電聲聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)在變壓器局部放電在線檢測(cè)中的應(yīng)

【摘要】

隨著電力設(shè)備電壓等級(jí)的提高，電力部門對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行可靠性提出了更加苛刻的要求。局部放電檢測(cè)作為一種非破壞性試驗(yàn)，越來越得到人們的重視。文章介紹了局部放電檢測(cè)中電—聲聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)采用此檢測(cè)原理的變壓器局部放電在線檢測(cè)設(shè)備作了介紹。

1 引言

局部放電，是絕緣介質(zhì)中的一種電氣放電，這種放電僅限制在被測(cè)介質(zhì)中一部分且只使導(dǎo)體間的絕緣局部橋接，這種放電可能發(fā)生或可能不發(fā)生于導(dǎo)體的鄰近。電力設(shè)備絕緣中的某些薄弱部位在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會(huì)引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致電介質(zhì)(特別是有機(jī)電介質(zhì))的局部損壞。若局部放電長(zhǎng)期存在，在一定條件下會(huì)導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，不但能夠了解設(shè)備的絕緣狀況，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)制造與安裝方面的問題，確定絕緣故障的原因及其嚴(yán)重程度。因此，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行局部放電測(cè)試是電力設(shè)備制造和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要預(yù)防性試驗(yàn)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)和國際電工委員會(huì)都對(duì)此提出了相應(yīng)規(guī)范。局部放電檢測(cè)技術(shù)即是在這個(gè)背景下快速發(fā)展起來。

人們對(duì)局部放電的認(rèn)識(shí)可以追溯到 1777 年，Lichtenberg 在Gottingen 皇家社團(tuán)會(huì)議上發(fā)表了他試驗(yàn)研究的新結(jié)果。他利用伏特新設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀可以看到奇妙的星形或圓形塵埃輪廓。見圖1 所示。他們認(rèn)為，這些看來像放電通道的塵埃輪廓即代表著絕緣體表面放電現(xiàn)象。

圖 1 正極(左)和負(fù)極(右)處表面放電產(chǎn)生的塵埃特征

1873 年，Maxwell 提出了電磁學(xué)假設(shè)，1896 年赫茲通過實(shí)驗(yàn)證明了Maxwell 關(guān)于電磁波存在性及其在空間、時(shí)間上傳播的假說，這些理論和實(shí)驗(yàn)工作都成為了局部放電檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)和物理模型開發(fā)的基礎(chǔ)。

最初用于局部放電的檢測(cè)設(shè)備是基于西林電橋的功耗電橋。該設(shè)備在1919 年開發(fā)出來，并在1924 年首次用于局部放電檢測(cè)。一年后，即1925 年，Schwaiger 發(fā)現(xiàn)了電暈放電時(shí)的無線電頻率特性。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)測(cè)量電暈放電的無線電干擾儀奠定了基礎(chǔ)。這種無線電干擾電壓法(RIV)至今仍在一些國家，尤其是在北美國家中廣泛應(yīng)用。1928 年，Lloyd 和Starr 提出了平行四邊形測(cè)量局部放電的方法，該方法可以認(rèn)為是積分電橋的始祖。積分電橋是Dakin 和Malinaric 在1960 年提出。該方法在局部放電的物理研究中具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，至今仍在應(yīng)用。

此后，各種局部放電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?；趯?duì)發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的各種電、光、聲、熱等現(xiàn)象的研究，局部放電檢測(cè)技術(shù)中也相應(yīng)出現(xiàn)了電檢測(cè)法和光測(cè)法、聲測(cè)法、紅外熱測(cè)法等非電量檢測(cè)方法。近年來，隨著變頻電源的廣泛應(yīng)用，一些變頻系統(tǒng)絕緣出現(xiàn)過早老化的情況，在脈沖條件下的局部放電檢測(cè)也引起人們的關(guān)注。本文綜述了近年來應(yīng)用較為廣泛的聲—電聯(lián)合局部放電檢測(cè)方法，并且介紹了一款采用此技術(shù)的成熟產(chǎn)品。

