换流变压器直流局放超宽频带检测数据处理需求分析

司文荣，傅晨钊，刘家妤，倪鹤立，徐琴

(华东电力试验研究院有限公司，上海 200437)

上海电网是全国最大的受端型电网，具有单位面积用电负荷大、受电比例高、直流输电工程落点集中等特点。其中，外来直流送电在夏季高峰时约高达负荷的50%，换流变压器作为直流输电系统中的核心设备，其运行状态直接影响系统的可靠性。换流变压器设备油纸的绝缘缺陷引发放电、击穿的故障最多，用于出厂、现场交接和诊断性的交流和直流耐压局部放电(Partial Discharge，简称PD)试验，成为管控换流变压器绝缘状态的首要手段。然而，基于GB/T 7354—2018《高电压试验技术 局部放电测量》(以下简称“GB/T 7354—2018”)标准的脉冲电流法的直流耐压PD试验常无法处理随机干扰脉冲源，这使得换流变压器在现场仅通过交流耐压PD试验后便投入运行[1]。

传感器耦合PD源和干扰源产生的脉冲电流波形均具有各自时域特征，并且短期时间内相对稳定并具有“自相似性”[2]，将试验检测回路上产生的脉冲电流波形进行十数兆赫兹的超宽频带和高采样率的“全信息”采集，脉冲电流波形-时间序列基于智能算法可以实现PD源和随机噪声源的快速分离和显示[3-4]。试验人员只需关注与耐压幅值相关的PD源信号，可为换流变压器是否通过PD试验提供可信依据。此外，试验过程对应的脉冲电流波形-时间序列还可以为换流变压器后期绝缘状态分析和试验提供包含丰富信息的历史比对数据。调研发现，目前还没有关于“直流耐压试验超宽频带PD智能检测技术”用于换流变压器的研究报道[5-6]。

本文主要研究国内现行标准规定的换流变压器直流耐压PD试验程序，以及与基于超宽频带检测的脉冲群快速智能聚类和分离技术的融合方案，包含剔除噪声源后与加压幅值相关的PD源放电幅值、频次等数据处理和显示技术，在满足工程应用的同时方便试验操作人员对试验过程数据的把控和判断，并考虑后期耐压数据追溯和对比分析的需求[7-10]。

1 标准规定的试验电压、时间及要求

目前，换流变压器直流耐压PD试验主要相关的在执行中的国家标准和行业标准如表1所示。在表1中，GB/T 7354—2018定义了PD试验的术语和有关的被测参量，规定了使用的试验回路、测量回路、通用的模拟及数字测量方法，并给出了校准方法及对校准仪器的要求、试验程序、区分PD和外界干扰的准则。因此，该标准适用于电气设备、组件或系统在频率400 Hz及以下的交流电压试验或直流电压试验时产生的PD测量。GB/T 7354—2018规定的脉冲电流法PD检测可分为宽带和窄带测量这2种，也是表1其他标准执行参照的方法，即所谓的常规脉冲电流法。宽带检测法的下限检测频率f1为30～100 kHz，上限检测频率f2≤1 MHz，检测频带宽度Δf为100～900 kHz，其具有脉冲分辨率高、信息相对丰富的优点，但信噪比低；窄带检测法的频带宽度Δf较小，一般为9～30 kHz，中心频率fm为50 kHz～1 MHz，其具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点，但同时具有脉冲分辨率低、信息不够丰富的缺点。

表1 换流变压器PD测试技术标准汇总

GB/T 7354—2018中给出了超宽频带PD测量仪的定义：可以用非常宽频带示波器或选频仪器(例如频谱分析仪)配上合适的耦合装置来测量PD。目前基于脉冲电流、检测频带数十兆赫兹及以上的高频法/宽带法/超宽频带法检测PD统称为“超宽频带脉冲电流法”，用以区别现行广泛使用的传统脉冲电流法。

换流变压器与电力变压器不同，应按GB/T 7354—2018中通用PD试验检测中描述的进行交流电压和直流电压下的PD试验，直流电压下的PD试验只在阀侧进行。其中，PD现场试验交流和直流下的施压方法具体如下。

根据DL/T 1243—2013得到换流变压器交、直流耐压PD试验接线图如图1所示。在图1中，G为发电机组；L为补偿电抗器；T为中间变压器；V为电压测量装置；a，b为阀侧绕组线端；C1，C2为阀侧高压套管电容；A，N为网侧绕组线端；S为调压绕组高压端；C3，C4为网侧高压套管电容；Z为检测阻抗；PDE为局部放电测试仪；ZF为直流发生器；R1，R2为保护电阻。

