變壓器局部放電在線檢測的地線傳感法研究

陳晨，陳悅，劉衛東，高文勝

（1．國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310052；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084）

變壓器局部放電在線檢測的地線傳感法研究

陳晨1，2，陳悅1，劉衛東2，高文勝2

（1．國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310052；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084）

局部放電在線檢測對監視電力變壓器的運行狀態具有重要意義。提出了1種檢測變壓器局部放電的地線傳感方法，只需要對變壓器進行較小的改造即可進行局部放電檢測。選取較高的檢測頻段，以達到較高的測量靈敏度。通過計算機仿真和實驗室試驗，驗證了該方法用于變壓器局部放電檢測的可行性。在此基礎上對多種不同結構進行檢測試驗，分析了實際檢測得到的信號特性，對今后的實際測量提出了建議。

變壓器；局部放電；檢測方法；地線傳感

0 引言

對電力變壓器進行局部放電在線檢測具有重要意義。通過監測局部放電的發生，能夠早期發現變壓器內部的絕緣劣化，避免重大事故發生[1-3]。變壓器局部放電檢測的主要方法有脈沖電流法、超聲檢測法、氣相色譜法、特高頻法、光測法等[4-8]。特高頻法選取了較高的頻段，從而可有效避開現場電磁干擾的影響，但是現有的特高頻方法往往需要對變壓器進行改造，有可能對變壓器運行造成不良影響[9-14]。

本文提出一種檢測變壓器局部放電的新思路，即地線傳感法，試圖減小測量對變壓器運行的影響，同時達到比較高的測量靈敏度。通過仿真和實驗,對地線傳感法的可行性進行了驗證，并對測量得到的放電信號進行分析。

1 地線傳感方法的基本原理

每一次局部放電都將產生正負電荷的中和，伴隨產生1個較陡的電流脈沖，在周圍激發高頻電磁場，并向周圍輻射電磁波。研究表明，局部放電擊穿過程越快，電流脈沖的陡度越大，則輻射高頻電磁波的能力越強。大量實驗表明，在變壓器內部發生的局部放電脈沖上升沿時間能夠達到納秒級，輻射的電磁波涵蓋甚高頻（VHF）乃至特高頻（UHF）頻段[15-17]。通過檢測放電引發的高頻電磁輻射，能夠對變壓器內部的局部放電進行在線監測，衡量設備的絕緣性能。

局部放電發生時激發出電磁輻射，在變壓器內部的各種導體，如繞組、接地線等均會受電磁場激發，感應出與局部放電相關聯的高頻電磁波。變壓器鐵心接地線經由出線套管從變壓器內部延伸到外部，從而也將所感應的放電信號攜帶到變壓器殼體以外。

地線傳感方法的思路就是在變壓器外部測取鐵心接地線上的放電信號，表征局部放電的發生。

常規的鐵心接地線經過引線套管引至變壓器體外，在外部連接扁平地線，順著變壓器外殼引入地下。變壓器一旦制造完成，其內部結構是不能隨意更改的，只能對外部的接地線部分進行改造，使之便于測量得到放電信號。

測量結構如圖1所示。

圖1 地線傳感方法示意

對地線進行彎折處理，使地線上附加產生1個等效的小電感。由于接地線仍使用扁平金屬線，有較高的電導率，等效電感值也很小，對工頻表現出的阻抗極小，該結構幾乎不改變工頻接地阻抗值，保證變壓器鐵心可靠接地，不影響變壓器正常運行。而當局部放電信號經由接地線傳播時，由于頻率達到了甚高頻至特高頻頻段，等效電感會表現出很大的阻抗，放電信號會在接地線兩端形成明顯的壓降UAB，因此可以通過測量這一電壓降來監測局部放電。因為變電站現場電磁環境惡劣，空間存在著大量的電磁干擾，如果不加屏蔽，這些干擾信號都會耦合到外露的接地線上，從而影響測量效果。因此還要為測量段的接地線增設金屬屏蔽罩，以屏蔽空間干擾，同時將測量段地線末端與屏蔽罩相連，屏蔽罩與變壓器金屬外殼相連，保證地線末端、屏蔽罩都為地電位，使外露地線上耦合的干擾信號能夠從屏蔽罩傳播，不影響測量部分。

