电声联合检测技术在变压器局部放电在线检测中的应用

【摘要】

随着电力设备电压等级的提高，电力部门对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。文章介绍了局部放电检测中电—声联合检测技术的应用，并对采用此检测原理的变压器局部放电在线检测设备作了介绍。

1 引言

局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电，这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质(特别是有机电介质)的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。我国国家标准和国际电工委员会都对此提出了相应规范。局部放电检测技术即是在这个背景下快速发展起来。

人们对局部放电的认识可以追溯到 1777 年，Lichtenberg 在Gottingen 皇家社团会议上发表了他试验研究的新结果。他利用伏特新设计的检测仪可以看到奇妙的星形或圆形尘埃轮廓。见图1 所示。他们认为，这些看来像放电通道的尘埃轮廓即代表着绝缘体表面放电现象。

图 1 正极(左)和负极(右)处表面放电产生的尘埃特征

1873 年，Maxwell 提出了电磁学假设，1896 年赫兹通过实验证明了Maxwell 关于电磁波存在性及其在空间、时间上传播的假说，这些理论和实验工作都成为了局部放电检测设备设计和物理模型开发的基础。

最初用于局部放电的检测设备是基于西林电桥的功耗电桥。该设备在1919 年开发出来，并在1924 年首次用于局部放电检测。一年后，即1925 年，Schwaiger 发现了电晕放电时的无线电频率特性。这项发现为设计测量电晕放电的无线电干扰仪奠定了基础。这种无线电干扰电压法(RIV)至今仍在一些国家，尤其是在北美国家中广泛应用。1928 年，Lloyd 和Starr 提出了平行四边形测量局部放电的方法，该方法可以认为是积分电桥的始祖。积分电桥是Dakin 和Malinaric 在1960 年提出。该方法在局部放电的物理研究中具有独到的优点，至今仍在应用。

此后，各种局部放电检测技术应运而生。基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。近年来，随着变频电源的广泛应用，一些变频系统绝缘出现过早老化的情况，在脉冲条件下的局部放电检测也引起人们的关注。本文综述了近年来应用较为广泛的声—电联合局部放电检测方法，并且介绍了一款采用此技术的成熟产品。

2 声—电联合检测技术原理

2.1 电检测法

局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。另外，每次放电过程持续时间很短，在气隙中一次放电过程在10ns 量级;在油隙中一次放电时间也只有1ms 。根据Maxwell 电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。局部放电电检测法即是基于这两个原理。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰电压法、介质损耗分析法等等。特别是，二十世纪八十年代由S. A. Boggs 博士和G. C.Stone 博士提出的超高频检测法近年来得到广泛关注，并逐渐有实用化的产品问世。

2.1.1 脉冲电流法

脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法，国际电工委员会(IEC)专门对此方法制定了相关标准(IEC-270)。该标准规定了工频交流下局部放电的测试方法，同时，此方法也适合于直流条件下的局部放电测量。脉冲电流法的基本测试回路分为直测法和平衡法两种。直测法常遇到各种干扰，特别是在现场环境下，会严重影响测试灵敏度。而平衡法由于其抑制共模干扰的优良性能，得到广泛采用。平衡法测试回路有西林电桥、差分电桥以及双电桥等形式。目前西林电桥干扰抑制比可达到几十，差分法可达到数百甚至上千。但是，平衡法的测量灵敏度一般比直测法低。脉冲电流法应用广泛，目前市场上大部分电类局部放电测试仪都采用直测法回路，如瑞士Haefely 公司的TE571 局部放电测试仪等。

2.1.2 无线电干扰电压法(RIV)

无线电干扰电压法，包括射频检测法，最早可追溯到1925 年，Schwarger 发现电晕放电会发射电磁波，通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生。国外目前仍有采用无线电干扰电压表检测局部放电的运用，在国内，常用射频传感器检测放电，故又叫射频检测法。较常用射频传感器有耦合电容传感器、Rogowski 线圈电流传感器和射频天线传感器等。RIV 方法能定性检测局部放电是否发生，甚至可以根据电磁信号的强弱对电机线棒和没有屏蔽层的长电缆进行局部放电定位;采用Rogowski 线圈传感器也能定量检测放电强度，测试频带较宽(1~30MHz)，现场测试证明，该方法具有较好的实用价值。

2.1.3 超高频(UHF)局部放电检测技术

超高频检测又分为超高频窄带检测和超高频超宽频带检测。前者中心频率在 500MHz 以上，带宽十几MHz 或几十MHz，后者带宽可达几GHz。由于超高频超宽频带检测技术有噪声抑制比高、包含信息多等优点受到人们的关注，通常所说的超高频检测技术即指超高频超宽频带检测。

