變壓器局放檢測中超聲波和超高頻法的現狀分析

劉興元

（陽城國際發電有限責任公司，山西 陽城 048102）

0 引言

局部放電是反映電力變壓器絕緣狀態的一個最為靈敏的特征量，也是絕緣老化過程中必然出現的現象，更是導致絕緣劣化的主要原因。在整個電力系統中，變壓器對其安全、穩定運行的可靠性起著關鍵的作用，而變壓器在長期運行中，絕緣受溫度、雷擊及內部過電壓的作用逐漸老化，導致變壓器內部絕緣產生局部放電。有資料表明，80%電力變壓器故障是由于局部放電導致絕緣損壞而引起的。通過對變壓器局部放電的在線監測，可以發現早期絕緣故障，以預防突發性事故的發生，從而對整個電力系統的安全運行起著重大的意義。

當前國內外對變壓器局部放電的檢測方法大致可以分為非電測法和電測法2大類。本文對2類方法中的超聲波法和超高頻法進行闡述比較，分析當前2種檢測方法存在的問題，并在此基礎上進行了展望。

1 超聲波檢測法

變壓器內部發生局部放電時，產生的超聲波信號以球面狀向四周傳播［1］，通過安裝在變壓器外殼上的傳感器，將超聲波信號轉換為電信號，以多個傳感器接受到信號的時延經過定位算法的計算，從而對局放源進行定位。

變壓器內部發生局部放電時，放電源產生的超聲波到達外殼上的傳感器有2種途徑，一種是超聲波通過變壓器油并穿過鋼板直接到達傳感器，這種稱為縱向波；另一種是先傳到變壓器油箱內壁，然后沿著鋼板傳至傳感器，此種稱為復合波［1-2］。由于超聲波沿鋼板傳播的速度比在變壓器油中快得多，且在鋼板中衰減很大，所以到達傳感器的縱向波幅值比復合波大得多，因此測量各個傳感器接收超聲波的時延是以直達波的到時為基準的。其中超聲波定位法又可分為以下2類［3］：（1）電—聲定位。此方法以局部放電所產生的電脈沖為基準信號，同時記錄電脈沖信號和多路超聲波信號，將超聲波信號與電脈沖信號相比較，得到兩信號之間的時延作為局部放電源到達各個傳感器的傳播時間，再以等值聲速乘以各個時延從而計算出放電源到各個傳感器之間的距離，最后列方程求解出放電點坐標。（2）聲—聲定位。該方法以其中一個傳感器接收到的超聲波信號為參照基準，測量其他傳感器分別接收到的超聲波信號相較于基準傳感器所接受到信號的時延，然后將時延值代入方程求解，即得到局放源的位置。

由于超聲波檢測定位法受電磁干擾的影響小并且可以實現在線檢測和定位，因而國內外對超聲波法研究得比較深入，在實際中也取得了廣泛的應用，但是當前仍然存在以下問題：（1）超聲波在電力變壓器內部的傳播過程復雜，使得波信號衰減嚴重，從而導致檢測靈敏度降低。雖然已有學者對超聲波傳播路徑作了系統分析，但是所建立的變壓器模型仍然不能模擬出實際變壓器的復雜性。（2）傳感器接收信號時，如何判別是否為縱向波在定位中尤為重要，然而在實際應用中主要是通過技術人員的經驗來確定的，并且當前關于縱向波的研究較少。（3）目前超聲波傳感器仍處于發展階段，更高精度和分辨率的傳感器仍需要進一步研究。

2 超高頻（UHF）檢測法

超高頻檢測法是通過天線傳感器接收局部放電所輻射的超高頻電磁波來實現檢測的。1982年，Boggs和Stone首次利用超高頻法成功檢測出GIS設備中的初始局部放電脈沖。1996年Rutgers首先將UHF檢測法應用于電力變壓器的局部放電測量。由于該技術的檢測頻段非常高，可有效避開局部放電測量中的電氣干擾，使其得到了很高的靈敏度，大大提高了信噪比。正是該方法擁有傳統檢測方法無可比擬的優點，使其近些年來在國內外得到了大量的研究［4］。

英國Strathclyde大學的Judd等人和荷蘭KEMA實驗室的Rutgers等人的研究表明：油中放電上升沿很陡，脈沖寬度多為納秒級，能激勵起1 GHz以上的超高頻電磁信號。Raja等人在真實變壓器模型上實驗證實了超高頻法的靈敏度遠高于超聲法，且基本不受紙板等絕緣物的影響。此外，法國ALSTOM輸配電研究中心的K.Raja等人研究了各種典型局部放電模型的UHF特性，并建立了模式識別方法。

近些年在國內，對于變壓器的局部放電UHF檢測方法也取得了不少成果，其中西安交通大學李彥明等人基于混頻技術建立了頻帶可調的窄帶檢測系統，通過神經網絡方法實現了局部放電類型的自動識別。華北電力大學李成榕等人則采用檢波技術對原始超高頻信號進行調理，并研制了基于檢波技術的電力變壓器在線監測裝置。重慶大學、清華大學等在變壓器局部放電超高頻檢測方面也取得了一系列成果。

基于超高頻信號的局放定位方法作為新發展起來的局部放電定位技術，其定位精度高。但對其研究還不夠深入，還需要進一步的研究和試驗。

（1）目前方法所模擬的局部放電源與變壓器實際放電形式不符，難以保證準確獲得局部放電源位置。（2）變壓器內部結構復雜，導致UHF信號的傳播規律也很復雜，影響了定位精度的提高。（3）由于現場電磁干擾非常大，所以抗干擾能力強、靈敏度高的傳感器需要進一步研究制造。（4）目前對超高頻法的定位算法剛剛起步，需要進一步的研究。

3 2種方法比較

通過對目前2種檢測方法的闡述以及所存在問題的分析，2種方法的特點總結如表1所示。

表1 超聲波和超高頻法的比較

4 結語

超聲波法和超高頻法在變壓器局部放電檢測定位中有著其他傳統方法無可比擬的優點。但是2種方法在研究過程中仍然存在一些問題。針對這些問題，變壓器局放可以從以下幾個方面發展：（1）充分分析各種放電模型的放電機理以適應實際需求；（2）增加變壓器的模擬構成，并采用合理的方法對信號在變壓器中的傳播規律進行建模分析；（3）開發新型傳感器以提高對信號檢測的靈敏度和抗干擾能力等。

［1］羅日成，李衛國，李成榕，等.基于改進PSO算法的變壓器局部放電超聲波定位方法［J］.電力系統自動化，2005，29（18）：66～69

［2］羅勇芬，李彥明.用于油中局部放電定位的超聲相控接收陣傳感器的研究［J］.西安交通大學學報，2005，39（4）：402～406

［3］孫才新，羅兵，顧樂觀，等.變壓器局部放電源的電-聲和聲-聲定位法及其評判的研究［J］.電工技術學報，1997，12（5）：49～52，60

［4］羅勇芬，李彥明，劉麗春.基于超高頻和超聲波相控接收原理的油中局部放電定位法仿真研究［J］.電工技術學報，2004（1）：35～39