電力變壓器帶電檢測應用方法綜述

陳柯良，曾 潔，丁玉柱，謝小慧，沈琳渏，鄧 維，周新軍

(1.國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410005；2.國網湖南省電力公司永州供電分公司，湖南永州425100)

電力變壓器帶電檢測應用方法綜述

陳柯良1，曾 潔1，丁玉柱1，謝小慧1，沈琳渏1，鄧 維1，周新軍2

(1.國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410005；2.國網湖南省電力公司永州供電分公司，湖南永州425100)

介紹了變壓器帶電檢測的基本原理，將帶電檢測技術歸納為局部放電檢測和非局部放電檢測兩大類，講述了特高頻局部放電檢測、超聲波局部放電檢測、高頻局部放電檢測、油色譜分析、紅外熱像、紫外成像、鐵芯及夾件接地電流測量和套管相對電容量及相對介損測量等各檢測方法的原理、應用方法，并對各個帶電檢測方法的現場應用成熟程度和存在問題進行了分析和總結。

變壓器；帶電檢測；局部放電；應用方法

國民經濟水平的不斷提升和電網的不斷發展，對供電安全性、可靠性要求持續提升。狀態檢修在國網公司的全面推行實施，對電網主設備變壓器健康狀態的檢測提出了更高的要求。常規停電檢測周期長，難以發現潛伏性和發展性故障。在變壓器設備停電周期不斷延長的背景下，停電檢測狀態量已經無法滿足對變壓器的狀態評估需求。

隨著技術的發展，帶電檢測技術能有效的發現變壓器運行下的異常情況，相比停電試驗更能靈敏、及時的發現一些早期缺陷。因此，通過對變壓器全面開展帶電檢測及在線監測，能夠準確把握其狀況，減少停電損失和維護費用，提高供電可靠性，是電網發展的必然趨勢。

1 變壓器帶電檢測原理

變壓器結構復雜，附件種類多，運行過程中，其內部和外部電磁場分布情況比較復雜，存在特定的電、磁、聲、光、熱、氣現象。當變壓器運行異常時，上述各物理或化學現象會出現對應的變化。帶電檢測則利用專業的檢測儀器檢測、分辨上述物理或化學變化，并轉化成量化的數字或可視的圖譜等，用以直接或間接表征設備狀態〔1〕。檢測人員根據檢測原理和檢測經驗，形成一系列的分析、判斷方法。通過檢測結果，能夠在設備帶電運行狀態下，得到設備狀態量，準確評估設備運行狀況。當設備存在缺陷時，能夠分析缺陷嚴重程度，定位缺陷位置，及早采取措施，防止缺陷發展為故障。根據檢測原理的不同，可將變壓器帶電檢測方法分為局部放電檢測和非局部放電檢測兩大類。

2 局部放電類帶電檢測方法

局部放電(partial discharge)是指電力設備絕緣在足夠強的電場作用下造成局部區域發生放電卻又未形成固定放電通道的放電現象。變壓器為液體—固體復合絕緣，運行過程中介質內部可能會出現氣泡、雜質等其他物質，導致絕緣介質的場強分布不均勻，故在場強足夠高的區域可能會發生局部放電。

局部放電是絕緣劣化的主要原因，也是絕緣劣化的重要特征〔2〕。通過帶電局放檢測能在不停電情況下有效發現變壓器內部早期的潛伏性缺陷。

局部放電過程中會發生正負電荷的中和，產生較陡的電流脈沖并向四周輻射電磁波，同時伴隨有光、聲等物理現象〔3〕。目前變壓器帶電局部放電檢測研究應用較多的主要有3種方法:高頻局部放電檢測；特高頻局部放電檢測；超聲波局部放電檢測。

2.1 高頻局部放電檢測

變壓器高頻局部放電檢測就是在不停電的情況下，通過安裝在變壓器的鐵芯、夾件或套管末屏接地線上的高頻電流傳感器和專用儀器來檢測由局部放電而產生的高頻脈沖電流。其檢測信號頻帶一般為3～30 MHz，采用硬件濾波和軟件濾波相結合的方式去除電磁干擾噪聲〔4〕。

高頻局部放電檢測表征局部放電特征的圖譜主要是PRPD(Phase Resolved Partial Discharge)相位圖譜和等效頻率—等效時間圖譜。PRPD圖譜是局部放電相位分布圖譜，橫坐標表示相位，縱坐標表示幅值，根據脈沖的分布情況可以判斷信號主要集中的相位、幅值及放電次數，進而判斷放電類型，如圖1所示。