用于超高频局部放电检测的传感器主要为窄带天线传感器。利用窄带天线作传感器早在1980 年Kurtz等人就提出过，他们设计的传感器用于大型电机局部放电测试，安装在一个或两个磁极上，可探测到单根定子线棒的放电。目前，窄带天线传感器已在检测大型电力变压器、GIS、电力电缆等设备的局部放电上有相关应用。

2.2 超声波检测法

介质中发生局部放电时，其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发，此时放电源如同一个声源，向外发出声波。由于放电持续时间很短，所发射的声波频谱很宽，可达到数MHz。要有效检测声信号并将其转化为电信号，传感器的选择是关键。常用的声传感器有用于气体中的电容麦克风(condensermicrophone)、驻极体麦克风(electrets microphone)和动态麦克风(dynamic microphone);用于液体中类似于声纳的所谓水中听诊器(hydrophone);用于固体中的测震仪(accelerometer)和声发射(acousticemission)传感器。

较之电测法，声测法在复杂设备放电源定位方面有独到的优点。但是，由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本不能反映放电量的大小。这使得实际中一般不独立使用声测法，而将声测法和电测法结合起来使用则可以得到较为准确的在线检测数据。

3.电-声联合局部放电在线监测系统的工作原理与组成

3.1 系统构成

采用电-声联合检测技术应用于大型电力变压器局部放电在线检测的系统基本示意图如下所示。

如图1所示，系统中本地主机用于处理从传感器获取的信号并将其数字化，而采用上位机进行局放信号的筛选、分析并完成局放脉冲数值记录、监测局放量发展状况等功能。该装置所采用的传感器分别为超声波传感器(AE)与射频电流传感器(RFCT)，AE传感器用于测量伴随局部放电产生的超声波信号，RFCT传感器则用于检测高频脉冲电流。由于高压设备四周总是充斥着各类噪声，因而要求检测系统具有高性能系统配置及信号处理能力以便检测设备内部产生的微弱局放信号。因此，系统同时配有两类传感器，并采用不同的信号处理技术，在时域中同步分析交变场中的检测信号。

系统中的本地主机包括CPU、ADC插板、信号处理插板、主板、电源及机箱等部件。主要功能为信号放大、信号处理(如：数字滤波、波形测量、脉冲记数、波形数据以及数据传输等)。终端用户安装专用软件后可通过个人电脑设置系统参数及工作条件、显示波形、进行信号分析，同时可对局放信号自动分析并存储相关信息(如信号的幅值、频率、相位等)，从而实现了对设备的远端监测。

3.2 电-声联合检测系统之技术特点

检测方法方面：系统同时采用电-声联合检测法，较单一测试方法更为灵活、可靠;各通道检测图可分别采用二维、三维及其他方式显示。

由于对单台变压器在线检测至少采用四个超声波传感器，故系统可针对某个局放脉冲计算出声源参考位置;超声检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的在线检测中，它是主要的辅助测量手段。

此外系统将射频检测法应用于局放在线检测。它是在脉冲电流法的基础上，利用Rogowski线圈从变压器的接地线处测取信号，这样测量的信号频率可以达到30MHz，大大提高了局部放电的测量频率，同时测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统的运行方式。装置中采用了开合钳式射频电流传感器，自变压器油箱接地线上取脉冲电流信号，故安装无须设备停电。

3.3 局放脉冲识别及计数

3.3.1 局部放电脉冲识别

系统仅将同时满足下列三个条件的信号认作局部放电信号。首先，系统必须至少检测到高于阈值的三个连续脉冲;其次，超声波信号波形的峰-峰值频率 (T1) 须介于100KHz ~ 300KHz;而射频频电流信号波形的峰-峰值频率 (T1) 须介于100KHz ~ 3MHz;最后，信号包络时间(T2) 应在500μS 内。若上述三个条件同时满足，则系统记录为一个局放脉冲计数。

图 2. 局部放电信号三个判别条件示意图

此外，系统另设有其他相应的局放脉冲识别标准及条件，由此系统提出变压器在线条件下得到的局部放电检测指标为pps(每秒钟局部放电脉冲计数)，进而可对该指标进行阶段性趋势分析，如按照月或年度时间跨度进行局放发展趋势分析。

3.3.2 阈值设置

系统 的阈值设置一类用于硬件脉冲计数， 另一类用于软件脉冲计数。阈值设定范围为-2,000mV~+2,000mV。阈值是测量局放脉冲的重要参数，为提高测量精度则需根据系统安装及环境条件选取适当的阈值。

其中，硬件脉冲计数阈值设定可于系统安装完毕后，通过检测各通道脉冲幅值而确定背景噪声水平，并将阈值的设定介于背景噪声及局放信号之间使其得以优化。而软件脉冲计数阈值设定则可借助于软件带通滤波功能尽可能滤除信号中的噪声后，确定信号中噪声水平。随后将阈值设定介于噪声及局放信号之间已使其得以优化。

