变压器局放检测中超声波和超高频法的现状分析

刘兴元

（阳城国际发电有限责任公司，山西 阳城 048102）

0 引言

局部放电是反映电力变压器绝缘状态的一个最为灵敏的特征量，也是绝缘老化过程中必然出现的现象，更是导致绝缘劣化的主要原因。在整个电力系统中，变压器对其安全、稳定运行的可靠性起着关键的作用，而变压器在长期运行中，绝缘受温度、雷击及内部过电压的作用逐渐老化，导致变压器内部绝缘产生局部放电。有资料表明，80%电力变压器故障是由于局部放电导致绝缘损坏而引起的。通过对变压器局部放电的在线监测，可以发现早期绝缘故障，以预防突发性事故的发生，从而对整个电力系统的安全运行起着重大的意义。

当前国内外对变压器局部放电的检测方法大致可以分为非电测法和电测法2大类。本文对2类方法中的超声波法和超高频法进行阐述比较，分析当前2种检测方法存在的问题，并在此基础上进行了展望。

1 超声波检测法

变压器内部发生局部放电时，产生的超声波信号以球面状向四周传播［1］，通过安装在变压器外壳上的传感器，将超声波信号转换为电信号，以多个传感器接受到信号的时延经过定位算法的计算，从而对局放源进行定位。

变压器内部发生局部放电时，放电源产生的超声波到达外壳上的传感器有2种途径，一种是超声波通过变压器油并穿过钢板直接到达传感器，这种称为纵向波；另一种是先传到变压器油箱内壁，然后沿着钢板传至传感器，此种称为复合波［1-2］。由于超声波沿钢板传播的速度比在变压器油中快得多，且在钢板中衰减很大，所以到达传感器的纵向波幅值比复合波大得多，因此测量各个传感器接收超声波的时延是以直达波的到时为基准的。其中超声波定位法又可分为以下2类［3］：（1）电—声定位。此方法以局部放电所产生的电脉冲为基准信号，同时记录电脉冲信号和多路超声波信号，将超声波信号与电脉冲信号相比较，得到两信号之间的时延作为局部放电源到达各个传感器的传播时间，再以等值声速乘以各个时延从而计算出放电源到各个传感器之间的距离，最后列方程求解出放电点坐标。（2）声—声定位。该方法以其中一个传感器接收到的超声波信号为参照基准，测量其他传感器分别接收到的超声波信号相较于基准传感器所接受到信号的时延，然后将时延值代入方程求解，即得到局放源的位置。

由于超声波检测定位法受电磁干扰的影响小并且可以实现在线检测和定位，因而国内外对超声波法研究得比较深入，在实际中也取得了广泛的应用，但是当前仍然存在以下问题：（1）超声波在电力变压器内部的传播过程复杂，使得波信号衰减严重，从而导致检测灵敏度降低。虽然已有学者对超声波传播路径作了系统分析，但是所建立的变压器模型仍然不能模拟出实际变压器的复杂性。（2）传感器接收信号时，如何判别是否为纵向波在定位中尤为重要，然而在实际应用中主要是通过技术人员的经验来确定的，并且当前关于纵向波的研究较少。（3）目前超声波传感器仍处于发展阶段，更高精度和分辨率的传感器仍需要进一步研究。

2 超高频（UHF）检测法

超高频检测法是通过天线传感器接收局部放电所辐射的超高频电磁波来实现检测的。1982年，Boggs和Stone首次利用超高频法成功检测出GIS设备中的初始局部放电脉冲。1996年Rutgers首先将UHF检测法应用于电力变压器的局部放电测量。由于该技术的检测频段非常高，可有效避开局部放电测量中的电气干扰，使其得到了很高的灵敏度，大大提高了信噪比。正是该方法拥有传统检测方法无可比拟的优点，使其近些年来在国内外得到了大量的研究［4］。

英国Strathclyde大学的Judd等人和荷兰KEMA实验室的Rutgers等人的研究表明：油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激励起1 GHz以上的超高频电磁信号。Raja等人在真实变压器模型上实验证实了超高频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。此外，法国ALSTOM输配电研究中心的K.Raja等人研究了各种典型局部放电模型的UHF特性，并建立了模式识别方法。

近些年在国内，对于变压器的局部放电UHF检测方法也取得了不少成果，其中西安交通大学李彦明等人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超高频信号进行调理，并研制了基于检波技术的电力变压器在线监测装置。重庆大学、清华大学等在变压器局部放电超高频检测方面也取得了一系列成果。

基于超高频信号的局放定位方法作为新发展起来的局部放电定位技术，其定位精度高。但对其研究还不够深入，还需要进一步的研究和试验。

（1）目前方法所模拟的局部放电源与变压器实际放电形式不符，难以保证准确获得局部放电源位置。（2）变压器内部结构复杂，导致UHF信号的传播规律也很复杂，影响了定位精度的提高。（3）由于现场电磁干扰非常大，所以抗干扰能力强、灵敏度高的传感器需要进一步研究制造。（4）目前对超高频法的定位算法刚刚起步，需要进一步的研究。

3 2种方法比较

通过对目前2种检测方法的阐述以及所存在问题的分析，2种方法的特点总结如表1所示。

表1 超声波和超高频法的比较

4 结语

超声波法和超高频法在变压器局部放电检测定位中有着其他传统方法无可比拟的优点。但是2种方法在研究过程中仍然存在一些问题。针对这些问题，变压器局放可以从以下几个方面发展：（1）充分分析各种放电模型的放电机理以适应实际需求；（2）增加变压器的模拟构成，并采用合理的方法对信号在变压器中的传播规律进行建模分析；（3）开发新型传感器以提高对信号检测的灵敏度和抗干扰能力等。

［1］罗日成，李卫国，李成榕，等.基于改进PSO算法的变压器局部放电超声波定位方法［J］.电力系统自动化，2005，29（18）：66～69

［2］罗勇芬，李彦明.用于油中局部放电定位的超声相控接收阵传感器的研究［J］.西安交通大学学报，2005，39（4）：402～406

［3］孙才新，罗兵，顾乐观，等.变压器局部放电源的电-声和声-声定位法及其评判的研究［J］.电工技术学报，1997，12（5）：49～52，60

［4］罗勇芬，李彦明，刘丽春.基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究［J］.电工技术学报，2004（1）：35～39