變壓器局部放電故障定位幾種方法的應(yīng)用比較

變壓器局部放電故障定位幾種方法的應(yīng)用比較宋友（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司）摘要：介紹了幾種變壓器局部放電故障定位常用的技術(shù)手段，并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中幾種方法的應(yīng)用情況，對(duì)其進(jìn)行比較。為各種變壓器局部放電故障定位方法在現(xiàn)場(chǎng)的有效應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵字：變壓器局部放電、UHF、超聲波、電氣定位引言目前，對(duì)于變壓器局部放電故障的確定，已有多種方法可以有效做到。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，檢測(cè)手段也越來(lái)越多，檢測(cè)設(shè)備也越來(lái)越檢測(cè)迅速、使用方便、功能強(qiáng)大。對(duì)于制造廠家和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)，僅僅確定局放故障是否存在是不夠的，往往還要確定故障的位置，以便有的放矢的排除或者處理故障。在出廠試驗(yàn)、交接驗(yàn)收試驗(yàn)、預(yù)試及運(yùn)行中迅速查明變壓器的內(nèi)部放電故障位置，對(duì)迅速修復(fù)故障、保證設(shè)備制造質(zhì)量及安全運(yùn)行有重要意義，并可以節(jié)約大量人力、物力、時(shí)間，也是目前國(guó)網(wǎng)公司一次設(shè)備帶電檢測(cè)的重要組成內(nèi)容。局部放電的檢測(cè)和定位都是根據(jù)放電過(guò)程中的聲、光、電、熱和化學(xué)現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行的，故障定位方法有超聲波定位、電氣定位、光定位、熱定位和DGA定位等。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的是超聲波定位法和電氣定位法，近幾年，一些新的定位方法如UHF定位法也在國(guó)內(nèi)外有較多的研究和應(yīng)用。本文擬對(duì)超聲波定位法、電氣定位法、UHF定位法進(jìn)行應(yīng)用比較，并就實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。超聲波定位方法當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率和波形特征的超聲波信號(hào)，放電源成為聲發(fā)射源。超聲波信號(hào)在油箱內(nèi)部經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)傳播到達(dá)固定在油箱壁上的超聲波傳感器。對(duì)應(yīng)每一次放電，都會(huì)有相應(yīng)的超聲波產(chǎn)生；對(duì)應(yīng)同一次放電，每一個(gè)超聲波傳感器接收到的相應(yīng)超聲波信號(hào)之間會(huì)表現(xiàn)出合理的、有規(guī)律的時(shí)差關(guān)系。根據(jù)到達(dá)超聲波傳感器的相對(duì)時(shí)差，通過(guò)相關(guān)的定位算法，就可以計(jì)算出局部放電故障點(diǎn)。局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)到達(dá)不同傳感器的有規(guī)律時(shí)差現(xiàn)象分為兩種，一種為局部放電電脈沖信號(hào)與各超聲波傳感器收到的聲波信號(hào)之間的時(shí)差，稱為電-聲時(shí)差。第二種為同一次放電各超聲波傳感器收到的相應(yīng)超聲波信號(hào)之間的時(shí)差，稱為聲-聲時(shí)差。利用兩種時(shí)差現(xiàn)象可確立兩種超聲波定位技術(shù)：電聲定位法（俗稱球面定位）和聲聲定位法（俗稱雙曲面定位）。電聲定位方法該定位法利用局部放電檢測(cè)儀取得局部放電電信號(hào)，變壓器油箱外殼布上多個(gè)超聲波傳感器接收超聲波信號(hào)。以電信號(hào)和各個(gè)超聲波信號(hào)之間的時(shí)間差作為故障點(diǎn)到各超聲波傳感器的時(shí)間，以等值聲速乘以傳播時(shí)間就得到故障點(diǎn)到達(dá)超聲波傳感器的距離，以此列一組時(shí)差和距離的球面方程求解。根據(jù)方程特征可知，電信號(hào)至少1路，超聲波信號(hào)至少3路。實(shí)際帶電檢測(cè)中往往是采用HFCT對(duì)套管末屏接地電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)并取得電信號(hào)。近年來(lái)隨著UHF技術(shù)和射頻電流技術(shù)的應(yīng)用，也可以采用UHF信號(hào)和射頻電流信號(hào)作為電信號(hào)。聲聲定位方法該定位法一般在分布于油箱表面的一組超聲波傳感器（傳感器個(gè)數(shù)4）中，選用一路聲信號(hào)觸發(fā)其余聲通道。