2 聲—電聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)原理

2.1 電檢測(cè)法

局部放電最直接的現(xiàn)象即引起電極間的電荷移動(dòng)。每一次局部放電都伴有一定數(shù)量的電荷通過電介質(zhì)，引起試樣外部電極上的電壓變化。另外，每次放電過程持續(xù)時(shí)間很短，在氣隙中一次放電過程在10ns 量級(jí);在油隙中一次放電時(shí)間也只有1ms 。根據(jù)Maxwell 電磁理論，如此短持續(xù)時(shí)間的放電脈沖會(huì)產(chǎn)生高頻的電磁信號(hào)向外輻射。局部放電電檢測(cè)法即是基于這兩個(gè)原理。常見的檢測(cè)方法有脈沖電流法、無線電干擾電壓法、介質(zhì)損耗分析法等等。特別是，二十世紀(jì)八十年代由S. A. Boggs 博士和G. C.Stone 博士提出的超高頻檢測(cè)法近年來得到廣泛關(guān)注，并逐漸有實(shí)用化的產(chǎn)品問世。

2.1.1 脈沖電流法

脈沖電流法是一種應(yīng)用最為廣泛的局部放電測(cè)試方法，國際電工委員會(huì)(IEC)專門對(duì)此方法制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(IEC-270)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工頻交流下局部放電的測(cè)試方法，同時(shí)，此方法也適合于直流條件下的局部放電測(cè)量。脈沖電流法的基本測(cè)試回路分為直測(cè)法和平衡法兩種。直測(cè)法常遇到各種干擾，特別是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試靈敏度。而平衡法由于其抑制共模干擾的優(yōu)良性能，得到廣泛采用。平衡法測(cè)試回路有西林電橋、差分電橋以及雙電橋等形式。目前西林電橋干擾抑制比可達(dá)到幾十，差分法可達(dá)到數(shù)百甚至上千。但是，平衡法的測(cè)量靈敏度一般比直測(cè)法低。脈沖電流法應(yīng)用廣泛，目前市場(chǎng)上大部分電類局部放電測(cè)試儀都采用直測(cè)法回路，如瑞士Haefely 公司的TE571 局部放電測(cè)試儀等。

2.1.2 無線電干擾電壓法(RIV)

無線電干擾電壓法，包括射頻檢測(cè)法，最早可追溯到1925 年，Schwarger 發(fā)現(xiàn)電暈放電會(huì)發(fā)射電磁波，通過無線電干擾電壓表可以檢測(cè)到局部放電的發(fā)生。國外目前仍有采用無線電干擾電壓表檢測(cè)局部放電的運(yùn)用，在國內(nèi)，常用射頻傳感器檢測(cè)放電，故又叫射頻檢測(cè)法。較常用射頻傳感器有耦合電容傳感器、Rogowski 線圈電流傳感器和射頻天線傳感器等。RIV 方法能定性檢測(cè)局部放電是否發(fā)生，甚至可以根據(jù)電磁信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)電機(jī)線棒和沒有屏蔽層的長(zhǎng)電纜進(jìn)行局部放電定位;采用Rogowski 線圈傳感器也能定量檢測(cè)放電強(qiáng)度，測(cè)試頻帶較寬(1~30MHz)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，該方法具有較好的實(shí)用價(jià)值。

2.1.3 超高頻(UHF)局部放電檢測(cè)技術(shù)

超高頻檢測(cè)又分為超高頻窄帶檢測(cè)和超高頻超寬頻帶檢測(cè)。前者中心頻率在 500MHz 以上，帶寬十幾MHz 或幾十MHz，后者帶寬可達(dá)幾GHz。由于超高頻超寬頻帶檢測(cè)技術(shù)有噪聲抑制比高、包含信息多等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注，通常所說的超高頻檢測(cè)技術(shù)即指超高頻超寬頻帶檢測(cè)。

用于超高頻局部放電檢測(cè)的傳感器主要為窄帶天線傳感器。利用窄帶天線作傳感器早在1980 年Kurtz等人就提出過，他們?cè)O(shè)計(jì)的傳感器用于大型電機(jī)局部放電測(cè)試，安裝在一個(gè)或兩個(gè)磁極上，可探測(cè)到單根定子線棒的放電。目前，窄帶天線傳感器已在檢測(cè)大型電力變壓器、GIS、電力電纜等設(shè)備的局部放電上有相關(guān)應(yīng)用。

