变压器局部放电研究综述

郭雪婷

（上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 201306）

0 引言

电力变压器的任何故障都会导致电力系统网络的重大损失。电力变压器一般会运行很长时间，因此，定期对其设备的状态进行监测与维护十分重要。其中，局部放电（Partial Discharge，PD）是一种可以监测的故障，通常发生在电力变压器的绝缘系统中，它是变压器产生绝缘劣化的主要因素之一，也是其绝缘进一步劣化的重要征兆和表现形式。据统计，84%的变压器停电是由于绝缘故障引起的[1]。在799 例对变电站变压器进行的调查显示，近40%的故障是由于介电问题，其中主要是局部放电[2]。

变压器健康检测是一种监测变压器工作参数的技术，有助于估计和避免绝缘系统的故障。它是一种无损诊断测试，用于识别绝缘系统中的早期故障。因此，测量设备必须在变压器完全击穿之前提供与变压器相关的问题警告，以便在预定的关闭期间进行维修[3]。PD 源位置的精确定位，能够准确、快速地反映变压器的绝缘情况，供相关人员及时制定相应的维修措施，保证设备的运行稳定性和可靠性。由此可见，变压器的PD 源监测与定位对于保障电力系统的安全运行具有十分重要的意义。

1 局部放电检测方法研究现状

定期的PD 测量可以帮助估计设备的未来性能和安全性。因此，必须使用至少一种局部放电监测技术来连续监测变压器的状况，以避免由于局部放电而导致变压器绝缘系统的灾难性故障。电力变压器有许多PD 监测方法，如电气、声学、化学、光学和超高频（Ultra High Frequency，UHF）方法。

1.1 电气局部放电检测方法

电气方法是标准IEC60270 方法。该方法专注于检测变压器中发生局部放电事件时产生的电脉冲。通常它以皮克库伦（pC）为单位对脉冲进行测量。这个方法提供了精确的校准，但需要在测量电路中有足够的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）来滤除PD 信号中的环境噪声。电气检测方法的主要优点是频率范围宽、灵敏度高，并且可以完成PD 源的定位，但这种方法也有一定的缺点，例如，它会受到电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）的影响以及环境噪声的影响，不适合现场测试。

1.2 声学局部放电检测方法

发生局部放电事件时，PD 脉冲形放电产生机械应力，从而产生声波。声波通过变压器内的油向周围传播。通常，PD 源在变压器内产生的声发射信号频率范围为20 kHz～1 MHz[4]，可以通过声学传感器进行检测和观察。声学检测方法通常应用于高压变压器以及气体绝缘变电站（Gas Insulated Substation，GIS）。声学传感器可以安装在变压器油箱的内部或外部，另外，变压器内部声波的传播速度取决于介质，在材料界面处发生的声信号的反射和混响会导致声音传播行为的改变，因此研究声波通过变压器的不同部分传播，如绝缘油、铁芯、绕组。同电气和化学方法相比，声学检测可以通过各个传感器接收到的声信号来定位PD 源，且不受EMI 的干扰。但是变压器内部声波的分布具有复杂性，由于变压器是不均匀的器件，声波以均匀的波前传播，当声压波穿过变压器的金属部件（如铁芯和绕组）时，波前会受到反射和折射，这使得多径声波在变压器内部传播并发生衰减，降低了信号强度。

1.3 光学局部放电检测方法

与通过检测脉冲的电气检测方法不同，光学检测方法主要取决于PD 源的强度、绝缘材料、温度和压力等因素，主要通过光学传感器来捕获变压器中发生局部放电时发出的光。直接检测方法侧重于通过安装在变压器壁外或变压器油箱内来检测PD使用光纤传感器产生的光。在光声法中，当PD 声压波撞击光纤传感器时，其光学特性发生变化，使压力波的结构变形。它表现为纤维的机械应力和应变[5]。

1.4 超高频局部放电检测方法

超高频（UHF）检测用于检测局部放电源所产生的电磁波。与声学信号相比较，PD 源发出的UHF 脉冲信号电磁波传播距离更长，且可以穿透多种介质[6]。与传统的脉冲电流法相比较，UHF 检测法在灵敏度、精度及安装方便性方面具有明显的优势[7]。通过UHF 传感器接收这些电磁波信号，通常PD 源在变压器中产生的电磁波信号范围为 300 MHz～3 GHz。超高频检测法抗干扰能力强、灵敏度高，已成为PD 源定位检测的重要方法。

