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)合實際現(xiàn)場試驗中幾種方法的應(yīng)用情況，對其進行比較。為各種變壓器局部放電故障定位方法在現(xiàn)場的有效應(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。隨著近年來計算機技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，檢測手段也越來越多，檢測設(shè)備也越來越檢測迅速、使用方便、功能強大。對于制造廠家和現(xiàn)場試驗、運行人員來說，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、交接驗收試驗、預(yù)試及運行中迅速查明變壓器的內(nèi)部放電故障位置，對迅速修復(fù)故障、保證設(shè)備制造質(zhì)量及安全運行有重要意義，并可以節(jié)約大量人力、物力、時間，也是目前國網(wǎng)公司一次設(shè)備帶電檢測的重要組成內(nèi)容。局部放電的檢測和定位都是根據(jù)放電過程中的聲、光、電、熱和化學(xué)現(xiàn)象來進行的，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定位法也在國內(nèi)外有較多的研究和應(yīng)用。本文擬對超聲波定位法、電氣定位法、UHF定位法進行應(yīng)用比較，并就實際應(yīng)用中存在的問題和今后的發(fā)展趨勢進行探討。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，會產(chǎn)生相應(yīng)頻率和波形特征的超聲波信號，放電源成為聲發(fā)射源。超聲波信號在油箱內(nèi)部經(jīng)過不同介質(zhì)傳播到達固定在油箱壁上的超聲波傳感器。對應(yīng)每一次放電，都會有相應(yīng)的超聲波產(chǎn)生；對應(yīng)同一次放電，每一個超聲波傳感器接收到的相應(yīng)超聲波信號之間會表現(xiàn)出合理的、有規(guī)律的時差關(guān)系。根據(jù)到達超聲波傳感器的相對時差，通過相關(guān)的定位算法，就可以計算出局部放電故障點。局部放電產(chǎn)生的超聲波信號到達不同傳感器的有規(guī)律時差現(xiàn)象分為兩種，一種為局部放電電脈沖信號與各超聲波傳感器收到的聲波信號之間的時差，稱為電-聲時差。第二種為同一次放電各超聲波傳感器收到的相應(yīng)超聲波信號之間的時差，稱為聲-聲時差。利用兩種時差現(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儀取得局部放電電信號，變壓器油箱外殼布上多個超聲波傳感器接收超聲波信號。以電信號和各個超聲波信號之間的時間差作為故障點到各超聲波傳感器的時間，以等值聲速乘以傳播時間就得到故障點到達超聲波傳感器的距離，以此列一組時差和距離的球面方程求解。根據(jù)方程特征可知，電信號至少1路，超聲波信號至少3路。實際帶電檢測中往往是采用HFCT對套管末屏接地電流進行監(jiān)測并取得電信號。近年來隨著UHF技術(shù)和射頻電流技術(shù)的應(yīng)用，也可以采用UHF信號和射頻電流信號作為電信號。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（傳感器個數(shù)4）中，選用一路聲信號觸發(fā)其余聲通道。選擇該傳感器作為基準(zhǔn)傳感器，測定同一個聲發(fā)射信號傳播到其它超聲波傳感器時對應(yīng)于基準(zhǔn)傳感器的相對時延，將這些相對時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，即可求出故障點的幾何位置。一般來說，電-聲定位法比較簡單直觀，手工畫圖都可以完成定位計算。文獻6通過計算、模擬試驗比較了電-聲定位法和聲-聲定位法的準(zhǔn)確程度，結(jié)論是聲信號起點不容易確定，導(dǎo)致時延誤差較大，因此電-聲定位法比聲-聲定位法準(zhǔn)確度高。應(yīng)該說，這個結(jié)論僅能成立于高質(zhì)量試驗室或者模擬試驗的前提下。電-聲定位法的先決條件是：所測的聲電信號時延與超聲波的直接波傳播時間一致。而在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，由于電氣干擾十分嚴(yán)重，電信號的觸發(fā)是往往是非常不可靠的，干擾電信號頻繁的誤觸發(fā)會導(dǎo)致所謂的電-聲時延毫無物理意義，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，對運行狀態(tài)下的變壓器進行帶電檢測時，電信號的取得更是缺乏有效手段。聲-聲定位法則不需要電信號，電氣干擾的存在對定位結(jié)果沒有影響，這種可抗干擾的定位方法特別適用于運行狀態(tài)下變壓器的現(xiàn)場故障定位。國內(nèi)近兩年現(xiàn)場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場所，如制造廠試驗大廳。