2.2 超聲波檢測(cè)法

介質(zhì)中發(fā)生局部放電時(shí)，其瞬時(shí)釋放的能量將放電源周圍的介質(zhì)加熱使其蒸發(fā)，此時(shí)放電源如同一個(gè)聲源，向外發(fā)出聲波。由于放電持續(xù)時(shí)間很短，所發(fā)射的聲波頻譜很寬，可達(dá)到數(shù)MHz。要有效檢測(cè)聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳感器的選擇是關(guān)鍵。常用的聲傳感器有用于氣體中的電容麥克風(fēng)(condensermicrophone)、駐極體麥克風(fēng)(electrets microphone)和動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)(dynamic microphone);用于液體中類似于聲納的所謂水中聽診器(hydrophone);用于固體中的測(cè)震儀(accelerometer)和聲發(fā)射(acousticemission)傳感器。

較之電測(cè)法，聲測(cè)法在復(fù)雜設(shè)備放電源定位方面有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于聲波在傳播途徑中衰減、畸變嚴(yán)重，聲測(cè)法基本不能反映放電量的大小。這使得實(shí)際中一般不獨(dú)立使用聲測(cè)法，而將聲測(cè)法和電測(cè)法結(jié)合起來使用則可以得到較為準(zhǔn)確的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3.電-聲聯(lián)合局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理與組成

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

采用電-聲聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于大型電力變壓器局部放電在線檢測(cè)的系統(tǒng)基本示意圖如下所示。

如圖1所示，系統(tǒng)中本地主機(jī)用于處理從傳感器獲取的信號(hào)并將其數(shù)字化，而采用上位機(jī)進(jìn)行局放信號(hào)的篩選、分析并完成局放脈沖數(shù)值記錄、監(jiān)測(cè)局放量發(fā)展?fàn)顩r等功能。該裝置所采用的傳感器分別為超聲波傳感器(AE)與射頻電流傳感器(RFCT)，AE傳感器用于測(cè)量伴隨局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，RFCT傳感器則用于檢測(cè)高頻脈沖電流。由于高壓設(shè)備四周總是充斥著各類噪聲，因而要求檢測(cè)系統(tǒng)具有高性能系統(tǒng)配置及信號(hào)處理能力以便檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的微弱局放信號(hào)。因此，系統(tǒng)同時(shí)配有兩類傳感器，并采用不同的信號(hào)處理技術(shù)，在時(shí)域中同步分析交變場(chǎng)中的檢測(cè)信號(hào)。

系統(tǒng)中的本地主機(jī)包括CPU、ADC插板、信號(hào)處理插板、主板、電源及機(jī)箱等部件。主要功能為信號(hào)放大、信號(hào)處理(如：數(shù)字濾波、波形測(cè)量、脈沖記數(shù)、波形數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。終端用戶安裝專用軟件后可通過個(gè)人電腦設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)及工作條件、顯示波形、進(jìn)行信號(hào)分析，同時(shí)可對(duì)局放信號(hào)自動(dòng)分析并存儲(chǔ)相關(guān)信息(如信號(hào)的幅值、頻率、相位等)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)。

3.2 電-聲聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)之技術(shù)特點(diǎn)

檢測(cè)方法方面：系統(tǒng)同時(shí)采用電-聲聯(lián)合檢測(cè)法，較單一測(cè)試方法更為靈活、可靠;各通道檢測(cè)圖可分別采用二維、三維及其他方式顯示。

由于對(duì)單臺(tái)變壓器在線檢測(cè)至少采用四個(gè)超聲波傳感器，故系統(tǒng)可針對(duì)某個(gè)局放脈沖計(jì)算出聲源參考位置;超聲檢測(cè)主要用于定性地判斷局放信號(hào)的有無，以及結(jié)合電脈沖信號(hào)或直接利用超聲信號(hào)對(duì)局放源進(jìn)行物理定位。在電力變壓器的在線檢測(cè)中，它是主要的輔助測(cè)量手段。

此外系統(tǒng)將射頻檢測(cè)法應(yīng)用于局放在線檢測(cè)。它是在脈沖電流法的基礎(chǔ)上，利用Rogowski線圈從變壓器的接地線處測(cè)取信號(hào)，這樣測(cè)量的信號(hào)頻率可以達(dá)到30MHz，大大提高了局部放電的測(cè)量頻率，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)安裝方便，檢測(cè)設(shè)備不改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式。裝置中采用了開合鉗式射頻電流傳感器，自變壓器油箱接地線上取脈沖電流信號(hào)，故安裝無須設(shè)備停電。

3.3 局放脈沖識(shí)別及計(jì)數(shù)