2 局部放电定位方法研究现状

目前，局部放电源定位方法主要包括波达方向法（Direction of Arrival，DOA）、接收信号强度指示器 法（Received Signal Strength Indication，RSSI）、到达时间差法（Time Difference of Arrival，TDOA）等[8]。DOA 法可以从UHF 信号中提取局部放电源的方位角信息，其中方位角能够以较低的代价获得，但精度较低；RSSI 法需要将许多测试点放置在监控区域内以完成RSSI 指纹识别从而完成局部放电源的定位，但是它对硬件的要求比较低[9]，其局限性在于，当信号与噪声混合，会使得接收的信号强度信息受到影响。相比较而言，TDOA 法的原理更简单，技术也更为成熟。

目前，在基于UHF 的检测方法中，基于TDOA（到达时间差）算法被广泛用于变压器中PD 源的定位算法中[10-12]。基于TDOA 的定位方法主要包含两个步骤，即时延的估计和非线性方程的求解。目前国内外学者针对这两个方面进行了研究。

2.1 时延的估计

时延是TDOA 法的一个关键参数。在实际检测中，由于检测系统的噪声和采样率等的影响，在测量和计算时延数据参数时不可避免地会存在误差。因此，为了能够更加准确地获得局部放电源的位置，需要准确计算不同UHF 传感器接收电磁波信号间的时延差。

XAVIER G V R 等人分别应用第一峰值法和能量累积法来计算TDOA，确定局部放电源位置并进行对比，发现均有良好的定位效果[13]。汤林等人提出了对PD 源特高频脉冲信号特征区域进行三次样条插值，并利用广义相关法来估计信号的时延，从而减小时延误差[14]。当信噪比较低甚至噪声将信号淹没时，通过能量累积法和阈值法难以准确捕捉到信号的到达时间。互相关法需要信号与噪声、噪声与噪声之间不具有相关性，对于非平稳信号的时延估计性能较差，在实际应用中只能用加权函数的估计值来代替理论值，使得实际性能于理论性能存在一定差距。

除了在信号处理方面由于噪声的影响存在时延误差，测量时延的精确性通常也会受到PD 源到接收天线传播路径的影响[15]。电磁波在传输过程中具有反射、折射和衍射等情况，对PD 源的定位构成了巨大的挑战。文献[16]展示了最短光程原理在变压器中电磁波传播的适用性。高压设备的内部结构会导致UHF 信号传输出现偏差，不能以简单的欧氏距离进行计算，因此TDOA 可通过物理模型转换为求解两点间最短路径来改进[17-23]。在文献[18]中，UMEMOTO 等人对PD 源到接收天线的传输路径进行简化，将绕组构建为圆柱体结构，搭建数学模型来求解局部放电源到传感器间的距离，将理论求得的TDOA 值与现场试验进行对比，得到了较好的结果。

2.2 非线性方程的求解

基于TDOA 法建立的非线性方程组，无法直接进行求解。传统的求解方法为数值解算法，即直接通过迭代法求解非线性方程，如牛顿法[24]、最小二乘法[25]等。它们在非线性迭代过程容易受到初始值的影响，在实际测量中，当初始值的精度不高时，容易导致迭代不能收敛，甚至出现无解。

常规迭代算法很难求解复杂的非线性方程组，因此需要对非线性方程组本身进行转换。FRESNO等人提出采用迭代双曲最小二乘法和非迭代最大似然估计器法结合求解基于TDOA 的非线性方程组[26]。WANG 等人提出一种基于变电站局部放电正则化的非线性变换定位算法。通过消除二阶项对基于TDOA 建立的非线性方程进行线性化，得到线性定位方程。然后应用中心化和行平衡来处理定位方程，通过L 曲线法计算正则化参数，最后，采用Tikhonov 正则化法求解线性定位方程，确定局部放电位置[27]。NING 等人提出一种截断奇异值分解（TSVD）正则化的定位算法，利用球面线性变换方法对非线性方程进行变换，再利用TSVD 正则化方法求解线性方程组[28]。这些方法有很好的表现，但是方法较复杂，计算需要消耗内 存资源。

3 结语

变压器中的局部放电会逐渐降低绝缘性能，从而导致变压器故障。实现PD 源的准确定位，对于保证电力安全和提高电力系统的整体效率非常重要。在UHF 检测法中，基于TDOA 法来实现局部放电源的定位需要准确估计时延。目前的研究大多只关注于特高频信号本身的处理，很少考虑变压器内部有源结构对时延误差的影响。目前的定位算法研究大多基于TDOA 非线性方程组，没有考虑变压器内部有源结构的影响。有些研究提出的定位算法较为复杂，加大了计算量，使得定位所需时间大大增加，当在现场需要快速定位时无法满足。