概括來看，地線傳感方法的原理就是以變壓器內部的鐵心接地線作為耦合單元，感應放電輻射；對變壓器殼體外部的接地線進行改造，使其成為測量單元，測取放電信號。

相對于目前常用的脈沖電流法以及超聲測量方法，地線檢測方法選取了較高的頻段，主動避開大多數的干擾頻段，使其在電磁環境惡劣的變電站現場的抗干擾能力大大增強；相對于特高頻檢測方法，地線檢測方法對變壓器的改動較少，降低了檢測成本，同時避免因大規模改造而造成影響變壓器正常運行的可能。

2 時域有限差分仿真

2.1 時域有限差分（Finite-difference Timedomain）方法簡介

FDTD（時域有限差分）方法是一種在時域中求解電磁場問題的方法，是由Kane S.Yee在1966年提出的。該方法將空間區域離散化并劃分為立方體網格，以給定的空間網格點的電磁參數代表整個空間的電磁特性。在相應的邊界條件和初始條件下求解有限差分方程，通過類似蛙步跳躍式步驟，用前一時刻的電磁場值得到當前時刻的電磁場值，并在每一時刻將此過程求遍整個空間，從而得到整個空間電磁場的時域信息[18，19]。

2.2 仿真模型的建立

首先在計算機中使用FDTD方法，對地線傳感結構進行仿真運算，從仿真角度驗證其測量的可行性。

由于變壓器結構復雜，為了便于仿真計算，需要對其結構進行簡化處理。因為實際測量中主要關心的是變壓器鐵心接地線，尤其是接地線伸出變壓器外殼之外的部分，因此可以在仿真模型中忽略無關的繞組和其他導體。

仿真模型選取了變壓器上蓋板、鐵心接地線和屏蔽罩3個部分，與圖1中的結構相對應。仿真模型如圖2所示。

變壓器鐵心接地線采用20 mm×5 mm的理想導體，接地線折成三匝，間距50 mm。以線電流源模擬局部放電，置于變壓器腔體內部，長2 cm，注入高斯電流脈沖。

圖2 地線檢測結構的仿真模型

網格劃分為5 mm×5 mm×5 mm，時間步長9.629 ps，最高頻率6 GHz。

2.3 仿真結果分析

向模擬放電源注入如圖3所示的高斯電流脈沖，幅值1 A，脈寬0.96 ns。電流源產生的輻射場向空間傳播，接地線處于輻射場中，感應出與模擬放電相對應的信號，并沿地線傳播至變壓器外。圖2（b）中地線上A點對外殼的電壓如圖4所示，其波形已不同于電流源的高斯脈沖，而是振蕩衰減的波形，說明地線在耦合電磁輻射時有特定的頻率響應特性，在信號沿地線傳播的過程中，地線匝間、地線和周邊導體間有相互感應和諧振的現象，使得在某些頻段的信號被加強而在另一些頻段被減弱。

2.4 仿真小結

FDTD仿真證明：鐵心接地線能夠耦合變壓器內的放電信號，并且能夠通過改造后的地線結構，在變壓器外部測量到局部放電信號。

圖3 高斯電流脈沖波形

圖4 仿真計算波形

3 局部放電試驗

3.1 放電模型及測量方式

在實驗室對典型的油中沿面放電進行測量，采用的沿面放電試品結構如圖5所示，測量裝置示意圖如圖6所示。

圖5 沿面放電試品

接地金屬盒內的部分為改造后的地線結構，用以測量局部放電信號，外部的地線通過金屬盒上的小孔穿入金屬盒內部，模擬變壓器內部鐵心接地線經由出線套管伸出變壓器腔體，地線伸出金屬盒外1.4 m。實驗室本身屏蔽良好，環境噪聲較低，因此可以省去圖中虛線所示的變壓器外殼結構。在實驗室空間設置的放電源相當于變壓器內部發生的局部放電，屏蔽盒內則相當于變壓器殼體之外的測量單元。

