（水利工程专业论文）变压器监测与故障定位方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 变压器的局部放电监测是变压器绝缘监测重要的组成部分。在参考国内外已有的 关于变压器监测与故障定位方法研究成果的基础上，以实现监测变压器内部局部放电 和局部放电源定位为目标，以及时发现变压器内部故障为最终目的，进行了变压器局 部放电在线监测系统的研究和探讨。 电力变压器高压套管的绝缘特性好坏是影响电力变压器安全可靠运行的主要因 素之一，对电力变压器高压套管进行在线监测也是很有必要的。在线监测变压器高压 套管的介质损耗是判断其绝缘状况的有效手段。通过与套管末屏串联的分压电容提取 工频电压信号，采用绝对测量和相对测量相结合的方法准确地测量了套管的介质损 耗，并应用传输线理论分析了其误差特性。 本文主要工作包括，对变压器局部放电监测方法进行研究；对变压器局部放电电 气定位方法进行探讨；采用了一种基于末屏电容分压的高压套管在线监测方法；设计 了变压器套管末屏电容分压传感器，同时应用均匀传输线理论计算套管绝缘监测的电 压信号在传输过程的误差，并通过选择合适参数消除该误差。 关键词：局部放电监测；定位；高压套管；电容分压；绝缘监测 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s f o r m e rp a a i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n gi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft r a n s f o r m e r i n s u l a t i o nm o n i t o r i n g 0 nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hr e s u l t so nt r a n s f o r m e rm o n i t o r i n ga n d f a u l tl o c a t i o nf i e l d s ，t h eo n 1 i n em o n i t o r i n gs y s t e ma b o u tt r a n s f o r m e rp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i ss t u d i e da n dd e v e l o p e d ，t og e tt h eo f f l i n gm o n i t o r i n gt r a n s f o r m e rp a a i a ld i s c h a r g e ，t o l o c a t et h et r a n s f o r m e rp a r t i a ld i s c h a r g es o u r c e ，a n dt of i n dt r a n s f o r m e ri n n e rf a u l ta n d f o u n dt h e i ru l t i m a t e i ti so n eo ft h em a i nf a c t o r sf o rt h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e r s t h a tt h ep o w e rt r a n s f o r m e ri n s u l a t i o nh a sh i g h q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s a l s o ，i ti sn e c e s s a r y f o rt h eo n l i n em o n i t o r i n go fh i g hp r e s s u r e i ti sa ne f f e c t i v em e a n st h a tt h eo n l i n e m o n i t o r i n gt r a n s f o r m e rt oj u d g et h ed i e l e c t r i cl o s sa b o u ti n s u l a t i o n t h em e a s u r e ds i g n a li s a b s t r a c t e df r o mc a p a c i t o r ，w h i c hi si ns e r i e sw i t ht h eb u s h i n gt a p t h ea b s o l u t ea n dr e l a t i v e m e t h o d sa r ec o m b i n e d ，a n dt h ep h a s ee r r o ri nt r a n s m i s s i o np r o c e s si sa n a l y z e d t h e c h a r a c t e ro fe r r o ri sa n a l y z e db yt h et r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y