变压器局部放电的检测技术

尹奎龙，任社宜，任 炜

（国网山东省电力公司物资公司，山东 济南 250001）

0 引 言

电力系统的安全稳定运行是可靠供电的前提条件，而变压器又是电力系统中非常重要的一个环节[1]。绝缘状态对变压器运行状况产生直接影响，当变压器发生局部放电时，会引起电力变压器绝缘老化甚至变形的各种反应，包括物理反应和化学反应，将造成正常运行中的电力系统发生不同程度的事故。随着我国电力行业的不断发展，所使用的电压等级进一步提高，对变压器绝缘性能的安全可靠性提出了更高的要求。然而，在实际的制造与维修时，变压器的金属组件和绝缘部分无法避免地出现包括毛刺和尖角等不平整的地方，大量电荷会在电场的作用下积聚在这些部位。同时，由于变压器的绝缘体中存在着空气间隙，而绝缘油中也存在着微量气泡，都可能引起变压器内部发生局部放电现象。不仅如此，局部放电也会因为变压器的过电压而发生。由于在局部放电时会伴随着电流的出现，导致绝缘体的温度升高，也可能会产生某些活性物质，促使变压器的绝缘体进一步老化，降低了变压器的绝缘性，最终导致电力系统发生故障。所以，为了预防和减少电力故障的发生，检测变压器发生局部放电现象就变得非常重要。

当变压器发生局部放电现象时，不仅会产生电荷转移和电能损耗等现象，变压器周围的介质还会出现发光、发热现象，并伴随着高频辐射以及超声波，为局部放电检测技术的优化提供了基础[2]。截至目前，科研人员通过收集变压器局部放电产生的信号进行局放的检测，而根据不同的局放信号可以将这些检测法分为电气检测法和非电气检测法。电气检测法主要分为脉冲电流法和超高频检测法，非电气检测法主要分为气相色谱法、超声波检测法和光测法。在变压器局部放电的检测中，这些方法都得到了应用，有效地预防了电力故障的发生。

为了有效地检测出变压器发生局部放电现象，本文例举出了几种针对变压器局放的检测方法，分析了不同类别的检测技术，包括检测原理、使用现状等内容，以提供更好的检测技术，同时也分析了局部放电检测技术的发展趋势。

1 电气检测法

1.1 脉冲电流法

国际上公认时间最早、应用最为广泛的电气检测法便是脉冲电流法，而且脉冲电流法还独有一套国际测量标准（IEC60270）[3]。脉冲电流法的工作原理是通过电流互感器或者检测电路中的检测阻抗获取变压器不同位置接地线上的电流，而这些脉冲电流会经过数字信号设备的处理，最终获取局部放电的有关信息。

脉冲电流法比较灵敏，因此这种检测方法能够检测出的局部放电量比较准确。此外，与超声波检测法结合，可以准确把握变压器发生局部放电的位置。然而，脉冲电流法也有以下不足：

（1）要保证检测环境相对稳定；

（2）不能进行在线检测；

（3）不具备较强的抗干扰能力；

（4）频率低且频带窄，取得的信息量少。

针对以上问题，科研人员也研制出了宽带脉冲电流检测法。与现有的脉冲电流法以及脉冲量相比较，宽带脉冲电流检测系统可以更加灵敏地捕获局放信号且不易被周围的干扰源干扰。此外，该系统还可以在相对复杂的检测环境中，更加准确地识别出局部放电的相关信息。

1.2 超高频检测法

超高频检测法作为检测局部放电的新方法，对传统的局部放电检测法进行了改进，使得变压器局部放电的检测结果更加可靠。由于在变压器发生局部放电的过程中，会伴随着300～3 000 MHz的高频信号，因此利用超高频检测法可以有效地检测和定位出电力变压器的局部放电，同时也能够降低周围干扰因素的影响。在使用超高频检测法检测变压器的局部放电时，具有以下优点：

（1）变压器发生局部放电时，其脉冲的频带宽与能量具有相关性，从热噪声影响灵敏度的角度来说超高频检测法更加灵敏；

（2）由于宽频法能够较好地减轻电晕的电磁干扰，因此超高频传感器可以更加准确地检测变压器局部放电的数据信息。

由此可以看出，传感器决定着超高频检测法的检测质量，传感器的灵敏度直接影响着局部放电的检测结果。检测局部放电信号的超高频天线可以内置也可以外置。为了与不同的超高频检测系统进行匹配，大多数超高频天线要进行专门设计。所以，优化超高频检测法的关键在于怎样使超高频天线能够更加有效地接收到电磁波信号。

