电力变压器局部放电带电检测及定位技术的思考

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　　【摘 要】电力设备的安全运行是保证电网安全的第一道防线，变压器作为电能传输和配送过程中能量转换的核心，是电网安全运行中最重要和最关键的设备。其容量和电压等级也随着特高压电网的建设越来越高，其可靠运行关系着电力系统的安全、经济运行。电气设备的故障分为三类：机械故障、导体故障和绝缘故障。从统计数据来看，以上三种故障中，绝缘引起的故障比重最大。而局部放电是造成电力变压器绝缘劣化的重要原因，因此需要对电力变压器的局部放电情况进行检测和定位，以避免绝缘故障的发生。
　　【关键词】变压器；局部放电；带电检测；定位技术
　　1电力变压器局部放电的机理及分类
　　1.1绝缘介质的内部放电
　　变压器内部层压木、层压纸板，内部或多或少的会有气穴或介质不因数不同的物质。在交变的回路中，场强排列反比其介质常数 ，气态的介质常数一般远小于固态的，进而所受电磁场力大，所以该区域等电压大到一定程度时，该绝缘件薄弱内部气穴会最先产生局部放电。当外部施加的时直流电时，气穴放电产生的电量，在电压作用下挪到到气穴边沿上；这些电荷又聚集在一起形成与外加电压方向相反的电荷，降低了气穴中的电场，很可能使绝缘材料中的气穴中放电消失。然而当施加交变的电压，因为交流电压的周期性，绝缘材料中的外施加电场方向周期变化，与气穴中放电电荷形成的反电场方向相同，增强了气穴中电场强度，使得气穴能在较低的电压下产生放电。因而交变的电压下固体内部的局部放电要比直流回路中要大的多。
　　1.2绝缘介质的沿面放电
　　绝缘介质处于电场中，电场中的各个分量中有一个场强分量平行于介质表面，并且这个场强分量高于耐受场强时，就会出现局部放电现象。在绝缘介质的弯曲处，绝缘纸板的尖角处都会发生表面放电。绝缘介质的表面发生局放与电场的电极形状有关，当发生局放的电极不对称时，脉冲幅值的正负半周就会产生变化。如果固体件表面放电的电极位于大电压时，此时放电零点坐标下的放电波形会较大、较稀；正半周的放电脉冲一般较小、很密。当施加电压相反时，放电图形也会相反。放电波形密集，一、三象限不对称，放电小的象限波形更为密集。放电频率类似油中放电。放电量较大时伴随气穴放电。放电量的大小随励磁升高而显著增大。一般采用沿面放电的绝缘纸重新包扎，更换沿面放电的夹木等方式处理。
　　1.3尖端放电
　　在极不均匀的电场中，电场强度很高的部位通常都会发生放电，这种现象称之为电晕放电。交变电场下，交变波形零坐标的电压更容易产生电晕。在导体的曲率半径小的位置，特别是尖端位置，场强集中并且更高，非常容易产生电晕现象。在正常进行局放测量时，一般都对变压器佛手扣上均压环或均压冒，目的就是为了防止佛手产生电晕，造成对测量结果的误判。特别是引线曲率半径比较小的地方，此处由于电荷分布很密集，高电场比较强。会使得在导体和绝缘油或者绝缘纸等介质发生放电，也称作尖端放电。不匀称的场强中常会呈现，不匀称的场强部位，像套管萝卜头附近，电场强度分布比较集中，易发生电晕放电，易采用加包绝缘，加大绝缘距离以及采用绝缘隔离等方式来减少此类放电。
　　2电力变压器局部放电带电检测方法
　　2.1红外线检测法
　　红外热成像监测法即是通过热成像系统对电气设备的红外辐射强度进行测量，通过对电气设备外层温度的变化和差异间接判断出设备局部放电的位置和程度。辐射在穿透空气过程中其能量随着传输距离的增大成递减趋势，但由于大气中的不同成分（二氧化碳、臭氧、水蒸气）对不同波长辐射的吸收程度存在差异，通过实验室观察发现红外辐射在1μm-2.5μm、3μm-5μm、8μm-14μm这三个波长范围内被大气的吸收作用最弱，在这三个波长范围内对被测物体进行红外辐射检测收到的效果最好，这三个波长范围也被称为“大气窗口”。常用的红外检测设备选用的波段是3μm-5μm（短波）、8μm-14μm（长波）。目前变电、输电、检修等专业广泛使用的红外测温仪器，也叫做焦平面红外热像仪，其原理是通过高密度的半导体光电耦合元件（类似CCD或CMOS）将红外辐射信号转换成电信号，经信号处理系统输出到显示器。