图1 换流变压器交、直流耐压PD试验接线图

交流电压下的PD试验可以分为：①阀侧施压，见图1(a)和图1(b)，根据换流变压器的结构特点，使用一套高电压无电晕的中间升压变压器，从阀侧Δ绕组或Y绕组施加电压，使网侧及阀侧绕组匝间和高压绕组线端对地达到试验电压要求；②网侧施压，见图1(c)，在网侧的调压绕组上施加交流电压，使网侧及阀侧绕组感应出高压；③直流电压下的PD试验，见图1(d)，阀侧绕组线端短接后在高压侧直接施加直流电压，非被试验绕组短接并与换流变压器外壳一起可靠接地。在图2(a)中，阀侧绕组线端b测基于套管的PD测量省略。

下面对涉及的换流变压器直流电压下PD试验电压、记录及要求进行详细讨论。

2 国家标准

GB/T 7354—2018在附录I中给出了直流电压试验期间PD试验结果的评估。具体内容如下：PD试验结果的评估应在恒定试验电压水平下，对记录到的每个PD脉冲的视在电荷q与时间的关系来进行，如图2所示。确定连续PD脉冲之间的时间间隔是非常重要的，推荐的分辨时间为2 ms。如果能显示时间期间的PD脉冲数m与超过阈值水平的视在电荷幅值的关系，还可以获得关于PD特性的附加信息，如图3所示。图3是根据图2所示的PD脉冲序列推导计算出来的。而且，展示在视在电荷幅值规定限值内出现的脉冲数m有助于评估直流电压试验时的PD活动规律。

图2 视在脉冲随测量时间的显示模式

图3 PD脉冲数m与视在电荷范围的柱状图

GB/T 18494.2—2007 要求使用正极性电压，试验电压应在1 min内升至规定的水平并保持120 min，此后电压应在1 min内降低至零。在整个外施直流电压耐受试验过程中，应进行PD测量。PD测量应按GB/T 1094.3—2003《电力变压器 第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》附录A的适用部分进行，测量仪器符合GB/T 7354—2003的规定。验收准则如下：如果在试验最后30 min内，记录到不小于2 000 pC的脉冲数不超过30个，并且在试验的最后10 min内，记录到不小于2 000 pC的脉冲数不超过10个，则应认为此试验结果通过验收，不需要继续进行PD试验。如果此条件未满足，则可以将试验延长30 min。延长30 min的施压只允许进行一次，当在此30 min内的不小于2 000 pC的脉冲数不超过30个，并且在最后10 min内不小于2 000 pC的脉冲数不超过10个时，则应认为该项试验合格。

3 电力行业标准

DL/T 1243—2013对±800 kV及以下换流变压器现场的交流耐压、直流耐压PD试验进行规定，其中直流电压下的PD试验规定如下。

(1)直流PD试验仅在阀侧绕组进行。在试验时，不能预加电压。试验电压按出厂试验电压的85%(或按合同规定值)施加，持续时间为90 min。

(2)应使用专业的直流PD测试仪。在测量时，不仅要求测量PD，还需要记录固定时间内的脉冲个数。试验期间，直流电压不应有较大波动。

(3)试验过程中进行直流PD测量，在最后30 min内，超过2 000 pC的放电脉冲次数应不超过30个，在最后10 min内，超过2 000 pC的放电脉冲数应不超过10个。

DL/T 1999— 2019对±800 kV及以下单相换流变压器的现场直流耐压PD试验进行规定，相关内容如下。

(1)直流PD测试仪定义，用于直流电压下检测、记录和统计PD的数字式PD测试仪器；其应满足GB/T 7354的要求，并且应至少有2个独立通道，具有脉冲PD和脉冲数量自动统计功能，具有PD信号联系存储和播放功能，并且连续存储时间不小于150 min。

(2)试验电源应使用正极性电压。试验时，不能预加电压。试验电压按出厂试验电压的85%(或按合同规定值)施加。

(3)试验程序如图4所示。在图4中，Ud为试验电压；t1为升压时间；t2为持续试验时间；t3为降压时间。

图4 变压器直流PD试验程序(DL/T 1999—2019)

1) 接通试验电源后，应平稳匀速而且连续加压至试验电压值，不允许对换流变压器绝缘结构预先施加较低的电压。升压时间t1应不大于1 min。升压过程中应监测直流发生器输出电流变化情况，若出现电流值突然增大或减小等异常现象，应立即停止试验，查明原因。

