高频局部放电在诊断变压器异常情况的应用

中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 孟禹衡

1 高频局部放电检测技术发展水平

高频电流传感器多采用罗格夫斯基线圈结构。罗格夫斯基线圈（简称罗氏线圈）用于电流检测领域已有几十年历史，1963年英国伦敦的库伯在理论上对罗氏线圈的高频响应进行分析，奠定了罗氏线圈在高频电流脉冲技术检测应用的理论基础。20世纪中后期以来，国外一些专家学者和公司对罗氏线圈在电力的应用进行大量研究并取得显著成果，如20世纪70年代法国ALSTHOM 公司有一些基于罗氏线圈的电流传感器产品问世，其主要研究无源电子式传感器，20世纪80年代英国Rocoil 公司实现了罗氏线圈系列化和产业化。20世纪90年代罗氏线圈被英国国立公司（CEGB）开始用于测试发电机和电动机的局部缺陷检测。

总而言之，世界范围内对于基于罗氏线圈传感器的高频局部放电检测技术研究，于20世纪60年代兴起，在80年代取得突破性进展，并有多种样机挂网试运行，90年代开始进入实用化阶段，尤其是进入21世纪以来，微处理机和数字处理器技术的成熟，为研制新型的高频电流传感器奠定了基础。欧洲学者和企业将罗氏线圈应用于电力设备局部放电检测较早，取得了良好效果并得到了广泛应用，例如意大利博洛尼亚大学的G.C.Montanari 和A.Cavallini等人及TECHNIMP 公司成功研制了高频局部放电检测仪，并被广泛应用[1]。

国内相关技术开始研究时间较晚，随着时机越来越成熟，相关科研院及企业关于高频局部放电检测技术取得了大量研究成果，使该项技术变得日益成熟。

2 高频局部放电技术原理及特点

2.1 高频电流传感器基本知识

日常生活中的磁位计又被称为罗格夫斯基线圈，简称罗氏线圈。罗氏线圈的形状大多为矩形或圆形，其中导线需要均匀的绕制在线圈骨架上，而线圈骨架可以为空心或者磁性材质的骨架。罗氏线圈可以根据其负载不同，分为自积分式的罗氏线圈和外积分式的罗氏线圈。其中，自积分式的罗氏线圈又被称为宽带型电流传感器，这种罗氏线圈的优点是具有相对宽的检测频带。同时，这种类型的罗氏线圈频率响应速度比较快，可适用脉冲电流信号上升时间比较短的情况。而外积分式的罗氏线圈又被称为窄带型电流传感器，其优点是具有较好的抗干扰能力，但其受积分电路频率性能影响较大，能测量到的频率是有限的，该种类型的罗氏线圈一般用于测量兆赫兹以下的中低频电流。

另外，罗氏线圈还可以根据其结构不同可分为挠性罗氏线圈、刚性罗氏线圈以及PCB 型罗氏线圈。挠性罗氏线圈使用相对方便，但是其测量精确度较低以及稳定性不高。刚性罗氏线圈具有较好的抗外磁场干扰能力，这样可以大大提高该线圈的测量精确度，但会在使用中受现场安装条件的干扰。PCB 型罗氏线圈的精度比较高，但该种线圈的研究处于起步阶段，还未达到实际应用的条件。

2.2 高频局部放电检测技术基本原理

用于局部放电检测的罗氏线圈称为高频电流传感器，其有效的频率检测范围一般为3～30MHz。由于所测量的局部放电信号是微小的高频电流信号，传感器需要在较宽的频带内有较高的灵敏度。因此HFCT选用高磁导率的磁芯作为线圈骨架，并通常采用自积分式线圈结构。使用HFCT 进行局部放电检测的等效电路图如图1所示。其中I（t）为被测导体中流过的局部放电脉冲电流，M 为被测导体与HFCT 线圈之间的互感，Ls为线圈的自感，Rs为线圈的等效电阻，Cs为线圈的等效杂散电容，R 为负载积分电阻，uo(t)为HFCT 传感器的输出电压信号[2]。

图1 高频电流传感器局部放电检测等效电路图

在传感器参数满足自积分条件的情况下，忽略杂散电容Cs，计算可得系统的传递函数式1，其中N 为线圈的绕线匝数。因此在满足自积分条件的一段有效频带内，HFCT 的传递函数是与频率无关的常数。并且HFCT 的灵敏度与绕线匝数N 成反比、与积分电阻R 成正比[3]。事实上在高频段Cs 的影响是不能忽略的。在考虑Cs 影响的情况下系统的传递函数H(S)为式2。

