变压器局部放电在线监测技术现状及前景

文德斌，吴广宁，周利军，刘君，杜培东，刘益岑

0 引言

局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一，自20世纪中期起，人们就开始对局部放电作了较深入的研究[1]，并取得了很大的进展。通过大量实验表明：局部放电试验是能成功地检测绝缘中微小缺陷的有效方法之一，也是考核变压器能否在工作电压下长期安全运行的最有效的方法，因而在现场监测中得到广泛的应用[2]。

为了提高变压器的产品质量，必须对变压器局部放电实施在线监测并及时报警，这对预防重大事故的发生、保障变压器稳定运行具有重要意义。

1 局部放电机理

局部放电又称游离，也就是静电荷流动的意思。局部放电是电介质中的一部分原子或分子产生电离和去电离的运动形式。电离是从外施电场中吸取能量，生成正、负电荷，并使电荷运动。去电离是正、负电荷中和，释放能量，生成新的原子和分子。该过程会产生持续时间非常短的脉冲电流，发射电磁波，相应地会在电介质中出现发热、发光和振动（声波和超声波）等物理现象。

由于电压和电流作用于电介质时可能引起局部放电，所以局部放电可以分为电场型放电和电流型放电。形成电场型局部放电的基本条件：作用在电介质上的电场强度，超过该电介质的耐受电场强度。形成电流型局部放电的基本条件：受到外力（电动力或机械力）的作用，导体中的电流被迫进入电介质。

2 局部放电的种类及影响

变压器中的局部放电主要有气隙放电、悬浮放电、夹层放电、尖端放电和“驱流”放电5种。对变压器局部放电试验时，必须认清放电类型，然后有针对性地加以分析，予以解决。

2.1 气隙放电

气隙放电又称气泡放电，变压器中的气泡主要以少数分子聚集成微小气泡为主悬浮于油中，所以产生局部放电的气泡是相对静止的。主要以2种形式存在于变压器中：一种是密封于固体内的气泡；另一种是油和固体（固体绝缘或金属）包围的气泡。

在变压器油中，由于气体的介电常数远小于油的介电常数，而电场强度与介电常数成反比，所以气体中的电场强度比油中的大很多。而气泡放电量与电场强度密切相关，因此气泡就更加容易放电。在做局部放电试验时，必须将视在发电量控制在规定范围内，不然就会转换成破坏性的气泡放电，从而使介质受损，而且放电的电解作用会使绝缘加速氧化，并腐蚀绝缘，从而降低变压器的使用寿命。

2.2 悬浮放电

对于变压器内部不固定电位的导体称为悬浮体，由它引起的放电称为悬浮放电。导致悬浮放电必须具备 2个基本条件：一是悬浮导体处于电场中，根据电容分压机理，必须取得一定的电位并能积蓄一定的能量。二是由于悬浮导体引起电场畸变作用，使局部绝缘的作用电场强度超过其耐受电场强度。变压器在运行中，由于受力而引起部件松动、脱落，很容易引起悬浮放电。所以在变压器固定器件的小支板与螺栓连接处的夹件上不需要涂漆，避免金属连接件接触不良而导致悬浮放电，影响变压器正常运行。

2.3 夹层放电

变压器绝缘结构中有许多夹层，夹层有集积水分或其他极性分子的作用，该现象被称为夹层效应。由夹层效应引起的局部放电，简称夹层放电。当发生夹层放电后，会出现线匝绝缘间、段间绝缘间贯穿性放电、低压绕组引线夹表面贯穿性放电、沿围屏贯穿性树枝状放电和沿纸板非贯穿性树枝状放电，如图1所示。做夹层试验时候，必须确保只处于非贯穿性树枝状放电。

图1 夹层放电痕迹图

2.4 尖端放电

尖端是尖形电极的简称，位于电场中的尖端，不论其本身的电位高低，包括处于地电位，都会引起电场畸变，使尖端附近的电场强度增大，该作用被称为尖端效应。由尖端效应引起的局部放电，简称尖端放电。该放电能深入到绝缘纸板的层间和深处，最终导致变压器被击穿。设计制造时，厂家把尖端圆形化或加均压罩，其目的就是为了防止尖端放电。

2.5 “驱流”放电

“驱流”放电是电流型放电，是电流从导体被驱逐到电介质中的一种物理现象，平常使用的电焊，其原理和“驱流”放电的原理相同。虽然该放电的几率比较小，但是由于“驱流”放电造成的影响非常大，因此同样不能忽视。

3 局部放电定位

局部放电定位是根据局部放电过程中产生的电磁波、声、光、热和化学变化等现象来实现定位，其定位方法有超声波定位、电气定位、电-声联合定位、光定位和热定位等。目前国内外主要以超声波定位、电气定位和电-声联合定位方法为主。

3.1 超声波定位

超声波定位主要是根据在局部放电过程中产生的超声波传播的方向和时间来确定放电位置的。包括电-声定位和声-声定位[3]，当发生局部放电时，由于超声波通过不同介质向外传播，到达油箱壁的时间就不同，在变压器油箱外壳安装多个超声波传感器，由于空间位置不同，检测到局部放电产生的超声波信号时间不同，通过测量超声波传播的延时时间就能确定局部放电源的空间位置。

