基于超高频传感器的电力变压器局部放电定位研究

席 禹，林 冬，于 力，陈 波

（南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

大气过电压、操作过电压、多次短路冲击的积累效应和长期工频电压下的局部放电（PD）都会造成变压器损坏。绝缘介质的局部放电虽然能量小，但由于长时间存在，会对绝缘材料产生持续破坏作用，最终导致绝缘击穿。因此，研究电力变压器局部放电源定位技术是十分必要的，可以快速排查电力变压器局部放电原因，消除安全隐患。

局部放电检测有许多方法[1-3]，包括溶解气体分析法（dissolved gas analysis，DGA）[4]、射频法（radio frequency，RF）[5]、声学法[6]和电测法[7-9]，每种局部放电检测方法都有一定的优缺点。为了利用每种方法的优势，学者们开始研究多种检测方法的组合测量。文献[10]结合了射频法和电测法来检测PD源的特性；文献[5]利用RF射频传感器进行声学测量，以改进PD源定位。此外，还有很多检测局部放电源的研究：文献[11]通过对不同位置采集的电信号进行识别分析来检测不同PD源的位置；文献[4]通过采集两个射频传感器信号之间的时间差来判断可能存在的PD源。还有一些研究方法是通过比较射频局部放电信号特征来区分不同的局部放电源，包括小波相似函数法[12-13]和局部放电信号包络线分析法[14-17]。但上述方法都需要多个传感器来确定局部放电源。

由此可见，目前局部放电源检测方法大多通过多个传感器来实现，为了降低成本，本文通过研究PD源特征识别的理论基础，提出采用单个超高频（UHF）传感器来准确识别单个局部放电源的方法，介绍用于比较UHF PD信号之间相似度最大相关系数的计算方法，并在变压器油中进行点对球放电（point to sphere discharge，PS）、表面放电（surface discharge，SD）、悬浮电位放电（floating potential discharge，FP）3类局部放电试验，验证支持该计算方法的5个条件，进而证明该计算方法的可行性。

1 UHF识别局部放电源理论

A AKBARI等[18]指出，频率为300 MHz～2 GHz的电磁波在油中传播时，其波长为100～700 mm。为了获得最佳灵敏度，辐射源的最小尺寸应为目标波长的一半，即50～350 mm，其大小远大于典型PD源。这一理论随后由SHI L R等[5]进行扩展，证明了在局部放电源处产生的高频电流能发射相应的UHF局部放电信号。超高频局部放电的初始辐射行为取决于高压源和局部放电源之间的结构，而不是放电源本身。

UHF局部放电信号具有放电场的特征。当信号通过变压器油箱内的各种介质传播时，也会产生相应的畸变[19]，该畸变信号由放电位置和UHF传感器位置决定。因此，固定位置的单个传感器记录局部放电信号应与其PD源位置高度相关，而且相关性应随着PD源或UHF传感器位置的变化而迅速减小。

统计任意两个UHF PD信号之间的相关性，可以用采样互相关法[20-21]。这种方法的优点是能够有效处理数据采集信号的变化。

2 实验方法

理论研究表明，单个UHF传感器可用于准确识别单个局部放电源。为了验证这一方法的可行性，处理后的局部放电信号与局部放电类型和大小无关，与结构拓扑、局部放电传输路径和传感器位置有关，即需要满足以下5个条件：①归一化后，超高频局部放电信号与局部放电源信号振幅无关；②超高频局部放电信号与局部放电源的类型无关；③超高频局部放电信号包含了从局部放电源到超高频传感器传播过程中所特有的畸变特性；④接收到的超高频局部放电信号取决于超高频探头方向；⑤超高频局部放电信号在变压器结构位置中具有特定的信号特征。

为了验证这5个条件，进行了实验。实验装置包括高压电源和3个位于装满矿物油的玻璃罐内的PD源，高压电源可通过总线分别连接到3个局部放电源，玻璃罐长度为0.68 m（x轴）、宽度为0.50 m（y轴）、高为0.52 m（z轴），如图1所示。PD源类型分别为点对球放电（PS）、表面放电（SD）和悬浮电位放电（FP），如图2所示。点对球放电源由夹在高压点电极、接地球形电极及二者之间的绝缘板组成；表面放电源的绝缘板与高压电极和接地电极紧密接触；悬浮电位放电源的高压电极与接地电极之间由绝缘板和悬浮导体之间的间隙隔开。

