電脈沖、超聲和超高頻局放傳感器檢測波形對比

徐先新,孫鵬,王科,彭晶,項恩新,孫宏斌

(1.華北電力大學云南電網公司研究生工作站,昆明 650217; 2.云南電網公司電力研究院,昆明 650217; 3.江蘇金湖供電公司,江蘇 金湖 211600)

電脈沖、超聲和超高頻局放傳感器檢測波形對比

徐先新1,孫鵬2,王科2,彭晶2,項恩新2,孫宏斌3

(1.華北電力大學云南電網公司研究生工作站,昆明 650217; 2.云南電網公司電力研究院,昆明 650217; 3.江蘇金湖供電公司,江蘇 金湖 211600)

基于傳感器獲取局部放電信號,在對信號特征及信號分布進行分析統計的基礎上,可以實現不同類型局放傳感器對不同絕緣介質下典型缺陷的基于頻譜、放電量、放電機理、放電類型的基礎研究。本文對電脈沖、超聲、超高頻傳感器獲取的波形對比分析進行了綜述,并介紹了基于波形獲取的對比分析平臺,以后可以依托此平臺開展相關研究。

局部放電;傳感器;波形

1　前言

局部放電是造成設備絕緣劣化進而引發電力系統事故的重要原因,也是反映設備絕緣狀況的重要征象,因此局部放電檢測和基于檢測結果的評價也就成為絕緣狀況監測的重要手段[1-2]。

在局部放電的過程中,除了伴隨著電荷的轉移和電能的損耗之外,同時也產生了各種非電的信息,如產生聲波、發光、以及出現新的生成物等。通過檢測產生這些現象所伴生的脈沖電流、電磁波、聲波等物理量可以開展放電狀態的判定,由此相應地出現了很多局部放電檢測技術[3-7],其中脈沖電流法、AE(超聲法)和UHF的研究與應用居多,是最常用的三種局放檢測技術。從表1給出的常見局放檢測技術的特點比較分析可以看出,每種技術均有其不同的優缺點與適用范圍。進行不同檢測技術局放結果的對比分析,優選檢測儀器,成為了國內外研究者關注的方向[8-13]。文中從電脈沖、超聲和超高頻傳感器獲取的局放波形出發,綜述了不同檢測技術波形對比研究現狀,搭建了基于波形獲取的局放研究平臺并初步驗證了平臺設備的試驗性能。

2　超高頻法與電脈沖法波形對比

脈沖電流法可以在實驗室環境下實現放電量的定量檢測,但是不能很好地適應帶電檢測以及防止現場檢測中電磁干擾的影響,而UHF提供了一種非接觸式的局放檢測方法,由于其檢測頻率高等特點,在現場檢測方面具有很大的優勢。通過超高頻與電脈沖法的原始信號波形對比分析,研究兩種方法的信號關系,使在線、定量檢測局部放電成為可能,成為了目前局放領域研究的熱點和難點。

國內外眾研究者搭建了相關實驗室局放模型,利用示波器采集UHF與脈沖電流法的信號波形,進行了很多基于局放波形的兩種技術對比分析研究。

2.1超高頻信號幅值與視在放電量關系

視在放電量 (pC)可以由成熟應用的基于IEC60270的裝置測得,研究通過示波器采集到的UHF信號幅值 (mV)與視在放電量的關系,以UHF信號幅值為標準直觀地判斷視在放電量的大小,是一種基礎、有效的研究方向。

相關研究證明,UHF信號幅值與視在放電量的關系受到不同絕緣介質、不同缺陷類型、UHF傳感器相對于放電源的角度和距離的影響,但是均存在線性關系[14-15]。

2.2超高頻信號能量與視在放電量的關系

考慮到超高頻與脈沖電流法的參數對應關系,很多研究者將檢測到的UHF信號幅值 (dBmV)轉換為信號功率 (dBm)與視在放電量進行了對比。

文獻 [16]的作者設計了油中內部缺陷、沿面放電、油-屏障放電、懸浮放電四種模型,研究了變壓器典型缺陷的UHF信號功率與視在放電量的關系,只有沿面放電模型下的參數關系與擬合曲線y=-123+56x1/12有很好的吻合度,而其他三種模型的參數關系不是很明顯,但是四種模型的參數關系均證明了UHF與脈沖電流法有著相同的變化趨勢。

