套管局放UHF在线监测与定位技术研究及应用

朱学成,高自伟，姜云龙，王海姣,徐 超

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.国网天津市电力公司检修公司，天津 300000)



套管局放UHF在线监测与定位技术研究及应用

朱学成1,高自伟1，姜云龙2，王海姣1,徐 超1

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.国网天津市电力公司检修公司，天津 300000)

为解决依靠例行和诊断性试验来评估变压器套管的绝缘状态,难以及时发现运行中套管的潜在故障和现有的套管局部放电测量通过末屏引出信号安全性差,且易受干扰的问题,提出了基于特高频信号的套管局部放电带电检测与时间差定位方法。阐明了特高频定位方法的基本原理,并进行了仿真计算及套管实体缺陷模型局放特性比对与定位,且通过现场对在运变压器套管进行测试,结果表明,该方法可以辨识出套管局部放电缺陷类型及放电部位。

套管;特高频;局部放电;方向定位

套管是变压器的重要部件之一,因其结构的复杂性、紧凑性,会受到设计缺陷、安装工艺、运行工况及环境因素的影响产生局部过热、接触不良、放电,甚至导致套管炸裂、损毁 等[1-7]。这些故障前期都会出现局部放电现象,所以及时发现局部放电现象,确定放电部位并排除缺陷是避免发生套管绝缘故障的有效措施。传统的测量方法因测试安全可靠性低、抗干扰能力差等,使在线检测有较大局限性。所以,近年来一些学者采用阈值法、相关系数法、能量累计法等时延分析方法[8-12],对基于特高频信号的局部放电进行分析,并得到了不同程度的应用,但涉及套管局放检测和定位的研究较少。

本文结合套管典型缺陷类型进行了仿真计算和实体放电模型的验证,获得了不同模型下的局放特高频信号,提出了适合套管局放的时延分析方法,通过天线阵列采集局放信号,对套管产生的特高频信号进行检测及定位,并在现场进行了实际测试和应用,为保证变电站和电网的安全可靠运行提供了保障。

1 套管局部放电UHF 信号传播特征

1.1 自由空间电磁波传播理论

局部放电通道由时间宽度为纳秒级别的脉冲电流产生,并向外辐射电磁波。局部放电通道的直径和长度极小,通常是毫米级别,远小于UHF电磁波的波长(λ)。因此,局部放电的电磁辐射可以用短电偶极子电磁辐射理论来解释。

短电偶极子是一根长度(l)极小的短线天线,有l≫λ,如图1所示。

图1 短电偶极子与坐标系

可见,电场强度和磁场强度均随着离开场源的距离r的增加而减小,但是各项的减小程度不同。当kr≫1时,场点P组成的区域称为远区。在远区内,Er≈0,只有2个有效的场分量Eθ和HΦ,其表达式可简化为

变压器油单一介质中距离与频率的关系如表1所示。

表1 远场区的距离与频率的关系

Table 1 Far-field distance region and frequency relationship

频率/MHz10λ/2π/m3001．605000．9615000．32频率/MHz10λ/2π/m20000．2430000．16

对于特高频(300～3000 MHz)电磁信号的检测范围而言,只要试品距传感器1.6 m之外均可认为试品处于电磁波传播的远场范围,其传播规律遵循信号幅值随距离成反比的衰减规律。

1.2 套管末屏接触不良放电电磁波传播仿真

采用有限时域差分法(FDTD)计算电磁波在套管本体中的传播路径和规律。不同缺陷情况电磁波传播路径不同,最终都会被特高频天线检测到。以套管末屏接触不良典型缺陷为例,得到的局部放电电磁波传播仿真结果如图2所示。

图2 t=1.5 ns和t=5 ns末屏接触不良放电的传播过程

从图2仿真过程可以看出,不同时刻末屏处的放电无法通过防护罩直接传播到外部空间,而是通过末屏接线柱小套管进入套管油道,进而向两端传播;末屏处的电磁波信号沿油道向上传播时,会从末屏上方的瓷套处泄漏出去,进而向周围空间传播;电磁波传播至电容芯子两端时,分别会绕射进入电容芯子内部继续传播。总之,油箱中电磁波的传播速度较慢,传播距离会落后于外部空间。

