電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)述評(píng)

1、 電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)述評(píng) 局部放電(partial discharge, PD,簡(jiǎn)稱局放)是絕緣介質(zhì)中局部區(qū)域擊穿導(dǎo)致的放電現(xiàn)象。與擊穿或者閃絡(luò)不同,局部放電是絕緣局部區(qū)域的微小擊穿,是絕緣劣化的初始現(xiàn)象 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b1-0-0-0-1702172050-1 1- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b2-0-0-0-1702172050-1 2。電氣設(shè)備絕緣材料多為有機(jī)材料,如變壓器油、絕緣紙、環(huán)氧等。通常電氣設(shè)備絕緣體所承受的電場(chǎng)分布是

2、不均勻的,而電介質(zhì)本身通常也是不均勻的,如氣體-固體復(fù)合絕緣、液體-固體復(fù)合絕緣等。即使是單一的絕緣介質(zhì),在制造、運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)在介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)氣泡、雜質(zhì)等其他物質(zhì),這就導(dǎo)致了在絕緣介質(zhì)內(nèi)部或表面會(huì)出現(xiàn)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域,一旦這些區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)高到足以引起該區(qū)域的局部擊穿,就會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域的放電,而此時(shí)其他區(qū)域仍會(huì)保持良好的絕緣性能,這就形成了局部放電。它可能產(chǎn)生在固體絕緣孔隙中、液體絕緣氣泡中或不同介電特性的絕緣層間。如果電場(chǎng)強(qiáng)度高于介質(zhì)所具有的特定值,也可能發(fā)生在液體或固體絕緣中。局部放電不會(huì)立即導(dǎo)致絕緣整體的擊穿,但其對(duì)絕緣介質(zhì)的危害異常嚴(yán)重。一旦介質(zhì)中出現(xiàn)局部放電,通過(guò)對(duì)其周圍絕緣介質(zhì)不斷侵蝕,最終

3、會(huì)導(dǎo)致整個(gè)絕緣系統(tǒng)的失效。局部放電是造成絕緣劣化的主要原因,也是絕緣劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式,與絕緣材料的劣化和絕緣體的擊穿過(guò)程密切相關(guān),能有效地反映設(shè)備內(nèi)部絕緣的潛伏性缺陷和故障,尤其對(duì)突發(fā)性故障的早期發(fā)現(xiàn)比介損測(cè)量、色譜分析等方法要有效得多 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b3-0-0-0-1702172050-1 3- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b4-0-0-0-1702172050-1 4。絕緣介質(zhì)中局部放電現(xiàn)象的研究已經(jīng)有了近80年的歷史 HYPE

4、RLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b5-0-0-0-1702172050-1 5。眾多研究者通過(guò)試驗(yàn)研究、理論分析、物理建模等方法研究了局部放電的產(chǎn)生機(jī)理及基本的放電特性,研究結(jié)果表明局部放電與外加電壓的類型、絕緣介質(zhì)本身的材料特性、缺陷處的電場(chǎng)分布及放電所產(chǎn)生的空間電荷有著密切的關(guān)系 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b6-0-0-0-1702172050-1 6- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b8-0-

5、0-0-1702172050-1 8。局部放電的檢測(cè)都是以局部放電發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的各種物理量的檢測(cè)為基礎(chǔ)。當(dāng)介質(zhì)中發(fā)生局部放電時(shí),會(huì)產(chǎn)生電脈沖、電磁波、超聲波、光、局部過(guò)熱及一些新的化學(xué)產(chǎn)物,與此相應(yīng)的出現(xiàn)了電學(xué)檢測(cè)法、聲學(xué)檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法及化學(xué)檢測(cè)法等。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí),對(duì)局部放電源的定位往往借助這些常見(jiàn)的檢測(cè)方法,通過(guò)多個(gè)傳感器的檢測(cè)和空間信號(hào)分析等進(jìn)行局部放電源的定位。此外對(duì)檢測(cè)到的放電信號(hào)還需要進(jìn)行放電類型的識(shí)別,因此借助于各種信號(hào)分析和智能算法的模式識(shí)別方法也是局部放電研究的一個(gè)重要內(nèi)容。隨著局部放電研究的深入,眾多運(yùn)行單位和研究者也發(fā)現(xiàn)單純采用傳統(tǒng)的放電量、放電頻率等參數(shù)已

6、經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)設(shè)備絕緣狀態(tài)的評(píng)估,利用多個(gè)局部放電的相關(guān)信息進(jìn)行局部放電源的危險(xiǎn)程度評(píng)估也是目前的研究熱點(diǎn)。作為電氣設(shè)備絕緣性能重要的評(píng)價(jià)手段,局部放電的檢測(cè)與分析是研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備制造廠商及電力系統(tǒng)運(yùn)行部門最為關(guān)心的問(wèn)題,特別是隨著近年來(lái)高電壓等級(jí)電網(wǎng)的大量建設(shè),對(duì)設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重視程度日益增加,電氣設(shè)備局部放電的研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得了極大的進(jìn)展。本文針對(duì)電氣設(shè)備局部放電的檢測(cè)及分析,綜述了近年來(lái)局部放電檢測(cè)和分析方面的相關(guān)重要研究成果,討論了目前電氣設(shè)備局部放電研究及實(shí)踐中存在的問(wèn)題及可能的解決思路,提出了今后研究和應(yīng)用中可能的發(fā)展方向。1 局部放電的檢測(cè)技術(shù)電氣設(shè)備的局部放電測(cè)量會(huì)在設(shè)備出

7、廠、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行,對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確分析需要局部放電的強(qiáng)度、模式及定位3方面信息的準(zhǔn)確獲得。檢測(cè)技術(shù)是局部放電分析的基礎(chǔ),模式識(shí)別給出了導(dǎo)致發(fā)生局放的原因及類型,定位則給出了局放源的準(zhǔn)確位置,而局部放電的強(qiáng)度則給出了當(dāng)前局部放電活動(dòng)的劇烈程度,這3方面信息的結(jié)合才能進(jìn)行介質(zhì)絕緣狀態(tài)的合理準(zhǔn)確評(píng)估。局部放電的檢測(cè)技術(shù)一直以來(lái)都是局部放電研究領(lǐng)域的重點(diǎn),目前常用的方法主要有以下幾種。1.1 脈沖電流法脈沖電流法是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的局部放電檢測(cè)方法 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b9-0-0-0-1702172050