由于dBm并非電磁能量的真實數值,很多研究者提出以UHF瞬時輸出功率的數值積分作為UHF信號的能量,即

其中：Vi是UHF信號波形的第i次采樣值, RL是檢測阻抗,Δt是采樣間隔。

Glary與Mudd[17]等人采取了以下近似步驟：

1)UHF傳感器是無源、線性的,則傳感器輸出信號 V與傳感器探頭處輻射場強度 E成正比。

表1　脈沖電流法、AE、UHF特點比較分析

2)E是脈沖電流變化率di/dt的函數,若僅考慮電流脈沖波形的幅值,則di/dt與電流峰值IP存在比例關系,所以 E與 IP的幅值是正比關系。

3)因為脈沖電流波形是相似的,則其電流峰值IP與視在放電量q存在正比的關系。

以上推導再結合式 (1)可得出U∝q2。

為了證明這一關系,Glary搭建了油中尖板、自由金屬微粒等缺陷模型,利用示波器采集到的兩種信號進行了處理并加以對比。證明了尖板缺陷模型下,正半周期的U與q存在二次曲線的關系,即U∝q2,負半周期的U與q就不存在此種關系。而自由金屬微粒缺陷模型下,正負周期的曲線均滿足U∝q2。

在以上成果的基礎上,國內的唐炬等人定義了一個新的計算放電量q的公式[18]：

式中,q為放電量,RL是檢測阻抗,Ui是檢測阻抗測到的一次波形中的第i個值,Δt是采樣間隔。

搭建了油中自由金屬微粒放電缺陷模型,驗證了銅屑、銅片、銅粉三種金屬微粒缺陷在不同電壓下的q與UHF累計能量U式 (1)的關系,結果證明其存在二次曲線的關系,可以通過計算UHF累計能量U來獲得視在放電量。

GIS中UHF信號與放電量的關系也是UHF檢測的難點,張曉星[19]等人搭建了GIS金屬突出物缺陷、自由金屬微粒缺陷、絕緣子表面污染物缺陷等實驗室模型,研究了不同電壓下UHF信號能量式 (1)與放電量 (IEC60270標準)的關系,引入可決系數fd來判定兩者的相關程度：

試驗結果證明GIS中缺陷類型的UHF信號累計能量U與q2的線性關系具有很高的可決系數,其中金屬突出物的fd在0.9以上,可以利用UHF信號累計能量進行視在放電量的定量分析。

2.3超高頻與脈沖電流法的波形

每一次局放放電都會產生一個陡的電流脈沖,輻射出大量的電磁波。若能通過電磁信號波形推測出脈沖信號波形或參數,則通過對電磁波形的處理,就能解決定量分析局放嚴重程度的問題。

周立行[20]等人從電磁輻射理論出發,分析了局放脈沖電流輻射場的橫電磁波特性,推導出在近場條件下的局放脈沖電流i(t)與輻射電磁場的時間積分存在正比的關系,即：

為了驗證這一公式,利用采集到的油中針-板放電UHF信號波形進行波形反演,并將反演出的脈沖信號波形與真實波形進行了對比,結果證明反演估算的波形與真實波形基本接近,僅在上升沿存在誤差。

3　超聲法與脈沖電流法的波形對比

超聲法具有較高的靈敏度,在現場檢測中得到了很快的發展,廣泛應用于局放定位等領域,研究超聲信號與電脈沖信號的關系,利用超聲信號評定局放嚴重程度,成為了超聲法研究的難點。類比UHF與脈沖電流法的對比分析方法,利用什么特征量、在什么檢測環境下進行對比,很多學者進行了研究。

3.1檢測時域選擇

文獻 [21]的設計了油箱模擬變壓器環境,在兩塊圓板電極間設置多張油浸絕緣紙模擬內部放電缺陷,三個超聲傳感器分別放置于油箱的三個面,并將超聲信號接入多通道示波器,脈沖電流的信號為超聲信號的時間參考。分析了超聲傳感器所檢測到的局放事件數與超聲信號到達時間TOA的關系,在對應最大局放事件數的TOA±5 μs范圍內,對比了三個超聲傳感器信號 (V)與脈沖信號 (V)的關系,證明了其存在線性的關系。

3.2檢測頻域選擇

文獻 [22]的作者研究了不同頻帶對電脈沖信號和超聲信號的對比分析結果影響。研究過程如下：

1)選擇油中尖板缺陷模型,以處理過的超聲信號為基準,研究正負流注放電與不同檢測帶寬下的視在放電量與超聲信號關聯度最優的檢測帶寬。

2)在這一最優帶寬下,進一步研究了包括不同間距的尖板缺陷、沿面放電、內部放電等油中缺陷的超聲信號與視在放電量的關聯度。

3)試驗結果證明,不同間距的尖板缺陷關聯度大體相似,僅僅在幅值上略有不同,沿面放電與內部放電的關聯度不明顯,并且內部放電的AE信號幅值比較小,可能是由于AE信號在油紙層中的衰減所致。