1.3 典型缺陷位置的传播试验

以套管末屏接触不良电磁波传播过程试验验证为例,通过考察到不同位置传感器的时延来判别信号辐射位置。将3个传感器以套管为中心水平等间距放置,测得仿真结果如图3所示。

从图3可以看到,中间传感器(2号传感器)分别领先两侧传感器(1、3号传感器)1.5 ns和2.0 ns左右,说明信号辐射位置在3个传感器中垂线略偏1号传感器上,即套管中垂线偏末屏位置。同理,调整传感器高度位置,可以在垂直方向上确定放电位置。

图3 套管末屏接触不良试验验证波形首波图

2 套管典型缺陷局部放电特高频信号分析

不同缺陷类型的放电特征不同,因此为识别放电类型及部位提供了依据。现以套管顶部接触不良缺陷为例,进行局部放电特高频信号时域分析、频域分析和相位谱图分析,其波形如图4所示。

图4 套管顶部接触不良缺陷特高频信号波形

通过图4可以发现:在时域方面,波形等效时长16 ns,首波上升时间0.1 ns,波形上升时间0.6 ns,波形下降时间0.2 ns,峰值0.04 V;频域方面,套管顶部接触不良的频谱比较平均,主要集中在0.6～1.8 GHz左右,平均等效频宽为1.53 GHz,信号频域比较丰富,高频成分较多;相位谱图分析方面,局部放电量约为800 pC,主要分布在90°和270°附近,一、三象限,谱图基本符合空气中悬浮放电的特征。

对套管典型的局部放电缺陷模型进行检测、分析,根据计算得到的等效时长和等效频宽信息,绘制出顶部悬浮放电、末屛放电、油中悬浮放电和下瓷套沿面放电4个典型放电模型的TF谱图,如图5所示。

图5 四种放电模型特高频信号TF谱图

从图5可以看到,4种放电信号具有不同的时频特征,在TF谱图中有着显著的区别,因此可以作为信号聚类和分离的依据。

3 现场测试结果

以庆北变电站现场实测为例验证实际定位效果。为屏蔽现场通信的干扰,检测频带选择1～1.5 GHz。

现场实测时,在变压器附近架设多通道特高频测量设备,反复调整示波器触发阈值,寻找疑似局部放电阵列信号。在确定局放信号基本特征后,根据特高频信号到达时间先后进行特高频信号源测向,确定主变附近特高频信号的来源方向及进行定位。

在2号主变正前方定位天线阵列接收到的一组特高频信号波形,如图6所示,疑似放电信号,而天线阵列的中垂线正对2号主变110 kV中性点接地刀闸。

将四通道定位阵列布置在接地刀闸附近,定位结果如表2所示。

由表2可知,放电位置位于接地刀闸支柱顶部。

图6 2号主变特高频信号时延示意图

表2 定位结果

4 结 论

1) 针对套管典型缺陷开展了特高频信号传播过程仿真,验证了与理论衰减特性的一致性。

2) 分析研究了套管不同部位局部放电特高频信号的传播特征,套管不同部位的局放,特高频信号因传播路径不同,其波形有不同的形态特征。

3) 通过变电站的现场实测,发现了多处不同程度不同设备的局放信号,并进行了精确地定位,不仅验证方法有效性还累积了大量现场实测定位经验。

4) 采用特高频方法对套管局部放电现象进行检测与定位,解决了高压套管在线监测面临的安全可靠性低、抗干扰能力差等问题,实现了对放电源进行简单、快速、准确的定位。

[1] 郑冰,王峰.并联型APF补偿典型电流型谐波源负载仿真[J].辽宁科技大学学报,2009,32(4):372-378. ZHENG Bing, WANG Feng. Simulation in compensation model current harmonic load with shunt active power filter[J]. Journal of University of Science and Technology Liaoning, 2009,32(4): 372-378.

[1] 陈丽娟,胡小正.2009年全国输变电设施可靠性分析[J].中国电力,2010,43(5):1-6. CHEN Lijuan, HU Xiaozheng.Statistic analysis on reliability of power transmission and transformation facilities in China in 2009[J].Electric Power,2010,43(5):1-6.