2) 电压升至规定的水平后保持不变，同时进行PD检测。持续时间t2为90 min。试验过程中，电压波动应不超过±3%(算术平均值)。若试验回路设备和被试验换流变压器发生外部闪络、放电、异响、电流突然变化等异常情况，应立即停止试验，查明原因。

3) 在试验完成后，应快速降低电压。降压时间t3应不大于1 min。待电压测量装置示值接近“零”时，方可进行放电和接地。若根据合同规定现场需按出厂试验标准进行此试验，试验电压及时间应符合GB/T 18494.2—2007要求。

4) 直流PD的测量及试验结果判断：对被试验阀侧绕组套管端部注入2 000 pC方波进行校准，并在1 000 pC验证其线性度；接通试验电源时，应记录通道的背景噪声水平。在50%试验电压下，检测的脉冲水平应不大于1 000 pC，否则应采取抑制干扰脉冲的措施。在持续试验时间t2期间，应记录每个10 min内的脉冲格式，对应幅值和极性；在试验的最后30 min内，记录到不小于2 000 pC的有效放电脉冲数应不超过30个，并且在最后10 min内，不小于2 000 pC的有效放电脉冲数应不超过10个。如果此条件未满足，则可以将试验延长30 min。延长30 min的试验只允许进行一次，在此30 min内，不小于2 000 pC的有效放电脉冲数应不超过30个，并且在最后10 min内，不小于2000 pC的有效放电脉冲数应不超过10 个。

DL/T 1999—2019在附录C中给出了换流变压器直流PD测量干扰识别方法，基于双通道检测的方法及接线图如图5所示。在图5中，S为交流电源；G为高压直流发生器；F为高压直流发生器配备的直流分压器；T为被试验换流变压器；E1为地网；E2为套管末屏附近的接地点；C1，C2为被试验换流变压器阀侧套管电容；Zm1，Zm2为检测阻抗；PD1，PD2为直流PD测试仪的测量和辅助通道。

图5 采用极性判别识别外部脉冲的换流变压器直流PD测量接线图

直流PD的特征参数是视在放电量和脉冲个数，并且直流PD的脉冲个数取决于油纸绝缘材料的电气时间常数，其数值远低于交流PD脉冲的周期重复时间。在实际测量时，由于直流PD脉冲呈现的随机性，无相位参考，重复率低，因此不能完全采用交流PD测量时的脉冲鉴别方法。但直流PD脉冲与所施加的直流电压极性有关，采用极性判断方法将被试验设备内部的PD信号与外部干扰区分开来，是解决现场试验的主要技术手段。外部干扰由引线窜入变压器内部，其传输回路一路经过套管末屏接地线汇入大地，另一路则经过网侧绕组、铁心等接地部位的接地线汇入大地。换流变压器内部放电的传输回路可以由放电点经套管末屏、大地、铁心接地到放电点构成回路。因此，外部干扰在套管接地线和铁心接地线上产生的电流极性相同，而变压器内部放电在套管接地线和铁心接地线上产生的电流极性相反。

4 直流耐压PD试验数据处理需求

根据国家、电力行业标准规定的试验电压、时间及要求，形成的直流耐压PD试验数据处理需求汇总如表2所示。

5 脉冲群智能数据处理和显示技术

5.1 直流耐压试验PD智能检测系统配置

基于表2所示直流耐压PD试验数据处理需求汇总以及直流耐压试验超宽频带PD智能检测技术方案的结构示意图，超频频带采集装置的相关性能参数及工作模式如下：超频频带采集装置的脉冲通道采样率250 MS/s、50 MHz模拟带宽、12 Bit分辨率、32 MS存储深度以及±1 mV～±25 V输入量程；系统检测传感器可以使用带宽大于50 MHz的罗氏线圈或检测阻抗，而电压通道与分压器低压臂相接，记录当前试验电压信号；脉冲通道前端接入10 kHz～50 MHz的带通滤波器，滤除低频干扰和无用的高频信号，输入阻抗为50 Ω，与信号传输电缆良好匹配。

表2 直流耐压PD试验数据处理需求汇总

此外，超频频带采集装置工作时，参数设置如下：脉冲波形采集长度设置为250个点、500个点、…、1 250个点，分别对应脉冲记录时间长度为1～5 μs，用于适应不同长度的脉冲电流波形；脉冲通道为触发通道，触发类型(上升沿或下降沿)根据直流电压极性设置(当传感器与试品串接时，触发类型与直流电压极性相同；而当传感器与耦合电容串接时，触发类型与直流电压极性相反)；触发阈值即为采集PD电流脉冲波形的最小峰值,可以根据直流PD试验的放电量进行设置，如表3所示。在表3中，阈值设置可以根据现场实际情况往下调整。

