局部放電檢測方法的研究進(jìn)展

局部放電檢測方法的研究進(jìn)展

根據(jù)大量失敗統(tǒng)計(jì)，絕緣故障在設(shè)備故障中所占比例較大。發(fā)生絕緣故障的原因主要是絕緣薄弱處的局部放電引起的絕緣老化和失效,并最終導(dǎo)致絕緣擊穿。局部放電檢測能夠提前反映變壓器的絕緣狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的絕緣缺陷,從而預(yù)防潛伏性和突發(fā)性事故的發(fā)生。20世紀(jì)70年代,IEC為此制定了專門的標(biāo)準(zhǔn),并做了多次更新,發(fā)展電力設(shè)備的狀態(tài)維修已經(jīng)成為一種必然趨勢。準(zhǔn)確地局部放電定位是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的重要前提之一。探索更加有效的定位方法是當(dāng)今電力工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。1局部放電檢測檢測方法對變壓器局部放電有脈沖電流法、超聲波法、射頻檢測法、特高頻法、光測法、化學(xué)檢測法以及紅外檢測法等多種檢測方法。(1)脈沖電流法。局部放電造成電荷的移動(dòng)并在外圍測量回路中產(chǎn)生脈沖電流,通過檢測該脈沖電流便可實(shí)現(xiàn)對局部放電的測量。該方法一般是檢測脈沖電流信號的低頻部分,通常為數(shù)kHz至數(shù)百kHz(至多數(shù)MHz)。目前,脈沖電流法廣泛用于變壓器型式試驗(yàn)、預(yù)防和交接試驗(yàn)、變壓器局部放電實(shí)驗(yàn)研究等,其特點(diǎn)是測量靈敏度高、放電量可以標(biāo)定等。(2)射頻檢測法。射頻檢測法屬于高頻局部放電測量,其檢測頻帶已達(dá)甚高頻(VHF)范圍,測量頻率達(dá)30MHz。該方法利用羅戈夫斯基線圈從變壓器中性點(diǎn)測取局部放電信號。射頻檢測法使用方便,檢測系統(tǒng)不會影響變壓器的運(yùn)行方式。超寬頻帶(UWB)局部放電檢測技術(shù)(上限頻率可達(dá)GHz)具有測量頻帶寬、信息量大等優(yōu)點(diǎn),可以較全面地研究局部放電的特性。(3)氣相色譜法。這是一種基于油中氣體成分分析(DGA)的化學(xué)檢測方法。變壓器中發(fā)生的局部放電將導(dǎo)致各種絕緣材料發(fā)生分解破壞,產(chǎn)生新的生成物,通過檢測各種氣體生成物的組成和濃度,可以判斷局部放電的狀態(tài)。目前,該方法廣泛應(yīng)用于變壓器故障類型和故障程度的診斷,IEC為此制定了三比值法的推薦標(biāo)準(zhǔn)。氣相色譜法的優(yōu)點(diǎn)是不受外界電磁干擾影響,準(zhǔn)確度較高,且對早期潛伏性故障較靈敏,但不能反映突發(fā)性故障。(4)超聲波檢測法。根據(jù)超聲波信號進(jìn)行局部放電的判斷分析,典型的超聲波傳感器的頻帶大多為50~200kHz。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不影響電氣主設(shè)備的安全運(yùn)行,并且受電磁干擾影響較小;缺點(diǎn)是放電源和超聲探頭之間的波阻抗異常復(fù)雜,超聲波信號常常因?yàn)閭鞑ネ緩綇?fù)雜、衰減嚴(yán)重而導(dǎo)致檢測靈敏度很低。光纖技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在局部放電的超聲波探測上,變壓器內(nèi)局部放電產(chǎn)生的超聲波擠壓光纖并導(dǎo)致光波在光纖中傳播時(shí)受到調(diào)制,采用合適的調(diào)制解調(diào)器可以把局部放電的超聲波信號提取出來,可以避免傳統(tǒng)的油—鋼復(fù)合路徑所造成的影響。采用光學(xué)技術(shù)對電氣設(shè)備局部放電的檢測技術(shù)達(dá)到現(xiàn)場應(yīng)用還有很大距離,其主要原因在于光學(xué)設(shè)備造價(jià)高、檢測穩(wěn)定性不高。(5)紅外檢測。