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变压器局部放电定位技术及新兴UHF方法的关键问题

2020-10-16 来源:意榕旅游网
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第2卷第l期No1.2 No.1 南方电网技术 研究与分析/PP.36—60 2008年2月/Feb.2008 S0UTHERN POWER SYSTEM TECHN0L0GY Research&Analysis 文章编号:1674—0629(2008)01—0036—05 中图分类号:TM761 文献标志码:A 又 L 器局部放电定位技术及新兴UHF方法 的关键 问题六 唐志国,李成榕,常文治,王彩雄,盛康 (电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,华北电力大学,北京102206) The Partial Discharge Location Technology of Power Transformer and the Key Issues of Newly Developed UHF Method TANG Zhi—guo,LI Cheng—rong,CHANG Wen—zhi,WANG Cai—xiong,SHENG Kang (Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control,Ministry of Education, North China Electric Power Universiyt,BeOing 102206,China) Abstract: As an effective resort of ifnding potential 大量故障统计表明,在电气设备故障中绝缘故 insulation defects of power transformer in its early 障一直占有较高的比重¨珥J。发生绝缘故障的原因主 stage,the partial discharge(PD)detection technology 要是绝缘薄弱处的局部放电引起的绝缘老化和失 has gained great breakthrough on the issue of 效,并最终导致绝缘击穿【5】。局部放电检测能够提 anti—interference with the introduction Of UHF 前反映变压器的绝缘状况,及时发现设备内部的绝 method.This paper summarized the present status and 缘缺陷,从而预防潜伏性和突发性事故的发生。20 characteristics of several important PD detection and 世纪70年代,IEC为此制定了专门的标准,并做了 location methods,pointing out some key problems of 多次更新L6, ,发展电力设备的状态维修已经成为一 PD location using the newly developed UHF 种必然趋势[8-10J。 approaches in its current circumstances of 准确地局部放电定位是实现状态维修的重要前 development. 提之一。探索更加有效的定位方法是当今电力工业 的当务之急。 Key words:p0we¨mn forn1e ;pania di cha唱e; 1 变压器局部放电检测方法综述 detection; location;UHF method .~一~。。………一………一 对变压器局部放电有脉冲电流法、超声波法、 摘要:局部放电检测作为一种发现潜在绝缘缺陷的 射频检测法、特高频法、光测法、化学检测法以及 早期预警技术,近年来由于UHF方法的引入而在抗 红外检测法等多种检测方法[11,12]。 干扰方面取得了一定的突破。本文概述了几种主要 (1)脉冲电流法。局部放电造成电荷的移动并 的电力变压器局部放电检测和定位方法的现状和特 在外围测量回路中产生脉冲电流,通过检测该脉冲 点,并针对新兴的UHF局放检测和定位技术的发展 电流便可实现对局部放电的测量。