t h i sm a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri n c l u d e s ：t h et r a n s f o r m e rp a r t i a ld i s c h a r g e m o n i t o d n gm e t h o d si ss t u d i e d ；t h em e t h o d sf o rl o c a t i n ge l e c t r i c a l t r a n s f o r m e rp di s e x p l o r e d ；ac a p a c i t i v ep r e s s u r eo nt h eh i g h e n d s c r e e nc a s i n gl i n em o n i t o r i n gi sa d o p t e d ；a t r a n s f o r m e rb u s h i n ge n ds c r e e nc a p a c i t a n c ep r e s s u r es e n s o ri sd e s i g n e d ；b ya p p l y i n g u n i f o r mt r a n s m i s s i o nl i n ei n s u l a t i o n ，t h ev o l t a g es i g n a ld u r i n gt r a n s m i s s i o n e r r o ri s m o n i t o r e d ；a n dt h ee r r o ri se l i m i n a t e db yc h o o s i n ga p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s k e y w o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o n ；l o c a t i o n ；p o w e rt r a n s f o r m e r sb u s h i n g ； c a p a c i t a n c ed i v i d e r ；i n s u l a t i o nm o n i t o r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：罗挥：= 7 崭 日期；w 伊月i e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于不保密d 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 魄芸馨作喜篙：彰椭日期：6 年归f 归“ 指导教师签名：_ 芎争议五 日期：j e 6 年l ，月i 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 电力变压器是电力系统中重要的高压电气设备，担负着电压、电流的转换以及功 率传输的任务，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行，可以形象地将电 力变压器视为电网的“心脏”【1 1 。因此，这对长期运行的电力变压器来说，确保它的 运行可靠性是一个重要的问题。 1 1 国内外研究现状 在变压器的各种在线监测技术中，局部放电的在线监测是一个非常重要的内容。 在电场作用下，绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿于施加电压的导体之间， 即尚未击穿，这种现象就是局部放电【2 ，3 】近年来，电力变压器制造材料的改进、设计 方法和制造技术的提高已经在一定程度上地提高了电力变压器运行的可靠性。但是， 由于电力变压器的运行环境以及现在的故障诊断手段还不够完善、评定电力变压器设 备绝缘状态可靠性的可信度还不高，以至于电力变压器出现故障时，不能准确地判断 出电力变压器的故障，所以，电力变压器的故障率是比较高的。目前，国内外学者在 电力变压器在线监测以及故障诊断方面进行了大量的研究工作。在线监测主要包括： 油中气体含量在线监测( 油色谱在线分析) 、油中氢气浓度在线监测、变压器绕组局 部放电在线监测、变压器绕组变形在线监测等等，其中最成熟也最主要使用的方法是 油中气体含量在线监测，即气相色谱法( 三比值法、特征气体法、r o g e r s 法等) 。但 由于电力变压器结构复杂，而且电力变压器的故障往往由多种原因引起，不同故障所表 现出的征兆有时具有相似性、随机性、人为的干扰因素以及诊断设备和手段存在的误 差等因素，从而需要实现从油气量和电气量两个方面同时去监测变压器的运行状况， 提出一种新的电力变压器的在线运行监测方法。由于油气量的工作已经非常成熟，所 以研究的重点应侧重于电气量方面的研究。因此局部放电最能有效反映变压器内部的 绝缘状况，对5 0 0 k v 超高压系统及特高压系统的大型电力变压器可靠性监测来说， 局部放电在线监测非常有效。【4 - 6 1 当监测到变压器的局部放电超过允许值时，说明其内部有绝缘问题而必须进行检 华中科技大学硕士学位论文 查，但如果事先没有确定故障的大致位置，而盲目的进行吊芯检查，就有可能找不到 故障位置，并会给检修工作带来很大的困难。