這是基于局部放電點(diǎn)的溫度升高,利用紅外探測儀的熱成像原理實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)測量。但由于變壓器結(jié)構(gòu)和傳熱過程的復(fù)雜性,目前變壓器紅外檢測針對于一些變壓器外部故障(包括導(dǎo)體連接不良、漏磁引起的箱體渦流、冷卻裝置故障和變壓器套管故障等)。(6)UHF法。這是目前局部放電檢測的一種新方法,該方法通過天線傳感器接收局部放電過程輻射的UHF電磁波,實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測。在20世紀(jì)80年代末,UHF法測量局部放電首先應(yīng)用在GIS設(shè)備中。該技術(shù)的特點(diǎn)在于:檢測頻段較高,可以有效地避開常規(guī)局部放電測量中的電暈、開關(guān)操作等多種電氣干擾;檢測頻帶寬,所以其檢測靈敏度很高;而且可識別故障類型和進(jìn)行定位。UHF檢測的特點(diǎn)使其在局部放電檢測領(lǐng)域具有其他方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而在近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。變壓器油/隔板結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度比較高,理論上其局部放電能夠激發(fā)出很高頻率的電磁波,最高可達(dá)數(shù)GHz。1996年Rutgers首先將UHF技術(shù)應(yīng)用于變壓器的局部放電測量。他們在實(shí)驗(yàn)室中檢測到了幾種缺陷放電的UHF信號,研制了300~1200MHz的UHF天線并通過放油閥將其用于實(shí)際變壓器中,其檢測靈敏度可達(dá)10pC。英國Strathclyde大學(xué)的Judd等人在GIS特高頻檢測研究的基礎(chǔ)上,也對變壓器局部放電UHF檢測進(jìn)行了研究。他們以盤式電容作為傳感器并通過在變壓器箱體頂部開介質(zhì)窗的方式安裝,傳感器耦合的局放信號送入頻譜分析儀,選取最優(yōu)頻率后,使用頻譜儀的POW模式進(jìn)行分析。法國ALSTOM輸配電研究中心的K.Raja等人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了各種典型局部放電模型的UHF特性,通過頻譜儀的ZeroSpan方式檢測,并據(jù)此建立了模式識別方法。此外Raja等人在真實(shí)變壓器模型上實(shí)驗(yàn)證實(shí)了UHF方法的靈敏度遠(yuǎn)高于超聲法,且基本不受紙板等絕緣物的影響。國內(nèi)方面,西安交通大學(xué)李彥明等人在變壓器的局部放電UHF檢測方面作了許多工作,他們基于混頻技術(shù)建立了頻帶可調(diào)的窄帶檢測系統(tǒng),通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)了局部放電類型的自動(dòng)識別。華北電力大學(xué)李成榕等人則采用檢波技術(shù)對原始UHF信號進(jìn)行調(diào)理,并研制了基于檢波技術(shù)的電力變壓器在線監(jiān)測裝置。該裝置已經(jīng)于2003年10月底通過變壓器事故放油閥在河南某220kV主變上進(jìn)行了在線安裝和運(yùn)行,并成功地檢測到局部放電信號。之后又發(fā)明了UHF人孔、手孔等傳感器安裝方式,在將該技術(shù)實(shí)用化方面做出了一些成績。清華大學(xué)則試圖通過在變壓器內(nèi)部引出線的附近安置UHF天線的方法來測量變壓器的內(nèi)部放電,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和現(xiàn)場都進(jìn)行了探索。近年來,國內(nèi)外還出現(xiàn)了通過射頻和超聲波進(jìn)行聯(lián)合來檢測局部放電的方法。聯(lián)合檢測有利于發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢來保證局部放電檢測的可靠性,而且可替代電氣脈沖-超聲波法進(jìn)行定位。