選擇該傳感器作為基準(zhǔn)傳感器，測(cè)定同一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)傳播到其它超聲波傳感器時(shí)對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)傳感器的相對(duì)時(shí)延，將這些相對(duì)時(shí)延代入滿足該組傳感器幾何關(guān)系的一組雙曲面方程求解，即可求出故障點(diǎn)的幾何位置。一般來(lái)說(shuō)，電-聲定位法比較簡(jiǎn)單直觀，手工畫圖都可以完成定位計(jì)算。文獻(xiàn)6通過(guò)計(jì)算、模擬試驗(yàn)比較了電-聲定位法和聲-聲定位法的準(zhǔn)確程度，結(jié)論是聲信號(hào)起點(diǎn)不容易確定，導(dǎo)致時(shí)延誤差較大，因此電-聲定位法比聲-聲定位法準(zhǔn)確度高。應(yīng)該說(shuō)，這個(gè)結(jié)論僅能成立于高質(zhì)量試驗(yàn)室或者模擬試驗(yàn)的前提下。電-聲定位法的先決條件是：所測(cè)的聲電信號(hào)時(shí)延與超聲波的直接波傳播時(shí)間一致。而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于電氣干擾十分嚴(yán)重，電信號(hào)的觸發(fā)是往往是非常不可靠的，干擾電信號(hào)頻繁的誤觸發(fā)會(huì)導(dǎo)致所謂的電-聲時(shí)延毫無(wú)物理意義，將其代入球面定位方程后得到的定位結(jié)果也是不可靠的。另外，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下的變壓器進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí)，電信號(hào)的取得更是缺乏有效手段。聲-聲定位法則不需要電信號(hào)，電氣干擾的存在對(duì)定位結(jié)果沒有影響，這種可抗干擾的定位方法特別適用于運(yùn)行狀態(tài)下變壓器的現(xiàn)場(chǎng)故障定位。國(guó)內(nèi)近兩年現(xiàn)場(chǎng)主變壓器的故障定位成功案例，基本都是采用聲-聲定位法，而電聲定位法主要用于干擾較小的試驗(yàn)場(chǎng)所，如制造廠試驗(yàn)大廳。超聲波定位方法應(yīng)用實(shí)例西北某變電站主變壓器型號(hào)為ODFPS-/750GY，出廠于2008年4月。2009年起發(fā)現(xiàn)乙炔增長(zhǎng)，油色譜數(shù)據(jù)如下表：表1 2#主變A相變壓器油色譜數(shù)據(jù)（引用數(shù)據(jù)）試驗(yàn)日期H2COCO2CH4C2H6C2H4C2H2總烴2009.01.223.08.565.91.20.60.30.42.52009.01.273.29.452.61.30.60.30.42.62009.01.303.810.2106.81.60.80.30.63.32009.02.024.39.442.71.90.70.30.63.52009.02.064.28.869.91.80.80.31.03.92009.02.094.78.369.61.50.60.31.33.72009.02.126.58.934.41.40.60.41.64.02009.02.147.510.347.32.00.70.41.95.02009.02.17-2.3-2009.02.19-2.7-2009.02.23-2.6-注：氣體組分單位L/L，“-”表示未記錄該數(shù)據(jù)此次變壓器局部放電故障超聲波定位檢測(cè)，使用國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院自主研制的JFD系列局部放電超聲波故障自動(dòng)定位系統(tǒng)，將超聲波傳感器貼于變壓器油箱外側(cè)，接收放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，并進(jìn)行波形記錄。局部放電超聲波定位檢測(cè)示意圖見圖1。 圖1 局部放電超聲波定位檢測(cè)示意圖圖2 傳感器詳細(xì)布置圖圖3 超聲波信號(hào)圖對(duì)時(shí)差規(guī)律一致的多組超聲波信號(hào)進(jìn)行了聲聲定位計(jì)算，計(jì)算結(jié)果一致，定位結(jié)果集中在（x=1.79m,y=2.27m,z=1.05m）區(qū)域,結(jié)合油色譜分析數(shù)據(jù)中乙炔氣體的增長(zhǎng)情況，判斷變壓器內(nèi)部該區(qū)域存在放電性故障。以上為完整的運(yùn)行狀態(tài)下變壓器現(xiàn)場(chǎng)帶電故障檢測(cè)定位過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)HFCT取得的電信號(hào)存在很大的干擾信號(hào)，無(wú)法采用電-聲定位法。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲-聲定位法對(duì)變壓器圍屏、引線、金屬件、高壓線圈表面放電、最為靈敏，定位誤差最小。電氣定位方法檢測(cè)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí)，一般在端部取信號(hào)，放電脈沖從故障處沿繞組傳遞到測(cè)量端，帶有定位所需的部分信息，通過(guò)對(duì)此脈沖的具體分析來(lái)確定故障源的位置。電氣定位的方法有很多，應(yīng)用較多、比較有代表性的是多端測(cè)量-多端校準(zhǔn)法和極性鑒別法。