4　分析與討論

1)對于局放信號波形的對比分析研究,主要集中于利用UHF信號與電脈沖信號的關聯性解決UHF定量檢測局放的問題,國內外的研究成果至今為止都僅給出一個初步的定量結果,沒有能給出涉及常見絕緣介質、缺陷類型等的綜合性研究結果。故對于今后的研究而言,應該在完善局放機理的過程中,得出絕緣介質、缺陷類型、檢測環境、檢測設備等因素對關聯性影響的綜合分析結果,尋找建立標準測試條件的可能。

2)超聲與電脈沖波形信號的對比分析研究成果較少。隨著技術的發展,充分發揮超聲檢測法在現場檢測的優勢,彌補電脈沖法無法現場檢測的不足,以實現超聲法的定量檢測為目的研究還有待開展。

3)局放類型識別方面,現有研究主要以二維Φ-q、三維Φ-q-n等譜圖來實現類型識別,利用波形特征進行類型識別的研究較少。高采樣率UHF信號在現場檢測中存在樣本存儲量大等問題,而基于波形對比分析的局放類型識別只提取單個或多個放電脈沖,分析不同的時域信號特征與分布,在解決存儲問題的同時又能全面了解局放的本質特征,提高檢測系統識別放電信號和干擾信號的能力。

5 基于波形獲取的對比分析平臺

搭建了基于波形獲取的對比分析平臺,為防止當試品擊穿后過大的電流損壞測試儀器,采用并聯法回路進行檢測。其中T1為調壓器,T2為交直流無暈試驗變壓器;R為保護電阻,起限流作用;Ck為耦合電容;Zm為脈沖電流檢測阻抗; UHF和超聲的傳感器放置在試品附近,距離可調。當試品中產生局放信號時,既可以通過示波器和頻譜儀記錄不同傳感器信號的波形和頻譜,也可以通過局放檢測儀進行常規測量。

根據電氣設備采用絕緣介質的不同,制作了三類主要缺陷模型,分別是充油缺陷模型、空氣缺陷模型、SF6填充缺陷模型。可以模擬包括變壓器、GIS、開關柜、斷路器等設備的常見絕緣缺陷,諸如尖端放電、自由金屬微粒放電、懸浮電位放電、內部放電等。如圖1(缺陷模型在不充SF6和油的情況下,均可以模擬空氣中的放電缺陷)所示。

圖1　試驗平臺接線圖

本平臺配置有多種常規局放檢測儀和時頻信號采集設備包括多通道數字采樣示波器、頻譜儀、MPD600脈沖電流檢測儀、DMS超高頻檢測儀、AIA超聲檢測儀及多種類型傳感器,圖2為基于各類測試儀器的測試數據。

6 結束語

本文綜述了電脈沖、超聲和超高頻局放傳感器檢測波形對比研究現狀,介紹了基于波形獲取的對比分析平臺,依托本平臺可開展：

1)常用局部放電傳感器信號的關聯性對比分析,尋找關聯度最優的檢測條件,探討優選檢測儀器的可能性。

圖2　各類型測試儀器的測試數據

2)常用局部放電傳感器信號的波形對比分析,研究基于波形特征參數的局放識別方法,并將其與常規檢測法進行比對。

3)不同放電階段信號的時域與頻域特征分析。通過特征量的聚類與關聯分析,研究利用信號的時頻特性作為定量評估放電程度的參數研究。

[1] 羅勇芬,李彥明,劉麗春.變壓器局部放電的超聲波和射頻聯合檢測技術的現狀和發展 [J].變壓器,2003, (12)：28-31.

[2] 許中榮.大型電力變壓器中局部放電信號傳播特性的仿真研究 [D].重慶大學,2004.

[3] 羅亞橋.脈沖電流法和超聲波法局放測試淺析 [J].電力電容器,1996(2)：31-35.

[4] Barry H.Ward A survey of new techniques in insulation monitoring of power transformers[J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2001,17(3)：16-23.

[5] 蘭國良,劉輝,鄭濤,等.特高頻和超聲波局部放電綜合檢測技術的應用 [J].廣西電力,2012,(2)：33-36.

[6] Hucker T,Krantz H G.Requirements of automated PD diagnosis systems for fault identification in noisy conditions[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995,2(4)：544-556.

[7] Krivda A.Automated recognition of partial discharges[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995,2(5)：796-821.

[8] 李燕青.超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究[D].華北電力大學 (河北),2004.

[9] 黎大健,梁基重,步科偉,等.GIS中典型缺陷局部放電的超聲波檢測 [J].高壓電器,2009,(1)：72-75.