圖1 高頻局部放電檢測PRPD圖譜

等效頻率—等效時間圖譜是將放電脈沖進行時域和頻域變換，計算得到每個脈沖的等效頻率和等效時間，根據等效頻率(橫坐標)和等效時間(縱坐標)確定每個脈沖在該圖譜上的位置，如圖2所示。

圖2 高頻局部放電檢測等效頻率—等效時間圖譜

變壓器高頻局部放電檢測的診斷主要是將檢測到的圖譜與典型放電圖譜進行比對，進而判斷是否存在局部放電及具體放電類型。無典型放電圖譜時判斷為正常；在同等條件下同類設備檢測的圖譜有明顯區別時判斷為異常；具有典型局部放電圖譜時判斷為缺陷〔5〕。

2.2 特高頻局部放電檢測

變壓器局部放電通常發生在變壓器內的油紙絕緣中，脈沖寬度多為納秒級，能激勵起1 GHz以上的特高頻電磁波〔6〕。變壓器特高頻局部放電檢測通常選擇將傳感器安裝在油閥處，通過特定接口將特高頻信號接入檢測儀器，然后再進行信號分析處理。其檢測信號頻帶范圍一般為300～3 000 MHz。

變壓器由于器身基本沒有非金屬縫隙，特高頻信號很難傳出，現場檢測只能通過內置傳感器進行。傳感器置于變壓器油箱內，可以有效屏蔽外部干擾，同時特高頻信號頻段高，能夠避免低頻背景噪聲和電暈干擾，可以極大的提高局部放電檢測的靈敏性和抗干擾能力〔7〕。因此，特高頻局部放電檢測具有良好的應用前景和工程價值。

特高頻局部放電檢測表征局部放電特征的圖譜主要是PRPS圖譜和PRPD圖譜，PRPS(Phase Resolved Pluse Sequence)圖譜是一種實時三維圖，將帶有相位標識的放電脈沖按時間先后顯示出來，3個坐標軸分別代表相位、時間，信號幅值，如圖3所示。

PRPD圖譜與高頻局部放電檢測中的相位分布圖譜所表示的特征相同，如圖4所示。

特高頻局部放電的診斷分析可以通過放電幅值的大小對比判斷，但更重要的是將PRPS圖譜和PRPD圖譜的特征與變壓器內部典型放電圖譜(如尖端放電、懸浮放電、沿面放電、油楔放電等)進行對比。判斷方法和缺陷等級定義與高頻局部放電檢測相同。

圖3 特高頻局部放電檢測PRPS圖譜

圖4 特高頻局部放電檢測PRPD圖譜

2.3 超聲波局部放電檢測

電力設備內部局部放電時，產生的電流脈沖使得局部放電發生的局部體積因受熱短時間內增大，放電結束后恢復，體積變化導致介質的疏密瞬間變化，產生超聲波〔8〕。

超聲波信號基本處于20～200 kHz頻段內，變壓器內傳播的超聲波信號集中在100～200 kHz。該檢測方法采用壓電陶瓷為材料的諧振式傳感器，將傳感器固定在變壓器箱壁上，將采集到的超聲波信號轉化為電信號，然后進行分析和定位。其主要用于變壓器局部放電缺陷的精確定位。

2.4 局部放電定位技術

現常用來進行變壓器局部放電定位的方法有特高頻定位法和超聲波定位法。2種方法均是利用不同位置傳感器接收到局放信號的時延規律，建立空間定位方程，通過求解定位方程確定放電源空間位置〔2〕。定位示意圖如圖5所示。

設ti為局放源P(x，y，z)的局放信號傳播到傳感器Si(xi，yi，zi)(i＝1，2，器位方程，的時間，則有:

圖5 局部放電定位原理圖

現場可測得Si傳感器與參考傳感器S1的時間差，各個傳感器的坐標，信號傳播速度v(特高頻或超聲波傳播速度)，建立有關放電源P(x，y，z)的方程組，對方程組求解即得到放電源空間位置。

由于變壓器內特高頻傳感器比較少，現場使用較多的是超聲波局放定位方法。當特高頻和超聲波傳感器均能檢測到局放信號時，可采用“聲—電聯合”方法定位。因為特高頻傳播速度遠大于超聲波傳播速度，故可將特高頻傳感器檢測的局放信號作為觸發源，用超聲波傳感器檢測到局放信號的時間乘以超聲波傳播速度，直接得到局放源距離超聲傳感器的距離，在變壓器上選取多個超聲波測點，就能計算出放電源的空間坐標。