因此进行局部放电的定位研究有很大的 实用意义。局部放电定位主要有超声波法和电气法两种。 超声波法有两种定位法，一是电声定位：一般认为局部放电脉冲相对超声脉冲是 没有时延的，以电脉冲触发，测量多点超声脉冲的时延以确定超声脉冲的传播方向及 时间，再求解球面方程确定放电位置。二是声声定位法：以最先的超声脉冲为基准， 同样测量多个测量点超声脉冲的时延，求解双曲面方程得出放电源的位置。超声波定 位的关键之一是超声波等值波速的确定，由于变压器内部结构复杂，超声波在传播过 程中存在透射，绕射，散射等现象，其等值波速各不相同，且难于精确计算。采用一 个恒定的等值波速来计算位置显然是不够的。一种较实用的算法是将等值波速视为变 量，通过求解球而方程的方法来计算局部放电点的位置，随着声波传播机理的深入， 又出现tj r 序定位法和模式识别法。 电气定位法又分为几何定位法和基于模型分析法。几何定位法和超声波定位类 似，以电磁波到达测量点的时间来定位，又称为行波法。基于模型的分析方法在对变 压器绕组进行建模的基础上，通过对局部放电信号的分析来进行定位，如电容分量法， 频率响应法等。 目前，接近实用化的精确定位方法是超声波定位法和采用电容传输分量与数字滤 波技术的电测定位法。前者操作方便，适用于变压器内不同部位的局部放电定位，可 在不同场合使用，但定位精度不高是它的主要缺点，必须从理论上和操作技巧上加以 解决。后者操作比较复杂，适用范围只限于纠结式绕组，但是定位精度较高，定位精 度可以达到不大于绕组长度的2 【7 。1 0 】。但同时由于超声波法测量局部放电具有很多 优点，因此国内外很多机构很早就在这方面进行了比较深入的研究。超声波法的应用 主要是利用其进行定位，早期的应用中，是先测量超声波型号的有无，来寻找局部放 电源的大致位置，在靠近局部放电源的位簧布置多个传感器，进行精确测量，得到超 声波放电型号，运用各种算法计算局部放电源坐标。这种方法的显著优点就是不破坏 变压器绝缘结构。定位法还有电脉冲电流法定位，但是现在国内外的定位装置大多数 都是超声波定位装置。 2 华中科技大学硕士学位论文 利用超声波法进行局部放电模式识别和定量分析一直是超声波法检测局部放电 研究中的重点。上世纪8 0 年代国外一些科学家曾在此方面进行过研究，但并未得到 理想的结果。近年来人们又对利用频谱识别局部放电模式提出了新的见解，随着非线 性科学和非确定性科学的发展，为利用超声波对局部放电进行模式识别和定量提供了 新的方法，其研究也取得了一些新的成果。因此在先进的传感器以及数学分析工具的 支持下，有望利用超声波法实现变压器局部放电的模式识别和定量分析【1 1 】。 现在有一种超声波测量方法f 1 2 - 1 4 j 比较先进，就是西门子公司研究的超声波与射频 联合测量法，这种方法中运用到的超声波测量部分是将超声波传感器放置于变压器的 内部，探头布置在带有0 型密封垫圈的导入板，通过变压器壁的入油孔或者观察窗伸 入变压器油中，特殊的探头设计能够长期工作在高温具有腐蚀性的变压器油中。这种 方法利用的是超声波和射频型号的时间差，由于传感器在变压器内部，测量的灵敏度 很高，而射频法本身的灵敏度也非常高，所以相对可靠性就比较大。不过这种方法对 于传感器的要求非常高，而且由于超声波传感器置于变压器内部，因此不利于普遍使 用。 局部放电会产生无线电干扰的现象很早就被人们所认识。例如人们常采用无线电 电压干扰仪来监测由于局部放电对无线电通讯和无线电控制的干扰，并己制定了测量 方法的标准。用r i v 表来监测局部放电的测量线路与脉冲电流直测法的测量电路相 似。此外，还可以利用一个接收线圈来接收由于局部放电而发出的电磁波，对于不同 测试对象和不同的环境条件，选频放大器可以选择不同的中心频率( 从几万h z 一几十万 h z l 以获得最大的信噪比。这种方法已被用于检查电机线棒和没有屏蔽层的长电缆的 局部放电部位。还有人提出了光测法。光测法利用局部放电产生的光辐射进行监测。 在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，研究表明通常在5 0 0 7 0 0 m m 之间。在 实验室利用光测法来分析局部放电特征及绝缘劣化等方面已经取得了很大进展，但是 由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被监测物质对光是透明的，因而在实际 中无法应用【1 5 】。 由于伴随局部放电产生的各种物理和化学现象是监测局部放电的依据，而且目前 局部放电也是通过表述其伴随现象的物理量来表征的。国内外对局部放电都制定了相 3 华中科技大学硕士学位论文 应的测量标准，建立了多种表征参数来评定它对绝缘的损害。 1 2 变压器故障分析及在线监测原理 变压器中常发生故障的部件之一就是变压器的绕组，而在变压器绕组故障中，其 中因绝缘老化而导致的绕组匝间短路、相间短路、绕组对地短路占整个故障的 7 0 8 0 。变压器绕组故障都能归于绕组匝间短路故障引起【摇1 8 1 。 变压器发生匝间短路故障时，尽管短路匝间电流很大，但流出一次侧电流非常小。 传统的保护措施是通过整定继电保护的参数来实现的，这对一些尚不致于产生保护动 作的匝间短路故障的诊断就无能为力。对于瓦斯继电器，只有当气体积累到某一最小 容积时才能动作，故瓦斯保护反应变压器内部这种匝间短路故障的速度慢、时间长。 