该方法一般是检 情况,指出了该方法应重点解决的关键技术问题。 测脉冲电流信号的低频部分,通常为数kHz至数百 kHz(至多数MHz)。目前,脉冲电流法广泛用于变 关键词: 电力变压器;局部放电;检测;定位; 压器型式试验、预防和交接试验、变压器局部放电 UHF方法 实验研究等,其特点是测量灵敏度高、放电量可以 标定等。 长江学者和创新团队发展计划资助。 (2)射频检测法。射频检测法属于高频局部放 维普资讯 http://www.cqvip.com 第l期 唐志国,等:变压器局部放电定位技术及新兴UHF方法 37 电测量,其检测频带已达甚高频(VHF)范围,测量 频率达30 MHz。该方法利用罗戈夫斯基线圈从变 压器中性点测取局部放电信号。射频检测法使用方 便,检测系统不会影响变压器的运行方式lJ引。超宽 频带l J(UWB)局部放电检测技术(上限频率可 达GHz)具有测量频带宽、信息量大等优点,可以较 全面地研究局部放电的特性。 (3)气相色谱法。这是一种基于油中气体成分 分析(DGA)的化学检测方法。变压器中发生的局部 放电将导致各种绝缘材料发生分解破坏,产生新的 生成物,通过检测各种气体生成物的组成和浓度, 可以判断局部放电的状态。目前,该方法广泛应用 于变压器故障类型和故障程度的诊断,IEC为此制 定了三比值法的推荐标准。气相色谱法的优点是不 受外界电磁干扰影响,准确度较高,且对早期潜伏 性故障较灵敏,但不能反映突发性故障。 (4)超声波检测法。根据超声波信号进行局部 放电的判断分析,典型的超声波传感器的频带大多 为504200 kHz。该方法的优点是不影响电气主设 备的安全运行,并且受电磁干扰影响较小ll 8];缺点 是放电源和超声探头之间的波阻抗异常复杂,超声 波信号常常因为传播途径复杂、衰减严重而导致检 测灵敏度很低。光纤技术已经应用在局部放电的超 声波探测上,变压器内局部放电产生的超声波挤压 光纤并导致光波在光纤中传播时受到调制,采用合 适的调制解调器可以把局部放电的超声波信号提取 出来,可以避免传统的油一钢复合路径所造成的影 响[19-21]。采用光学技术对电气设备局部放电的检测 技术达到现场应用还有很大距离,其主要原因在于 光学设备造价高、检测稳定性不高L2 。 (5)红外检测。这是基于局部放电点的温度升 高,利用红外探测仪的热成像原理实现热点测量。 但由于变压器结构和传热过程的复杂性,目前变压 器红外检测针对于一些变压器外部故障(包括导体 连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和 变压器套管故障等) 。 (6)UHF法。这是目前局部放电检测的一种 新方法,该方法通过天线传感器接收局部放电过程 辐射的UHF电磁波,实现局部放电的检测。在20 世纪80年代末,UHF法测量局部放电首先应用在 GIS设备中l2钔。该技术的特点在于:检测频段较高, 可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关 操作等多种电气干扰;检测频带宽,所以其检测灵 敏度很高;而且可识别故障类型和进行定位L2引。 UHF检测的特点使其在局部放电检测领域具有其 他方法无法比拟的优点,因而在近年来得到了迅速 的发展和广泛的应用L2 J。 变压器油/隔板结构的绝缘强度比较高,理论上 其局部放电能够激发出很高频率的电磁波,最高可 达数GHzL2或 ]。1996年Rutgers首先将UHF技术应 用于变压器的局部放电测量【3…。他们在实验室中检 测到了几种缺陷放电的UHF信号,研制了3004 1 200 MHz的UHF天线并通过放油阀将其用于实际 变压器中,其检测灵敏度可达10 pC。英国 Strathclyde大学的Judd等人在GIS特高频检测研究 的基础上,也对变压器局部放电UHF检测进行了研 究L3 J。他们以盘式电容作为传感器并通过在变压 器箱体顶部开介质窗的方式安装,传感器耦合的局 放信号送入频谱分析仪,选取最优频率后,使用频 谱仪的POW模式进行分析。法国ALSTOM输配电 研究中心的K.Raja等人在实验室内研究了各种典 型局部放电模型的UHF特性,通过频谱仪的Zero Span方式检测,并据此建立了模式识别方法[33,34]。 