變壓器局部放電故障診斷方法研究

李欣桐

（徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院）

0 引言

本文針對變壓器局部放電故障診斷的方法，做了以下研究：

（1）對變壓器局部放電故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行全面分析。詳細解釋局部放電產(chǎn)生的原因、危害，進一步闡述論文研究的必要性。列舉典型的局部放電故障類型并在后續(xù)進行故障類型的判別。

（2）根據(jù)希爾伯特-黃理論識別變壓器局部放電的故障類型。詳細介紹EMD法并總結(jié)給出識別局部放電類型的判據(jù)。

1 變壓器局部放電故障診斷研究現(xiàn)狀

1.1 局部放電產(chǎn)生原因及危害

電力變壓器的局部放電主要有下列幾種成因［1］：

（1）環(huán)境和工藝，在絕緣結(jié)構(gòu)的原材料制作時，往往不可避免地會出現(xiàn)一些氣泡，變壓器工作時也會產(chǎn)生氣泡。氣泡中充斥著氣體，而絕緣介質(zhì)往往是固體或者液體，兩者介電常數(shù)存在差異。又因為場強與介電常數(shù)的反比關(guān)系，導致在同等場強下，氣體會被擊穿，而固態(tài)或者液態(tài)的絕緣介質(zhì)則不會。一旦設備通電，氣泡周圍就會產(chǎn)生電壓差，局部放電現(xiàn)象往往無法避免。

（2）絕緣介質(zhì)中可能也會出現(xiàn)一些導電或者半導電的雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的存在，通電后的電場會產(chǎn)生相應的畸形化，繼而產(chǎn)生局部放電。另一方面，如果導體雜質(zhì)的形狀十分尖銳，則會產(chǎn)生集中的電場，極有可能引起局部放電。

（3）局部放電一旦產(chǎn)生，絕緣介質(zhì)通常無法避免地會發(fā)生質(zhì)變，且局部放電本身又會加劇這種質(zhì)變，使其進一步劣化。由于局部放電是非貫穿性的，不會立刻造成變壓器的停電，往往很難被發(fā)現(xiàn)。但是如果不及時做出有效控制，它就會對絕緣介質(zhì)產(chǎn)生進一步的損傷。不僅會大大減短絕緣介質(zhì)的壽命，甚至有可能擊穿整個絕緣結(jié)構(gòu)，造成的后果不堪設想。

1.2 局部放電的類型

1.2.1 沿面放電

沿面放電是指沿不同聚集態(tài)電介質(zhì)的分界面所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。通常出現(xiàn)較多的是氣體或液體電介質(zhì)中沿固體介質(zhì)表面的放電，最有代表性也最常見的是絕緣子放電［2］。

1.2.2 內(nèi)部放電

氣壓的變化和變壓器系統(tǒng)的變化都會導致氣隙放電的發(fā)生，分為非脈沖型和脈沖型兩種。非脈沖型是流注放電過程，而脈沖型是電子碰撞的電離放電過程，兩者放電過程不同。

1.2.3 電暈放電

在非均勻的電場中，氣體介質(zhì)在特定的局部區(qū)域內(nèi)會發(fā)生一種自持放電，這種形式的氣體放電十分常見，即電暈放電。電極的幾何形狀十分尖銳，曲率半徑很小，一旦電極周圍的場強增高到比氣體發(fā)生電離的臨界場強大的時候，此氣體就會發(fā)生電離，由此產(chǎn)生電暈放電［3］。

1.3 變壓器局部放電的檢測方法

變壓器產(chǎn)生局部放電時會有一系列的物理化學現(xiàn)象，能量損耗隨之產(chǎn)生，我們將局部放電的檢測建立在這些現(xiàn)象基礎上，脈沖電流法和超高頻法等局部放電檢測方法的檢測對象為電信號，基于對非電信號檢測的方法有超聲波法、DGA法等。

本文主要采用電信號檢測方法中的脈沖電流法。在局部放電過程中一定會發(fā)生電荷交換并產(chǎn)生高頻脈沖，脈沖電流法就是以對這兩項被測物的在線監(jiān)測為依據(jù)的故障檢測方法。將需要檢測的電氣設備接入檢測回路，則回路中就會產(chǎn)生電壓脈沖，但是由于其太過微弱不便于顯示，可以將電壓脈沖通入合適的放大器，經(jīng)放大后再進行顯示。此方法檢測局部放電的靈敏度較高，也是國際電工委員會目前推薦可以廣泛使用的方法。

2 變壓器局部放電的測量和信號處理

2.1 局部放電的測量

局部放電的參與對象、放電過程都很復雜，這種物理現(xiàn)象用單一的參數(shù)是無法完整表示的，所以需要多種參數(shù)共同表征故障的狀態(tài)。局部放電有很多測量方法，其中脈沖電流法是普遍采用的方法。

2.1.1 測量原理

脈沖電流法主要測量的是變壓器局部放電過程中的電荷交換，若實驗中有樣本存在電荷放電，將其接進測試電路后，會在回路中產(chǎn)生脈沖信號。

2.1.2 測試接線

脈沖電流法的直測法的測試線路如圖1所示。

圖1 直測法測試接線

圖中Z1、Z2分別為低壓、高壓低通濾波器；Cx、Ck分別為試樣、耦合電容器；T1為調(diào)壓器；T2為高壓實驗變壓器；D為檢測儀器；Zd為檢測電阻；R1、R2分別為分壓器的高、低壓電阻。