因此，如何在继电保护动作之前及时地监测这种潜伏性故障，避免变压器非正常退出 运行就显得非常必要。 对变压器有功损耗物理机理的研究是新的变压器匝问短路故障在线监测方法的 基础。电力变压器的有功损耗分为负载损耗和空载损耗两大部分。空载损耗包括基本 损耗和附加损耗两部分，前者包括磁滞损耗和涡流损耗，后者主要是由漏磁场在变压 器内部产生的各种附加损耗。正常运行时，变压器的附加负载损耗是指变压器线圈导 线中的涡流损耗，线圈内部的环流损耗以及结构件中的涡流损耗，这些附加损耗都是 负载电流引起的漏磁通所感应产生的。变压器绕组发生匝间短路后，故障相的附加损 耗就会发生比较大的变化，其他绕组的附加损耗也有变化，但是变化很小。总之，变 压器绕组发生匝间短路故障后，由其内部磁场的变化所引起的功率损耗将会增大。 当变压器发生匝间短路时，会引起下列变化： 由于短路使短路所在相绕组匝数减少了，短路后将产生一个短路电流，此短路 电流使变压器产生一个附加的损耗，同时，在短路的线匝之间形成个短路环，短路 环的电流较大，也产生了一个附加的功率损耗。被短路的绕组相当于一个匝数等于短 路匝数的短路环加在变压器的铁芯上，该短路绕组内的电流近似等于变压器的短路电 流( 环流) ，可以达额定电流的2 0 倍以上( 但变压器绕组引出线上的电流变化并不大) 。 短路环流引起变压器局部发热，造成铁心的局部饱和，也引起额外的功率损耗( 与电 4 华中科技大学硕士学位论文 流平方成正比) ，而且对于不同的匝间短路，增加损耗不同，增加损耗随着短路匝数 的增加而增大。 对多台变压器并联运行，若原方短路，则副方电压将略有升高，若副方短路， 则副方电压略有降低，这都会使并联运行的变压器之间产生环流，也将会使变压器损 耗增加。 从能量的观点来分析，当变压器发生匝间短路故障后，在故障点将形成一个放 电点，随着弧光放电产生，必将消耗大量的功率损耗，其具体的数值将依赖于过渡电 阻的大小。 综上所述，可以得出结论：当变压器绕组发生匝间短路，会使变压器的负载铁耗 和空载损耗均增加从而导致总损耗增加，而且对于匝间短路严重程度的不同，增加 损耗也不同，损耗会随着短路匝数的增加而增大，具体的数值依赖于短路故障的严重 程度以及过渡电阻大小等因素。 由于电力变压器是电网中最重要的设备之一，它的健康状态对于电力系统的可靠 性运行具有重大影响。所以对变压器进行监测，取得变压器的状态信息，就可以分析 判断变压器的健康状态【1 9 ，冽。传统取得变压器状态信息的方法是提供变压器故障和事 故后的滞后信息，在事故过后获得状态信息，与现代化状态维护发展趋势不相适应， 不能满足对变压器进行实时状态监测的需要。随着变压器现代维护技术的发展，产生 了状态监测，它打破了以往收集变压器信息的局限性。目前电力系统通过采用对变压 器的在线监测，可以及时连续记录各种影响变压器寿命的相关数据，对这些数据的自 动化处理可及早发现故障隐患，实现基本的状态维护【2 1 l 。现代科技进步使微电子技术、 传感技术和计算机技术广泛应用于电力系统高压设备的状态监测成为现实。国内外应 用的各种在线监测装置和方法相继运用于电网和变电站，从而积累了许多在线监测的 经验，促使在线监测技术上不断完善和成熟。开拓了高压装置状态维护的新局面【1 9 1 。 变压器在线监测技术的优越之处是以微处理技术为核心，具有标准程序软件，可将传 感器、数据收集硬件、通信系统和分析功能组装成一体，弥补了室内常规监测方法和 装置的不足。变压器在线监测提高了运行可靠性，延长了检修周期和变压器寿命。由 此带来的经济效益是非常可观的。 5 华中科技大学硕士学位论文 在变压器的各种在线监测技术中，局部放电的在线监测是一个非常重要的内容。 在电场作用下，绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿于施加电压的导体之间， 即尚未击穿，这种现象就是局部放电瞄矧。如在固体绝缘介质中，存在大大小小的气 隙，在电场作用下，由于气隙中的场强比固体中的场强大，而且气隙的击穿强度比固 体的击穿强度大，所以当电压比较高的时候，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保 持其绝缘特性，电极之间并没有贯穿性的通道。如果是绝缘油和绝缘固体的组合绝缘 结构，例如油纸电缆、油纸电容等，由于存在充满绝缘油的间隙，而油的击穿强度比 固体介质的小，在电压比较高的情况下也可能发生局部放电。很多故障均产生局部放 电，所以变压器局部放电是反映高压电气设备状态的一个重要标志【弘矧，如铁心绝缘 不良可以导致产生局部放电，在故障较严重时还会导致铁心两点接地，甚至出现工频 短路电流。因此局部放电最能有效反映变压器内部的绝缘状况，对5 0 0 k v 超高压系统 及特高压系统的大型电力变压器可靠性监测来说，局部放电在线监测非常有效。 1 3 论文的结构 本文对变压器监测与故障定位方法进行了研究，开发了相应的硬件调理单元和软 件采集分析系统。在实验室进行了大量试验和实验工作，证明综合各种方法在变压器 局部放电中应用的可行性和有效性，这对于电厂的电力变压器的可靠运行具有一定意 义。 本文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章：介绍电气设备在线监测和变压器内部局部放电在线监测的基本情况。