8、-1 9,它是通過(guò)獲取測(cè)量阻抗在耦合電容側(cè)或通過(guò)Rogowski線圈從電力設(shè)備的中性點(diǎn)或接地點(diǎn)測(cè)取由于局部放電所引起的脈沖電流,可以獲得諸如視在放電量、放電相位、放電頻次等信息。傳統(tǒng)的脈沖電流法可分為寬帶和窄帶測(cè)量2種,寬帶檢測(cè)法的下限檢測(cè)頻率為30100 kHz 之間,上限檢測(cè)頻率1 GHz的特高頻電磁波,該研究組還在實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)到了變壓器油中幾種典型缺陷放電的特高頻信號(hào),并將研制的特高頻天線插入實(shí)際變壓器的油閥中,天線面與油箱內(nèi)壁在同一平面上,將所測(cè)得信號(hào)通過(guò)一個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從變壓器中導(dǎo)出并送入檢測(cè)裝置,這樣電磁波到達(dá)傳感器時(shí)衰減較少,同時(shí)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也有利于電磁波的無(wú)損傳播,從而提高特高頻法的檢

9、測(cè)靈敏度(可達(dá)10 pC)。此外,文獻(xiàn)26在對(duì)GIS中局部放電特高頻檢測(cè)的研究基礎(chǔ)上,也對(duì)其在變壓器中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),在變壓器頂部靠近高壓側(cè)的箱體上開(kāi)一介質(zhì)窗,特高頻天線通過(guò)介質(zhì)窗提取局部放電信號(hào),取得了一定的成果。特高頻法局部放電檢測(cè)的方法有特高頻寬帶檢測(cè)法和特高頻窄帶檢測(cè)法2種。2種檢測(cè)方法的區(qū)別如圖3所示。特高頻窄帶測(cè)量的中心頻率通常為幾百M(fèi)Hz、帶寬為幾十MHz,如圖3(a)所示,以選擇中心頻率為600 MHz,帶寬為100 MHz為例,則送入檢測(cè)系統(tǒng)的頻帶為550650 MHz,窄帶檢測(cè)方法可以任意選擇頻帶,因而可避開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)的許多干擾,能較有效地抑制外部干擾和

10、提高信噪比,但其檢測(cè)的是1個(gè)較窄頻帶內(nèi)的信號(hào),檢測(cè)信號(hào)的能量會(huì)受到限制。西安交通大學(xué)的特高頻局放檢測(cè)是典型的窄帶檢測(cè)設(shè)備,其采用混頻的方法實(shí)現(xiàn)特高頻信號(hào)的窄帶檢測(cè),并在現(xiàn)場(chǎng)得到了較好的效果 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b27-0-0-0-1702172050-1 27。而寬帶檢測(cè)法則將檢測(cè)頻帶內(nèi)的所有信號(hào)都送入檢測(cè)系統(tǒng),如圖3(b)所示,這種情況下信息量大,可以在足夠?qū)挼念l率范圍內(nèi)對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè),避免遺漏放電特征峰。但如果有檢測(cè)頻帶之內(nèi)的干擾信號(hào),會(huì)造成信噪比低,影響后續(xù)的分析。英國(guó)DMS公司的特高頻局部放電檢測(cè)設(shè)備是典

11、型的寬帶檢測(cè)設(shè)備 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b28-0-0-0-1702172050-1 28。特高頻檢測(cè)法由于具有良好的抗電暈性能而適合于局部放電的在線監(jiān)測(cè),特別是近年來(lái)隨著局部放電在線監(jiān)測(cè)的快速發(fā)展,特高頻法在電氣設(shè)備局部放電的在線監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。就特高頻法本身而言,近十幾年來(lái)并未有大的改變,但特高頻信號(hào)的檢測(cè)技術(shù),特別是特高頻傳感器技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展較快,涌現(xiàn)出了一系列不同結(jié)構(gòu)、不同形式及適用于不同場(chǎng)合的特高頻傳感器。對(duì)GIS進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)的傳感器主要有內(nèi)置式和外置式2種。內(nèi)置傳感器中常用的是平板式和

12、錐形傳感器,文獻(xiàn)29研究結(jié)果表明,平板式傳感器在300 MHz3 GHz范圍內(nèi)具有優(yōu)良的頻圖3 兩種特高頻檢測(cè)方法的差異Fig.3 Difference of two UHF detection methods率響應(yīng)特性,當(dāng)信號(hào)的頻率越高時(shí),傳感器的增益越大。錐形阻抗與電纜匹配,這種傳感器的靈敏度高于平板式傳感器。2種傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。雙螺旋阿基米德天線和平面等角螺旋天線也是2種應(yīng)用較為廣泛的特高頻傳感器。文獻(xiàn)30研究了雙螺旋阿基米德天線,已將其應(yīng)用于變壓器的特高頻局部放電檢測(cè),文獻(xiàn)31-32研究了等角螺旋天線,對(duì)其結(jié)構(gòu)特征、影響因素等進(jìn)行了探討。這2種傳感器的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。圖中,

13、R為天線半徑,為旋轉(zhuǎn)角,i(i=1, 2, 3, 4)為扇面半徑,O為原點(diǎn),D為天線直徑隨著分形技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)了1種基于分形思想的特高頻傳感器。分形傳感器可實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化和多頻帶。分形傳感器中Hibert分形天線是1種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的天線。這種天線圖形連續(xù),不存在交叉點(diǎn),曲線自相似迭代,隨著分形階數(shù)的增加從1維空間填充到2維空間33-34。圖6為3階和4階Hilbert分形天線。圖4 平板和錐形特高頻傳感器Fig.4 Disc and cone UHF sensors特高頻傳感器的研究是近年來(lái)的一個(gè)熱點(diǎn),除了以上較為成熟的傳感器,圓環(huán)形、半圓板偶極子天線、二次元對(duì)數(shù)周期天線等大

