超高频法在电力变压器局放在线监测中的应用g

超高频法在电力变压器局放在线监测中的应用郑州供电公司上街供电局 秦旷摘要：变压器局部放电超高频在线监测系统，充分应用了超高频带局部放电检测技术的优点，开发的系统可在不同电压等级，不同类型的变压器上使用，可在超高频段对电力变压器进行局部放电在线监测。与传统局放检测法相比，技术先进，效果明显。通过现场试验证明，超高频方法可以分辨出两个放电源的存在。同时说明超高频方法与脉冲电流法在测量变压器局放信号时具有很好的对应性。由于目前还没有超高频方法测量局放的相关标准，因此，超高频信号的测量结果与传统的脉冲电流法测得的结果还没有更为准确的可比性。要建立超高频方法测量变压器局放的标准，仍需要大量现场数据的支持。关键词：超高频 电力变压器 局部放电 在线监测局部放电是变压器绝缘劣化的重要原因，也是表征变压器绝缘劣化的重要参量。传统的局部放电试验方法，其测量信号的频率一般不超过1 MHz，在此频带范围内（事实上，在DC-350MHz范围内均如此）噪声具有很高的干扰水平，而测量灵敏度在很大程度上取决于外界的环境噪声干扰水平。这也正是传统的局部放电试验方法不能很好地用于变压器局部放电的在线监测的原因。针对传统检测方法的不足，近几年出现了一种新的检测方法-超高频（UHF）检测法。众所周知，变电站现场存在有大量的干扰和噪声，这一干扰和噪声主要分布在300350MHz以下，而超高频局部放电检测通过传感变压器内部局部放电所产生的超高频（300-3000 MHz）电磁信号来实现局部放电的检测和定位，由于避开了变电站现场的干扰从而大大地提高了检测的灵敏度。超高频局部放电检测技术近年来得到了较快的发展，在一些电力设备，如GIS、电机、电缆等的局部放电检测中已经得到初步应用。由于GIS的结构为超高频检测提供了极为有利的条件，电磁波在其中以波导的方式传播，有利于局部放电信号的检测，因而该方法在GIS局部放电在线检测中占有极为重要的地位，其灵敏度可达到1 pC。超高频检测法在电机、电缆中也有较成功的应用，有的已形成产品。对电力变压器而言，局部放电发生在变压器内的油-隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性，电磁波传播时会发生多次的折、反射及衰减，同时，变压器的铁心和箱壁也会对电磁波的传播带来影响，这就大大增加了变压器超高频局部放电检测的难度，因此，电力变压器局部放电超高频检测技术的研究仍处于起步阶段。近几年，荷兰KEMA实验室的Rutgers等人在实验室中对变压器超高频检测技术进行了初步研究，发现油中放电的上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激励起1 GHz以上的超高频电磁信号，他们还在实验室中检测到了变压器绝缘中几种典型缺陷放电的超高频信号。英国Strathclyde大学的Judd等人在对GIS中局部放电超高频检测研究的基础上，也对超高频局部放电检测技术在变压器中的应用进行了研究，并取得了一定的成果，从而为后续研究奠定了基础。在国内，由陕西恒丰电力电气有限公司与西安交通大学高压教研室共同领导的课题组，在此方面已进行了深入的研究，取得了较好的效果，并已成功地研制出可用于实际应用的产品，目前该技术处于国际领先水平。一、局部放电超高频监测系统的组成该系统由上下位机单元组成，上下位机采用数据库，通过局域网络进行通讯。下位机安装在现场待监测电力变压器附近合适位置，主要由超宽频天线传感器、高频传输单元、超高频局部放电信号调理单元、数据采集单元、计算机模块构成，主要完成变压器局部放电信号的采集循环自动和手动检测。上位机安装在主控室内或任何可以上网的计算机上，接收来自下位机的测量数据并进行详细的数据分析和状态评判，同时也具备历史数据报表查询和历史趋势曲线查询功能。图1-1系统结构示意图超高频检测系统主要由以下三部分组成：1. 传感单元：根据变压器局部放电的特性及变压器的实际结构，研制了一种超高频接收天线。