局部放电检测技术在变压器巡检中的应用分析

西安西变组件有限公司 王 众 刘 博 朱建华 梁 栋 翟海文

1 引言

电力变压器承担整个电网系统电能的转换和传输，是电网系统的关键部分。变压器安全运行状态关系到整个电力系统的安全与稳定。

2 变压器局部放电原因

2.1 尖角与毛刺

变压器场强设计与制造工艺关系到局部放电水平，通常需要将高电场量均匀分布。处于高电场的导体与绝缘体要做到表面光滑圆润无棱角。部分生产厂家由于制造厂设计不当或者是存在加工工艺等因素，变压器内部绝缘和金属表面很容易有尖角和毛刺。因此，在变压器设计与制造过程中必须追求精致，尽量消除金属电极和尖角毛刺的磨光处理。

2.2 悬浮导体

变压器运行中金属紧固件和屏蔽件与导体或者是接地部分的接触要保持良好状态，变压器内部应无悬浮状态金属的出现。但是由于变压器运行时产生振动可能导致部分金属部件脱落，原本的接触状态被破坏而成为悬浮导体，在强交变电场作用下处于悬浮状态的金属部件产生悬浮电位，这种状态足以产生油隙击穿的场强所引发局部放电。为此，大容量变压器为降低各种结构件的功能消耗，通常需要在油箱壁以及结构件上安装由电工钢组成的屏蔽材料，这种铁屏蔽多通过接地螺栓组成[1]。

2.3 空隙与气泡

变压器中固体绝缘中气隙与绝缘油气泡也是产生局部放电的主要原因。浸油处理时油不能浸入空腔，产生间隙。真空注油真空度不足或维持真空时间不够，注油过程会产生气泡。由于交变电厂环境下介质中的电场强度和介电常数成反比，真空介电系数低于绝缘材料，导致介质内的气泡等所承受的电场强度远远高于相邻的绝缘材料，从而很容易击穿出现局部放电情况。

3 变压器局部放电检测技术

3.1 高频电流检测

高频电流检测是在脉冲电流基础上发展来的，脉冲电流法是局部放电领域内研究较为广泛的一项技术，该技术由于f2≤500kHz和频带窄100kHz≤△f≤400kHz等引发获取信息量少等缺陷。针对这一缺陷，国内外学者采用Rogowski coils制作的HFCT，用以提取更高频带内的脉冲电流信号来获取更丰富的检验信息。该技术使用时可将高频电流传感器安装在各种接地线上，检测由局部放电所产生的脉冲电流。在这个过程中提取放电量、相位和重复率等。高频电流传感器为钳形，安装快捷方便，检测过程中不需要改变运行方式，且在检测回路与待测变压器中使用磁耦合连接，可减少电池干扰。国内学者将该技术成功运行在变压器带电检测中，系统测量带宽为3～30MHz，可有效实现信号分离与识别，辅助判断放电类型与严重程度，以及及时发现由变压器磁屏蔽所导致的放电烧蚀隐患。

3.2 超声波检测技术

超声波技术运用于局部放电检测中，是一种快速电荷释放与迁移的过程，产生电流脉冲会打破放电点周围电场应力、介质应力与粒子之间的平衡，引起介质之间的振动和疏密变化形成超声波。在传播上被分为接触式超声波传感器与非接触式两种，变压器局部放电检测通常使用接触式I超声传感器，通过耦合剂将传感器贴合在变压器外壳上，检测变压器内部局部放电情况，检测过程中不需要拆动任何部件。但需注意超声波传播中的严重衰减和畸变情况，这导致超声波检测多作为辅助手段而不作为主要的检测技术。

3.3 特高频检测技术

特高频检测技术对局部放电产生的特高频信号波段进行检测，电力设备内部局部放电时电流脉冲会辐射出不同频率范围内的电磁波。放电间隙小且绝缘强度比较高时，会产生陡度较大的电流脉冲，辐射电磁波频段极高。特高频检测法按照检测频带划分为宽频带和窄频带，宽频带是将检测频带内所有信号都置于检测中，窄带检测是选取某一段送入检测系统中。实际检测中这两种技术各有优势。宽带检测可避免信号遗漏，但是信噪比低，不利于分析；窄带则通过选择频道，除了目标频道外的干扰信号都可以有效抑制，但信号检测能量受到限制[2]。

3.4 油中溶解气体检测法

该检测技术是溶解气体组分与含量，是监视充油电气设备安全运行的有效措施，主要是监测判断充油电气设备内部故障中存在的气体。变压器油纸绝缘中出现局部放电时产生的气体有H2、CH4、CO、C2H2等。变压器油内局部放电产生的气体浓度达到预警值不是瞬态的，而是需要时间累积，气相色谱检验结果有时延性，油中溶解气体检测法可检测早期潜伏的故障，但是对突发性放电故障的判断能力相对较弱。目前，该检测技术只能判断变压器内部是否存在局部放电情况，无法实现定量判断，无法定位局部放电的位置，这也是目前该技术在使用过程中存在的缺陷。

表1 变压器局部放电检测方法

4 变压器绝缘油的放电试验研究

4.1 试验系统与接线

由图1可知，该变压器局部放交流高压实验电源，容量为200kVA，T1表示隔离变压器，隔离实验回路与进线电源，抑制电源端产生的谐波对整个电路产生影响。T2为自耦合变压器，T3为升压变压器，380V工频交流输入电压后，经过隔离、自耦合和升压设备，输出0～200kV试验电压，限流电阻为10KΩ，在试品击穿时起到限流作用来保护试验设备。JFD-2010为多通道放电检测仪，符合IEC 60270局部放电测量标准，用于系统稳定和灵敏度强的局部放电检测中。高频电流传感器卡在模型接地线上，传感器通过同轴电缆和信号调理单元的不同通道相连接，经过放大与调理后由Lecroy高速示波器来采集。