14、量的新型傳感器形式不斷涌現(xiàn) HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b35-0-0-0-1702172050-1 35,它們具有各自的優(yōu)缺點(diǎn),但其應(yīng)用效果還需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步驗(yàn)證。目前使用較多的特高頻傳感器均是無(wú)源型,也有學(xué)者將信號(hào)的濾波、放大等信號(hào)處理單元與傳感器集成,形成有源傳感器。有源傳感器信號(hào)就地處理,減少了傳輸中的損耗,但其供電通常采用電池,使用方面沒(méi)有無(wú)源傳感器方便。總的而言,對(duì)于特高頻局部放電檢測(cè),其與脈沖電流法在頻帶上具有較大差異,在檢測(cè)方法上脈沖電流法主要是“路”的檢測(cè),而特高頻法主要是“場(chǎng)”的檢測(cè),雖然2者檢測(cè)的是

15、同一個(gè)物理現(xiàn)象,但由于檢測(cè)量的不同,2者之間至今沒(méi)有建立起一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,但大量的研究表明2者之間的變化趨勢(shì)是一致的 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b36-0-0-0-1702172050-1 36。目前的國(guó)內(nèi)外學(xué)者基本認(rèn)同脈沖電流法檢測(cè)的pC和特高頻法檢測(cè)的dB之間不存在確定的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系,普遍認(rèn)為在放電量大小的表征上2種檢測(cè)方法應(yīng)各自使用各自的單位,2種檢測(cè)方法對(duì)缺陷檢測(cè)的靈敏度基本是相當(dāng)?shù)?HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b37-0-0-0-17021

16、72050-1 37。1.3 超聲波檢測(cè)法在變壓器、GIS等電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷中和的過(guò)程,相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生較陡的電圖5 等角螺旋天線和阿基米德天線Fig.5 Equiangular spiral and Archimedes UHF antennas圖6 分形天線Fig.6 Fractal antenna流脈沖,電流脈沖的作用將使得局部放電發(fā)生的局部區(qū)域瞬間受熱而膨脹,形成1個(gè)類似爆炸的效果,放電結(jié)束后原來(lái)受熱而膨脹的區(qū)域恢復(fù)到原來(lái)的體積,這種由于局部放電產(chǎn)生的一漲一縮的體積變化引起了介質(zhì)的疏密瞬間變化,形成超聲波,從局部放電點(diǎn)以球面波的方式向四周傳播 HYPERLINK /pe

17、riodical/html/2015-41-8-2583.html l b38-0-0-0-1702172050-1 38,因此當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)也伴隨著超聲波的產(chǎn)生,SF6氣體中的超聲波產(chǎn)生原理如圖7所示。一方面,局部放電由一連串的脈沖形成,由此產(chǎn)生的聲波也是由脈沖形成;另一方面,超聲波檢測(cè)法還可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)顆粒產(chǎn)生的機(jī)械波,可用來(lái)區(qū)分顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。局部放電產(chǎn)生的聲波頻譜分布很寬,約為10 107Hz,監(jiān)測(cè)到的聲波頻率隨著不同的電氣設(shè)備、放電狀態(tài)、傳播媒質(zhì)以及環(huán)境條件的不同而改變。由于在SF6氣體中聲波的衰減很大,約為空氣中的20倍,并且高頻分量的衰減要比低頻分量大得多,因此能檢測(cè)到的聲波低頻

18、分量比較豐富,在GIS中,除了局部放電產(chǎn)生的聲波外,還有導(dǎo)電微粒碰撞金屬外殼、電磁振動(dòng)以及操作引起的機(jī)械波振動(dòng)等發(fā)出的聲波,但是這些聲波的頻率都比較低。在GIS的局部放電超聲波檢測(cè)中,超聲波傳感器的諧振頻率一般在25 kHz左右。而在變壓器中,其諧振頻率一般在150 kHz左右。當(dāng)電脈沖通過(guò)試品時(shí),會(huì)產(chǎn)生與電荷分布相關(guān)的超聲波脈沖,且與空間電荷成比例,這樣通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)就可以獲得空間電荷的組成部分和存在位置,進(jìn)一步可以對(duì)絕緣材料中的電荷分布進(jìn)行測(cè)量,這些是目前電檢測(cè)手段無(wú)法達(dá)到的,GIS中的金屬顆粒跳動(dòng)時(shí)不但會(huì)發(fā)生局部放電還會(huì)產(chǎn)生大量的機(jī)械波,使用超聲波的方法可以彌補(bǔ)電檢測(cè)方法檢測(cè)不到超聲

19、波信號(hào)的缺點(diǎn),通過(guò)電聲信號(hào)的結(jié)合,能更好地描繪自由金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡以及評(píng)估其危險(xiǎn)性 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b39-0-0-0-1702172050-1 39- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b40-0-0-0-1702172050-1 40。因?yàn)槌暡ǚz測(cè)有如上的特點(diǎn),所以直至目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者一直在進(jìn)行這方面的研究工作,也取得了不少的成果。20世紀(jì)80年代以后,德國(guó)Vallen公司、美國(guó)物理聲學(xué)公司等相繼推出聲發(fā)射信號(hào)采集傳感器,聲發(fā)射傳感器的靈

20、敏度得到了較大的提高,使得超聲無(wú)損檢測(cè)法更廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備檢測(cè)。20世紀(jì)90年代初,有學(xué)者就開(kāi)始致力于使用超聲波檢測(cè)GIS內(nèi)部松動(dòng)顆粒和其他放電的理論和實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)情況,研究結(jié)果認(rèn)為使用超聲波法可以檢測(cè)到GIS內(nèi)部故障或缺陷,并且不同缺陷情況下超聲波信號(hào)在時(shí)域和頻域上是不相同的,同時(shí)提出了超聲波在GIS腔體內(nèi)的傳播規(guī)律。在此研究基礎(chǔ)上,研制出的超聲波絕緣監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)GIS、電纜以及變壓器等高壓電器內(nèi)部缺陷具有靈敏度高、定位精度高等特點(diǎn),并且通過(guò)標(biāo)定甚至可以對(duì)放電量進(jìn)行定量分析 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b41-0-0-0-