[10] Hoshino T,Koyama H,Maruyama S,et al.Comparison of sensitivity between UHF method and IEC 60270 for on site calibration in various GIS[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(4)：1948-1953.

[11] Cavallini A,Ramos C G A,Montanari G C,et al.Comparison of ultrasonic,electrical and UHF characteristics of partial discharge emission in oil/paper insu lation systems[C]//E-lectrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP),2011Annual Report Conference on.IEEE,2011：440-443.

[12] 李德軍,沈威,郭志強.GIS局部放電常規檢測和超聲波檢測方法的應用比較 [J].高壓電器,2009(3)：99 -103.

[13] 吳張建,李成榕,齊波,等.GIS局部放電檢測中特高頻法與超聲波法靈敏度的對比研究 [J].現代電力,2010 (3)：31-36.

[14] Coenen S,Tenbohlen S,Markalous S M,et al.Attenuation of UHF signals regarding the Sensitivity Verification for UHF PD Measurements on Power Transformers[C]//Condition Monitoring and Diagnosis,2008.CMD 2008.International Conference on.IEEE,2008：1036-1039.

[15] Hoshino T,Koyama H,Maruyama S,et al.Comparison of sensitivity between UHF method and IEC 60270 for on site calibration in various GIS[J].Power Delivery,IEEE Transactions on,2006,21(4)：1948-1953.

[16] 趙曉輝,楊景剛,路秀麗,等.油中局部放電檢測脈沖電流法與超高頻法比較 [J].高電壓技術,2008(7)：1401-1404.

[17] Cleary G P,Judd M D.UHF and current pulse measurements of partial discharge activity in mineral oil[J].IEE Proceedings-Science,Measurement and Technology,2006,153(2)：47-54.

[18] 唐炬,周加斌,胡忠,等.變壓器油中局放UHF信號能量與放電量的關系 [J].高電壓技術,2009,35(5)：1009-1013.

[19] 張曉星,唐俊忠,唐炬,等.GIS中典型局放缺陷的UHF信號與放電量的相關分析 [J].高電壓技術,2012,38 (1)：59-65.

[20] 周力行,李衛國.利用輻射UHF信號反演局部放電脈沖電流 [J].電力系統自動化,2006(8)：75-79.

[21] Rubio-Serrano J,Garcia-Souto J A,Posada J E.Instrumentation system and digital signal processing for studying the characteristics of the acoustic and electrical signals generated by partial discharges[C]//Industrial Technology(ICIT), 2012IEEE International Conference on.IEEE,2012：573-578.

[22] Cavallini A,Ramos C G A,Montanari G C,et al.Comparison of ultrasonic,electrical and UHF characteristics of partial discharge emission in oil/paper insulation systems[C]//E-lectrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP),2011Annual Report Conference on.IEEE,2011：440-443.

12月13日從平高集團獲悉,國內首臺550 kV柱式復合套管斷路器日前由該集團研制成功。

為完全掌握高電壓等級復合套管斷路器核心技術、搶占行業制高點、打破國外企業的技術壟斷,平高集團于2012年6月立項啟動LW10B-550(F)/YT5000-63型柱式斷路器研制項目。項目依托 “寧東-浙江鹵800 kV特高壓直流輸電工程”,由國網直流建設部牽頭,平高集團為主要實施部門研制和推進國內斷路器套管復合化。

550 kV柱式復合套管斷路器的研制成功,填補了國內550 kV電壓等級復合套管斷路器的空白,為復合套管在高電壓、大容量斷路器上的應用做好了相應的技術研究儲備工作,為下階段復合套管斷路器的推廣應用奠定了良好基礎。(信息來源：北極星智能電網在線)

Based on the analytical and statistical of distribution and characteristic of signal acquired from PD sensor.You can achieve basic research based on typical defects,apparent discharge,discharge mechanism,type of discharge in different types of partial discharge sensors under different insulating medium.In this paper,comparative analysis studies of acquired signals from pulse current method,AE,UHF sensor were summarized and introduced the comparative analysis research platform based on the acquired signals,then Platform can be applied to related research.

partial discharge;sensor;waveform

TM83

B

1006-7345(2014)01-0063-05

2013-05-30

徐先新 (1987),男,碩士研究生,云南電網公司華北電力大學研究生工作站,專業方向為電氣設備在線監測 (e-mail) queenklomps@16 3.com。

Review of Comparison Research on PD Sensor Waveform from Electrica,Ultrasonic and UHF

XU Xianxin1,SUN Peng2,WANG Ke2,PENG Jing2,XIANG Enxin2,SUN Hongbin3

(1.Graduate Workstation of North China Electric Power University&Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217; 2.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217; 3.Power Administration of Jinhu,Jinhu,Jiangsu 211600)