4.2 变压器局部放电模型的设计

为研究变压器油中的放电特性，因此设计出试验油杯和油箱，油杯体积小巧且灵活方便。油中局部放电会导致绝缘油劣化。通过试验后为降低油质低劣化对试验结果产生的影响，需要更换油。由于填满油杯所需要的变压器油体积小于油箱，可以让试验的经济性和可靠性提升。根据变压器内绝缘存在的典型缺陷设计制作出五种局部放电模型，具体有以下几种：

一是油中气隙放电模型，高压与接地端均选择铝制圆盘形电极，使用环氧树脂浇筑成直径34mm、高14mm的圆柱体中设计人为气隙缺陷，倒满25号变压器油。二是油中悬浮放电模型，高压与地端为铝制圆盘形电极，在浇筑的环氧树脂中加入厚度为0.8mm铜片，倒满25号变压器油。三是油中沿面放电模型，该模型中高压与接地端均为铝制圆盘形电极，在环氧树脂浇筑的圆柱体中设置凸起小铜柱来接触高压电极，倒满25号变压器油。四是油中尖端放电模型，高压端设置20mm高的铝制针尖电极，接地端设置直径为34mm的铝制圆盘，调整针尖电极与接地电机间的空气间隙度，可控制放电量，倒满25号变压器油。五是油中金属颗粒放大模型，高压与接地端为铝制圆盘形电极，金属颗粒为10颗直径1.5mm小钢珠，倒满25号变压器油。

4.3 试验步骤

按照上述模式来布置，连接好试验电源和仪器设备、局部放电系统、示波器后实现了现场布置。使用局部校准仪在耦合电容处对数字局部放电检测系统进行校准。在试验中从零开始逐步升高电源电压，当电源电压上升到最高值50kV，确认试验电源和局部耦合装置无放电的情况，如有需要排除缺陷，记录实验仪器的放电量背景。从零开始记录下数值变化，缓慢降压至零，接入待验证的局部放电缺陷模型。从零开始，逐步升高电源电压，直到数字式局放仪检测到放电信号，此时记录下加电压值和放电量，观察示波器采集信号的波形。

将电压升高到极限击穿临界点，观察并且记录电压升高放电量和脉冲波形变化情况，随时观察放电情况。降压至零后，调整或者是更换局部模仿，后降压至零整理实验现场。

4.4 局部放电试验分析

4.4.1 油中气隙的局部放电

模型电压加至5kV，局部放电量为790pc。为研究该技术中放电频域特征，对所测量信号进行FFT变换，将频率集中在500MHz至1GHz的范围内，出现峰值的频率为500MHz、600MHz、750MHz、850MHz附近。连续采取多个高频脉冲，绘制放电PRPD、PRPS谱图，为方便分析对幅值进行归一化处理。

4.4.2 油中悬浮的局部放电

根据模型加压到6kV，局部放电量可达到1304pc。悬浮放电特征比较明显，在信号频谱内，分布范围在0～1.1GHz，幅值较大的频域在250～300MHz、250～830MHz。连续采集多个脉冲信号后绘制出PRPD、PRPS谱图，为方便分析对幅值进行归一化处理。

4.4.3 油中沿面的局部放电

模型加压到的4kV，局部放电量为265pc，高频电流检测信号与特高频检测信号对应性良好，为探究特性，对所测量信号进行FFT变换，频域分布范围为200MHz至1.5GHz，集中在500～900MHz，250MHz、1.1GHz、1.25GHz这四个频段附近。连续采集多个脉冲信号后绘制出PRPD、PRPS谱图，为方便分析对幅值进行归一化处理。

4.4.4 油中组分阶段放电

加压到17.8kV时出现局部放电量小于7pc。连续加压到32kV后模型击穿，放电量没有显著变化，多次试验均为同样情况，得出这种状态下放电最小的结果。没有检测到明显信号，偶尔出现一根与高频电流法测量到的信号一簇对应的情况，可能与油中尖端放电信号主要集中在低频部分，无法被特高频检测法检测到有关系。

4.4.5 油中金属颗粒的放电

在这模型环境下，加压到16.6kV后开始放电，放电量为36.8pc。油中的金属颗粒物放电幅值分布广泛，放电时间不均衡，放电效应并不明显，但是在整个工频范围之内有放电信号分布。使用高频与特高频均可以检测到明显放电信号，并且两种检测方式可以测量到显著的脉冲对应性[3]。为研究频域特征，进行FFT变换，该频域分布范围为200MHz至1.1GHz，集中在200～900MHz，连续采集多个脉冲信号后绘制出PRPD、PRPS谱图，为方便分析对幅值进行归一化处理。发现在0～360°相位内有分布但是无聚集现象，幅值范围为0～50%，因此放电脉冲幅值出现无规律是油中金属物放电的缘故。

综上，本文针对变压器绝缘油中的局部放电进行了相关研究，设计出典型的缺陷模型，搭建试验平台结合试验数据来进行分析，记录下试验结果，验证检测方式的有效性与合理性。基于不同技术之间的差异，这一特征也就可以作为判断绝缘缺陷的特征。