21、1702172050-1 41- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b43-0-0-0-1702172050-1 43。1996年以后,研究GIS中相對(duì)較為常見(jiàn)、也較為危險(xiǎn)的自由顆粒引起故障的情況較多 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b44-0-0-0-1702172050-1 44。研究發(fā)圖7 超聲波法檢測(cè)局放示意圖Fig.7 Schema of acoustic detection method for PD現(xiàn),自由顆粒在GIS腔體中飛行時(shí)間很長(zhǎng),有可能跳到絕緣

22、子或是其他高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)而引起閃絡(luò)。對(duì)于這類自由顆?？梢酝ㄟ^(guò)超聲波信號(hào)得到其飛行時(shí)間、飛行軌跡等許多有用信息。文獻(xiàn)45通過(guò)飛行時(shí)間、超聲波信號(hào)幅值等因素對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估,研究發(fā)現(xiàn),自由顆?？梢酝ㄟ^(guò)飛行時(shí)間-信號(hào)幅值圖與其他缺陷類型相區(qū)別。文獻(xiàn)46研究了GIS中典型絕緣缺陷的超聲波局部放電特性,并提出了1種基于超聲波信號(hào)的放電類型模式識(shí)別方法。文獻(xiàn)47-48通過(guò)使用超聲傳感器對(duì)GIS模型內(nèi)缺陷的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),通過(guò)超聲信號(hào)幅值大小、50/100 Hz分量大小等可以對(duì)缺陷類型進(jìn)行定性,并且通過(guò)超聲信號(hào)發(fā)生率可以推測(cè)自由顆粒的移動(dòng)方向。文獻(xiàn)49基于LABVIEW平臺(tái)研制了1套變壓器局部放電測(cè)量系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室的

23、試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以方便地給出局部放電的位置、模式以及放電量信息。常規(guī)的局部放電超聲波檢測(cè)采用壓電超聲波傳感器,將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并傳輸。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)有學(xué)者開(kāi)始研究利用光纖本身或者外部敏感元件將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)的變化,進(jìn)而通過(guò)光敏元件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行局部放電的超聲-光檢測(cè)。較為常用的超聲-光檢測(cè)采用Fabry-perot、Mach-zehnder和Michelson 3種干涉原理。文獻(xiàn)50研究了基于Fabry-perot干涉原理的超聲-光檢測(cè)技術(shù),并將其應(yīng)用到變壓器的油中局部放電檢測(cè)。文獻(xiàn)51對(duì)比了3種干涉原理超聲-光檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)52研究了1種基于熔

24、錐耦合原理的超聲-光傳感器。熔錐耦合技術(shù)是指將2根除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏,在高溫下加熱熔融,同時(shí)向光纖兩端拉伸,最終在熔融區(qū)形成雙錐形式的特殊波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖8所示。在熔錐區(qū),2根光纖包層合在一起,纖芯足夠逼近,形成弱耦合。此時(shí),2根光纖中傳輸?shù)墓鈺?huì)在錐形耦合區(qū)域發(fā)生能量耦合交換,隨著耦合區(qū)的加長(zhǎng),能量的耦合交換呈周期性變化。兩臂的分光比主要受耦合長(zhǎng)度的影響,因此可以通過(guò)對(duì)分光比的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的傳感。圖9為文獻(xiàn)52利用該傳感器檢測(cè)到的油中局部放電信號(hào),其與傳統(tǒng)的壓電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)具有較好的一致性。由于光纖傳感器本質(zhì)為介電材料,其傳輸?shù)氖枪庑盘?hào),使用上安全性高;另外加上其

25、良好的溫度穩(wěn)定性,因此可應(yīng)用于高電壓、強(qiáng)電磁干擾的惡劣環(huán)境;同時(shí)光信號(hào)衰減小,便于長(zhǎng)距離傳輸,非常適合大型電力變壓器等電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。甚至可以將光纖傳感器直接置于材料內(nèi)部,和材料融為一體形成智能材料和結(jié)構(gòu)。局部放電的超聲波檢測(cè)具有現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用便捷的特點(diǎn),一直是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員局部放電檢測(cè)的重要手段。在檢測(cè)方法方面,傳統(tǒng)的壓電式傳感器檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟,目前利用光纖進(jìn)行超聲信號(hào)的檢測(cè)是一個(gè)具有較大空間的發(fā)展方向。此外利用超聲波信號(hào)進(jìn)行局放源定位近年來(lái)也得到了快速的發(fā)展。1.4 其他檢測(cè)法脈沖電流法、特高頻法和超聲波法一直是電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)方面的主要方法,在現(xiàn)場(chǎng)均得到

26、了廣泛的應(yīng)用。除了這3種方法外,化學(xué)檢測(cè)法、光檢測(cè)法等也處于快速發(fā)展中,有的也已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用,并成為現(xiàn)場(chǎng)局放檢測(cè)的重要手段。絕緣材料在局部放電的作用下會(huì)發(fā)生分解,因而生成各種新的產(chǎn)物,因此可以通過(guò)檢測(cè)這些新的分解產(chǎn)物的組成和含量來(lái)進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。目前對(duì)于變壓器等油紙絕緣設(shè)備采用色譜技術(shù)進(jìn)行油中溶解氣體的檢測(cè)來(lái)判斷變壓器的內(nèi)部故障發(fā)展的較為成熟,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變壓器的在線故障診斷中。相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也給出了基于特征氣體的故障類型判斷方法。大量的研究者研究了利用智能算法進(jìn)行油中溶解氣體的故障診斷。隨著儀器技術(shù)的進(jìn)步,近年來(lái)在SF6氣體絕緣設(shè)備中應(yīng)用氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行局部放電的檢測(cè)得到了快速的

27、發(fā)展,并在現(xiàn)場(chǎng)得到了迅速的應(yīng)用。SF6在局部放電的作用下會(huì)發(fā)生分解,生成多種類型的氣體產(chǎn)物,其氣體分解產(chǎn)物的種類和含量受到放電強(qiáng)度、放電類型、電極材料、微水含量、氣壓等因素的影響,利用分解產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6絕緣類設(shè)備圖8 光纖熔錐耦合超聲傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of fiber fused taper coupling acoustic sensor圖9 油中不同傳感器檢測(cè)到的局放信號(hào)Fig.9 PD signals detected by difference sensors in oil的故障診斷。近年來(lái)眾多研究者對(duì)SF6在放電條件下的分解機(jī)制及分解過(guò)程