3.3.1 局部放電脈沖識(shí)別

系統(tǒng)僅將同時(shí)滿足下列三個(gè)條件的信號(hào)認(rèn)作局部放電信號(hào)。首先，系統(tǒng)必須至少檢測(cè)到高于閾值的三個(gè)連續(xù)脈沖;其次，超聲波信號(hào)波形的峰-峰值頻率 (T1) 須介于100KHz ~ 300KHz;而射頻頻電流信號(hào)波形的峰-峰值頻率 (T1) 須介于100KHz ~ 3MHz;最后，信號(hào)包絡(luò)時(shí)間(T2) 應(yīng)在500μS 內(nèi)。若上述三個(gè)條件同時(shí)滿足，則系統(tǒng)記錄為一個(gè)局放脈沖計(jì)數(shù)。

圖 2. 局部放電信號(hào)三個(gè)判別條件示意圖

此外，系統(tǒng)另設(shè)有其他相應(yīng)的局放脈沖識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)及條件，由此系統(tǒng)提出變壓器在線條件下得到的局部放電檢測(cè)指標(biāo)為pps(每秒鐘局部放電脈沖計(jì)數(shù))，進(jìn)而可對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行階段性趨勢(shì)分析，如按照月或年度時(shí)間跨度進(jìn)行局放發(fā)展趨勢(shì)分析。

3.3.2 閾值設(shè)置

系統(tǒng) 的閾值設(shè)置一類用于硬件脈沖計(jì)數(shù)， 另一類用于軟件脈沖計(jì)數(shù)。閾值設(shè)定范圍為-2,000mV~+2,000mV。閾值是測(cè)量局放脈沖的重要參數(shù)，為提高測(cè)量精度則需根據(jù)系統(tǒng)安裝及環(huán)境條件選取適當(dāng)?shù)拈撝怠?/p>

其中，硬件脈沖計(jì)數(shù)閾值設(shè)定可于系統(tǒng)安裝完畢后，通過檢測(cè)各通道脈沖幅值而確定背景噪聲水平，并將閾值的設(shè)定介于背景噪聲及局放信號(hào)之間使其得以優(yōu)化。而軟件脈沖計(jì)數(shù)閾值設(shè)定則可借助于軟件帶通濾波功能盡可能濾除信號(hào)中的噪聲后，確定信號(hào)中噪聲水平。隨后將閾值設(shè)定介于噪聲及局放信號(hào)之間已使其得以優(yōu)化。

3.4 局部放電檢測(cè)的電磁干擾及抑制

變壓器局放現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境的嚴(yán)重電磁干擾打打降低了檢測(cè)的靈敏度，有時(shí)甚至使得測(cè)量根本無法進(jìn)行，因而有效地抑制電磁干擾是電力變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵之一。

局部放電檢測(cè)的干擾是多樣的，按照時(shí)域波形可分為周期性干擾、脈沖型干擾和白噪聲。周期性干擾包括系統(tǒng)高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等等;脈沖型干擾分為周期脈沖型干擾和隨機(jī)脈沖型干擾，周期脈沖型干擾主要由電力電子元件動(dòng)作產(chǎn)生高頻涌流引起，隨機(jī)脈沖型干擾包括高壓輸電線上的電暈放電、其他電力設(shè)備的局部放電、分接開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生放電以及接觸不良產(chǎn)生的懸浮電位放電等;白噪聲包括線圈的熱噪聲、地網(wǎng)噪聲、配點(diǎn)線路和變壓器繼電保護(hù)信號(hào)線中的耦合進(jìn)入的各種噪聲以及檢測(cè)線路中的半導(dǎo)體器件的噪聲等。

針對(duì)不同類型的干擾采用相應(yīng)的抑制方法。周期型干擾也稱為窄帶干擾，具有強(qiáng)度大且相位比較固定的特點(diǎn)。大多采用頻域方法處理，主要包括FFT閥值濾波器、自適應(yīng)濾波器、固定系數(shù)濾波器和帶阻濾波器等。隨機(jī)型干擾較難剔除，干擾和局部放電信號(hào)在頻域有相似性，因而多在時(shí)域考慮。與局部放電信號(hào)混雜在一起的白噪聲是一均值為零的平穩(wěn)隨機(jī)喜好，屬于寬帶干擾信號(hào)。