局 部放电在线监测的原理以及国内外现状。 第二章：比较了目前变压器局部放电定位的两种方法，并重点介绍了变压器绕组 局部放电的电气定位方法。 第三章：从变压器的绝缘结构出发，结合变压器的外部形状，将几种变压器监测 方法在实际情况的应用进行比较。 第四章：介绍了变压器的绝缘结构，并对变压器故障历史统计数据做分析。设计 了变压器高压套管监测系统，布置了末屏电容分压传感器，采用绝对测量和相对测量 6 华中科技大学硕士学位论文 相结合的方法测量了套管的介质损耗，并应用传输线理论分析了其误差特性；在软件 设计中，用工控机控制底层硬件，由功能完善的软件完成信号的采集、分析处理和结 果显示。 第五章：总结本文开展过的一些研究工作和提出本研究方向有待解决的闯题。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 变压器局部放电电气定位方法研究 2 1 目前变压器局部放电两种定位方法比较 局部放电定位主要有电气法和超声波法两种，电气法定位精度不高，超声波法是 根据局部放电产生的超声波传播的方向和时间来对故障点进行定位的。由于变压器内 部绝缘结构复杂，不同介质对声波的衰减和对声速的影响也有差异，声波可能在变压 器内产生各种反射，同时还受到目前使用的超声波传感器的抗干扰能力和灵敏度的限 制，其定位精度往往不理想。 1 9 8 9 年，澳大利亚的科学家提出了一种研究变压器绕组内局部放电脉冲的新方 法i 笱l 。通过实验发现：对于某些变压器绕组特别是纠结式绕组，存在一个频率范围， 在这范围内，可以应用电容梯形网络来分析局部放电信号沿线圈的分布，从而大大简 化了变压器绕组的结构。 近年来，数字信号处理技术和小波分析理论的迅速发展和广泛应用为有效的滤 除干扰、提取局部放电信号提供了新的有利工具，从而为使用电气方法以精确地来确 定电力设备绕组中的局部放电位置提供了新的思路。本章通过对变压器绕组频率特性 分析，并综合运用小波和傅立叶变换对大型电力变压器绕组内的局部放电进行较精确 定位的方法研究。 2 2 定位精度与工作频带的探讨 变压器局部放电定位要求在数米空间内实现对厘米范围的定位，与雷达无源定位 的原理相同，变压器局部放电电磁波定位方法依据的是多传感器接收信号的时延信 息，因此时延的准确测量是定位成功与否的关键。脉冲信号的时延测量精度与脉冲信 号上升沿时间的倒数成正比。脉冲宽度越小、前沿越陡，其时间分辨率越高，相应时 延的测量越准确。高精度雷达定位中通常采用的电磁波频率从几百m h z 提高到了数 十g h z ，其定位精度从数米提高到数厘米。雷达定位精度与电磁波的频率( 波长) 有关， 频率越高，定位精度越高。电磁波在变压器油中的波速约为2 0 c m n s ，为保证定位 8 华中科技大学硕士学位论文 精度达到厘米量级，定位系统总的时延误差应不大于0 1 n s ，考虑到时间差算法在空 间定位至少需要3 个时延值，则单次时延测量误差应在0 1 3 - 5 8 p s 。假定在能够 分辨振荡波形首波峰的情况下系统最低信噪比为2 ，根据波峰确定其水平位置的误差 可达5 0 ，则信号上升沿须达到约0 1 n s ；信号上升时间与检测频带的关系为 f 0 3 5 t ，g h z ( 2 - 1 ) 式中，厂，。为系统的3 d b 带宽；t ，为信号上升时间。由此可得3 d b 带宽的系统 上限频率为3 5 g h z 。最新频谱研究表明，油中局部放电辐射在1 - 5 g h z 内具有较强的 能量分布，检测灵敏度可达4 0 p c ；考虑到检测系统的分散性、检测灵敏度、传感器 的布置及算法等诸多因素影响，1 g 一5 g h z 的频带比较适合局部放电定位。但受目前 条件限制，只能在低频带上进行研究。 2 3 变压器绕组的频率特性分析 简化的变压器绕组的等效电路如图2 - 1 所示。图中，l 为绕组单位长度的电感； c 为绕组单位长度的并联电容；c k 为绕组单位长度的串联电容；r 为绕组单位长度的 串联电阻；h 为绕组单位长度的剩余电感。 冈 l j 图2 - 1 变压器绕组的简化等效电路 应用电路原理，求得该电路的解为： 9 华中科技大学硕士学位论文 其中 y i = ( i z 。) ( a s hyx + b c hyx ) ( 2 - 2 ) z c 一巫逗， 1 l 巫c k o a z 重- 1 堕j q - 亟1 ( 2 - 3 ) 其中，q = c o l r 为绕组的品质因数。a 、b 为常数，由边界条件确定。 通常变压器绕组的品质因数q 在一个较宽的频率范围内很大，这样，当q 趋向 于无穷大时，1 r 和z 进一步简化为： y 。l 啦面扛j 瓦| 孓夏西 z 。瓜再j 瓦| 再面 ( 2 - 4 ) f l 拭( 2 4 1 可看出，随着频率范围的改变，绕组的性质有所不同： 1 1 当 1 c 厢, m ，t = j , 0 4 t d ，z = l 4 2 7 石。，可看成一传输线。 2 ) 当1 刁且mz c k l ，1 时，y = 石两，z = v j oc 4 瓦，绕组等效成一电 容网络。 3 ) 当= 1 可时，小z 为无穷大，在这一频率下绕组犹如开路。 对于两端开路的绕组，其传递函数为： h ( ) = u 2 ( ( ) ) u 。( ) = l c h ( y 1 )( 2 - 5 ) 可见在某段频率范围内细1 、i 且o2 c 。l 。