28、、SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測(cè)方法、影響SF6氣體分解產(chǎn)物的各種因素及利用SF6氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行放電類型識(shí)別等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量研究,取得了大量的成果,有力的推動(dòng)了該方面研究的進(jìn)展 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b53-0-0-0-1702172050-1 53- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b60-0-0-0-1702172050-1 60。但利用化學(xué)方法進(jìn)行局部放電的檢測(cè)存在靈敏度不如以上電測(cè)法和聲測(cè)法、且對(duì)較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的放電故障難以發(fā)現(xiàn),目前通常和其他方

29、法相結(jié)合進(jìn)行局部放電的檢測(cè)和判斷。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)輻射出光信號(hào),利用光信號(hào)進(jìn)行局部放電的檢測(cè)稱為光測(cè)法。在變壓器油中不同類型放電的光信號(hào)波長(zhǎng)一般在500700 nm之間,利用光傳感器將光信號(hào)檢測(cè)后通過(guò)光電轉(zhuǎn)化可進(jìn)行局部放電的光信號(hào)檢測(cè)。文獻(xiàn)61研究了利用熒光光纖在變壓器油中進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。文獻(xiàn)62則將多個(gè)熒光光纖傳感器放置在油中進(jìn)行局部放電源的定位。目前光測(cè)法多在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,還處于研究階段。由于設(shè)備相對(duì)昂貴、靈敏度不夠高,特別是需要植入設(shè)備內(nèi)部,這極大的限制了光測(cè)法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但作為一種新的局部放電檢測(cè)方法,一旦解決了傳感器的植入問(wèn)題,將會(huì)是一種非常有使用前景的局部放電檢測(cè)手段

30、。對(duì)于電氣設(shè)備局部放電的檢測(cè)而言,目前脈沖電流法、特高頻法和超聲波法是主流檢測(cè)方法,分解產(chǎn)物測(cè)量等化學(xué)檢測(cè)法是其有力的補(bǔ)充,幾種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),互相補(bǔ)充可以實(shí)現(xiàn)局部放電較為準(zhǔn)確的測(cè)量和判斷。2 局部放電類型的模式識(shí)別技術(shù)根據(jù)電氣設(shè)備中絕緣缺陷的電場(chǎng)分布情況,可將局部放電的缺陷類型分為如下3種基本類型：氣體或液體絕緣中的金屬尖端放電;固體絕緣內(nèi)部存在氣隙時(shí)的氣隙放電;沿固體絕緣表面的沿面放電。此外在變壓器和GIS中還存在由于螺絲松動(dòng)等金屬體接觸不良原因而導(dǎo)致的懸浮電位放電、金屬微粒存在導(dǎo)致的自由微粒放電。通常將電氣設(shè)備中的局部放電分為以上5種典型放電類型（缺陷類型）。放電類型與放電的危害程度密

31、切相關(guān),根據(jù)局部放電的檢測(cè)進(jìn)行放電類型的模式識(shí)別一直是局部放電研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。根據(jù)局部放電信號(hào)進(jìn)行缺陷類型模式識(shí)別的2個(gè)關(guān)鍵步驟是特征提取方法和模式分類算法。2.1 局部放電信號(hào)特征提取方法對(duì)于絕緣缺陷局部放電類型的識(shí)別,首先要有能夠準(zhǔn)確描述放電類型的特征量,通常特征提取主要分為時(shí)域分析法和統(tǒng)計(jì)分析法。時(shí)域分析法對(duì)一次放電所產(chǎn)生的時(shí)域波形特征或其變換結(jié)果進(jìn)行特征提取,但由于局放信號(hào)在傳輸過(guò)程中衰減畸變嚴(yán)重,難以準(zhǔn)確提取特征量,這種方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果欠佳。統(tǒng)計(jì)分析法采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)描繪局放特征,在局部放電模式識(shí)別領(lǐng)域是主要的特征提取方法。局部放電的局部放電相位分布(phase resolved

32、partial discharge, PRPD)譜圖是最為廣泛采用的局部放電統(tǒng)計(jì)分析模式。該譜圖的3維模式是描述局部放電的工頻相位（0360）、放電幅值q和放電次數(shù)n之間關(guān)系的Hn(q,),其2維模式常用的是描述工頻相位(0360)和放電幅值q之間的關(guān)系,即H(q,)譜圖。1個(gè)典型的2維H(q,)譜圖如圖10所示。從3維譜圖Hn(q,)還可推導(dǎo)出最大放電量qmax與相位譜圖H(qmax,),平均放電量qn與相位譜圖H(qn,),放電次數(shù)n與相位譜圖H(n,),放電次數(shù)n與放電量q譜圖H(n,q)等?；诰植糠烹奝RPD譜圖,文獻(xiàn)63提出了采用統(tǒng)計(jì)算子作為特征量進(jìn)行模式識(shí)別的方法。該方法所提出的

33、統(tǒng)計(jì)算子包括偏斜度sk,陡峭度ku,局部峰個(gè)數(shù)Pe,不對(duì)稱度Q,相關(guān)系數(shù)c等。這些統(tǒng)計(jì)算子描述了PRPD譜圖的形狀特征,認(rèn)為不同的放電類型具有不同形狀特征的譜圖,采用統(tǒng)計(jì)算子進(jìn)行計(jì)算可以獲得放電類型。基于統(tǒng)計(jì)算子的局部放電類型識(shí)別方法自提出以來(lái)獲得了大量的應(yīng)用,也是目前局部放電模式識(shí)別中應(yīng)用最為廣泛的特征提取方法。除基于PRPD譜圖的統(tǒng)計(jì)算子,文獻(xiàn)64提出基于Weibull分布提取特征算子。認(rèn)為局部放電的放電幅值分布符合雙參數(shù)Weibull分布,即Fig.10 PRPD pattern of PD style=box-sizing: border-box; color: rgb(43, 43,

