变压器局部放电检测方法综述

变压器局部放电检测方法综述

1电力变压器局部放电检测方法电力变压器是电气系统的重要设备之一，其运行可靠性直接影响整个系统的安全和稳定。据不完全统计,在已有记录的事故中,由变压器故障所引起的系统事故占了很大的比例,而局部放电是导致电力变压器故障的主要原因之一,也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式,因此深入研究局部放电已经逐渐成为目前广大科研工作者们的重要课题。当前对变压器局部放电的检测方法层出不穷,大致可以分为电测法和非电测法两大类。本文中笔者在简单阐述现有检测方法的基础上,着重介绍了超声法在局放检测中的应用,分析了当前存在的问题并对它的应用前景进行了展望。2修复局放时产生的地震波场现有的局部放电检测方法大多以发生局部放电时产生的电磁波、光及超声等现象为依据,寻找能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态,大致可以分为电测法和非电测法。电测法主要检测局放时产生的电磁波信号,包括脉冲电流法、超高频检测法及超宽频检测法等。以脉冲电流法为代表,脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器,检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心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,它是研究较早、应用较广泛的一种检测方法,IEC专门制定了IEC-60270作为局部放电测量标准。非电检测法主要检测局放产生的超声、光及热等非电信号,包括气相色谱法和超声波法等。目前以超声波法的应用较为广泛。下文着重介绍超声法在局放检测中的应用。3超声法的特点变压器局放超声检测法是用固定在变压器箱壁上的超声波传感器接收变压器内部局部放电产生的超声信号,并通过数据采集和算法处理对局放源进行定位,通常的定位方法有电-声法以及声-声法。与其他检测方法相比,超声法具有以下优势。(1)超声法的抗干扰能力强。超声检测的原理是用压电传感器接收变压器内部局放源产生的超声信号,与箱体内部的绕组等介质没有直接的电磁关系,有利于在线检测的实现。(2)超声法的定位能力强。对变压器进行局部放电检测的目的是对局放源进行准确定位,超声波法的原理简单。以电声法为例,它以局放产生的电脉冲为基准,直接测得超声信号的时延,得到局放源与传感器的空间距离,再通过成熟的算法便可对其精确定位。(3)超声法的经济型高。与超高频法和气相色谱法等比较,超声法所需要的超声波传感器等技术成熟并且价格合适,有利于研发和使用。所以,超声法在现场变压器的局部放电检测中得到了广泛的应用,各大高校以及科研院所也均有电力变压器局放超声检测仪。4超声检测原理局放检测作为局放定位的基础,其作用不言而喻。使用超声法进行局部放电检测,首先应该充分了解超声波在变压器内部的传播规律;继而通过紧贴于变压器箱体上的超声传感器接收超声信号;由压电转换装置将声信号变为电信号后采用合适的方法进行局放定位处理。4.1超声传播特性仿真为了得到变压器内部放电源产生的超声信号的准确信息,作为基础,首先应该研究超声波在变压器内部的传播规律。华北电力大学的学者首先研究了超声波在变压器不同介质中的衰减情况,并以模态声发射理论为基础,得到了超声波在变压器油中以及箱壁上的传播速度。由此详细分析了电力变压器局部放电超声检测中超声波的传播路径。依据横波和纵波的临界角度(纵波14度,横波26度)将变压器外壳分为三个区域,如图1所示,分别对三个区域中超声波信号的传播特性进行研究。通过试验发现在Ⅰ区和Ⅱ区由于偏转角度小,超声时延的实测值和理论值相差不大,而Ⅲ区中的试验数据和理论数据的误差很大,当距离较远时甚至发生错误,分析后得出当传感器在Ⅲ区时,超声波信号的传播路径具有固定性、唯一性。进而通过计算,得出该超声波传播的唯一路径。文献中利用电-力-声的类比原理,借鉴电磁学分析中广泛使用的中心差分方法,仿真了变压器中超声传播的时域波形。其中,二维空间中超声波的传播方程为:式中,x、y表示测量点的空间坐标,t为传播时间,v为传播声速,p为声压(即为振动幅值),仿真的过程即为求解式中的声压p。首先,采用中心差分法替代方程中的偏微分函数:然后,通过确定边界条件,求解便可得到声压与传播时间的关系。