图1 玻璃罐内实验装置Fig.1 Experimental device in glass jar

图2 3个局部放电源Fig.2 Three partical discharge sources

使用频率范围为300 MH～3 GHz的UHF探头检测UHF局部放电信号，如图3所示。探头专为标准DN80油阀设计。探头置于空气中，与试验箱外部保持规定距离。UHF探头相对于PS源的参考位置为x=-1 140 mm、z=-1 100 mm，方向为沿x轴的探头方向为0°。探头连接到3 GHz LeCroy Wavepro 7300示波器，采样率为10 GS/s。图4和图5分别为时域和频域中PS放电示意图，可以看出，放电时间在300 ns以内，放电能量集中在低于1.0 GHz频段内。1 μs的捕获周期由时域局部放电和环境噪声之间的信噪比决定。

图3 适用于标准DN80油阀的UHF探头Fig.3 UHF probe suitable for standard DN80 oil valves

图4 PS-UHF时域局部放电Fig.4 PS-UHF time domain partial discharge

图5 PS-UHF频域局部放电Fig.5 PS-UHF frequency domain partial discharge

实验装置还包括基于IEC 60270:2015的局部放电电气测量的Omicron MPD系统，该系统有助于监测视在电荷，为PD强度提供参考。

3 结果与分析

3.1 UHF局部放电信号与PD源信号振幅无关

为验证条件1，对3个局部放电源随机捕获UHF局部放电信号，同时通过Omicron MPD系统对视在电荷值进行电气监测。PS的表观电荷范围在50～500 pC之间，FP和SD的表观电荷范围在700～10 000 pC之间。

为了证实条件①的准确性，无论表观电荷值如何，归一化UHF PD信号之间的最大相关系数应接近于1。表1～3中以对称矩阵形式给出了5个FPUHF、PS-UHF和SD-UHF局部放电的时域结果。从表1～3可以发现，在每种情况下，矩阵中最大相关系数的算术平均值μ都超过了0.9，标准差很小（σ≤0.05），说明归一化UHF PD信号间的高度相关性，从而验证条件①的准确性。

表1 时域中FP-UHF PD样本的最大相关系数(μ=0.904，σ=0.050)Tab.1 Maximum correlation coefficient of FP-UHF PD samples in time domain(μ=0.904,σ=0.050)

表2 时域中PS-UHF PD样本的最大相关系数(μ=0.913，σ=0.048)Tab.2 Maximum correlation coefficient of PS-UHF PD samples in time domain(μ=0.913,σ=0.048)

表3 时域中SD-UHF PD样本的最大相关系数(μ=0.905，σ=0.049)Tab.3 Maximum correlation coefficient of SD-UHF PD samples in time domain(μ=0.905,σ=0.049)

此外，还对局部放电频域响应之间的相关性进行评估，结果如表4～6所示。从表4～6可以看出，与时域不同，频域计算结果的算术平均值较小，标准差较大。这一结果表明，虽然在频域中仍然存在一定的相关性，但通过在时域中应用相关算法，可以显著提高辨别度。

表4 频域中FP-UHF PD样本的最大相关系数(μ=0.878，σ=0.067)Tab.4 Maximum correlation coefficient of FP-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.878,σ=0.067)

3.2 UHF局部放电信号与PD源类型无关

为了验证条件②，进行3种局部放电实验以确定来自3种不同类型局部放电源的UHF局部放电信号之间的相关程度。不同来源的UHF PD信号之间应保持较高的最大相关性，而与PD源类型无关。表7～9分别列出了FP到PS、FP到SD和PS到SD源的最大相关系数。从表7～9可以看出，在每种情况下，矩阵内相关项的算术平均值都略高（μ＞0.79），同时保持较小的标准差（σ≤0.03)，从而证明了条件②的准确性。

表5 频率域中PS-UHF PD样本的最大相关系数(μ=0.667，σ=0.254)Tab.5 Maximum correlation coefficient of PS-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.667,σ=0.254)

表6 频域中SD-UHF PD样本的最大相关系数(μ=0.695，σ=0.252)Tab.6 Maximum correlation coefficient of SD-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.695,σ=0.252)

表7 时域中FP和PS UHF PD样本之间的最大相关系数(μ=0.796，σ=0.016)Tab.7 Maximum correlation coefficient between FP and PS UHF PD samples in time domain(μ=0.796,σ=0.016)

表8 时域中FP和SD UHF PD样本之间的最大相关系数(μ=0.792，σ=0.007)Tab.8 Maximum correlation coefficient between FP and SD UHF PD samples in time domain(μ=0.792,σ=0.007)