3.4 局部放电检测的电磁干扰及抑制

变压器局放现场测量环境的严重电磁干扰打打降低了检测的灵敏度，有时甚至使得测量根本无法进行，因而有效地抑制电磁干扰是电力变压器局部放电检测技术的关键之一。

局部放电检测的干扰是多样的，按照时域波形可分为周期性干扰、脉冲型干扰和白噪声。周期性干扰包括系统高次谐波、载波通讯以及无线电通讯等等;脉冲型干扰分为周期脉冲型干扰和随机脉冲型干扰，周期脉冲型干扰主要由电力电子元件动作产生高频涌流引起，随机脉冲型干扰包括高压输电线上的电晕放电、其他电力设备的局部放电、分接开关动作产生放电以及接触不良产生的悬浮电位放电等;白噪声包括线圈的热噪声、地网噪声、配点线路和变压器继电保护信号线中的耦合进入的各种噪声以及检测线路中的半导体器件的噪声等。

针对不同类型的干扰采用相应的抑制方法。周期型干扰也称为窄带干扰，具有强度大且相位比较固定的特点。大多采用频域方法处理，主要包括FFT阀值滤波器、自适应滤波器、固定系数滤波器和带阻滤波器等。随机型干扰较难剔除，干扰和局部放电信号在频域有相似性，因而多在时域考虑。与局部放电信号混杂在一起的白噪声是一均值为零的平稳随机喜好，属于宽带干扰信号。

3.4.1 滤波器设置

系统滤波功能应分为带通滤波器、带阻滤波器以及自适应滤波器三类。系统用于处理RFCT传感器信号的频率范围为100KHz~5MHz;带阻滤波器仅滤除频率介于高频及低频间信号，其他频率的信号均可通过。在波形检测过程中可采用该滤波器滤除干扰;而自适应滤波器滤除波形检测过程中的某些连续噪声。存在某些较强连续噪声的环境中，可采用该滤波器。但根据奈科斯特稳定性判据(Nyquist Theorem)，滤波器上限截止频率应等于或小于1/2采样频率。

4 变压器局部放电的定位

对于变压器运行及维护人员来说，再确定变压器内部的局部放电后，快速而准确地对局部放电进行故障定位，对于及时了解故障发生、发展情况进而保障电力系统的正常运行具有重要意义。

超声波定位方法的原理是通过测量超声波传播的时延来确定局放源的位置，分为电-声定位和声-声定位。电-声定位的关键参数是放电点至传感器之间的声波直接传播时间T，近似为电、声信号的时间差。

4.1 局部放电的精确定位

变压器内部发生局部放电时，不但在变压器各引出端产生高频脉冲电信号，同时产生超声波。超声波在变压器内部以球面波的方式向四周传播。对某一路局部放电脉冲进行采样时，设定采集卡的采样频率后，对属于同一局放源的电脉冲及超声波脉冲进行局部放电脉冲识别，进而获取各超声波信号相对于电脉冲的时延(t1、t2、t3、t4、t5)。将变压器内部按空间分成若干个体单元后，将超声波等值波速作为定位算法中的变量。运用单元模块搜索技术，通过计算所有体元与各超声波探头之间的超声波传播所需时延范围进而可针对某个局放脉冲测定出局放源的参考位置。当其中一路超声信号的电声时延测量有较大误差时，仍可得到较精确的定位结果。

5 局部放电的模式识别

局部放电的模式识别从其特征提取上分为两类：统计分析法和时域分析法。统计分析法一般基于传统的低频、窄带局部放电测量，是在相域空间上进行的，也是指针对局部放电的统计分布谱图进行的。目前常见的有基于二维分布图及Q-N-Φ三维分布图的统计分析法、频域分析法等。时域分析法是针对高速采集一次放电产生的时域脉冲所得到的波形特征或相应的变换结果进行模式识别。

迄今为止，局部放电的模式识别主要围绕电脉冲信号及超声脉冲信号进行，如采用讲局放超声信号转换到频域后利用幅频特性进行识别的技术等。

6 结语

局部放电检测研究的最终目的是实现局部放电的在线检测，随着信号处理技术和计算机技术的不断提高，局部放电电信号检测将为电力变压器局部放电的实质和放电程度等提供较为满意的分析和判断。超声诊断主要用于局部放电的定位，电-声联合诊断局部放电将有很广泛的应用前景。

本文的在线监测系统在国内电力行业的应用超过五年，系统表现出较强的抗干扰特性，提供的数据比较客观地反映了被监测电力变压器的运行状态，并为现场工作人员诊断设备状态时提供了较好的辅助作用，能为电力变压器的状态检修提供比较可信的依据。

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