表3 直流耐压PD试验脉冲触发阈置设置表

5.2 脉冲群智能数据处理和显示流程设计

由分析可知，超宽频带数据采集装置工作模式为：脉冲触发，记录脉冲电流波形P及其对应时刻t和电压U，波形长度可以设置为1，2，3，4，5 μs：

Pulsej[pj(i)，tj，Uj]，
j=1，2，…，N；i=1，2，…，k

(1)

式中j——第j个脉冲；N——脉冲电流波形的总个数；k——每个脉冲电流波形的点数，即脉冲波形由k个点组成，其与采样率成正比。

电压通道采集电压信号Uj，脉冲通道在设置触发阈值后，超宽频带数据采集装置将采集获取脉冲电流-时间序列Pulsej，其可能为PD信号，也可能含有随机干扰源信号。根据直流耐压试验超宽频带PD智能检测技术方案，设计相应的脉冲群智能数据处理和显示流程如图6所示。

图6 脉冲群智能数据处理和显示流程(以时频散布参数法为例)

(1)脉冲数据预处理。使得采集装置获取的原始脉冲电流波形(原始信号)形成具有统一标准且易处理的脉冲-时间序列。为了便于后续脉冲群的快速变换及快速分类，软件模块对超宽频带检测获取单个脉冲电流波形的幅值-时间序列进行如下预处理：

(2)

式中ai——第i个点对应的幅值；Δt(i-1)——第i个点对应的时间(Δt为采样时间间隔)。

式(2)使得在数据存储时，无需存储单个脉冲电流波形对应的时间信息(其由采样率和记录点数决定)，而只需要存储其幅值信息和触发时间点(时刻)。

(2)脉冲群波形快速变换。利用现有的具有一定物理意义的快速变换(例如DFT)，形成脉冲的频域波形，与脉冲时域波形对应。以DFT为例，对脉冲波形pj(t)进行快速变换，可得：

(3)

式中Mi——第i个点对应的幅值；Δf(i-1)——第i个点对应的频率分量(采样率fs=kΔf，Δf=1/Δt)。

同一脉冲源不同记录点数下的时域和频域波形处理效果见图7，其中频域处理的图形X坐标取至50 MHz(250 MS/s采样率下DFT变换对应的X坐标应为125 MHz)。

图7 脉冲电流波形时域和频域处理效果(250 MS/s示例)

(3)脉冲群波形特征提取。利用非线性映射(F函数)实现时域和频域波形的特征参数提取，映射成脉冲群的2D平面参数分布或3D空间参数分布。在实际应用中，由于获得的脉冲波形序列其特征参数比较复杂，往往不是[0,1]区间中的数，因此在无监督聚类分析前，需要把各个原始特征参数标准化。以时频散布特征参数提取方法中的时间散布Tj(j=1，2，…，N，N为脉冲总个数)处理为例：

(4)

(5)

求各数据的标准化值Tj′：

Tj′=(Tj-T)/σT

(6)

由于所得标准化数据Tj′不一定在[0,1]闭区间内，为了把标准化数据压缩到[0,1]闭区间，再采用极值标准化公式：

(7)

(4)脉冲群聚类分析。基于2D平面或3D空间参数分布，进行无监督聚类或人工手动聚类，形成子脉冲群的2D平面或3D空间参数分布。其中人工手动聚类技术可以转化成矩形时频散布滤波器，具体描述如图8所示。

图8 矩形时频散布滤波器

根据实际情况设置多个矩形时频散布滤波器以满足工程应用需求。

(5)子脉冲群重组和展示。对各子脉冲群进行软件峰值保持，形成峰值-时间序列，生成TARPD图等(直流)，为试验操作人员对试验过程数据的把控和判断提供直观依据。考虑后期耐压数据追溯和多次试验对比分析需求，Pulsej原始数据从试验加压前至试验电源切断后全部保存。

6 结语

本文分析了换流变压器现场直流耐压PD试验技术及应用现状，综述了国内现行国家和电力行业标准规定的换流变压器直流耐压PD试验程序，给出了与超宽频带检测用脉冲群快速智能聚类和分离技术的融合技术方案，形成了能够在满足工程应用的同时方便试验操作人员对试验过程数据的把控和判断的换流变压器直流耐压试验超宽频带PD智能检测技术。对脉冲群智能数据处理和显示技术进行了详细阐述，包括矩形时频散布滤波器，可为换流变压器用超宽频带直流局部放电测试技术研究与系统研制提供参考依据。