此外Raja等人在真实变压器模型上实验证实了 UHF方法的灵敏度远高于超声法,且基本不受纸板 等绝缘物的影响lj引。 国内方面,西安交通大学李彦明[28,36-39 等人在 变压器的局部放电UHF检测方面作了许多工作,他 们基于混频技术建立了频带可调的窄带检测系统, 通过神经网络方法实现了局部放电类型的自动识 别。华北电力大学李成榕等人则采用检波技术对原 始UHF信号进行调理l4们,并研制了基于检波技术 的电力变压器在线监测装置。该装置已经于2003 年10月底通过变压器事故放油阀在河南某220 kV 主变上进行了在线安装和运行,并成功地检测到局 部放电信号。之后又发明了UHF人孔、手孔等传感 器安装方式[41-43],在将该技术实用化方面做出了一 些成绩。清华大学则试图通过在变压器内部引出线 的附近安置UHF天线的方法来测量变压器的内部 放电,在实验室内和现场都进行了探索L4引。 近年来,国内外还出现了通过射频和超声波进 行联合来检测局部放电的方法。联合检测有利于发 挥两种方法的优势来保证局部放电检测的可靠性, 而且可替代电气脉冲.超声波法进行定位【4引。如澳大 维普资讯 http://www.cqvip.com

38 南方电网技术 2008年第2卷 利亚的西门子研究机构研制了射频和超声波复合探 头,并通过变压器油箱上的油孔或观察窗以内部安 装的方式进行放电检测 】。 目前,基于UHF的局部放电检测技术在学术界 和工程界都得到了广泛关注,将局部放电UHF检测 技术应用于变压器的研究已经成为当前的一个研究 热点。 2 变压器局部放电定位技术的研究进展 目前局部放电定位的方法主要有超声波定位 法、电气定位法两种。 2.1超声波定位方法 超声波定位方法是20世纪80年代开始发展, 90年代趋于成熟的一种局部放电定位方法,目前这 种方法已得到比较广泛的应用。超声波定位方法利 用放电产生的超声信号和电脉冲信号之间的时延, 或直接利用各超声信号时延进行定位。国内外对超 声定位都做了许多研 】,并发展了三角定位法 (球面方程法)、双曲面定位法、V型曲线法、顺序 定位法和模式识别法等多种方法,其中以三角定位 法和双曲面法研究最多。 (1)三角定位法。这是以局部放电电信号作为 触发基准,通过3个(或以上)传感器测量超声波信 号与电信号的时间差,以此作为超声信号的传播时 间,并由此建立球面方程求解局部放电点。现场有 时难以有效地获取局部放电的电信号,此时即可采 用双曲面法来进行定位。 (2)双曲面定位法。这是在变压器外壳上放置 4个(或以上)超声传感器,以最先接收到的超声脉冲 为时间基准,测量其他超声信号的时延,并由此建 立双曲面方程组求解局部放电点。 为简化问题,三角定位法和双曲面算法假定声 速为常数。实际上由于变压器结构复杂,各种声介 质对声波的衰减及对声速的影响都不一样,因此定 位误差很大。为此,研究人员基于最小二乘原理对 这两种算法进行了改进,具体方法是增加传感器的 数量,并将超声波的等值声速作为变量来处理,从 而得到等值声速和局放点位置【5 。这种改进算法在 一定程度上降低了传播路径对声速的影响,提高了 定位精度。但改进方法仍然简化认为各路超声波信 号的等值波速是相等的,因此误差仍然很大。文献 『48]在上述算法的基础上,通过分析不同声介质对 超声信号等值波速和频谱影响,提出了一种基于频 谱分析的等值波速修正方法:对各路超声信号作频 谱分析,如果发现某一路的高频段衰减明显大于低 频段,则定性地确定该路信号存在较强的绕射,并 对其等值波速进行修正,令其为v,,建立包含新增 变量v,的超定方程组,以初步定位解作为初始点进 行重新搜索求解。 通过射频与超声波联合检测和定位也可以解决 现场难以获得电信号的问题,文献[531提出了一种 基于特高频和超声波相控接收阵的局放定位方法, 该方法以UHF信号作为时间基准得到超声信号的 时延,进而计算出放电点与传感器之间的距离;再 根据平面超声相控阵扫描的方位和仰角定出放电点 的几何位置。仿真研究表明,该方法在不考虑信号 的传播衰减和噪声影响的情况下可以对油中局放进 行比较精确的定位,且理论上可进行多点定位。由 于该研究没有充分考虑变压器结构对超声信号的影 响,故其具体定位效果有待于进一步试验验证。 总之,尽管人们对超声波定位方法作了大量研 究,发展了多种定位方法,并对其进行了许多改进, 但仍然难以进行准确和有效的定位。 