1 ) ，变压器的参数丫= 石_ 7 百；而 当变压器的结构和尺寸确定后，c 和c k 均为常数。因此绕组的传递函数在此范围内为 一恒值。 图2 - 2 所示的是对型号为s f z 8 5 0 0 0 0 k v a 1 1 0 k v 变压器纠结一连续式高压绕组的 1 0 华中科技大学硕士学位论文 试验结果。可见，在3 0 0 5 0 0 k h z 频率范围内，绕组传递函数h ( ( o ) 的相位近似为0 ， 而旧( n ，) l 几乎是一个恒值。而在这一电容频率范围之外时，不仅p ( n 哆l 出现了较大的 振荡，而且在输入和输出之间有很大的相位移。 2 1 5 圣1 0 ，5 0 图2 2 1 1 0k v 变压器绕组在正弦脉冲下的传递函数 2 4 局部放电位置的确定 在变压器绕组的电容频率范围内，可用图2 - 3 所示的电容梯形网络来描述此绕组， 因此用该网络对电压沿绕组的分布特性进行分析，可以求得电压分布方程为： 。ft 图2 3 变压器绕组的电容梯形网络 d 2 u d x 2 = ( c c 。) u 式中，x 为从中性点到测量点的绕组长度；1 1 为x 点的对地电压，其解为： u = a c h ( qx ) + b s h ( ax ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 1 1 华中科技大学硕士学位论文 其中，g = 石西称为电容分布系数。 对于一个两端可以看作电容接地的变压器绕组来讲，由局部放电引起的绕组 端电压之比为： u 10 c k c c h ( a x ) + c s h ( a x ) 一 u , c i c c h a ( 1 一工) 1 + c l s h a ( 1 一功】 ( 2 - 8 ) 其中，u 。、u 。、c 。、c 。分别为在线端和中性点处的相应的电压和电容；x 为放电点 到中性点的绕组长度。 通过监测绕组两端的电压，由式( 2 8 ) 可确定局部放电的位置。但在实际应用中， 变压器绕组的参数c 、q 、c 。、q 是很难获得的，文献提出了一种新的线性插值方法 直线内插法嘶2 7 应用该方法无须知道这些参数就可确定局部放电的位置。 2 5 信号的去噪和电容频率分量的提取 绕组两端的瞬变电压信号必须先经过滤波，以得到其在电容频率范围内的分量， 才可用本方法来进行局部放电的定位。同时，由于局部放电信号非常微弱，而各方面 的干扰是不可避免的，在提取信号电容频率分量之前，需要对信号进行预滤波以滤除 干扰，从而获得真实的局部放电信号。因此，要对信号进行两次处理。 从f o u r i e r 变换发展起来的小波分析具有多尺度分析和良好的时频局部化特征， 可以准确地提取信号的特征，已成为信号特征提取得有力工具。连续小波变换定义为： 嘲垆仰2 ；= ： 脚荦如 ( 2 - 9 ) 取s 一2j ( j = 1 2 。，j ) ，x = n ( n = o ，1 ，n - 1 ) ，引入尺度( 平滑) 函数妒( x ) ， 蹦力。专吗_ ) ( 2 - 1 0 ) 定义s e f ( x ) ，。吻( 力为平滑算子，s z ，( 玎) i ，呀o ) 为平滑系数。 华中科技大学硕士学位论文 s 一，( 疗) 为输入数字信号， 平滑函数 则离散二进制小波变换分解算法为： s 2 ，( n ) 。薹s 2 ，l 厂( 一一2 7 。七) ( 2 一l1 ) ，厂( ，1 ) 一罗g 。s ，( n 一2 h f ) 小波函数 趔 。 ( 2 一1 2 ) 小波变换的模局部极大值，即限，( 砌l 的局部极大值，对于检测信号的边缘和信 号的奇异性具有重要意义。根据小波变换的局部极大值及其跨尺度传递，可准确地确 定突变点的位置。 小波变换分析的特点是不仅具有良好的频域分析能力，而且具有优良的线性相位 特性，能够在不改变信号可评估性的同时进行噪声抑制。基于小波分析的噪声抑制的 理论是多分辨分析，在已知噪声频带的时候，利用它进行信号分解，抽取有关频带之 后再进行重建，最终实现局部放电信号的提取。目前已能利用小波分析提取微秒级局 部放电信号和毫秒级声波信号。 在本方法的具体实现过程中考虑到局部放电信号是突变的，采用小波分析去除噪 声，提取放电信号。去除的主要是白噪声和载波干扰，应用现在已经比较成熟的模极 大值法汹1 。而对信号的电容频率分量的提取实际上是一个带通滤波的过程，采用基 于傅立叶变换的最佳线性相位f i r 数字滤波器。 2 6 实例分析 对一台1 1 0 k v 变压器绕组进行了模拟局部放电试验。通过试验确定该变压器的电 容频率范围分别为3 0 0 5 0 0 k l - i z 和2 0 0 3 0 0 k i - i z 。从变压器上测得的信号和分析结果， 最终算得放电位置为x = o 4 8 ，而实际注入的位置为x = o 5 ，误差为4 。 由实例可看出：放电位置越靠近绕组两端，定位精度越低。这是因为放电越靠近 端部，从两端测得的放电信号的时差就越大，从而降低了定位精度。尽管如此，该方 法的定位精度还是比较高。 华中科技大学硕士学位论文 2 7 本章小结 4 3 2 1 0 t ，船 图2 4 变压器1 的原始信号和分析结果 t ，h 图2 - 5 去噪和带通滤波后的结果 本章通过对变压器绕组的频率特性进行了分析，得出在一定的频率范围内，可以 用电容梯形网络来近似，并运用小波变换分析探讨了一种对大型电力变压器绕组内部 的局部放电进行较精确定位的电气方法。