2 非电气检测法

2.1 气相色谱法

电力变压器中的绝缘体会在局部放电发生的过程中被破坏与分解，并产生出新物质。气相色谱法就是通过检测生成物的成分、浓度等信息对局部放电进行检测，同时可以对局部放电的情况进行判断[4]。目前，气相色谱法主要对变压器进行在线检测，其配套使用的模式识别系统可以自动识别出电气故障，然而这种故障识别形式还没有统一的判断标准。除此之外，虽然气相色谱法能够灵敏地检测出潜在的设备故障，但是无法及时地检测出突发的设备故障。

2.2 超声波检测法

在变压器发生局部放电现象时，经常会发出超声波。超声波检测法就是利用传感器捕获到的超声波对局放进行检测和定位。虽然工作原理简单是超声波检测法的一大优势，但是这种检测方法存在一定的缺点，超声波传感器容易受到较强电磁的干扰，无法灵敏地捕获超声波信号，使得超声波检测法的检测结果不够理想。因此，超声波检测法一般用于定位出局部放电地位置，并只对采集到的局部放电数据进行定性分析。目前，一些科研单位已经利用超声波法对110 kV及以上电压等级变压器的局部放电现象进行了大规模的检测。结果表明，超声波检测法可以准确判断变压器是否发生了局部放电现象。

2.3 光测法

电力变压器发生局部放电之后，会释放400～700 nm不等波长的光波，而检测所需的光电流就是这些光波经过光电倍增管的处理后产生的[5]。检测人员利用光波的波长和光电流的强度就能够检测和定位出变压器中的局部放电。虽然光测法近年来在实验室的模拟检测研究中取得了可靠的检测数据和结果，但是由于需要使用透明性强的检测部件，加之较高的设备成本，因此光测法并没有在实际的检测中得到广泛采用，目前只是对变压器局部放电进行定性分析。不过，光纤技术的发展促进光测法的优化和创新，如果将光测法与其他检测方法进行结合，可以促使光测法在检测变压器局部放电中得到一定程度的发展。

3 电气与非电气结合检测法

由于生产用电量的不断提升，电压等级越来越高，对变压器局部放电检测技术提出了更高的要求。最近几年，科研人员将电气与非电气检测法进行结合可以使得检测结果更加可靠，其中超声波法与高频脉冲电流法的结合检测法正被越来越多地使用到检测局部放电工作，工作原理图如图1所示。

由图1可以看出，结合检测法的采集系统由高频电流传感器（High Frequency Current Transducer，HFCT）与超声波传感器（AE）两种传感器组成，这两种传感器分别采集被测对象的高频电流信号与超声波信号。当变压器发生局部放电时，超声波信号会被安装在变压器外壁上的超声波传感器捕获，高频脉冲电流会被安装在变压器接地线上的高频电流传感器捕获。

变压器发生局部放电时产生的信号十分微弱，很容易受到周围环境中干扰源的影响。为了解决这个问题，该检测系统配置的两类传感器的性能以及处理信号的能力都很高。传感器在时域中之所以可以同步分析交变场中的检测信号，是因为它处理信号方法的原理不同。检测系统中的主机由中央处理器、前置放大器、模数转换模块以及数据图谱显示等模块组成，主要是为了放大和处理收集到的信号。检测系统的处理器能够通过专业软件对传感器采集到的相关信息进行信号分析，也能够将变压器的局部放电信号信号与典型图谱进行比较分析，从而判断出放电的类型并对相关信息进行存储，最终实现对变压器的在线检测。

检测系统之所以将超声波法和高频脉冲电流法进行结合，是因为这样不仅可以结合二者的优势，还可以避免单独检测时存在的局限性。结合检测法的优势包括以下两点。

（1）检测信号在传播过程中会出现信号的衰减和畸变，使得超声波检测法不能准确反映电气量的变化，而高频脉冲电流检测法具有较高的灵敏度、较强的抗电磁干扰能力以及较高的脉冲分辨率，检测结果更为精准。

（2）使用双超声传感器的球面分析定位法对变压器的局部放电进行检测，能够非常精准地判断出放电源的位置。技术人员可以利用三维图形分析和判断电力变压器的运行情况，从而避免了高频脉冲电流法检测局部放电信号时无法对其定位的问题[7]。

4 结 论

综上所述，脉冲电流法和超高频检测法等电气检测法的抗干扰能力较弱，而超声波检测法、光测法和气相色谱法等非电气检测法抗干扰能力较强，所以非电气检测法在检测局部放电方面拥有更高的应用价值和更广阔的发展潜力。但是，无论是电气检测法还是非电气检测法，均应该不断创新、向前发展，提升检测结果的准确性，保证电力系统安全地运行，为电力系统运行提供有效的检测结果。本文提出的电气与非电气结合检测法就是局部放电检测技术未来的一种发展趋势，将超声波法和高频脉冲电流进行结合，发挥出各自的检测优势。这种结合检测法不仅能够更加灵敏地捕获局部放电信号，而且具有较强的抗干扰能力和准确定位的优势，不会受到单一检测方法的局限，从而提高了检测结果的准确性。