基于超高頻傳感器的電力變壓器局部放電定位研究

席 禹，林 冬，于 力，陳 波

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

大氣過電壓、操作過電壓、多次短路沖擊的積累效應(yīng)和長期工頻電壓下的局部放電（PD）都會造成變壓器損壞。絕緣介質(zhì)的局部放電雖然能量小，但由于長時間存在，會對絕緣材料產(chǎn)生持續(xù)破壞作用，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。因此，研究電力變壓器局部放電源定位技術(shù)是十分必要的，可以快速排查電力變壓器局部放電原因，消除安全隱患。

局部放電檢測有許多方法[1-3]，包括溶解氣體分析法（dissolved gas analysis，DGA）[4]、射頻法（radio frequency，RF）[5]、聲學法[6]和電測法[7-9]，每種局部放電檢測方法都有一定的優(yōu)缺點。為了利用每種方法的優(yōu)勢，學者們開始研究多種檢測方法的組合測量。文獻[10]結(jié)合了射頻法和電測法來檢測PD源的特性；文獻[5]利用RF射頻傳感器進行聲學測量，以改進PD源定位。此外，還有很多檢測局部放電源的研究：文獻[11]通過對不同位置采集的電信號進行識別分析來檢測不同PD源的位置；文獻[4]通過采集兩個射頻傳感器信號之間的時間差來判斷可能存在的PD源。還有一些研究方法是通過比較射頻局部放電信號特征來區(qū)分不同的局部放電源，包括小波相似函數(shù)法[12-13]和局部放電信號包絡(luò)線分析法[14-17]。但上述方法都需要多個傳感器來確定局部放電源。

由此可見，目前局部放電源檢測方法大多通過多個傳感器來實現(xiàn)，為了降低成本，本文通過研究PD源特征識別的理論基礎(chǔ)，提出采用單個超高頻（UHF）傳感器來準確識別單個局部放電源的方法，介紹用于比較UHF PD信號之間相似度最大相關(guān)系數(shù)的計算方法，并在變壓器油中進行點對球放電（point to sphere discharge，PS）、表面放電（surface discharge，SD）、懸浮電位放電（floating potential discharge，F(xiàn)P）3類局部放電試驗，驗證支持該計算方法的5個條件，進而證明該計算方法的可行性。

1 UHF識別局部放電源理論

A AKBARI等[18]指出，頻率為300 MHz～2 GHz的電磁波在油中傳播時，其波長為100～700 mm。為了獲得最佳靈敏度，輻射源的最小尺寸應(yīng)為目標波長的一半，即50～350 mm，其大小遠大于典型PD源。這一理論隨后由SHI L R等[5]進行擴展，證明了在局部放電源處產(chǎn)生的高頻電流能發(fā)射相應(yīng)的UHF局部放電信號。超高頻局部放電的初始輻射行為取決于高壓源和局部放電源之間的結(jié)構(gòu)，而不是放電源本身。

UHF局部放電信號具有放電場的特征。當信號通過變壓器油箱內(nèi)的各種介質(zhì)傳播時，也會產(chǎn)生相應(yīng)的畸變[19]，該畸變信號由放電位置和UHF傳感器位置決定。因此，固定位置的單個傳感器記錄局部放電信號應(yīng)與其PD源位置高度相關(guān)，而且相關(guān)性應(yīng)隨著PD源或UHF傳感器位置的變化而迅速減小。

統(tǒng)計任意兩個UHF PD信號之間的相關(guān)性，可以用采樣互相關(guān)法[20-21]。這種方法的優(yōu)點是能夠有效處理數(shù)據(jù)采集信號的變化。

2 實驗方法

理論研究表明，單個UHF傳感器可用于準確識別單個局部放電源。為了驗證這一方法的可行性，處理后的局部放電信號與局部放電類型和大小無關(guān)，與結(jié)構(gòu)拓撲、局部放電傳輸路徑和傳感器位置有關(guān)，即需要滿足以下5個條件：①歸一化后，超高頻局部放電信號與局部放電源信號振幅無關(guān)；②超高頻局部放電信號與局部放電源的類型無關(guān)；③超高頻局部放電信號包含了從局部放電源到超高頻傳感器傳播過程中所特有的畸變特性；④接收到的超高頻局部放電信號取決于超高頻探頭方向；⑤超高頻局部放電信號在變壓器結(jié)構(gòu)位置中具有特定的信號特征。

為了驗證這5個條件，進行了實驗。實驗裝置包括高壓電源和3個位于裝滿礦物油的玻璃罐內(nèi)的PD源，高壓電源可通過總線分別連接到3個局部放電源，玻璃罐長度為0.68 m（x軸）、寬度為0.50 m（y軸）、高為0.52 m（z軸），如圖1所示。PD源類型分別為點對球放電（PS）、表面放電（SD）和懸浮電位放電（FP），如圖2所示。點對球放電源由夾在高壓點電極、接地球形電極及二者之間的絕緣板組成；表面放電源的絕緣板與高壓電極和接地電極緊密接觸；懸浮電位放電源的高壓電極與接地電極之間由絕緣板和懸浮導(dǎo)體之間的間隙隔開。