经对一变压器加模拟局部放电信号试验，证 明该方法是可行的。 兰 耀 坫 坦 伽 0 o 仉 “ 叽 n 华中科技大学硕士学位论文 3 几种变压器局部放电监测方法的研究探讨 变压器的局部放电监测方法主要有以下几种：脉冲电流法、超声波法、射频检测 法、超高频方法等，下面对它们的实际应用情况作简要的分析和比较： 3 1 脉冲电流法 脉冲电流法通过监测阻抗接入到测量回路中来检测。监测变压器套管末屏接地 线、外壳接地线、中性点接地线、铁芯接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电 流，获得视在放电量。脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种监测方法，i e c 一6 0 2 7 0 为i e c 于2 0 0 0 年正式公布的局部放电测量标准。脉冲电流法通常用于变压器出厂时 的型式试验以及其他离线测试中，其离线测量灵敏度高。 脉冲电流法的问题在于以下几方面：其抗干扰能力差，无法有效应用于现场的在 线监测；对于变压器类具有绕组结构的设备在标定时产生很大的误差【2 _ 7 l ；由于监测阻 抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此当试样 的电容量较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度受到一定限制，测量频 率低、频带窄、包含的信息量少。 3 2 超声波法 在局部放电产生的过程中，分子问剧烈碰撞，并在宏观上瞬间形成一种压力，产 生声波脉冲，它的频谱可从几十h z 到几十m h z 。不同的电气设备、环境条件和绝缘 介质，产生的声波频谱都不同。在油纸绝缘为主的变压器中，不同电极和绝缘结构中 放电产生声波频谱也是不同气隙埋藏在油纸绝缘中越深，高频分量衰减越多 2 8 1 。监测 的超声波灵敏度依赖于局部放电源与探测器间的复合阻抗和传输特性。因此，各种类 型的放电，超声波的低频段所含分量较丰富，对其测量的频带多选在2 0 k h z 3 0 0 k h z 之间。而超声波测量，一般通过压电换能器材料做成的超声波传感器转换成电信号， 然后再进行处理和评估。超声波在气体、液体中是以纵波的方式传播的，而在固体中 华中科技大学硕士学位论文 传播既有纵波又有横波。现行的变压器的局部放电超声波测量，多以超声波传感器固 定在油箱外壁上，由此监测局部放电超声波信号的大小，这时超声波的传播在金属外 壳上从主要为纵波的传播方式变为主要为横波的传播方式。根据i e c 2 7 0 ，用电测法 测得的放电参数作为表征局部放电的标准量。由于对放电产生声波机理的认识局限性 和对声波传播中衰减校正的困难，超声波测量法主要用来定性地判断局部放电特征量 的大小，此测量法还不能作为一个标准的定量方法。通过对局部放电的超声波监测可 对局部放电进行的几何定位。纯粹的超声波测量定位时，时延和相对时延是需要测量 的关键量。在电气脉冲超声波定位法中，电气脉冲以光速传播，可认为与局部放电同 时产生，因而可以把测得的电气脉冲作为时间基准，获得超声探头的传输时延。超声 波法通过监测变压器局部放电产生的超声波信号来测量局部放电的大小和位置【”3 ”。 超声传感器的频带约为7 0 1 5 0 k h z ( 或3 0 0 k h z ) ，以避开铁芯的铁磁噪声和变压器的 机械振动噪声。由于超声波法受电气干扰小且可以在线测量和定位，因而人们对超声 波法的研究较深入。但且前该方法存在着很大的问题：当前的超声传感器灵敏度很 低，无法在现场有效地测到信号：传感器的抗电磁干扰能力较差。因此，超声监测主 要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合脉冲电流法或直接利用超声信号对 局部放电源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线监测中，它是主要的辅助测量 手段【3 2 】。 3 3 射频检测法 局部放电的射频检测是近几年出现的监测方法。局部放电时产生射频电磁信号涵 盖 f 和u h f 波段。对射频信号的监测同样可以实现对局部放电的评估和定位。局 部放电时，发生正负电荷中和，伴随一个陡的电流脉冲，并辐射出电磁波。局部放电 辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状及放电间隙的绝缘强度有关。放电 间隙小，或绝缘强度高时，电流脉冲的陡度就大，辐射电磁波能力就强。变压器中油 一纸绝缘的绝缘强度较高，局部放电产生的辐射电场扰动是持续时间为n s 级的脉冲， 具有丰富的高频分量，可达数g h z 。射频检测法的关键是传感器及其接收灵敏度。目 前，传感器有罗哥夫斯基线圈、电容传感器和射频天线传感器等几种传感器。变压器 华中科技大学硕士学位论文 箱壁是非常好的电磁屏蔽体，因而绝大部分传感器布置在出线端口或变压器内部监测 射频信号。由于导线及辐射损耗，脉冲电磁波在沿绕组及外导线的衰减很快，在出线 端检测其的灵敏度很低，得到的频率分量也低。传感器放在变压器内部，局部放电产 生的电磁波到达传感器的衰减较少。若有较好的波导结构对电磁波无损传输，射频检 测法可达到较高的灵敏度。这种传感器相对于超声波能监测更大的区域。