超聲波定位方法應(yīng)用實例西北某變電站主變壓器型號為ODFPS-/750GY，出廠于2008年4月。2009年起發(fā)現(xiàn)乙炔增長，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，使用國網(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，并進行波形記錄。局部放電超聲波定位檢測示意圖見圖1。 圖1 局部放電超聲波定位檢測示意圖圖2 傳感器詳細布置圖圖3 超聲波信號圖對時差規(guī)律一致的多組超聲波信號進行了聲聲定位計算，計算結(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。以上為完整的運行狀態(tài)下變壓器現(xiàn)場帶電故障檢測定位過程，在實際應(yīng)用中，通過HFCT取得的電信號存在很大的干擾信號，無法采用電-聲定位法。經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，聲-聲定位法對變壓器圍屏、引線、金屬件、高壓線圈表面放電、最為靈敏，定位誤差最小。電氣定位方法檢測變壓器內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時，一般在端部取信號，放電脈沖從故障處沿繞組傳遞到測量端，帶有定位所需的部分信息，通過對此脈沖的具體分析來確定故障源的位置。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量-多端校準(zhǔn)法和極性鑒別法。變壓器內(nèi)部放電會向測量端子傳遞放電信號，測量端子測得的信號有相應(yīng)的特性和幅值，所有外接線測量端子形成一個獨特的組合“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)脈沖會向變壓器外部接線的測量端子傳輸信號，形成校準(zhǔn)脈沖信號的響應(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量-多端校準(zhǔn)定位法。文獻4上有這種定位方法是實例。顯然這種定位方式比較粗略，只對某種故障點在信號波形準(zhǔn)確的前提下有實際作用。另外，只能用于停電后離線檢測，不能用于帶電檢測。極性鑒別法是在脈沖電流法檢測局部放電的過程中，通過RLC阻抗出現(xiàn)的脈沖極性來確定放電位置。這種方法顯然只能用于離線檢測，比多端測量-多端校準(zhǔn)法還要粗略，實際上一般用于現(xiàn)場局放-干擾信號的識別而不是故障定位。特高頻（UHF）定位方法UHF檢測方法是近年來興起的較新的一種檢測方法，該方法基于通過天線傳感器接收到的UHF信號，以實現(xiàn)檢測、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局部放電檢測中靈敏度較高。UHF檢測方法近年得到廣泛關(guān)注，主要是因為在GIS等結(jié)構(gòu)簡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，尤其是故障定位中，還停留在研究、模擬、試驗的初步階段。存在著UHF法無法校準(zhǔn)、變壓器結(jié)構(gòu)遠比GIS復(fù)雜、安裝位置較少（目前一般在放油閥如圖4）、實用算法需進一步優(yōu)化的技術(shù)難題。目前缺少有說服力的現(xiàn)場成功案例。圖4 UHF傳感器放置點結(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線檢測和帶電檢測中，可對變壓器內(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。但同時存在著等效聲速難以精確計算、聲波前沿不方便精確確定、對繞組內(nèi)部放電等變壓器深層次放電反應(yīng)不靈敏、試驗過程復(fù)雜對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。電氣定位依賴測量端子的信號，從原理上看精度就不可能很高。但是對于某些特定缺陷，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，可作于超聲波定位法的補充。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)品問世，是采購、研發(fā)、生產(chǎn)的熱點，雖然在變壓器局部放電檢測中還存在很多的技術(shù)障礙，但相信不久以后會有長足的進步甚至突破。以上三種方法都難以判別變壓器內(nèi)部多點放電故障，在出現(xiàn)多點放電現(xiàn)象時，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，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)場試驗導(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