表9 时域中PS和SD UHF PD样本之间的最大相关系数(μ=0.855，σ=0.022)Tab.9 Maximum correlation coefficient between PS and SD UHF PD samples in time domain(μ=0.855,σ=0.022)

3.3 传输过程具有畸变特征

条件③是UHF局部放电信号具有从局部放电源到UHF传感器传播过程中特有的畸变特性。在此基础上，预计任何两个PD信号之间的相关性高度依赖于其测量点。为了验证这一条件，将UHF探头放在11个不同位置测量PS产生的UHF局部放电信号。UHF探头测量位置是相对于基准位置沿y轴0.2 m步长的整数倍，偏移坐标范围为（-1 m，+1 m）。

在每个探头位置记录8个UHF PD数据，然后比较每个位置的数据，得出任意两个位置之间最大相关性的算术平均值，结果如图6和表10所示（对称矩阵形式）。为了验证该条件，任何两个UHF PD信号之间最大相关性的算术平均值应与其测量位置之间的空间距离成反比。根据图6和表10可知，随着测量位置之间距离的增加，最大相关系数减小，从而验证了这一条件的准确性。

图6 PS-UHF局部放电的最大相关性与距离的关系Fig.6 Relationship between maximum correlation and distance of PS UHF PD

表10 时域中PS-UHF PD样本的最大相关性与距离的关系Tab.10 Relationship between maximum correlation and distance of PS UHF PD samples in time domain

3.4 UHF探头方向相关性

条件④认为接收到的UHF PD信号取决于UHF探头方向。为了验证这一条件，在0°和90°之间改变UHF探头方向（将探头方向从沿x轴改变为沿y轴），比较PS源产生的UHF局部放电信号，结果如表11～13所示。

表11 PS-UHF PD样本在时域中0°探头方向的最大相关性（μ=0.945，σ=0.030）Tab.11 Maximum correlation of PS-UHF PD samples in time domain and 0°probe orientation(μ=0.945,σ=0.030)

对于相同的探针方向，表11和表12中分别记录了0°和90°探针方向的样本结果，可以看出最大相关系数较高（μ≥0.889）。然而，当比较不同探针方向的样品时，如表13所示，最大相关系数相对于表11和表12中的值显著降低（μ=0.477）。

表12 PS-UHF PD样本在时域中90°探头方向的最大相关性（μ=0.889，σ=0.066）Tab.12 Maximum correlation of PS-UHF PD samples in time domain and 90°probe orientation(μ=0.889,σ=0.066)

表13 PS-UHF PD样本的0°和90°探头方向之间的最大相关性（μ=0.477，σ=0.015）Tab.13 Maximum correlation between 0°and 90°probe orientations of PS-UHF PD samples(μ=0.477,σ=0.015)

3.5 具有特定的信号特征

为了验证条件⑤，通过在之前的PD源位置引入电感，对源阻抗进行更改。这种方法的基本原理是，整个变压器结构中存在显著的电感和电容影响，加入电感可以产生明显的影响，比改变局部放电位置产生的影响更显著。

通过添加直径为60 mm的绝缘线匝的整数倍得出附加电感，从而产生5个0.5～2.5 μH的附加电感。图1显示了直接连接到PS源的5匝感应回路（2.5 μH）。记录每次实验PS源的UHF PD信号，与附加源电感的最大相关性如表14和图7所示。

表14 与附加源电感的最大相关性Tab.14 Maximum correlation with additional source inductance

图7 PS-UHF PD样品与附加源电感的最大相关性Fig.7 Maximum correlation with additional source inductance of PS-UHF PD samples

为了验证这一条件，任意两个UHF PD信号之间的最大相关性应与各测试实验之间的源电感差成反比，即随着样本之间的源电感差增大，它们的最大相关性应减小。由表14和图7可以发现，最大相关性随着样本之间源电感差的增大而减小，因此条件⑤成立。

4 结论

本文基于PD源识别理论，提出使用经适当信号处理单个UHF传感器来准确识别电力变压器内的单个局部放电源。为了验证基于超高频传感器的局部放电定位这一方法的可行性，信号处理后的局部放电信号必须与局部放电类型和大小无关，并且与结构拓扑、局部放电传输路径和传感器位置有关。通过变压器油中PS、SD、FP 3类局部放电试验，验证了支撑这一方法的5个条件的准确性。

本文提出的识别单个局部放电源特有信号的方法，有助于改善现有的UHF/声学局部放电定位技术，且有望突破多个局部放电源的识别技术。