圖1 玻璃罐內(nèi)實驗裝置Fig.1 Experimental device in glass jar

圖2 3個局部放電源Fig.2 Three partical discharge sources

使用頻率范圍為300 MH～3 GHz的UHF探頭檢測UHF局部放電信號，如圖3所示。探頭專為標準DN80油閥設(shè)計。探頭置于空氣中，與試驗箱外部保持規(guī)定距離。UHF探頭相對于PS源的參考位置為x=-1 140 mm、z=-1 100 mm，方向為沿x軸的探頭方向為0°。探頭連接到3 GHz LeCroy Wavepro 7300示波器，采樣率為10 GS/s。圖4和圖5分別為時域和頻域中PS放電示意圖，可以看出，放電時間在300 ns以內(nèi)，放電能量集中在低于1.0 GHz頻段內(nèi)。1 μs的捕獲周期由時域局部放電和環(huán)境噪聲之間的信噪比決定。

圖3 適用于標準DN80油閥的UHF探頭Fig.3 UHF probe suitable for standard DN80 oil valves

圖4 PS-UHF時域局部放電Fig.4 PS-UHF time domain partial discharge

圖5 PS-UHF頻域局部放電Fig.5 PS-UHF frequency domain partial discharge

實驗裝置還包括基于IEC 60270:2015的局部放電電氣測量的Omicron MPD系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于監(jiān)測視在電荷，為PD強度提供參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 UHF局部放電信號與PD源信號振幅無關(guān)

為驗證條件1，對3個局部放電源隨機捕獲UHF局部放電信號，同時通過Omicron MPD系統(tǒng)對視在電荷值進行電氣監(jiān)測。PS的表觀電荷范圍在50～500 pC之間，F(xiàn)P和SD的表觀電荷范圍在700～10 000 pC之間。

為了證實條件①的準確性，無論表觀電荷值如何，歸一化UHF PD信號之間的最大相關(guān)系數(shù)應(yīng)接近于1。表1～3中以對稱矩陣形式給出了5個FPUHF、PS-UHF和SD-UHF局部放電的時域結(jié)果。從表1～3可以發(fā)現(xiàn)，在每種情況下，矩陣中最大相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均值μ都超過了0.9，標準差很小（σ≤0.05），說明歸一化UHF PD信號間的高度相關(guān)性，從而驗證條件①的準確性。

表1 時域中FP-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.904，σ=0.050)Tab.1 Maximum correlation coefficient of FP-UHF PD samples in time domain(μ=0.904,σ=0.050)

表2 時域中PS-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.913，σ=0.048)Tab.2 Maximum correlation coefficient of PS-UHF PD samples in time domain(μ=0.913,σ=0.048)

表3 時域中SD-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.905，σ=0.049)Tab.3 Maximum correlation coefficient of SD-UHF PD samples in time domain(μ=0.905,σ=0.049)

此外，還對局部放電頻域響應(yīng)之間的相關(guān)性進行評估，結(jié)果如表4～6所示。從表4～6可以看出，與時域不同，頻域計算結(jié)果的算術(shù)平均值較小，標準差較大。這一結(jié)果表明，雖然在頻域中仍然存在一定的相關(guān)性，但通過在時域中應(yīng)用相關(guān)算法，可以顯著提高辨別度。

表4 頻域中FP-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.878，σ=0.067)Tab.4 Maximum correlation coefficient of FP-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.878,σ=0.067)

3.2 UHF局部放電信號與PD源類型無關(guān)

為了驗證條件②，進行3種局部放電實驗以確定來自3種不同類型局部放電源的UHF局部放電信號之間的相關(guān)程度。不同來源的UHF PD信號之間應(yīng)保持較高的最大相關(guān)性，而與PD源類型無關(guān)。表7～9分別列出了FP到PS、FP到SD和PS到SD源的最大相關(guān)系數(shù)。從表7～9可以看出，在每種情況下，矩陣內(nèi)相關(guān)項的算術(shù)平均值都略高（μ＞0.79），同時保持較小的標準差（σ≤0.03)，從而證明了條件②的準確性。

表5 頻率域中PS-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.667，σ=0.254)Tab.5 Maximum correlation coefficient of PS-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.667,σ=0.254)

表6 頻域中SD-UHF PD樣本的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.695，σ=0.252)Tab.6 Maximum correlation coefficient of SD-UHF PD samples in frequency domain(μ=0.695,σ=0.252)

表7 時域中FP和PS UHF PD樣本之間的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.796，σ=0.016)Tab.7 Maximum correlation coefficient between FP and PS UHF PD samples in time domain(μ=0.796,σ=0.016)

表8 時域中FP和SD UHF PD樣本之間的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.792，σ=0.007)Tab.8 Maximum correlation coefficient between FP and SD UHF PD samples in time domain(μ=0.792,σ=0.007)

表9 時域中PS和SD UHF PD樣本之間的最大相關(guān)系數(shù)(μ=0.855，σ=0.022)Tab.9 Maximum correlation coefficient between PS and SD UHF PD samples in time domain(μ=0.855,σ=0.022)