如澳大利亞的西門子研究機(jī)構(gòu)研制了射頻和超聲波復(fù)合探頭,并通過變壓器油箱上的油孔或觀察窗以內(nèi)部安裝的方式進(jìn)行放電檢測。目前,基于UHF的局部放電檢測技術(shù)在學(xué)術(shù)界和工程界都得到了廣泛關(guān)注,將局部放電UHF檢測技術(shù)應(yīng)用于變壓器的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。2中壓機(jī)場壓縮法的科學(xué)研究目前局部放電定位的方法主要有超聲波定位法、電氣定位法兩種。2.1局部放電點(diǎn)的定位算法超聲波定位方法是20世紀(jì)80年代開始發(fā)展,90年代趨于成熟的一種局部放電定位方法,目前這種方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。超聲波定位方法利用放電產(chǎn)生的超聲信號和電脈沖信號之間的時(shí)延,或直接利用各超聲信號時(shí)延進(jìn)行定位。國內(nèi)外對超聲定位都做了許多研究,并發(fā)展了三角定位法(球面方程法)、雙曲面定位法、V型曲線法、順序定位法和模式識別法等多種方法,其中以三角定位法和雙曲面法研究最多。(1)三角定位法。這是以局部放電電信號作為觸發(fā)基準(zhǔn),通過3個(gè)(或以上)傳感器測量超聲波信號與電信號的時(shí)間差,以此作為超聲信號的傳播時(shí)間,并由此建立球面方程求解局部放電點(diǎn)?，F(xiàn)場有時(shí)難以有效地獲取局部放電的電信號,此時(shí)即可采用雙曲面法來進(jìn)行定位。(2)雙曲面定位法。這是在變壓器外殼上放置4個(gè)(或以上)超聲傳感器,以最先接收到的超聲脈沖為時(shí)間基準(zhǔn),測量其他超聲信號的時(shí)延,并由此建立雙曲面方程組求解局部放電點(diǎn)。為簡化問題,三角定位法和雙曲面算法假定聲速為常數(shù)。實(shí)際上由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各種聲介質(zhì)對聲波的衰減及對聲速的影響都不一樣,因此定位誤差很大。為此,研究人員基于最小二乘原理對這兩種算法進(jìn)行了改進(jìn),具體方法是增加傳感器的數(shù)量,并將超聲波的等值聲速作為變量來處理,從而得到等值聲速和局放點(diǎn)位置。這種改進(jìn)算法在一定程度上降低了傳播路徑對聲速的影響,提高了定位精度。但改進(jìn)方法仍然簡化認(rèn)為各路超聲波信號的等值波速是相等的,因此誤差仍然很大。文獻(xiàn)在上述算法的基礎(chǔ)上,通過分析不同聲介質(zhì)對超聲信號等值波速和頻譜影響,提出了一種基于頻譜分析的等值波速修正方法:對各路超聲信號作頻譜分析,如果發(fā)現(xiàn)某一路的高頻段衰減明顯大于低頻段,則定性地確定該路信號存在較強(qiáng)的繞射,并對其等值波速進(jìn)行修正,令其為vi,建立包含新增變量vi的超定方程組,以初步定位解作為初始點(diǎn)進(jìn)行重新搜索求解。通過射頻與超聲波聯(lián)合檢測和定位也可以解決現(xiàn)場難以獲得電信號的問題,文獻(xiàn)提出了一種基于特高頻和超聲波相控接收陣的局放定位方法,該方法以UHF信號作為時(shí)間基準(zhǔn)得到超聲信號的時(shí)延,進(jìn)而計(jì)算出放電點(diǎn)與傳感器之間的距離;再根據(jù)平面超聲相控陣掃描的方位和仰角定出放電點(diǎn)的幾何位置。仿真研究表明,該方法在不考慮信號的傳播衰減和噪聲影響的情況下可以對油中局放進(jìn)行比較精確的定位,且理論上可進(jìn)行多點(diǎn)定位。由于該研究沒有充分考慮變壓器結(jié)構(gòu)對超聲信號的影響,故其具體定位效果有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證?？傊?盡管人們對超聲波定位方法作了大量研究,發(fā)展了多種定位方法,并對其進(jìn)行了許多改進(jìn),但仍然難以進(jìn)行準(zhǔn)確和有效的定位。