實際試驗中，采用了如圖7所示的3種不同地線結構作為測量單元，在驗證可行性的同時比較不同結構的靈敏度和頻率響應特性。伸出金屬盒外的地線作為耦合單元保持不變。

3.2 放電波形分析

使用沿面放電模型，施加電壓15.8 kV。放電源距離地線端部1.4 m。試驗中所捕獲的局部放電時域波形及其頻譜分析結果如圖8—10所示。

測量結果表明，使用地線傳感的方法能夠檢測到局部放電信號，且3種地線結構都測量到了局部放電。

從時域上看，放電波形信號幅值大約為11～ 22 mV。不同結構的地線，信號幅值有所不同，多次測量結果均表明，1號地線信號幅值最大，達到20 mV以上，2號、3號幅值相對較小，約12 mV。

從頻域上看，測量得到信號能量主要集中在50～300 MHz的頻段。一方面，由地線傳感法的原理可知，在頻率較高時地線上才能獲得較高的壓降，因此低頻段能量較小；另一方面，由于高頻信號在空間傳播的損耗比較大，局部放電信號在傳播到地線的途中，高頻成分有比較大的衰減，同時，地線傳感方法使用變壓器本身的鐵心接地線作為耦合元件，而沒有特意引入寬頻天線來接收放電信號，地線的長導線結構對高頻信號的響應效率較低，所以，在高頻段的能量也比較小。不同結構的地線，所得信號的頻譜也略有不同，1號地線測得信號頻率較高，在100～300 MHz，2號、3號地線相似，在50～200 MHz。

對比3種結構可以發現，1號地線結構測量的靈敏度較高，信號能量也分布在較高的頻段上，是這3種結構中最為理想的一種。

圖7 試驗中使用的3種地線結構

圖8 1號地線測量波形及頻譜分析

圖9 2號地線測量波形及頻譜分析

圖10 3號地線測量波形及頻譜分析

4 結論

（1）仿真計算結果表明，本文提出的地線傳感方法能夠檢測到變壓器內部的放電信號，理論分析和仿真均驗證了該方法用于變壓器局部放電檢測的可行性。

（2）實驗室試驗結果表明，實驗室模擬的地線結構能夠有效檢測變壓器中典型的油中沿面放電信號，進一步驗證了地線傳感方法的可行性。

（3）分析實驗室測試數據，在測量油中沿面放電時，地線傳感方法所得信號頻率范圍大約為50～300 MHz。

（4）實驗室測量時，幾種不同地線結構表現出的測量靈敏度及頻率響應特性有所不同，實際應用時可以進一步優化得到理想的測量結構。

（5）地線傳感方法在實驗室環境下的可行性得到了充分驗證，下一步還要結合實際運行的變壓器進行現場試驗，進一步對這種方法進行研究。

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（本文編輯：龔皓）

Research on the Ground Wire Sensing Method for On-line Partial Discharge Detection of Transformers

CHEN Chen1，2，CHEN Yue1，LIU Weidong2，GAO Wensheng2
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310052，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

On-line partial discharge detection is of great importance for monitoring the operating status of pow

er transformers.A new method for detecting partial discharge of power transformer using ground wire sensing method is proposed，in which only tiny reconstruction of transformer is needed to detect partial discharge. High-frequency band is chosen to acquire higher sensitivity.Computer simulations and experimental tests are used to verify the feasibility of grounding wire sensing method for partial discharge detection of transformers. On the basis above，signals captured by several different structures are analyzed and suggestions are proposed for practical measurement in the future.

transformer；partial discharge；detection method；ground wire sensing

TM855+.1

：B

：1007-1881（2014）12-0021-05

2014-05-08

作者簡歷：陳晨（1988-），男，浙江杭州人，助理工程師，從事電力設備在線檢測相關的研究。