HFCT 等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，采用高频小信号并联谐振回路理论分析可得电流传感器的下限、上限截止频率分别为式3、式4，在实际现场检测中会有工频电流通过，进而会因磁芯饱和而影响检测结果，因此，高频局部放电检测需要有较强的抗工频磁饱和的能力。

2.3 高频局部放电检测装置组成

常用的高频局部放电检测装置包括：高频电流传感器、信号处理单元、信号采集单元和数据处理终端。高频局部放电检测装置结构如图2。

图2 高频局部放电检测装置结构图

2.4 检测方法

当电力变压器内部很小范围内发生局部放电时，局部绝缘在短时间内将被击穿，从而产生脉冲电流，该电流流经电力变压器的接地引出线，因此会在垂直电流流经方向的平面产生一个磁场。此时，将高频电流传感器和相位信息传感器安装在电力变压器的接地线上，这样就可以检测到由局部放电产生磁场中的耦合能量而转化的电信号，从而达到检测电力变压器局部放电缺陷的目的（图3）。

图3 高频局部放电检测原理图

2.5 技术优势

该技术在现场应用时的检测灵敏度相对较高。由于构成高频电流传感器的材料为环形铁氧体铁芯，这种材质构成的传感器可以很好的耦合高频电流信号。在设计传感器时选取应用参数符合设计条件的积分电阻，这样可以让传感器的灵敏度较高；由于该传感器的结构可以设计为开口型结构，这样可以使其安装简捷同时方便携带；该技术具有对局部放电强度进行量化描述的功能。相较与传统技术脉冲电流法，高频局部放电检测技术的检测原理相类似，其主要检测高频电流的脉冲信号，为了使评估被检测电力设备的局部放电情况及绝缘老化情况相对准确及方便，可以在相对固定的高频电流传感器及信号处理电路的情况下，标定检测回路，这样就可以实现对被测变压器局部放电的量化。

2.6 局限性

由于该技术需要被测电力设备的接地线或者末屏引出线，而电流互感器、电压互感器等容性设备若其末屏没有引出线，就无法进行高频局部放电检测，因此，该技术的安装方式限定了其应用范围；高频局部放电检测技术中应用的高频电流传感器的原理为电磁耦合原理，需要从频域、相位、时域等方面来将现场电磁环境传来的干扰信号排除，因此，该技术的现场抗干扰能力需要提高。

3 某电厂#1主变高频局部放电检测情况

由于主变铁心跟夹件连接一起随变压器外壳一起接地，无法分别测量铁心和夹件的高频放电信号。对#1主变压器A 相铁心接地处、夹件接地处和变压器外壳接地进行高频测试时，均检测到疑似放电信号，主变压器A 相铁心接地处幅值约为39mV，夹件接地处幅值约为54mV，背景幅值约为93mV，PRPS 图谱见图4所示。

图4 #1号主变A 相高频电流法局部放电监测图

对#1主变压器B 相铁心接地处、夹件接地处和变压器外壳接地进行高频测试时，均检测到疑似放电信号，主变压器B 相铁心接地处幅值约为69mV，夹件接地处幅值约为77mV，背景幅值约为31mV；对#1主变压器C 相铁心接地处、夹件接地处和变压器外壳接地进行高频测试时，均检测到疑似放电信号，主变压器C 相铁心接地处幅值约为62mV，夹件接地处幅值约为46mV，背景幅值约为54mV。

#4主变铁心跟夹件连接一起随变压器外壳一起接地，无法分别测量铁心和夹件的高频放电信号。对#4主变压器A 相铁心、夹件接地处和变压器外壳接地进行高频测试时均检测到疑似放电信号，主变压器A 相铁心夹件接地处幅值约62mV，背景幅值约77mV；对#4主变压器B 相铁心、夹件接地处和变压器外壳接地进行高频测试时，均检测到疑似放电信号，主变压器B 相铁心夹件接地处幅值约为93mV，背景幅值约77mV；对#4主变压器C 相铁心、夹件接地处和变压器外壳接地进行高频测试时，均检测到疑似放电信号，主变压器C 相铁心夹件接地处幅值约为85mV，背景幅值约为93mV。

综上，随着状态检修工作日益完善并成熟，高频局部放电检测技术的应用比重会大幅度增高，通过高频局部放电检测技术诊断并分析电力变压器内部异常，帮助相关企业发现早期缺陷及潜在问题，对电力变压器开展全寿命周期的管理，跟踪掌握电力变压器的健康情况，为相关企业检修等工作提供有力保障，确保相关企业的稳定运行。