2.2局部放電源的定位算法根據(jù)局部放電脈沖沿變壓器繞組傳播規(guī)律進(jìn)行分析定位的方法稱為電氣定位法。與超聲定位不同,電氣法確定的位置為局部放電發(fā)生的電氣位置而非幾何位置。研究表明,通常變壓器繞組存在三個(gè)頻率特性范圍:低頻行波分量(0~0.01MHz)、中頻振蕩分量(0.01~0.1MHz)和高頻電容分量(0.1~10MHz)。相應(yīng)的電氣定位法可分為行波法、電容分量法及端點(diǎn)電流脈沖頻譜分析法等。行波法是根據(jù)測量端局部放電信號的電容分量和行波分量之間的時(shí)延確定故障點(diǎn)的位置。如果放電點(diǎn)距測量端很遠(yuǎn),電容分量就很微弱而無法檢測,因此這種方法只能大概確定局部放電點(diǎn)的部位。電容分量法是根據(jù)繞組首末端檢測的局部放電信號電容分量之比進(jìn)行定位的,實(shí)際上許多變壓器電容分量的衰減曲線并不光滑,此時(shí)很難用此法進(jìn)行定位。特別是當(dāng)繞組中性點(diǎn)直接接地時(shí),用此方法對局部放電定位很不準(zhǔn)確。在中頻范圍內(nèi),變壓器測量端的局部信號頻譜因放電位置的不同而存在一定的差異,據(jù)此也可以進(jìn)行局部放電源的定位。電氣定位法的關(guān)鍵在于嚴(yán)格根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)對其傳輸特性進(jìn)行精確模擬。文獻(xiàn)建立了集中參數(shù)電路的繞組網(wǎng)絡(luò)模型,提出了根據(jù)繞組兩端脈沖響應(yīng)信號的頻域信息的幅比折線法和能比直線法,研究了依據(jù)時(shí)域信息相關(guān)分析的定位方法。文獻(xiàn)則基于多導(dǎo)體傳輸線理論建立了變壓器繞組模型,并通過繞組傳輸特性的散射參數(shù)的測量驗(yàn)證了繞組模型的正確性。3最短光程原理的驗(yàn)證鑒于UHF方法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)且適合于在線檢測的優(yōu)點(diǎn),目前人們開始探索通過UHF檢測進(jìn)行電力變壓器局部放電的定位。2003年,英國Strathclyde大學(xué)的L.Yang和M.D.Judd提出了基于最短光程原理采用UHF法對變壓器局部放電進(jìn)行定位的思想。他們在屏蔽室內(nèi)通過長方體、圓柱體等簡單幾何形體的金屬障礙物驗(yàn)證了最短光程原理的正確性,試驗(yàn)誤差僅為數(shù)厘米。Judd還用時(shí)域有限差分(FDTD)方法仿真了存在導(dǎo)電圓柱情況下電磁波繞射傳播過程,從理論角度探索了根據(jù)最短光程原理進(jìn)行變壓器局部放電定位的可行性。此外,Judd等人研究了電磁波在變壓器油紙絕緣中的傳播特性,結(jié)果表明UHF信號在油紙材料中的衰減很小,且基本不受溫度和水分的影響,并測得變壓器油中的電磁波速約為17~20cm/ns,在浸過油的絕緣紙板中約為14~16cm/ns。Judd在最短光程原理驗(yàn)證試驗(yàn)中采用的是人工脈沖信號源,其強(qiáng)度與真實(shí)局部放電之間存在著一定的差別,無法證明局部放電信號繞過障礙物傳播后其波前能被有效檢測,因此無法回答根據(jù)最短光程原理進(jìn)行局部放電定位是否可行的問題。文獻(xiàn)采用0.5~1.5GHz的UHF檢測系統(tǒng)對電力變壓器局部放電UHF定位的可行性作了進(jìn)一步的探討,結(jié)果表明:局部放電信號強(qiáng)度有限,鐵心等大尺寸實(shí)體金屬障礙物對UHF信號造成的衰減很強(qiáng)烈,由此導(dǎo)致的時(shí)延測量誤差可達(dá)1ns以上,難以直接依據(jù)最短光程原理進(jìn)行變壓器局部放電定位。4uhf放電定位難點(diǎn)分析采用新興的局部放電UHF檢測方法進(jìn)行變壓器局部放電定位的研究尚處于起步階段,以下幾個(gè)關(guān)鍵問題有待解決:(1)變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,局部