3.3 傳輸過程具有畸變特征

條件③是UHF局部放電信號具有從局部放電源到UHF傳感器傳播過程中特有的畸變特性。在此基礎(chǔ)上，預(yù)計任何兩個PD信號之間的相關(guān)性高度依賴于其測量點。為了驗證這一條件，將UHF探頭放在11個不同位置測量PS產(chǎn)生的UHF局部放電信號。UHF探頭測量位置是相對于基準位置沿y軸0.2 m步長的整數(shù)倍，偏移坐標范圍為（-1 m，+1 m）。

在每個探頭位置記錄8個UHF PD數(shù)據(jù)，然后比較每個位置的數(shù)據(jù)，得出任意兩個位置之間最大相關(guān)性的算術(shù)平均值，結(jié)果如圖6和表10所示（對稱矩陣形式）。為了驗證該條件，任何兩個UHF PD信號之間最大相關(guān)性的算術(shù)平均值應(yīng)與其測量位置之間的空間距離成反比。根據(jù)圖6和表10可知，隨著測量位置之間距離的增加，最大相關(guān)系數(shù)減小，從而驗證了這一條件的準確性。

圖6 PS-UHF局部放電的最大相關(guān)性與距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum correlation and distance of PS UHF PD

表10 時域中PS-UHF PD樣本的最大相關(guān)性與距離的關(guān)系Tab.10 Relationship between maximum correlation and distance of PS UHF PD samples in time domain

3.4 UHF探頭方向相關(guān)性

條件④認為接收到的UHF PD信號取決于UHF探頭方向。為了驗證這一條件，在0°和90°之間改變UHF探頭方向（將探頭方向從沿x軸改變?yōu)檠貀軸），比較PS源產(chǎn)生的UHF局部放電信號，結(jié)果如表11～13所示。

表11 PS-UHF PD樣本在時域中0°探頭方向的最大相關(guān)性（μ=0.945，σ=0.030）Tab.11 Maximum correlation of PS-UHF PD samples in time domain and 0°probe orientation(μ=0.945,σ=0.030)

對于相同的探針方向，表11和表12中分別記錄了0°和90°探針方向的樣本結(jié)果，可以看出最大相關(guān)系數(shù)較高（μ≥0.889）。然而，當比較不同探針方向的樣品時，如表13所示，最大相關(guān)系數(shù)相對于表11和表12中的值顯著降低（μ=0.477）。

表12 PS-UHF PD樣本在時域中90°探頭方向的最大相關(guān)性（μ=0.889，σ=0.066）Tab.12 Maximum correlation of PS-UHF PD samples in time domain and 90°probe orientation(μ=0.889,σ=0.066)

表13 PS-UHF PD樣本的0°和90°探頭方向之間的最大相關(guān)性（μ=0.477，σ=0.015）Tab.13 Maximum correlation between 0°and 90°probe orientations of PS-UHF PD samples(μ=0.477,σ=0.015)

3.5 具有特定的信號特征

為了驗證條件⑤，通過在之前的PD源位置引入電感，對源阻抗進行更改。這種方法的基本原理是，整個變壓器結(jié)構(gòu)中存在顯著的電感和電容影響，加入電感可以產(chǎn)生明顯的影響，比改變局部放電位置產(chǎn)生的影響更顯著。

通過添加直徑為60 mm的絕緣線匝的整數(shù)倍得出附加電感，從而產(chǎn)生5個0.5～2.5 μH的附加電感。圖1顯示了直接連接到PS源的5匝感應(yīng)回路（2.5 μH）。記錄每次實驗PS源的UHF PD信號，與附加源電感的最大相關(guān)性如表14和圖7所示。

表14 與附加源電感的最大相關(guān)性Tab.14 Maximum correlation with additional source inductance

圖7 PS-UHF PD樣品與附加源電感的最大相關(guān)性Fig.7 Maximum correlation with additional source inductance of PS-UHF PD samples

為了驗證這一條件，任意兩個UHF PD信號之間的最大相關(guān)性應(yīng)與各測試實驗之間的源電感差成反比，即隨著樣本之間的源電感差增大，它們的最大相關(guān)性應(yīng)減小。由表14和圖7可以發(fā)現(xiàn)，最大相關(guān)性隨著樣本之間源電感差的增大而減小，因此條件⑤成立。

4 結(jié)論

本文基于PD源識別理論，提出使用經(jīng)適當信號處理單個UHF傳感器來準確識別電力變壓器內(nèi)的單個局部放電源。為了驗證基于超高頻傳感器的局部放電定位這一方法的可行性，信號處理后的局部放電信號必須與局部放電類型和大小無關(guān)，并且與結(jié)構(gòu)拓撲、局部放電傳輸路徑和傳感器位置有關(guān)。通過變壓器油中PS、SD、FP 3類局部放電試驗，驗證了支撐這一方法的5個條件的準確性。

本文提出的識別單個局部放電源特有信號的方法，有助于改善現(xiàn)有的UHF/聲學局部放電定位技術(shù)，且有望突破多個局部放電源的識別技術(shù)。