3 非局部放電類帶電檢測方法

變壓器運行中可能出現的異常狀況多種多樣，其表現出來的特征現象也不同:如內部的局部放電、過熱等缺陷可能會在油中溶解氣體的組分上有反映，鐵芯、夾件的絕緣狀況可能導致其接地電流變化，套管絕緣降低可能會導致其介質損耗增加，油位降低可能導致儲油柜外表溫度異常等。

針對上述物理、化學變化，可采用專業的帶電檢測儀器進行查找、分析，確定變壓器是否存在缺陷及其嚴重程度。

3.1 油色譜分析

不同的變壓器故障及嚴重程度會產生不同的氣體成分并溶解于變壓器油中。20世紀70年代初，電力系統開始將油中溶解氣體分析技術應用于變壓器內部故障診斷。多年來，隨著實踐經驗的累積，取樣、脫氣方法的不斷改進，診斷方法也取得了很大發展。可以有效判斷變壓器設備老化、過熱、受潮、放電等早期故障〔9〕，已成為保障變壓器設備安全運行極為有效且必不可少的技術監督手段。

油中溶解氣體分析技術按照工作原理分為氣相色譜法、光聲光譜法、紅外光譜法等。目前電力系統絕大部分儀器采用氣相色譜法，主要為實驗室色譜儀和色譜在線檢測裝置，也有少部分便攜式色譜儀用于現場檢測。

目前油色譜故障診斷常用的是GB/T 7252—2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》所推薦的方法〔10〕。主要有:

1)特征氣體法。根據不同故障類型產生的氣體可推斷設備的故障類別；

2)三比值法。用氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等五種氣體的三對比值來判斷故障類型；

3)對CO和CO2的判斷。當故障涉及到固體絕緣時，會引起CO和CO2明顯增長。

變壓器油色譜分析是極為成熟的變壓器帶電檢測手段，應加強其在變壓器全過程技術監督中的應用，保證檢測周期，并按國網公司要求220 kV及以上主變宜安裝油色譜在線監測裝置〔11〕。

3.2 鐵芯、夾件接地電流檢測

變壓器在正常運行時，鐵芯和固定鐵芯的金屬構件、零件、部件等處于強電場中，在電場的作用下，具有較高的對地電位。如果鐵芯不接地，在電位差的作用下，會產生斷續的放電現象；如果鐵芯有兩點及以上接地，鐵芯中磁通變化時會在接地回路中產生感應電流。接地點越多，環流回路越多。這些環流會導致空載損耗增大、鐵芯溫度升高。當環流足夠大時，將燒毀接地連片產生故障，甚至可能燒損鐵芯。

因此，變壓器鐵芯必須保證一點接地，而帶電檢測變壓器鐵芯、夾件接地電流極為必要。

現場檢測常采用高精度的鉗形電流表進行。由于變壓器內部的漏磁通可能通過箱體法蘭等氣隙處發散到箱體外，會對檢測造成干擾。檢測時應選擇數值較小的測量點作為檢測結果，同時盡量保證每次檢測位置一致，方便進行趨勢分析。現場變壓器鐵芯、夾件接地電流技術要求見表1，且與歷史檢測數值相比無較大變化。

表1 鐵芯、夾件接地電流要求表mA

對鐵芯、夾件絕緣較低或重要用戶的變壓器，為方便實時掌握其狀態，可安裝鐵芯接地電流在線監測裝置。

3.3 紅外熱像檢測

紅外熱像檢測實質是對設備(目標)發射的紅外輻射進行探測及顯示處理的過程，最終以數字或二維熱像圖的形式顯示設備表面的溫度值或溫度場分布。紅外熱像檢測在變壓器帶電檢測中應用成熟，能夠發現多個部位、多種類型的發熱缺陷〔4〕:

1)變壓器本體:①變壓器強油循環未打開；②漏磁引起的本體局部發熱；③漏磁引起的螺栓發熱；④接地線發熱。

2)變壓器套管:①套管接線板或內部連接接觸不良；②套管因滲漏油導致的溫度分布異常；③套管局部放電或表面污穢引起的局部發熱；④套管末屏接地不良；⑤套管介損增大引起整體發熱；⑥套管進水受潮。

3)冷卻器:①散熱器或本體的聯接閥門未打開或堵塞；②散熱器風扇故障；③潛油泵故障；④散熱器管路堵塞。

4)儲油柜:①儲油柜低油位；②儲油柜隔膜脫落；③儲油柜閥門關閉。

對于變壓器紅外缺陷，其嚴重程度的判斷標準和處置原則參見文獻〔12〕。

3.4 紫外成像檢測

紫外成像檢測的原理是在發生外絕緣局部放電的過程中，周圍氣體被擊穿產生電離，電離的氮原子在復合時發射的光譜主要落在紫外光波段〔13〕，然后通過紫外成像檢測儀接收該波段的光譜，處理成像后與可見光圖像疊加顯示，用以確定放電位置及強度。