该天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装等优点，适用于变压器局部放电在线检测。本系统采用1:4双孔磁芯阻抗变换器（又称传输线变压器）来实现天线与50射频电缆的平衡转换和阻抗变换，它兼备了集总参数变压器和传输线的优点，因而可以做到体积小、功率容量大、工作频带宽。对天线的驻波、增益和方向图的测试表明该天线在400-800 MHz频带范围内具有良好的接收特性，因而可用于超高频局部放电信号的检测。2. 信号处理单元：其工作频带为400MHz800 MHz，可在此频带内进行信号的窄带滤波，滤波器中心频率以5MHz的步长进行自动调节，滤波器带宽可在几个不同的带宽下调节以便以最有效的参数进行局部放电信号的接收。（要研究局放信号超高频分量的特征，就要对超高频信号进行采集和滤波。因为对几百MHz到1GHz的信号, 单次测量至少要一个工频周期以上，常用的A/D采集卡在采样率和存储深度方面很难满足要求，而且局放测量通常只关心信号的峰值及其出现的相位，把超高频信号无失真地采集下来也意义不大，且数据量极大，数据处理难度高。因而必须对信号进行处理，使得能任意选通超高频段一定带宽的某一中心频率的信号，将信号调整到普通采集卡能处理的频率范围，并保留其峰值和相位等特征，达到既能检测信号，又降低技术要求的目的。基于混频技术的局放检测系统便能实现这一功能。混频技术的应用，使要采集的频率在几百MHz到1GHz的信号降低到几MHz到几十MHz，既可保留原始局部放电信号超高频分量的峰值和相位特征，又大大降低了对信号采集系统的要求。通过调节混频器本振信号的频率即可完成对选通信号中心频率的选择，通过改变混频器后的低通滤波器的带宽就可改变选通频带的带宽，即混频技术的应用相当于实现了带宽可选、中心频率可调的带通滤波器。混频后低通滤波与直接高频窄带滤波对非选通频带的干扰具有同样的抑制能力。图2-1.信号处理单元组成框图1带通滤波器；2前置放大器；3混频器；4频率综合器；5低通滤波器；6中频放大器；7检波对数放大器3. 测控及软件单元：带有A/D转换器和数据处理软件以实现数据的采集、存储和分析。通过构造各种典型的变压器局放模型，研究了各缺陷在超高频下的局部放电特性，为实际变压器超高频局放检测提供了有力的实验数据。采用小波分析和联合时频分析等多种数字信号处理方法提取超高频下的局部放电电磁信号，以确保提取到的信号真实可靠。利用检测到的典型放电模型的放电特征图谱，提取放电的特征参数，建立相应的特征指纹库；采用基于遗传算法（GA）的人工神经网络方法，实现放电类型的自动识别。二、 局部放电超高频测试系统实现的功能1. 在线监测可在变压器正常运行时进行，并且不改变变压器正常结构，不影响变压器的正常运行；2. 具有足够的灵敏度，能监测到变压器内100Pc及以上的局放信号。3. 超高频接受器可在400800MHz范围内，其中心频率以5MHz为步长由计算机编程任意调节，带宽对每一中心频率可通过计算机编程在10，20，40，80MHz四档内选择。4. 系统具有较强的抗干扰能力，能避开现场常见干扰。5. 系统能定期自动进行信号检测并记录，时间间隔可人为设定。6. 系统的局放信号显示方式包括Hqmax（），Hqn（），Hn（），H（p），H（q）共五种谱图及局放的时域波形，并可由操作者选择。7. 系统能够实现变压器当地局部放电信号采集与处理系统（下位计算机）和其他局域网内计算机间的网络数据通讯。8. 可实现GSM短信报警功能，根据要求将警戒值告警，并通过告知相关的专业技术人员。三、应用情况目前，该系统已经在河北、河南等地区的变电站的部分电力变压器上安装运行。某500kV变电所单相自耦变压器乙炔含量超标且增长明显情况下，分别对故障C相和非故障B相进行离线局放测量，电气法与超高频法同步进行。变压器参数：额定电压500/230/ 36kV；额定容量250000/250000/60000kVA。