超声波定位计算精度很难把握。伴随着声波传播机理的深入研究，目前已经出现了顺序定位法和模式识别法。

3.2 电气定位

电气定位可以分为几何定位法和基于模型分析法。当变压器发生局部放电时，产生的放电脉冲沿绕组传播到达测量端，该放电脉冲包含了放电特性和局部放电定位所需的有用信息，通过对放电脉冲进行分析，可以确定局部放电源的空间位置。虽然目前适用于纠结式绕组，但是它的精度非常高，定位精度可以达到不大于绕组长度的2%[4]。

3.3 电-声联合定位法

电-声联合定位法主要在电-声联合检测法的基础上利用超声波在变压器油和箱壁中的传播速度低于电信号传播速度的特点来实现定位。当变压器内部发生局部放电时，速度较快的电信号先触发监测器，监测器再根据随后超声信号到达的时差大小，推测变压器内部局部放电的位置。

4 局部放电在线检测方法

局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光等现象为依据来判断局部放电的状态。目前有脉冲电流法、超声波检测法、气相色谱检测法、超高频检测法、电磁波检测法、光检测法、红外热像法、射频检测法等多种检测方法。

4.1 脉冲电流法

脉冲电流法主要通过检测阻抗来检测变压器套管末端接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得一些基本放电量。检测放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成。该方法灵敏度高，可以定量测量局部放电的特征参数，还可以与声信号一起通过电-声定位方法确定局部放电的位置。但检测灵敏度会随着试品电容的增加而下降，而且易受外界干扰噪声（f＜10 MHz）的影响，抗干扰能力差，因此无法有效应用于现场在线监测。

4.2 超声波检测法

变压器在发生局部放电时，会同时发出电信号和声信号，超声波检测法测量的是放电时产生的声波信号。超声波检测法是用固定在变压器箱壁上的超声波传感器接收变压器内部局部放电产生的超声波，以检测局部放电量的大小和位置。超声传感器的频带约为70～150 kHz（或300 kHz），大量研究表明：局部放电产生的声波信号的频谱大都集中在150 kHz左右[5，6]，如图2所示。目前的超声波传感器灵敏度低、抗干扰能力差，无法在现场有效地检测信号。因此，主要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合脉冲电流法对局部放电源进行物理定位。

图2 局部放电频谱图

4.3 气体色谱检测法

油中气体色谱分析法（DGA）是检测局部放电最有效的工具之一。DGA主要是以三比值法为依据，对三比值进行编码，各种事故对应不同的编码，而局部放电对应比值所对应的编码组合是 0，1，0[7]。DGA是建立在变压器多年积累的DGA数据库基础上的，目前，该方法已广泛用于变压器在线故障诊断。由于油气分离时间过长，对于突发性的局部放电很难发现，所以DGA主要对变压器局部放电进行定性分析，而无法进行定位分析。

4.4 超高频检测法

超高频法（UHF法）是通过超高频信号传感器接收局部放电过辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。变压器油—隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波。变压器局部放电测量时，现场干扰信号的频谱一般小于300 MHz，UHF检测技术的检测频率范围一般为500～1 500 MHz，可最大限度避开干扰信号。而且超高频传感器安置在变压器箱体内部，变压器壳体的屏蔽作用使得超高频检测法的抗干扰能力优于目前传统局部放电检测法。只是需要特别的超高频传感器，因此尚待加强该传感器的研发。

5 变压器局部放电在线监测的发展前景

目前，国内在变压器局部放电方面的研究取得了很好的成就，笔者认为以后研究重点应该放在以下几个方面：

（1）对局部放电理论进行深入研究，对各种局部放电种类建立理论模型，通过研究局部放电的特征，从而采用有效的措施抑制外界干扰。

（2）由于变压器一般都是多点放电，应该将局部放电放在对变压器进行多点定位的基础上。

（3）必须有效地识别和抑制干扰信号[8]。差动平衡法和脉冲极性鉴别法[9]可以很好地抑制干扰信号。目前局部放电在线监测主要采用最小均方误差（LMS）自适应算法和递推的最小二乘法（RLS）自适应算法。

（4）对新型传感器的研究。超高频传感器、光纤传感器在局部放电中的应用[10，11]已经取得了很好的效果。

（5）放电量标定问题是判断变压器局部放电严重程度及绝缘是否受损的关键所在。必须解决如何对放电量进行标定的问题。

（6）建立一套完整的在线监测系统需要将整个系统都考虑进去。

6 结束语

局部放电在线监测主要对变压器实施实时在线监控，随着传感器技术和信息分析技术的发展，将使得变压器局部放电在线监测的灵敏度、监测精度越来越高。目前，对于正在运行中的变压器，由于放电部位很多，无法逐一实行监测，需要把监测定位主要放在具有破坏性（包括引起油分解）的局部放电在线监测上。

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