2.2 圖譜分析

通過脈沖電流法測得的油浸紙板油隙正脈沖放電、氣隙放電、表面放電、懸浮放電的四種典型的脈沖波形如圖2所示。

圖2 典型脈沖波形

由脈沖圖像可知：

（1）油中氣泡局部放電形成的脈沖與固體氣隙局部放電形成的脈沖，維持時長和波形都很類似，維持時間約為50ns。

（2）油中氣隙發(fā)生局部放電與油紙絕緣發(fā)生局部放電，波形很相似，第一個脈沖都為50ns左右。

（3）在空氣中發(fā)生的放電，基本維持400ns左右，且檢測出的波形極其類似。

（4）懸浮放電從波形上看，與其他種類局部放電表現(xiàn)都基本相似。

3 基于HHT實現(xiàn)變壓器局部放電類型識別

3.1 EMD法

希爾伯特-黃變換（HHT）是一種專門用來分析非平穩(wěn)、非線性的信號的方法。在1998年由美國華裔科學家N.E.Huang等提出，并在次年進行了改進。這個變換理論中包括了經(jīng)驗模式分解（Empirical Mode Decomposition，EMD），EMD是將信號經(jīng)過分解，得到一系列的固有模態(tài)函數(shù) （Intrinsic Mode Function，IMF）信號和一個余項［4］。

原信號可以用瞬時頻率和時間的函數(shù)表達：

式中，wj（t）和aj（t）都為時間函數(shù)。若直接進行瞬時頻率求解，可能會得出無意義的負數(shù)，如果對復雜信號進行拆分，分別求導會求出不同數(shù)值。

為了解決上述問題，黃鍔院士等提出了IMF的概念，并給出假設，即復雜信號可由一系列的IMF信號組成。

如果一個信號存在多種波動模式，那么首先要對它進行模式分解，分解出它包含的IMF。經(jīng)驗模式分解法是黃鍔院士的另一巨大貢獻，根據(jù)時間尺度的不同，可以利用EMD法將分量按順序依次分離。我們可以在這種情況下把它看作是一個二進制的濾波器，如果輸入的是一個非平穩(wěn)的信號，那么分解得到的一系列的IMF信號也會具有一定的振蕩特性，可以將此算法視為一個篩選的過程。

EMD法具有近似正交性、完備性、自適應性等特征，而且經(jīng)它分解得到的IMF具有調(diào)制性，能有效保存局部放電信號的非線性、非平穩(wěn)特性。國立中央大學的數(shù)據(jù)分析研究中心的網(wǎng)絡平臺上有完整的EMD程序，支持在MATLAB環(huán)境中運行。

3.2 四種典型的局部放電的HHT譜

用希爾伯特-黃變換處理非平穩(wěn)信號具體可以分為以下幾個步驟：首先將非平穩(wěn)信號進行EMD，將其分解成若干IMF信號；然后將每個IMF信號進行希爾伯特變換，得出相應HHT譜；接著匯總每一個HHT譜，就得出了原始信號的HHT譜。

圖3所示為四種局部放電信號的各自邊際譜，直接反映了四種典型的變壓器局部放電的頻率分布，是我們識別故障類型的判斷依據(jù)。

圖3 四種典型變壓器局部放電頻率分布圖

3.3 原理判據(jù)

通過前面對四種典型信號在時域頻域特點的分析，得到如下變壓器局部放電識別判據(jù)：

（1）懸浮放電的脈沖能量主要集中在0～30Hz，其他頻帶范圍存在量較少。

（2）油浸紙板氣隙放電脈沖能量基本都在0～50Hz，少部分在50～200Hz。它的能量主要在時域上集中分布在前1／3段和后1／3段，中間1／3部分分布的比較平緩。

（3）油隙正脈沖放電能量分布是相對集中的，一般分布在50～100Hz之后，在100Hz也有少許，從時域上看，整個時間范圍內(nèi)基本是平均分布的。

（4）表面放電的正脈沖能量帶分布與其他不同，較為靠外，一般只在200Hz以內(nèi)的區(qū)域有分布，時域上看就是0.05ms前分布很均勻，0.05ms之后開始有所衰減。

綜上，我們可以得出局部放電類型的判斷依據(jù)和方法，如圖4所示。

圖4 局部放電信號識別邏輯圖

3.4 判據(jù)的驗證

為了確保實驗可靠性，多次改變變壓器局部放電脈沖信號參數(shù)進行驗證，實驗結(jié)果見下表。

表 實驗驗證結(jié)果

由表可知，故障類型識別率大于80%，合計識別率87.3%。由此可得，此種識別方法基本能夠?qū)崿F(xiàn)這四種類型的局部放電故障的識別。

4 結(jié)束語

本文的主要研究內(nèi)容是變壓器局部放電的故障診斷。局部放電的模式識別是故障診斷中非常重要的一個環(huán)節(jié)，本文基于HHT實現(xiàn)了變壓器局部放電類型識別。經(jīng)檢驗證明，利用HHT處理局部放電信號之后，基本能夠成功識別局部放電故障，對絕緣缺陷診斷具有十分重要的意義。