监测结果，将其与实际局部放电情况进行对比，计算出两种方法局部放电监测误差，将其作为两种方法精度评价指标，使用电子表格对数据进行记录（表2）。

通过对表2中数据分析可得出：设计方法对35kV干式变压器局部放电源监测误差较小，最大误差仅为1.36mm、最小监测误差仅为0.89mm，平均监测误差为1.03mm，数值较小、基本可忽略不计，设计方法可将监测误差控制在1.5mm以内，表示设计方法具有较高的变压器局部放电监测精度，监测结果基本与实际情况相符。而传统方法对于35kV干式变压器局部放电源监测误差相对较大，最大误差为29.34mm、最小监测误差为20.26mm、平均监测误差为25.48mm，远高于设计方法，因此实验结果证明了在精度方面设计方法优于传统方法，相比传统方法更适用于35kV干式变压器局部放电监测。

表2 两种方法变压器局部放电监测误差对比（mm）

3 结语

针对传统方法存在的弊端和不足提出一条新的35kV干式变压器局部放电监测思路，有效降低了变压器局部放电源监测误差，提高了35kV干式变压器局部放电监测精度，以及提高35kV干式变压器局部放电监测技术水平，此次研究具有良好的现实意义。但由于此次研究时间有限，提出的监测方法尚未在实际应用中进行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之处，今后会对35kV干式变压器局部放电监测方法优化进行探究，为35kV干式变压器局部放电监测提供有力的理论支撑。