[2] 陈丽娟,胡小正.2010年全国输变电设施可靠性分析[J].中国电力,2011,44(6):71-77. CHEN Lijuan, HU Xiaozheng.Statistic analysis on reliability of power transmission and transformation facilities in China in 2010[J].Electric Power,2011,44(6):71-77

[3] 陈丽娟,李霞.2011年全国输变电设施可靠性分析[J].中国电力,2012,45(7):89-93. CHEN Lijuan, LI Xia.Statistic analysis on reliability of power transmission and transformation facilities in China in 2011[J].Electric Power,2012,45(7):89-93.

[4] 任晓红,王伟,郑健康,等.500 kV变压器套管典型故障及分析[J].高电压技术,2008,34(11):2513-2516. REN xiaohong, WANG wei,ZHENG Jiankang,et al.Typical fault analysis of 500 kV transformer bushings[J].High Voltage Engineering.2008,34(11):2513-2516.

[5] 林赫,王元峰.变压器高压套管故障原因分析[J].电网技术,2008,32(S2):253-255. LIN He, WANG Yuanfeng.Analysis on the reason of transformer thimble fault[J].Power System Technology,2008,32(S2):253-255.

[6] 孙勇,朱建新.换流变压器套管爆炸事故原因分析[J].南方电网技术,2008,2(5):82-83. SUN Yong, ZHU Jianxin.Cause analysis of an explosive accident of converter transformer bushing[J].Southern Power System Technology,2008,2(5):82-83.

[7] 唐嘉宏.220kV变压器高压套管末屏故障原因分析与处理[J].华电技术,2011,33(7):45-47.

[8] 肖天为,张强,黄炎光,等. 特高频方法用于套管局部放电检测的可行性研究[J].电网技术,2015,39(6):1719-1724. XIAO Tianwei, ZHANG Qiang, HUANG Yanguang, et al. Experimental research on partial discharge location for bushings using UHF Method[J]. Power System Technolog,2015,39(6):1719-1724.

[9] 高文胜,丁登伟,刘卫东,等.采用特高频检测技术的局部放电源定位方法[J].高电压技术,2009,35(11):2680-2684. GAO Wensheng, DING Dengwei, LIU Weidong,et al. Location of PD by searching in space using UHF method[J].High Voltage Engineering,2009,35(11):2680-2684.

[10] 常文治,唐志国,李成榕,等.变压器局部放电超宽带射频定位技术的试验分析[J].高电压技术,2010,36(8):1981-1988. CHANG Wenzhi,TANG Zhiguo,LI Chengrong,et al. Experimental analysis on partial discharge location in power transformer using UWB RF method[J]. High Voltage Engineering. 2010,36(8):1981-1988.

[11] 唐志国，李成榕，黄兴泉，等.基于辐射电磁波检测的电力变压器局部放电定位研究[J].中国电机工程学报,2006,26(3): 96-101. TANG Zhiguo,LI Chengrong,HUANG Xingquan,et al. Study of partial discharge location in power transformer based on the detection of electromagnetic waves[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(3):96-101.

[12] 唐炬，周加斌，胡忠，等变压器油中局放UHF信号能量与放电量的关系[J].高电压技术,2009,35(5):1009-1013. TANG Ju, ZHOU Jiabin, HU Zhong, et al. Relation between UHF signal energy and charge quantity of partial discharge in transformer oil[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(5): 1009-1013.

(责任编辑 郭金光)

Study and application of bushing partial discharge online monitoring andlocation based on UHF

ZHU Xuecheng1, GAO Ziwei1, JIANG Yunlong2, WANG Haijiao1, XU Chao1

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China;2.Maintenance Company, State Grid Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300000, China)

In order to solve the problems in the evaluation of insulation condition of transformer bushing through routine and diagnostic test, including the difficulty in discovering the hidden fault in the running bushing in time and the poor security of bushing partial discharge measurement of which the signal is educed through end screen, this paper proposed the bushing partial discharge live detection and location by difference of times based on UHF, expounded the basic principle of UHF location, simulated and calculated the method, and compared the located the partial discharge of bushing defect model. The test of the running transformer bushing shows that this method is able to identify the type and location of bushing partial discharge.

bushing; UHF; partial discharge; location

2016-01-01。

朱学成(1966—),男,高级工程师,主要从事高电压技术方向研究工作。

TM855

A

2095-6843(2016)02-0141-04