34、 43); text-decoration: none;圖10 局部放電PRPD譜圖Fig.10 PRPD pattern of PD象,而分形則是描述自然界復(fù)雜形狀的有效工具,因此基于分形特征進(jìn)行局部放電類型識(shí)別也是1種有效的方法。文獻(xiàn)65基于局部放電3維譜圖,利用空缺率和分維數(shù)2個(gè)分形特征作為特征算子進(jìn)行放電類型識(shí)別。文獻(xiàn)66將分維數(shù)、空缺率和Weibull分布參數(shù)相結(jié)合作為特征參數(shù)進(jìn)行模式識(shí)別。局部放電譜圖實(shí)際上是1種圖像形式,利用H(q,)譜圖形成局部放電灰度圖像,可提取圖像特征進(jìn)行放電類型的模式識(shí)別。文獻(xiàn)67研究了一種基于雙向2維最大間距準(zhǔn)則的局部放電灰度圖像特征提取的方法。文獻(xiàn)68

35、則采用局部放電正負(fù)半周灰度圖像的分維數(shù)、二階廣義維數(shù)及高值灰度圖像分維數(shù)6個(gè)分形特征作為特征算子進(jìn)行局部放電的模式識(shí)別。以上提到的局部放電特征提取方法均是基于放電PRPD譜圖,其基本出發(fā)點(diǎn)是提取局部放電相位譜圖的形狀特征,利用不同放電類型具有不同的譜圖形狀特征進(jìn)行模式識(shí)別。近年來(lái)有研究者研究了利用局部放電混沌特征進(jìn)行特征量的提取進(jìn)而進(jìn)行模式識(shí)別。從時(shí)間序列上而言,局部放電具有混沌特性,因此可將局部放電時(shí)間序列在高緯相空間重構(gòu)并獲得各種混沌吸引子,從混沌吸引子譜圖可提取特征算子進(jìn)行模式識(shí)別。文獻(xiàn)69研究了油紙絕緣5種典型缺陷的混沌吸引子,如圖11所示。從混沌吸引子中分別求取最大Lyapunov指

36、數(shù)、關(guān)聯(lián)維和Kolmogorov熵等混沌特征量作為特征算子進(jìn)行放電類型的模式識(shí)別?？傊?局部放電信號(hào)特征提取的思路是借助于局部放電統(tǒng)計(jì)分析,如局放PRPD譜圖、混沌特征吸引子等,從中提取能夠反映放電類型差異的特征算子,利用這些特征算子作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行未知放電類型的模式識(shí)別。在局部放電類型模式識(shí)別中,除了特征算子,模式識(shí)別算法也是其中的關(guān)鍵步驟。2.2 模式識(shí)別算法局部放電的模式識(shí)別算法也稱為模式識(shí)別分類器。在局部放電模式識(shí)別研究領(lǐng)域,模式識(shí)別算法的研究是其中的一個(gè)熱點(diǎn),眾多研究者研究了各種不同類型、不同結(jié)構(gòu)的算法。目前常用的模式識(shí)別算法均是具有“智能”特征的算法,其流程為首先利用實(shí)驗(yàn)室中不同局

37、部放電類型的樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí),通過(guò)調(diào)整算法中的參數(shù)建立數(shù)據(jù)特征與放電類型之間的映射關(guān)系,該過(guò)程稱為模式識(shí)別算法的學(xué)習(xí)過(guò)程。實(shí)際應(yīng)用時(shí)以待識(shí)別的圖11 油紙絕緣5種典型缺陷2維混沌吸引子Fig.11 2D chaotic attractors of five typical defects of oil paper insulation數(shù)據(jù)作為輸入,對(duì)放電類型進(jìn)行識(shí)別,輸出放電類型。目前應(yīng)用最為廣泛的模式識(shí)別算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b70-0-0-0-1702172050-1 70。神經(jīng)

38、網(wǎng)絡(luò)是1種模擬人腦進(jìn)行識(shí)別的數(shù)學(xué)算法,它由多個(gè)具備線性或非線性映射能力的神經(jīng)元組成,神經(jīng)元之間通過(guò)權(quán)系數(shù)相連。神經(jīng)元是具有非線性映射能力的的函數(shù),其信息分布存儲(chǔ)于連接權(quán)系數(shù)中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的容錯(cuò)性和魯棒性,其知識(shí)獲取能力極強(qiáng),能夠有效處理含噪聲的數(shù)據(jù),這在局部放電的模式識(shí)別中極具優(yōu)勢(shì)。最為廣泛應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back-propagation, BP),該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用反向傳播算法進(jìn)行訓(xùn)練,是一種有導(dǎo)師學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),目前2層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最為常用的模式識(shí)別算法。此外徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(radial basis function, RBF)、自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(self-org

39、anizing map, SOM)、自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(adaptive resonance theory, ART)、遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(genetic algorithm,GA)等不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法均被應(yīng)用于局部放電的模式識(shí)別中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于局部放電模式識(shí)別有較長(zhǎng)的歷史,效果也較為明顯,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在局部尋優(yōu)時(shí)比較成功,但也存在對(duì)初始權(quán)值和閾值的選取敏感;容易陷入局部極小點(diǎn),致使學(xué)習(xí)過(guò)程失效;算法收斂速度慢,效率低;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置依賴于使用者的經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn)。針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn),近年來(lái)1種新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法支持向量機(jī)(support vector machines,SVM)逐步應(yīng)用到了局部放電

40、的模式識(shí)別中。SVM是建立在統(tǒng)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則上的1種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,它采用核函數(shù)代替原模式空間的矢量運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性變換。SVM能夠克服小樣本、多維數(shù)、局部極小點(diǎn)等問(wèn)題,是一種極具優(yōu)勢(shì)的模式識(shí)別算法,近年來(lái)得到了諸多研究。文獻(xiàn)71在傳統(tǒng)SVM的基礎(chǔ)上提出了1種基于最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的局部放電模式識(shí)別方法,將其應(yīng)用到了直流電壓下油紙絕緣的模式識(shí)別。此外文獻(xiàn)72研究了1種基于模糊邏輯的局部放電模式識(shí)別方法;文獻(xiàn)73采用仿生模式識(shí)別理論進(jìn)行局部放電的模式識(shí)別;文獻(xiàn)74提出采用矢量量化和快速匹配相結(jié)合的局部放電模式識(shí)別方法;文獻(xiàn)75則引入離散馬爾科夫模型進(jìn)行局部放電模式識(shí)別。