图2和图3分别为超声传感器正对局放源时的仿真波形与计算波形。从图2和图3可以看出,采用中心差分法仿真得到的超声时域波形与理论波形具有较好的一致性。但是笔者仅对单一介质进行了仿真,未考虑实际变压器中复杂介质的情况。4.2超声传感器局放为了使局部放电的定位效果优良,就应该使传感器接收到的超声波信号更加准确,为此人们进行了大量研究,大致可以分为两种方法。其一是将超声传感器安置于变压器内部。文献首先制作了适用于变压器局放检测的内置和外置超声波传感器,并在试验室中搭建了基于3种方法的局部放电检测平台(脉冲电流法、超声波法和UHF法),试验时在油箱内外同时采集局放产生的超声信号,并用相同的算法进行定位处理,对比后可以发现,采用内置超声传感器的定位精度明显好于外置式,这是由于内置传感器更易接收超声直达波,有效避免超声信号在变压器箱壁上传播引起的衰减,但由于在现场进行局放检测时难以将超声传感器安装于箱体内部,因此该方法仅适用于局放的离线检测。其二是采用超声阵列传感器代替传统的单个超声传感器。阵列传感器可以分为线阵、平面阵和共形阵。文献提出一种基于超声线阵传感器的局放检测方法,通过传感器线阵对空间信号场进行多点同步采样,并与单个传感器的情况进行对比,其定位结果更为精确。文献建立了4×4的局放超声平面阵列传感器模型并研制了传感器实物(如图4所示),基于FDOA方法进行局放超声阵列信号DOA估计的仿真研究,实现了阵列信号的高精度测向。与传统的单个传感器相比,采用平面阵列传感器可以增强信号增益,提高传感器抗干扰能力,并且可以有效提高利用传感器测向的可靠性。采用超声阵列传感器还可实现多局放源检测。之前学者们为了进行变压器内部的多局放源检测,大多在箱壁上安置多个传统单探头传感器。在研究如何避免直接计算超声波信号时间差的基础上,文献提出了一种基于广义互相关函数的声-声定位方法,可以区分多声源与单声源。但是此类方法仅在实验室中得到验证,实际应用价值不大。文献以超声阵列传感器为基础,采用修正盖氏圆算法成功对局放源个数进行了仿真估计,并得到了试验验证。可以看出,采用超声阵列传感器是今后超声检测法的发展趋势。4.3基于射频和超声波的局部放电联合检测法采用超声检测法的灵敏度不够高,且无法确定一个基准时刻,致使超声信号到达传感器的时间差误差较大。由此,产生了超声法与其他方法联合使用的检测方法。文献提出了基于超高频和超声波接收阵的局部放电检测法。该方法与电声检测法的原理类似,以超高频信号代替电脉冲,通过分别检测变压器内部局部放电产生的超高频和超声波信号,采用平面阵列传感器,以局放超高频信号作为时间基准,由此检测出的超声波信号的时延,进而通过仿真,计算得出局放源的空间位置。文献采用了基于射频和超声波的局部放电联合检测法,并基于此建立了一套系统,构成图如图5所示。该方法首先分析了传统的电声联合检测法带来的误差影响,继而提出了以射频信号代替电脉冲,同时使用射频电流信号和超声波信号对局部放电进行检测的方法,并对放电源进行定位。射频电流信号可通过变压器中性点与地的连线上获取,由于可以认为它与局部放电现象同时发生,因此具有很高的灵敏度,试验证明可以较好地减小误差。5局部放电检测局放检测是局放定位的基础,只有保证对局部放电信号检测的精度,才能对局放源准确地定位。在目前的众多方法中,超声检测法已经得到了广泛的应用。学者们通过更好地了解超声波在变压器中的传播路径,合理地选择超声传感器以及将超声法与别的方法联合使用,使之逐步成熟,但仍有一些问题不可忽视,现将问题总结如下。(1)上述各种局部放电检测方法中,在实验室环境下均采用三电容法模拟局放源,这与现场的情况不相符合,三电容法的放电机理不能代表实际中的所有放电形式。(2)超声波在变压器内部的传播过程很复杂,虽然已有文献对超声波在电力变压器中的传播路径做了系统的分析,但变压器模型没有模拟出实际变压器的复杂性。(3)在进行局放定位之前如何确定传感器接收到的信号是否为超声直达波显得尤为重要,当前对于超声直达波的研究很少,技术人员主要通过经验来排除非直达波。(4)对于超声阵列传感器的使用,目前仍然处于发展阶段,如何制作出精度高、分辨率高及耦合性能好的传感器,不仅是超声法局放源定位的基础,也是今后的发展趋势。针对上述问题,超声法检测局部放电可从以下几方面发展。(1)充分分析各种放电模型(针板、球板和柱板等)的放电机理,模拟各种模型下变压器内部的局部放电,使局部放电检测、定位系统更加完善,更能适应