變壓器內(nèi)部放電會(huì)向測(cè)量端子傳遞放電信號(hào)，測(cè)量端子測(cè)得的信號(hào)有相應(yīng)的特性和幅值，所有外接線測(cè)量端子形成一個(gè)獨(dú)特的組合“A”。如果校準(zhǔn)脈沖被分別的注入各繞組的端子，則這些校準(zhǔn)脈沖會(huì)向變壓器外部接線的測(cè)量端子傳輸信號(hào)，形成校準(zhǔn)脈沖信號(hào)的響應(yīng)組合“B”。如果組合“A”中的數(shù)據(jù)與組合“B”相應(yīng)數(shù)據(jù)存在明顯的相關(guān)，則可認(rèn)為故障點(diǎn)出現(xiàn)在組合“B”相應(yīng)的端子鄰近部位上。這種方法便是多端測(cè)量-多端校準(zhǔn)定位法。文獻(xiàn)4上有這種定位方法是實(shí)例。顯然這種定位方式比較粗略，只對(duì)某種故障點(diǎn)在信號(hào)波形準(zhǔn)確的前提下有實(shí)際作用。另外，只能用于停電后離線檢測(cè)，不能用于帶電檢測(cè)。極性鑒別法是在脈沖電流法檢測(cè)局部放電的過(guò)程中，通過(guò)RLC阻抗出現(xiàn)的脈沖極性來(lái)確定放電位置。這種方法顯然只能用于離線檢測(cè)，比多端測(cè)量-多端校準(zhǔn)法還要粗略，實(shí)際上一般用于現(xiàn)場(chǎng)局放-干擾信號(hào)的識(shí)別而不是故障定位。特高頻（UHF）定位方法UHF檢測(cè)方法是近年來(lái)興起的較新的一種檢測(cè)方法，該方法基于通過(guò)天線傳感器接收到的UHF信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、定位功能。這種方式最早應(yīng)用在GIS上，可避開電氣干擾頻段，所以在GIS局部放電檢測(cè)中靈敏度較高。UHF檢測(cè)方法近年得到廣泛關(guān)注，主要是因?yàn)樵贕IS等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高壓電器中有著成功的應(yīng)用，但在變壓器局部放電檢測(cè)，尤其是故障定位中，還停留在研究、模擬、試驗(yàn)的初步階段。存在著UHF法無(wú)法校準(zhǔn)、變壓器結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比GIS復(fù)雜、安裝位置較少（目前一般在放油閥如圖4）、實(shí)用算法需進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)難題。目前缺少有說(shuō)服力的現(xiàn)場(chǎng)成功案例。圖4 UHF傳感器放置點(diǎn)結(jié)論超聲波定位法是目前研究最多、應(yīng)用最成熟的變壓器局部放電故障定位方法?？捎糜陔x線檢測(cè)和帶電檢測(cè)中，可對(duì)變壓器內(nèi)部放電故障，尤其是圍屏、引線、金屬件等類型的缺陷最為靈敏。但同時(shí)存在著等效聲速難以精確計(jì)算、聲波前沿不方便精確確定、對(duì)繞組內(nèi)部放電等變壓器深層次放電反應(yīng)不靈敏、試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜對(duì)人員要求很高等不足，也是目前超聲波定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)。電氣定位依賴測(cè)量端子的信號(hào)，從原理上看精度就不可能很高。但是對(duì)于某些特定缺陷，尤其是變壓器絕緣深處的局放故障，往往有可能取得有幫助的結(jié)果。電氣定位法不能用于帶電檢測(cè)，可作于超聲波定位法的補(bǔ)充。UHF法近年得到較快發(fā)展，在GIS上有成功應(yīng)用可以借鑒，有很多產(chǎn)品問(wèn)世，是采購(gòu)、研發(fā)、生產(chǎn)的熱點(diǎn)，雖然在變壓器局部放電檢測(cè)中還存在很多的技術(shù)障礙，但相信不久以后會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步甚至突破。以上三種方法都難以判別變壓器內(nèi)部多點(diǎn)放電故障，在出現(xiàn)多點(diǎn)放電現(xiàn)象時(shí)，這幾種方法都顯得不夠準(zhǔn)確。這應(yīng)是今后局部放電故障定位方法的研究方向之一。參考文獻(xiàn)唐良，李煥章，伍志榮。 變壓器局部放電超聲波定位原理【J】 高電壓技術(shù) 1991 13（1）39-42丁燕生，唐志國(guó)，李成榕等 變壓器的UHF法局放定位初探【J】 高電壓技術(shù) 2005.3（11） 18-20桂俊峰，談克雄，高文勝 變壓器局部放電電氣定位的分析【J】 電工電能新技術(shù) 2003,22（1）：32-345DL417-91 電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)導(dǎo)則 6.2.4S.Tenbohlen,S.M.Markalous,Tobias Stirl On-site PD Detection and Localization onPower Transformers by Means of UHF-measurements Institute of Power Transmission and High Voltage Technology,Univers