該方法主要用于檢測變壓器外表面放電，如高壓、中壓及低壓套管等。能夠發現變壓器套管頂部均壓、屏蔽不當，套管表面臟污、覆冰，套管表面爬距不夠，套管表面破損或裂紋等缺陷，避免閃絡或擊穿等設備事故。通過放電強度、放電形態和頻度、放電長度范圍等方面確定外表面放電缺陷的嚴重性。

3.5 套管相對電容量及相對介損檢測

變壓器套管相對電容量或相對介損測量方法，是選擇1臺與被試主變套管Cx并聯的其他電容型設備作為參考設備Cn，檢測得到被測電流信號Ix和參考電流信號In，計算其相位差和幅值比，從而獲得被試設備和參考設備的相對介損差值和相對電容量比值〔4〕。

參考設備可選擇與被試套管同相的其他容性設備，譬如相鄰主變套管、電容式電壓互感器、電流互感器等。當變電站現場主變與其他設備電容型設備距離過遠時，也可選擇同臺主變的異相套管作為參考設備，但是一經選定則不能更改，方便數據比對。通過與初值進行比較判斷設備是否出現異常，判斷標準見表2，初值宜選取設備停電狀態下的電容量及介損合格、帶電后1周內檢測的數值〔5〕。

表2 相對電容量及相對介損判斷標準

相對電容量及相對介損的帶電檢測能夠檢測變壓器套管的絕緣受潮、劣化等缺陷，操作簡單，但要求前期進行取樣單元的預裝，目前在電容式電壓互感器和電流互感器上應用較多，變壓器可以結合停電檢修進行整改加裝。

4 總結與展望

電力變壓器帶電檢測技術經過多年的發展，已經形成了完整的檢測方法、檢測流程和診斷方法。現場應用最為廣泛、發現問題最多的是紅外熱像檢測和油色譜分析。其中油色譜分析主要用于對變壓器內部缺陷的發現，紅外熱像檢測更多的是發現外部缺陷，二者都有成熟的判斷依據和缺陷處置原則。油色譜分析更是發展了大量的在線監測裝置，這是油色譜帶電檢測的發展趨勢，但目前油色譜在線監測裝置自身質量問題導致發展受到了相當程度的制約。

鐵芯、夾件接地電流測量、紫外成像和套管相對電容及相對介損測量從不同角度對變壓器設備狀況進行檢測，均能發現變壓器特定類型、特定部位的缺陷。鐵芯、夾件接地電流測量和紫外成像操作簡單，判斷直接，已經在系統中大面積推廣。相對介損和電容量比值需要對套管末屏進行改造，應用尚不普及。

局部放電類的帶電檢測方法是近些年興起的新型檢測方法。其中高頻局部放電檢測因從鐵芯、夾件獲取高頻電流信號，易于操作，應用最為廣泛，但仍需加強主變套管末屏接地線的引下改造工作。特高頻局部放電檢測需要安裝內置傳感器，目前僅有少數變壓器可進行施工改造，故現場應用少，但因其靈敏度高且抗干擾能力強，是未來變壓器內部局部放電檢測的重點發展方向，條件允許時可安裝特高頻局放在線監測系統。超聲波局部放電檢測受到變壓器振動噪聲大，傳感器靈敏度低，內部局部放電超聲信號衰減大等諸多影響，較少應用于日常巡檢和缺陷查找，主要用于變壓器內部放電缺陷的定位。

局部放電類的帶電檢測能夠更早的發現變壓器內部絕緣類潛伏性故障，且國內外已有不少成功的典型案例，故是未來帶電檢測的工作重心。

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Review on live detection methods of power transformer

CHEN Keliang1，ZENG Jie1，DING Yuzhu1，XIE Xiaohui1，SHEN Linqi1，DENG Wei1，ZHOU Xinjun2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410015，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Yongzhou Power Supply Company，Yongzhou 425100，China)

This paper introduces the basic principle of the transformer live detection and divides live detection technologies into two types of partial discharge or non-partial discharge.This paper describes several kinds of transformer live detection methods，including ultra-high-frequency partial discharge detection，ultrasonic partial discharge detection，high-frequency partial discharge detection，dissolved gas analysis of oil，infrared imagery，ultraviolet imagery，grounding current detection，relative capacitance and relative dielectric loss.At last the paper analyzes live detection methods application and existing problems.

transformer；live detection；partial discharge；application method

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0023-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.005

2015-12-29 改回日期:2016-02-24