3.4.1 濾波器設(shè)置

系統(tǒng)濾波功能應(yīng)分為帶通濾波器、帶阻濾波器以及自適應(yīng)濾波器三類。系統(tǒng)用于處理RFCT傳感器信號(hào)的頻率范圍為100KHz~5MHz;帶阻濾波器僅濾除頻率介于高頻及低頻間信號(hào)，其他頻率的信號(hào)均可通過。在波形檢測(cè)過程中可采用該濾波器濾除干擾;而自適應(yīng)濾波器濾除波形檢測(cè)過程中的某些連續(xù)噪聲。存在某些較強(qiáng)連續(xù)噪聲的環(huán)境中，可采用該濾波器。但根據(jù)奈科斯特穩(wěn)定性判據(jù)(Nyquist Theorem)，濾波器上限截止頻率應(yīng)等于或小于1/2采樣頻率。

4 變壓器局部放電的定位

對(duì)于變壓器運(yùn)行及維護(hù)人員來說，再確定變壓器內(nèi)部的局部放電后，快速而準(zhǔn)確地對(duì)局部放電進(jìn)行故障定位，對(duì)于及時(shí)了解故障發(fā)生、發(fā)展情況進(jìn)而保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。

超聲波定位方法的原理是通過測(cè)量超聲波傳播的時(shí)延來確定局放源的位置，分為電-聲定位和聲-聲定位。電-聲定位的關(guān)鍵參數(shù)是放電點(diǎn)至傳感器之間的聲波直接傳播時(shí)間T，近似為電、聲信號(hào)的時(shí)間差。

4.1 局部放電的精確定位

變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，不但在變壓器各引出端產(chǎn)生高頻脈沖電信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生超聲波。超聲波在變壓器內(nèi)部以球面波的方式向四周傳播。對(duì)某一路局部放電脈沖進(jìn)行采樣時(shí)，設(shè)定采集卡的采樣頻率后，對(duì)屬于同一局放源的電脈沖及超聲波脈沖進(jìn)行局部放電脈沖識(shí)別，進(jìn)而獲取各超聲波信號(hào)相對(duì)于電脈沖的時(shí)延(t1、t2、t3、t4、t5)。將變壓器內(nèi)部按空間分成若干個(gè)體單元后，將超聲波等值波速作為定位算法中的變量。運(yùn)用單元模塊搜索技術(shù)，通過計(jì)算所有體元與各超聲波探頭之間的超聲波傳播所需時(shí)延范圍進(jìn)而可針對(duì)某個(gè)局放脈沖測(cè)定出局放源的參考位置。當(dāng)其中一路超聲信號(hào)的電聲時(shí)延測(cè)量有較大誤差時(shí)，仍可得到較精確的定位結(jié)果。

5 局部放電的模式識(shí)別

局部放電的模式識(shí)別從其特征提取上分為兩類：統(tǒng)計(jì)分析法和時(shí)域分析法。統(tǒng)計(jì)分析法一般基于傳統(tǒng)的低頻、窄帶局部放電測(cè)量，是在相域空間上進(jìn)行的，也是指針對(duì)局部放電的統(tǒng)計(jì)分布譜圖進(jìn)行的。目前常見的有基于二維分布圖及Q-N-Φ三維分布圖的統(tǒng)計(jì)分析法、頻域分析法等。時(shí)域分析法是針對(duì)高速采集一次放電產(chǎn)生的時(shí)域脈沖所得到的波形特征或相應(yīng)的變換結(jié)果進(jìn)行模式識(shí)別。

迄今為止，局部放電的模式識(shí)別主要圍繞電脈沖信號(hào)及超聲脈沖信號(hào)進(jìn)行，如采用講局放超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域后利用幅頻特性進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)等。

6 結(jié)語

局部放電檢測(cè)研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)局部放電的在線檢測(cè)，隨著信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，局部放電電信號(hào)檢測(cè)將為電力變壓器局部放電的實(shí)質(zhì)和放電程度等提供較為滿意的分析和判斷。超聲診斷主要用于局部放電的定位，電-聲聯(lián)合診斷局部放電將有很廣泛的應(yīng)用前景。

本文的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國內(nèi)電力行業(yè)的應(yīng)用超過五年，系統(tǒng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾特性，提供的數(shù)據(jù)比較客觀地反映了被監(jiān)測(cè)電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并為現(xiàn)場(chǎng)工作人員診斷設(shè)備狀態(tài)時(shí)提供了較好的輔助作用，能為電力變壓器的狀態(tài)檢修提供比較可信的依據(jù)。

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