41、總的來(lái)講,局部放電的模式識(shí)別算法越來(lái)越多的采用智能算法,在算法的精確性及適用性上均進(jìn)行了諸多研究,該領(lǐng)域需要較為深厚的數(shù)學(xué)知識(shí),是局部放電領(lǐng)域最具有活力的研究方向,但由于局部放電本身的復(fù)雜性及缺陷分類的不確定性以及實(shí)際有效樣本的不足,目前還沒(méi)有哪一種算法能夠真正在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中做到不需人工介入進(jìn)行放電類型的準(zhǔn)確識(shí)別。3 局部放電源定位技術(shù)電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電源的定位研究一直是局放研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。對(duì)于GIS設(shè)備,其結(jié)構(gòu)為同軸結(jié)構(gòu),局部放電源的定位較為簡(jiǎn)單,而大型電力變壓器由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大,其內(nèi)部局部放電源的定位則更加困難,目前局部放電源的定位主要針對(duì)大型電力變壓器進(jìn)行研究。電力變壓器內(nèi)部局

42、部放電源的定位主要有電氣定位法、超聲定位法及特高頻定位法以及將它們相互結(jié)合應(yīng)用的方法,此外近年來(lái)還有光學(xué)定位法等。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在局部放電時(shí),放電脈沖會(huì)沿繞組傳播到達(dá)測(cè)量點(diǎn),該脈沖由行波分量、電容分量及振蕩分量組成,包含了局部放電源的位置信息,通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析可以確定局放源的具體位置。由此而發(fā)展起來(lái)的電氣定位法包括起始電壓定位法、多端測(cè)量定位法、行波定位法、電容分量定位法、端點(diǎn)脈沖頻譜分析法等,文獻(xiàn)76等對(duì)電氣定位法進(jìn)行了較多研究。電氣定位法對(duì)測(cè)量的精度要求極高,但其定位精度有限,且不能進(jìn)行空間定位,近年來(lái)對(duì)電氣定位法的研究不多,目前研究較多的是利用超聲波法和特高頻法對(duì)局部放電源

43、進(jìn)行空間定位。3.1 特高頻定位法利用特高頻法進(jìn)行變壓器局部放電源的定位是近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。大型電力變壓器內(nèi)部存在鐵芯、繞組等部件,文獻(xiàn)77通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了特高頻電磁波傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象,驗(yàn)證了最短光程原理,并提出了基于最短光程原理的局放源定位思想。文獻(xiàn)78則在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將變壓器分為若干立體網(wǎng)格,先確定電磁波在網(wǎng)格內(nèi)的傳播速度,然后搜索確定故障發(fā)生的網(wǎng)格位置進(jìn)行局放源的定位。特高頻法進(jìn)行局放源定位的基本思路是利用放置在變壓器不同位置的多個(gè)特高頻傳感器進(jìn)行局放信號(hào)的接收,通過(guò)求取不同傳感器之間的時(shí)延建立方程,利用空間定位算法進(jìn)行局放源的空間定位,其基本原理如圖12所示。設(shè)局

44、放源P(x,y,z)到傳感器Si(xi,yi,zi) (i=1, 2, ,n)的傳播時(shí)間為ti,則有Fig.12 Principle of PD location based on muti-sensors style=box-sizing: border-box; color: rgb(43, 43, 43); text-decoration: none;圖12 多傳感器局放源定位原理Fig.12 Principle of PD location based on muti-sensors算法的時(shí)間差定位算法進(jìn)行局放源的空間定位,在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了較好的效果。文獻(xiàn)85在此基礎(chǔ)上對(duì)特高頻電磁波信號(hào)

45、在變壓器內(nèi)的傳播進(jìn)行了仿真,并利用上述方法對(duì)1臺(tái)220 kV的電力變壓器實(shí)現(xiàn)了誤差0.1 m的局放源定位。雖然國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)特高頻定位技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,但由于特高頻電磁波在變壓器內(nèi)部傳播特性的不明確;時(shí)延和定位算法所導(dǎo)致的誤差及傳感器安裝的限制等原因,特高頻法在實(shí)際變壓器,特別是運(yùn)行中變壓器局部放電源定位方面的應(yīng)用還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。3.2 超聲波定位法利用超聲波信號(hào)進(jìn)行變壓器內(nèi)部局部放電源的定位是一種常用且被證明行之有效的方法。傳統(tǒng)的超聲定位法根據(jù)來(lái)波的方向和時(shí)間求取局部放電源的空間位置,其流程與特高頻定位法基本一致,均是求取多個(gè)傳感器相對(duì)基準(zhǔn)傳感器的時(shí)間差,建立時(shí)差方程組利用定位算法進(jìn)

46、行局放源具體位置的求取。根據(jù)基準(zhǔn)傳感器的不同,可將超聲波定位法分為“電-聲”法和“聲-聲”法2大類?！半?聲”法利用局部放電的電信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào),電信號(hào)可以是脈沖電流信號(hào),也可是特高頻電磁波信號(hào),“聲-聲”法則利用其中1個(gè)超聲波傳感器的信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。 定位時(shí)根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)獲得超聲波的傳播時(shí)間,根據(jù)超聲波的傳播速度構(gòu)建方程組計(jì)算放電源的空間坐標(biāo)。傳統(tǒng)的超聲波定位法原理簡(jiǎn)單清晰,抗電磁干擾能力強(qiáng),成本較低且易于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),在實(shí)際變壓器局部放電源的定位中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的超聲波定位法主要是在變壓器箱體上進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè),檢測(cè)精度較差,定位結(jié)果的判斷對(duì)經(jīng)驗(yàn)要求較高,難以普及到一般運(yùn)行人員。近