　　2.2高频电流法
　　该方法是由传统脉冲电流法演变而来的，属于非电接触式测量法，测量抗阻为高频罗氏线圈，局部放电产生的脉冲电流信号又耦合回路中获取。高频电流法的信号应引入测量回路的等效阻抗非常小，而且能够在不影响设备运行的情况下进行非电接触式测量，以开环式结构罗氏线圈较为常见。
　　2.3超声波检测法
　　高压电气设备内部发生局部放电时，会产生大量超声波信号。超声信号从局部放电源沿绝缘介质和金属构件传递到电力设备外壳，并通过介质和缝隙向周围空气中传播。超声波具有频率高、波长短、方向性强、能量集中的特点，因此检测较容易。通常若检测值超过7dB，则环网柜很可能出现了局部放电现象。
　　2.4超高频检测法
　　利用红外测温传感器和荧光屏發现设备缺陷问题后，可以进一步使用超高频局放检测技术对主变压器周围放电情况进行检测，确定局部放电特点。从现场检测情况来看，主变压器10kV低压侧放电信号较为明显，而且越接近低压侧放电信号越强。同样利用超高频传感器和荧光屏自动获得超高频检测图谱，通过对图谱进行观察，可以看出主变压器的两侧放电信号都开始减弱，而且高频侧几乎检测不到异常的放电信号。这说明放电信号不是干扰信号，而是由于红外测温检测中设备热度异常升高部分存在局部放电缺陷导致的。接下来可以根据超高频图谱特点，确定放电波形幅值较为密集、具有对称性、存在于正半周，且相邻放电信号的时间间隔基本一致，具有较为典型的悬浮放电特征。
　　3电力变压器局部放电检测定位技术分析
　　3.1超声波定位
　　该定位方法是利用超声波信号和电脉冲信号之间的时差进行定位。具有抗干扰能力强、携带方便等优点，是目外比较常用的定位方法。在进行定位时，以变压器箱体上贴附的一路传感器为参考点，测试放电信号参考点与其他传感器之间的时差，然后利用双曲面法计算放电的位置。然而在计算的过程中，经常会将声速假设为以个固定的等值，但实际情况是由于放电部位等的差异，超声波传播的速度并不一样，所以会对定位的精确性造成比较大的误差，所以在使用超声波定位的过程中必须要注意，采用声速变量以及增加探头的方式进行优化。此外，影响超声波定位准确的因素还有计算方法、时差估计等。
　　3.2特高频定位技术
　　特高频定位技术的最大优势是抗干扰能力强、定位速度快，因此在现实中得到了有效应用。这种定位技术的缺陷非常明显，即穿透能力较弱，且电力变压器的内部构成相对复杂，因此在现实应用中存在局限性。为了解决这一问题，必须对特高频定位技术的影响因素给予有效分析。当电力变压器发生局部放电现象时，电磁波会从设备内部传播出来。在面对实体金属时，电磁波信号会发生剧烈衰减。为了保障带电测量定位的准确度，必须计算出不同传感器之间的时延，同时定位计算局部放电的电源，具体可应用复数域内牛顿迭代算法。在现实应用中，可以对非线性方程进行线性化处理，关系式为：
　　其中，假设?是f（x）=0的根，x、y、z、t分别代表复数域内?的初始近似值。将一组复数作为初始值，即将（x0，y0，z0，t0）这组数带入到方程式中进行迭代运算，将迭代误差严格控制在ε以内，一直到迭代运算结束，局部放电现象就能得到精确定位。
　　参考文献：
　　[1]刘嘉林，董明，安珊，杨兰均，邝石，张伟政.电力变压器局部放电带电检测及定位技术综述[J].绝缘材料，2015，4808：1-7.
　　作者简介：
　　张福生（1982），男，山西朔州人，2008年毕业于临汾电力高级技工学校，高级技师，工程师，从事电气试验和带电检测技术工作。
　　（作者单位：国网山西省电力公司朔州供电公司）
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