110KV變壓器局部放電定位試驗方法研究

摘要：為了定位110KV變壓器中的局部放電源，研究了局部放電脈沖沿變壓器方向的傳播原理以及局部放電脈沖在變換器外檢測項處的響應。通過數值模型進行了仿真分析，并對變壓器進行了仿真實驗。根據局部放電源位置的不同，其性質也存在差異，因此局部放電位置之間的關系可以為局部放電定位提供相應信息。在對這種關系進行數值處理的基礎上，提出了局部放電定位的實驗方法。測量信號的能量用于定位局部放電源。研制了變壓器繞組局部放電脈沖模擬裝置。在實驗過程中，測量了不同位置的局部放電脈沖產生的終端信號，結果表明，所提出的實驗方法定位精度滿足工程實際使用要求。

關鍵詞：局部放電;傳播原理;動態響應;數值模型;仿真實驗

1引言

局部放電導致的變壓器故障造成的經濟損失通常十分巨大。如果能夠在早期檢測到局部放電引起的絕緣劣化，并采取預防性維護措施。局部放電源的檢測和定位對于監測變壓器的狀態具有重要意義。由于變壓器內繞組的復雜結構，精確定位非常困難。局部放電產生的脈沖在從其起始位置傳輸到測量終端時會發生畸變和衰減。在端子處測得的信號是原始局部放電脈沖的高度失真表示，但包含有關放電位置和性質的信息。如果可以提取該信息，則可以定位到局部放電的位置，并確定局部放電對變壓器工作壽命可能產生的影響[1]。局部放電通過逐漸侵蝕破壞變壓器絕緣層，是導致絕緣失效的主要因素。所以如何定位局部放電源對于變壓器的安全穩定運行至關重要[2]。局部放電的定位方法主要分為基于聲信號的定位方法和基于電信號的定位方法。聲定位法的優點是算法簡單，抗噪性好，但靈敏度差，高壓變壓器結構復雜，無法很好地檢測局部放電引起的超聲波信號[3]。基于電信號的定位方法具有更好的靈敏度，因為它依賴于在變壓器端子處測量的脈沖電流信號。但是依舊缺乏一種簡單實用的局部放電定位方法。由于局部放電源的位置不同，其信號的波形和幅度也不同。這些信息對于局部電流定位非常有用[4]。本文通過數值模型和模擬實驗對變壓器繞組進行了仿真分析，并給出了仿真結果。通過對所提出的定位方法進行仿真分析，建立了局部放電定位規則，并進行了試驗驗證。

2仿真模型

將對110KV變壓器進行仿真分析，在一個相位中有三個繞組：高壓，中壓和低壓。變壓器的高壓和中壓繞組由連續盤和交錯盤組成，盤數分別為96和94。低壓繞組為螺旋式線圈。在仿真模擬中，在每個節點和接地點連接模擬局部放電電流源，模擬繞組中不同位置的局部電流。仿真模型是一個等效的R-L-C電路網絡模型，該模型應具有與變壓器繞組相同的外部電路行為。變壓器繞組劃分為物理單元，每個單元在等效網絡中表示為集總元件電路單元。電路單元由電容支路和電感支路組成。電容分支表示圓盤導體的電阻和自感。電容分支表示匝間和盤間電容。然后根據變壓器的結構數據計算模型中的電氣參數。

所有單元構成電路網絡，相鄰兩個單元的連接稱為節點，節點編號用于表示局部放電源位置。繞組與外殼或鐵芯之間的電容在節點處等效連接。為了得到傳播路徑的傳遞函數，計算變壓器繞組外測試端子的響應。三個端子包括高壓和中壓繞組套管接地線，選擇變壓器中性點接地線。

3模擬實驗

在激勵實驗中，將局部放電脈沖的激勵電流輸入繞組的不同位置，檢測測量端的響應，從而研究脈沖傳播路徑對局部放電信號的影響。通常情況下采用3電容模型來分析出現在外電極上的局部放電脈沖電流。Cg是放電區域的電容。Cb是串聯區域的電容，Ca是電介質中剩余區域的電容。當Cg中發生放電時，電流Id通過電容Ca和Cb的耦合作用于外部端子。

根據該模型，開發了局部放電脈沖激勵電路。E是電容器的直接充電電源。其電壓在0至400kV范圍內連續可調。電荷區的電容Cg為150pF。Ca和Cb分別為960pf和100pf。開關k可在1ns內閉合，Cg從其周期性開/關開始放電和充電，以便產生放電電流。電阻R為50Ω，作為輸出激勵電流的測量電阻。該電路產生的脈沖波形其主脈沖寬度約為15ns，上升沿約為5ns。這些時間參數與局部放電波形的測試結果相似。

分析了變壓器繞組與接地之間的放電情況，指出了變壓器繞組與接地之間的放電是現場最常見的放電狀態。因此，模擬局部放電源在等效電路中連接到節點和接地。模擬局部放電信號由函數發生器產生。當在繞組不同位置輸入局部放電源時，通過計算獲得繞組端的響應信號。由于發現信號能量對局部放電傳播路徑的長度具有更好的靈敏度，因此將其作為特征來尋找局部放電位置與局部放電信號之間的關系。在半高壓繞組中逐個選擇節點作為局部放電源的輸入端。隨著移動長度的增加，局部放電信號的振幅衰減將增強。因此，如果定義了局部放電信號和局部放電源位置之間的關系，則可以表示局部放電定位的測量方法。

4結果分析

在局部放電測試中放電強度未知，無法直接使用信號的絕對振幅，因為它決定了放電電流的傳播方向和強度。因此使用不同端子處信號的相對比率。在局部放電定位算法中，需要至少兩個終端的信號。由于現場試驗條件的限制，可以測試的局部放電節點很少。所以將比率關系進行簡化。該線路僅由兩個局部放電節點定義，因此其測試過程將很容易實現。整個繞組中有48個節點，因此通過線性關系定位的最大誤差為：4/48*100% =8%。

用每個局部放電節點計算“h”和“g”（分別命名為Eh和Eg）處響應信號的能量，Eh和Eg的比率呈向下的直線。隨著節點數目的增加，Eh和Eg的比值逐漸減小。將模擬的局部放電脈沖注入變壓器繞組盤中。測量了“h”和“g”處的響應信號。在測試了所有可能的局部放電節點后，測量出了能量比和節點數之間的關系。模擬結果與實驗結果相似。以同樣的方式，關系被簡化為一條線。

5結論

為了確定高壓變壓器中局部放電源的位置，研究了放電脈沖沿變壓器方向傳播的原理。首先通過仿真分析其傳播特性，找出信號參數與局部放電源位置之間的一些相對規律。局部放電信號的能量被視為信號特征，因此局部放電源可以進行定位。仿真實驗結果驗證了定位算法的正確性。

參考文獻

[1]張浩然，楊玉新，金辰.電力電纜局部放電在線監測技術的研究與應用[J].電力設備管理，2021（04）：62-64+99.

[2]杜伯學，姜金鵬.換流變壓器油紙絕緣水分對局部放電行為的影響綜述[J].高電壓技術，2021，47（08）：2932-2945.

[3]王云皓，厲偉.變壓器局部放電超聲波信號處理方法研究[J].電氣開關，2021，59（02）：32-36.

[4]李洪超，王薇.基于等離子體模型的局部放電量計算方法[J].中國設備工程，2021（07）：96-97.

作者簡介

李焱，男，漢族，1983年8月4日，工程師，江蘇張家港，江蘇省電力有限公司張家港供電分公司，215600，研究方向：變電站設維護與狀態分析。