高頻局部放電在診斷變壓器異常情況的應用

中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院 孟禹衡

1 高頻局部放電檢測技術發展水平

高頻電流傳感器多采用羅格夫斯基線圈結構。羅格夫斯基線圈（簡稱羅氏線圈）用于電流檢測領域已有幾十年歷史，1963年英國倫敦的庫伯在理論上對羅氏線圈的高頻響應進行分析，奠定了羅氏線圈在高頻電流脈沖技術檢測應用的理論基礎。20世紀中后期以來，國外一些專家學者和公司對羅氏線圈在電力的應用進行大量研究并取得顯著成果，如20世紀70年代法國ALSTHOM 公司有一些基于羅氏線圈的電流傳感器產品問世，其主要研究無源電子式傳感器，20世紀80年代英國Rocoil 公司實現了羅氏線圈系列化和產業化。20世紀90年代羅氏線圈被英國國立公司（CEGB）開始用于測試發電機和電動機的局部缺陷檢測。

總而言之，世界范圍內對于基于羅氏線圈傳感器的高頻局部放電檢測技術研究，于20世紀60年代興起，在80年代取得突破性進展，并有多種樣機掛網試運行，90年代開始進入實用化階段，尤其是進入21世紀以來，微處理機和數字處理器技術的成熟，為研制新型的高頻電流傳感器奠定了基礎。歐洲學者和企業將羅氏線圈應用于電力設備局部放電檢測較早，取得了良好效果并得到了廣泛應用，例如意大利博洛尼亞大學的G.C.Montanari 和A.Cavallini等人及TECHNIMP 公司成功研制了高頻局部放電檢測儀，并被廣泛應用[1]。

國內相關技術開始研究時間較晚，隨著時機越來越成熟，相關科研院及企業關于高頻局部放電檢測技術取得了大量研究成果，使該項技術變得日益成熟。

2 高頻局部放電技術原理及特點

2.1 高頻電流傳感器基本知識

日常生活中的磁位計又被稱為羅格夫斯基線圈，簡稱羅氏線圈。羅氏線圈的形狀大多為矩形或圓形，其中導線需要均勻的繞制在線圈骨架上，而線圈骨架可以為空心或者磁性材質的骨架。羅氏線圈可以根據其負載不同，分為自積分式的羅氏線圈和外積分式的羅氏線圈。其中，自積分式的羅氏線圈又被稱為寬帶型電流傳感器，這種羅氏線圈的優點是具有相對寬的檢測頻帶。同時，這種類型的羅氏線圈頻率響應速度比較快，可適用脈沖電流信號上升時間比較短的情況。而外積分式的羅氏線圈又被稱為窄帶型電流傳感器，其優點是具有較好的抗干擾能力，但其受積分電路頻率性能影響較大，能測量到的頻率是有限的，該種類型的羅氏線圈一般用于測量兆赫茲以下的中低頻電流。

另外，羅氏線圈還可以根據其結構不同可分為撓性羅氏線圈、剛性羅氏線圈以及PCB 型羅氏線圈。撓性羅氏線圈使用相對方便，但是其測量精確度較低以及穩定性不高。剛性羅氏線圈具有較好的抗外磁場干擾能力，這樣可以大大提高該線圈的測量精確度，但會在使用中受現場安裝條件的干擾。PCB 型羅氏線圈的精度比較高，但該種線圈的研究處于起步階段，還未達到實際應用的條件。

2.2 高頻局部放電檢測技術基本原理

用于局部放電檢測的羅氏線圈稱為高頻電流傳感器，其有效的頻率檢測范圍一般為3～30MHz。由于所測量的局部放電信號是微小的高頻電流信號，傳感器需要在較寬的頻帶內有較高的靈敏度。因此HFCT選用高磁導率的磁芯作為線圈骨架，并通常采用自積分式線圈結構。使用HFCT 進行局部放電檢測的等效電路圖如圖1所示。其中I（t）為被測導體中流過的局部放電脈沖電流，M 為被測導體與HFCT 線圈之間的互感，Ls為線圈的自感，Rs為線圈的等效電阻，Cs為線圈的等效雜散電容，R 為負載積分電阻，uo(t)為HFCT 傳感器的輸出電壓信號[2]。

圖1 高頻電流傳感器局部放電檢測等效電路圖

在傳感器參數滿足自積分條件的情況下，忽略雜散電容Cs，計算可得系統的傳遞函數式1，其中N 為線圈的繞線匝數。因此在滿足自積分條件的一段有效頻帶內，HFCT 的傳遞函數是與頻率無關的常數。并且HFCT 的靈敏度與繞線匝數N 成反比、與積分電阻R 成正比[3]。事實上在高頻段Cs 的影響是不能忽略的。在考慮Cs 影響的情況下系統的傳遞函數H(S)為式2。