测量设备： Tettex DDX-9101局放仪, 变压器局放超高频检测仪测量过程：所加电压为115Hz，先加1.5Um/3持续5分钟，再升到3Um /3电压下5秒，然后降到1.5 Um/3下测量，变压器出现很强放电，Tettex DDX-9101局放仪测得中压约6000pC，高压约2000pC，超高频检测仪测得如图1、2图1 1.5 Um/3电压下20ms时长的放电时域信号如图1所示，由于所加电压为115Hz，一个工频时长出现两个周期多的局放信号，放电的最高值40dBm，由图可见,该变压器放电谱图有两种放电组成，一种为每半周期只有四次左右放电幅值 40dBm（相当于数千Pc）左右，一种为每半周期30次左右放电幅值-70dBm（相当于数百Pc）左右。图2 1.5 Um/3电压下放电与背景噪声的频域分析图2 是1.5倍额定电压放电与背景噪声的频域分析，红色曲线代表放电量与中心频率的关系，绿色代表噪声与频率的关系，由图可见，在400MHz800MHz的频带内，最高放电量都在40dBm左右的较高水平。图3 0.6倍额定电压下9个工频时长的放电信号图3 是0.6倍额定电压9个工频时长的放电信号，每个周期的放电信号峰值都在-60dBm左右，幅值较稳定。 图4 30kV电压(高压侧)10mS时长的放电信号图4 是电压降低至接近熄灭时的放电波形，放电脉冲的重复率和幅值皆有所降低。图5 B相1.5倍额定电压10mS的放电时域信号（无均压帽，电晕16000pC）图5所示为B相变压器（无故障变压器）无均压帽时1.5倍额定电压下局放超高频测量系统测得的时域信号，最高值85dBm，无放电信号，比C相的放电水平40dBm小45dB，此时Tettex DDX-9101局放仪测得的电晕放电为16000pC，可见，超高频方法对电晕有很好的抑制效果。通过以上试验证明，超高频方法可以分辨出两个放电源的存在。同时说明超高频方法与脉冲电流法在测量变压器局放信号时具有很好的对应性，即对局放信号从无到有，从有到无，从弱到强，从强到弱，总能一一对应，超高频方法测得的-40dBm与脉冲电流法测得的数千pC相当。超高频局部放电测量技术充分利用变压器自身壳体的屏蔽作用，解决变压器局部放电在线监测中的主要问题。具有灵敏度高、超频宽、驻波比小、耦合特性良好、耐高温以及抗干扰能力强等特点，解决了现场变压器局部放电在线测量中的抗干扰问题，其抗干扰能力是目前传统局部放电测量装置所不可比拟的。四、存在问题及进一步工作由于目前还没有超高频方法测量局放的相关标准，因此，局放定量方面还需进一步做些研究工作，超高频信号的测量结果与传统的脉冲电流法测得的结果还没有更为准确的可比性。要建立超高频方法测量变压器局放的标准，需要大量现场数据的支持。模式识别需要相应变压器的故障指纹档案库，该指纹库是对应某一类型变压器的故障数据。目前，实验室建立的针对实验变压器的故障指纹档案库在实验室里取得了较好的效果，对相应故障的识别率很高，但在现场运行的变压器的故障数据需要有一段时间的积累，才能建立有效的故障指纹档案库。超高频局部放电测量技术利用变压器自身壳体的屏蔽作用，解决变压器局部放电在线监测中的主要问题，具有目前传统局部放电测量装置所不可比拟的的优点，但是，这套在线测量装置目前还不能替代现在实现的预防性试验，变压器油中溶解气体色谱分析试验等传统试验项目。参考文献1 邱昌容,王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术.北京:机械工业出版社,1994.2 冯慈璋.电磁场理论.北京:高等教育出版社,1991.3 王国利,郝艳捧,贾志东,等.电力变压器典型局放模型放电脉冲的特性研究.高电压技术,2001,27(2):5-8.4 陕西恒丰电力电气有限公司现场采集数据.作者简介 秦旷，公司专业技术带头人，绝缘监督专责，从事高电压试验、变电检修、安装、调试，项目管理等工作。电话：7，传真：5。Email：9 / 9文档可自由编辑打印