目前已有将 宽带单壁、双臂阿基米德螺旋天线伸入油阀对射频信号监测的装置。变电站的背景噪 声和空气电晕产生的电磁干扰频率一般均较低，都在4 0 0 m h z 以下。可以用宽带u h f 法作有效抑制。对于通信、广播电视信号，可用窄带u h f 法或加梳状滤波作区别和 处理。对于置于变压器内的射频传感器，金属箱壁良好的电磁屏蔽作用可有效抑制外 部电磁信号。所以射频法能有效抑制干扰，在近年来得到较快的发展，已在一些电力 设备r 如g i s 、电机、电缆和变压器) 中得到了应用利用罗果夫斯基线圈从变压器中性 点处测取信号，测量的信号频率可以达到3 0 m h z ，大大提高了局部放电的测量频率， 同时测试系统安装方便，监测设备不改变电力系统的运行方式。但对于三相电力变压 器来说，得到的信号是三相局部放电信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干 扰。随着数字滤波技术的发展，射频检测法在局部放电在线监测中得到了较广泛的应 用。 3 4 超声波和射频电磁波联合检测技术监测法 在澳大利亚的西门子研究机构使用局部放电产生的超声波和射频电磁波联合检 测技术监测变压器中的局部放电活动【3 3 - 3 5 1 。该系统运行的关键依据是：超声波和电磁 波在变压器介质中的传播速度是不一致的，因而可以测量两种波到达传感器的时间间 隔。该系统依赖一个可同时监测射频和超声波的复合传感器探头。探头布置在带有0 形密封垫圈的导入板的前面。传感器的接收信号线穿过导入板送入其后的接地金属 箱，箱内安装的是处理耦合过来的电信号的模拟电子电路。探头有永久性安装型和暂 时性可重安装型两种，通过变压器壁顶或出入油孔或观察窗伸入变压器的油中， 并与壁顶齐平。这样做可有效屏蔽变电站其它设备的噪声干扰，也避免了变压器壁 传播导致传播的路径复杂化和衰减。复合传感器探头包括超声波传感器和射频传感器 1 7 华中科技大学硕士学位论文 两部分。超声波传感器必须是非常灵敏，与变压器油声匹配，具有短促的下降时间， 并能长期工作在温度高达1 2 0 和具有腐蚀性的变压器油中。该系统使用的是一种特 殊组成成分的超声波传感器。在压电陶瓷周围填满环氧树脂，在传感器后面充满比例 为l ：3 的环氧树脂和钨粉的混合物。这种传感器符合以下要求：对变压器中传播的 振动表现出低频磁致伸缩性；具有很低的横向耦合系数；可有效抵制接收变压器箱壁 变向传播产生的横波。射频传感器由包围超声波传感器的环形铜环组成，同样与变压 器壁齐平。铜环与地间形成一个电容，这种容性天线与和其连接的引线电感形成一个 谐振电路，可感应局部放电引起的电场扰动。通过并入附加电感，天线的谐振频率可 在1 0 m h z 到t o o m h z 间调整。模拟处理电路安装在紧贴变压器的金属箱内，处理电路 的元件为军品级。模拟数字在l o o m s 内以1 6 k h z 频率进行变换，2 s 重复一次。微处理 器的程序包括计算超声波幅度、超声波和射频频率、二者的时间间隔及处理报警状态。 根据计算结果微处理器相应地可驱动4 个级别报警。条件报警的流程如图3 1 。 图3 - 1 条件报警流程图 如果检测到一个超声波脉冲，则其前面所有4 m s 内的射频脉冲都记录下来。若 以超声波脉冲为时间基准，可得到射频、超声波脉冲间的时间间隔。并以此时间问隔 为横轴、以射频脉冲计数值为纵轴。这种方法称为反时间折叠信号处理。当存在某固 1 8 华中科技大学硕士学位论文 定局部放电源时，由于局部放电源和探头的位置固定，得到的对应的时间间隔不变。 随着采集信号次数增加，在对应时间间隔上发展成一个峰值，而噪声干扰则平铺在时 间轴上，这样就能在电晕干扰的背景中分辨出局部放电源来。法国a l s t o m 输配电局 对联合检测技术的发展中，法国研究人员通过对变压器中的典型局部放电在开放式油 容器和有层压板屏障下的比较研究，得出超声波在有屏障下比没有屏障时在检测的信 号幅度和灵敏度上有很大衰减，而屏障对局部放电的u h f 信号检测实际没有影响，能 监测到1 0 p c 以下的局部放电。该文还试图用一个u h f 传感器和一些超声波传感器对 2 2 0 k v 的终端绝缘绕组模型中的局部放电定位。并认为由于硬件简单和良好的定位算 法和测量系统，超声波检测在变压器的离线和在线评估中仍继续作为常用技术使用。 局部放电的u h f 检测，由于内在的抗干扰性和对深埋于绝缘问隔上的射频统计数直方 图中的小放电的高灵敏度，必将会得到更大的应用。考虑实际绝缘介质，射频电磁波 信号和电脉冲在传播速度上实际是一个数量级的，都远远大于超声波的传播速度，可 以替代电脉冲作为局部放电产生的时间基准，而且射频检测可做到无接触测量。超声 波和射频联合检测技术的主要特点有： ( 1 ) 超声波和射频联合检测技术能更好地保证局部放电检测的可靠性。超声波或 射频检测得到的局部放电表征量超过设定的闽值，就足以引起警戒，同时二者之间， 在时频特性、放电指纹上都具有较好的可比性。另外，在二者的时问间隔轴上某些离 散点上出现射频超声波统计记数的峰值，它有别于背景干扰和散射影响。 ( 2 ) 超声波和射频联合检测是非接触测量方法。检测系统的接人对设备运行没有影 响，可以实现在线监测，而且前级设备轻便、简练、安全性好。 ( 3 ) 在一个射频传感器和多个超声波传感器配置下，在性能良好的射频接收设备和 定位算法的配