HFCT 等效電路類似于高頻小信號并聯諧振回路，采用高頻小信號并聯諧振回路理論分析可得電流傳感器的下限、上限截止頻率分別為式3、式4，在實際現場檢測中會有工頻電流通過，進而會因磁芯飽和而影響檢測結果，因此，高頻局部放電檢測需要有較強的抗工頻磁飽和的能力。

2.3 高頻局部放電檢測裝置組成

常用的高頻局部放電檢測裝置包括：高頻電流傳感器、信號處理單元、信號采集單元和數據處理終端。高頻局部放電檢測裝置結構如圖2。

圖2 高頻局部放電檢測裝置結構圖

2.4 檢測方法

當電力變壓器內部很小范圍內發生局部放電時，局部絕緣在短時間內將被擊穿，從而產生脈沖電流，該電流流經電力變壓器的接地引出線，因此會在垂直電流流經方向的平面產生一個磁場。此時，將高頻電流傳感器和相位信息傳感器安裝在電力變壓器的接地線上，這樣就可以檢測到由局部放電產生磁場中的耦合能量而轉化的電信號，從而達到檢測電力變壓器局部放電缺陷的目的（圖3）。

圖3 高頻局部放電檢測原理圖

2.5 技術優勢

該技術在現場應用時的檢測靈敏度相對較高。由于構成高頻電流傳感器的材料為環形鐵氧體鐵芯，這種材質構成的傳感器可以很好的耦合高頻電流信號。在設計傳感器時選取應用參數符合設計條件的積分電阻，這樣可以讓傳感器的靈敏度較高；由于該傳感器的結構可以設計為開口型結構，這樣可以使其安裝簡捷同時方便攜帶；該技術具有對局部放電強度進行量化描述的功能。相較與傳統技術脈沖電流法，高頻局部放電檢測技術的檢測原理相類似，其主要檢測高頻電流的脈沖信號，為了使評估被檢測電力設備的局部放電情況及絕緣老化情況相對準確及方便，可以在相對固定的高頻電流傳感器及信號處理電路的情況下，標定檢測回路，這樣就可以實現對被測變壓器局部放電的量化。

2.6 局限性

由于該技術需要被測電力設備的接地線或者末屏引出線，而電流互感器、電壓互感器等容性設備若其末屏沒有引出線，就無法進行高頻局部放電檢測，因此，該技術的安裝方式限定了其應用范圍；高頻局部放電檢測技術中應用的高頻電流傳感器的原理為電磁耦合原理，需要從頻域、相位、時域等方面來將現場電磁環境傳來的干擾信號排除，因此，該技術的現場抗干擾能力需要提高。

3 某電廠#1主變高頻局部放電檢測情況

由于主變鐵心跟夾件連接一起隨變壓器外殼一起接地，無法分別測量鐵心和夾件的高頻放電信號。對#1主變壓器A 相鐵心接地處、夾件接地處和變壓器外殼接地進行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器A 相鐵心接地處幅值約為39mV，夾件接地處幅值約為54mV，背景幅值約為93mV，PRPS 圖譜見圖4所示。

圖4 #1號主變A 相高頻電流法局部放電監測圖

對#1主變壓器B 相鐵心接地處、夾件接地處和變壓器外殼接地進行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器B 相鐵心接地處幅值約為69mV，夾件接地處幅值約為77mV，背景幅值約為31mV；對#1主變壓器C 相鐵心接地處、夾件接地處和變壓器外殼接地進行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器C 相鐵心接地處幅值約為62mV，夾件接地處幅值約為46mV，背景幅值約為54mV。

#4主變鐵心跟夾件連接一起隨變壓器外殼一起接地，無法分別測量鐵心和夾件的高頻放電信號。對#4主變壓器A 相鐵心、夾件接地處和變壓器外殼接地進行高頻測試時均檢測到疑似放電信號，主變壓器A 相鐵心夾件接地處幅值約62mV，背景幅值約77mV；對#4主變壓器B 相鐵心、夾件接地處和變壓器外殼接地進行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器B 相鐵心夾件接地處幅值約為93mV，背景幅值約77mV；對#4主變壓器C 相鐵心、夾件接地處和變壓器外殼接地進行高頻測試時，均檢測到疑似放電信號，主變壓器C 相鐵心夾件接地處幅值約為85mV，背景幅值約為93mV。

綜上，隨著狀態檢修工作日益完善并成熟，高頻局部放電檢測技術的應用比重會大幅度增高，通過高頻局部放電檢測技術診斷并分析電力變壓器內部異常，幫助相關企業發現早期缺陷及潛在問題，對電力變壓器開展全壽命周期的管理，跟蹤掌握電力變壓器的健康情況，為相關企業檢修等工作提供有力保障，確保相關企業的穩定運行。