2.2电气定位方法 根据局部放电脉冲沿变压器绕组传播规律进行 分析定位的方法称为电气定位法。与超声定位不同, 电气法确定的位置为局部放电发生的电气位置而非 几何位置。研究表 】,通常变压器绕组存在三个 频率特性范围:低频行波分量(o-o.01 MHz)、中 频振荡分量(0.01--0.1 MHz)和高频电容分量(0.1~ 10 MHz)。相应的电气定位法可分为行波法、电容 分量法及端点电流脉冲频谱分析法等[55-58]。 行波法是根据测量端局部放电信号的电容分量 和行波分量之问的时延确定故障点的位置。如果放 电点距测量端很远,电容分量就很微弱而无法检测, 因此这种方法只能大概确定局部放电点的部位。电 容分量法是根据绕组首末端检测的局部放电信号电 容分量之比进行定位的,实际上许多变压器电容分 量的衰减曲线并不光滑,此时很难用此法进行定位。 特别是当绕组中性点直接接地时,用此方法对局部 放电定位很不准确。在中频范围内,变压器测量端 的局部信号频谱因放电位置的不同而存在一定的差 异,据此也可以进行局部放电源的定位。 电气定位法的关键在于严格根据绕组结构对其 维普资讯 http://www.cqvip.com

第l期 唐志国,等:变压器局部放电定位技术及新兴UHF方法 39 传输特性进行精确模拟。文献[591建立了集中参数 电路的绕组网络模型,提出了根据绕组两端脉冲响 应信号的频域信息的幅比折线法和能比直线法,研 究了依据时域信息相关分析的定位方法。文献[601 则基于多导体传输线理论建立了变压器绕组模型, 并通过绕组传输特性的散射参数的测量验证了绕组 模型的正确性。 3 UHF定位方法 鉴于UHF方法具有灵敏度高、抗干扰能力强且 适合于在线检测的优点,目前人们开始探索通过 UHF检测进行电力变压器局部放电的定位。2003 年,英国Strathclyde大学的L_Yang和M.D.Judd 提出了基于最短光程原理采用UHF法对变压器局 部放电进行定位的思想【6 。他们在屏蔽室内通过长 方体、圆柱体等简单几何形体的金属障碍物验证了 最短光程原理的正确性,试验误差仅为数厘米。 Judd还用时域有限差分(FDTD)方法仿真了存在 导电圆柱情况下电磁波绕射传播过程【6.2J,从理论角 度探索了根据最短光程原理进行变压器局部放电定 位的可行性。此外,Judd等人研究了电磁波在变压 器油纸绝缘中的传播特性,结果表明UHF信号在油 纸材料中的衰减很小,且基本不受温度和水分的影 响,并测得变压器油中的电磁波速约为l7~20 crn/ns,在浸过油的绝缘纸板中约为l4~16 cn1/ns【6引。 Judd在最短光程原理验证试验中采用的是人工 脉冲信号源,其强度与真实局部放电之间存在着一 定的差别,无法证明局部放电信号绕过障碍物传播 后其波前能被有效检测,因此无法回答根据最短光 程原理进行局部放电定位是否可行的问题。文献 『64]采用0.5~1.5 GHz的UHF检测系统对电力变压 器局部放电UHF定位的可行性作了进一步的探讨, 结果表明:局部放电信号强度有限,铁心等大尺寸实 体金属障碍物对UHF信号造成的衰减很强烈,由此 导致的时延测量误差可达l as以上,难以直接依据 最短光程原理进行变压器局部放电定位。 4 UHF定位方法的关键技术问题 采用新兴的局部放电UHF检测方法进行变压 器局部放电定位的研究尚处于起步阶段,以下几个 关键问题有待解决: (1)变压器结构复杂,局部放电产生的UHF 电磁波在变压器内的传播特性尚不明了,特别是在 铁心、绕组等障碍物对UHF电磁波的衰减和畸变作 用下最短光程原理的有效性问题是定位可行与否的 首要问题。 (2)UHF信号时延精确测量是进行准确局部 放电定位的关键所在。由于电磁波在变压器中的传 播速度极快,仅稍低于真空中的光速,因此其时延 精确测量十分困难,变压器局部放电定位要求是在 数米的范围内达到数厘米的定位精度,采用什么样 的定位频带、时延测量应满足何种精度、如何达到 这种测量精度等等都是定位所必须解决的问题。 (3)定位算法是局部放电定位的另一个关键问 题。 参考文献: [1】严璋.电气绝缘在线检测技术[M】.北京:中国电力出版社,1995. 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