47、年來(lái)采用超聲相控陣列進(jìn)行局部放電源的定位得到了快速發(fā)展。相控陣列技術(shù)最早在醫(yī)學(xué)、雷達(dá)及聲納等領(lǐng)域使用較多,其對(duì)目標(biāo)的定位準(zhǔn)確精度相比傳統(tǒng)的超聲定位法要高的多,且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)局部放電源的分別定位。相控陣列定位的原理如圖13所示。如圖13所示,采用NN個(gè)陣列傳感器組成的平面相控陣作為相控陣列傳感器。NN個(gè)陣元對(duì)局部放電源的接收信號(hào)空間相位差可表示為矩陣形式,改變陣內(nèi)相位矩陣,傳感器的方向圖按照=kdsin,=kdcossin對(duì)應(yīng)的,方向掃描。其中k為波數(shù);d為相鄰陣元的間隔;,為相鄰陣元不同方向的陣內(nèi)相位差;,分別為相控陣的仰角和方位角。當(dāng)采用相控陣進(jìn)行局部放電源的檢測(cè)時(shí),局部放電源會(huì)輻射出特高

48、頻信號(hào)和超聲波信號(hào),以特高頻信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào),計(jì)算同一方向的超聲波信號(hào)傳播時(shí)延,然后結(jié)合波速首先計(jì)算出局部放電源與傳感器之間的距離,再根據(jù)相控陣掃描的方位角和仰角計(jì)算出局部放電源的空間幾何位置。文獻(xiàn)86對(duì)此方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究,通過(guò)仿真證明了該方法的有效性,并研制了1個(gè)1616陣元的超聲相控陣傳感器,利用此傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究,結(jié)果表明該方法可達(dá)到1 cm的定位精度。1616陣元的傳感器數(shù)量多,對(duì)采集電路的要求高,在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)87進(jìn)一步縮減了陣元數(shù),研制成功了十字型和L型的傳感器,并研究了基于4階累積量的陣列擴(kuò)展算法,利用虛擬擴(kuò)展技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)物理陣元數(shù)的不足。圖14為不同類型的相控陣傳

49、感器。文獻(xiàn)88則比較了對(duì)L型和十字型傳感器采用雙邊相關(guān)變換寬帶聚焦算法和基于4階累積量的陣列擴(kuò)展窄帶算法進(jìn)行定位的精度,提出采用2者結(jié)合的綜合算法定位精度最高,認(rèn)為綜合算法解決了L型和十字型傳感器少陣元的缺點(diǎn)及4階累積量窄帶算法對(duì)寬帶信號(hào)適應(yīng)性差的問(wèn)題,可實(shí)現(xiàn)局部放電源的準(zhǔn)確定位。文獻(xiàn)89研究了1種超聲波相控陣與寬帶陣列信號(hào)處理相結(jié)合的油中局部放電定位方法,該方法首先采用超聲波相控陣傳感器直接檢測(cè)局放超聲寬帶信號(hào),并形成陣列模型;然后針對(duì)該超聲波信號(hào)頻段為50300 kHz的寬頻特性,應(yīng)用寬帶陣列信圖13 相控陣列定位原理Fig.13 Principle of phased receiving

50、 array PD location圖14 不同類型的相控陣傳感器Fig.14 Different phased receiving array號(hào)處理中的旋轉(zhuǎn)信號(hào)子空間算法對(duì)其進(jìn)行聚焦處理,通過(guò)聚焦矩陣將寬帶陣列信號(hào)不同頻率下的方向矩陣變換到同一中心頻率,最大限度地保留原始信號(hào)的寬頻空域信息,實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)方位信息的累積;最后應(yīng)用多重信號(hào)分類法與交叉定位原理對(duì)聚焦后寬帶信號(hào)進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)與空間定位。文獻(xiàn)90則提出了1種基于9陣元圓環(huán)形超聲陣列傳感器的局放源定位方法,該方法首先采用快速獨(dú)立分量算法進(jìn)行超聲波信號(hào)的去噪,然后采用最小二乘算法將寬帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為窄帶信號(hào),最后采用模態(tài)激勵(lì)算法和快速空間譜

51、估計(jì)算法相結(jié)合進(jìn)行局部放電源的空間定位。采用相控陣列傳感器進(jìn)行變壓器內(nèi)部局放源的定位在定位精度及多放電源定位上具有優(yōu)勢(shì),但由于傳感器本身的復(fù)雜性,如何在方便而又不影響設(shè)備運(yùn)行的條件下進(jìn)行傳感器的植入是目前需要解決的問(wèn)題。此外在信號(hào)的處理,如準(zhǔn)確區(qū)分直達(dá)波和混疊波、虛擬陣列擴(kuò)展等方面也需要更為精確的算法研究。4 存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)形成了1套完整的檢測(cè)方法和檢測(cè)流程,特別是近年來(lái)特高頻法及超聲波法等區(qū)別于常規(guī)的IEC 60270方法的檢測(cè)技術(shù)取得了較大進(jìn)展,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了眾多絕緣缺陷,避免了事故的發(fā)生,但局部放電類缺陷或故障依然是電氣設(shè)備,特別是

52、高電壓等級(jí)的電氣設(shè)備無(wú)法從根本上避免的頑疾,除了以上提到的一些問(wèn)題外,局部放電的檢測(cè)與分析技術(shù)依然存在諸多問(wèn)題需要解決。4.1 在線監(jiān)測(cè)和帶電檢測(cè)隨著設(shè)備維護(hù)方式從定期檢修到狀態(tài)檢修,局部放電的檢測(cè)也經(jīng)歷了出廠檢測(cè)、帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)的過(guò)程,但由于在線監(jiān)測(cè)近年來(lái)出現(xiàn)了大量監(jiān)測(cè)設(shè)備本身的問(wèn)題,目前又有重新回到以帶電檢測(cè)為主的趨勢(shì),關(guān)于帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)的問(wèn)題也時(shí)有討論。不論是在線監(jiān)測(cè)還是帶電檢測(cè)都不是目的,及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)局部放電并消除局部放電才是根本目的,檢測(cè)形式只是手段。從技術(shù)發(fā)展的角度而言,重要設(shè)備局部放電實(shí)行在線監(jiān)測(cè)是大勢(shì)所趨。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度講,利用特高頻和超聲波法進(jìn)行設(shè)備的帶電檢

53、測(cè),對(duì)發(fā)現(xiàn)的疑似局部放電設(shè)備進(jìn)行短期在線監(jiān)測(cè)是較為合理的方式,但對(duì)重要設(shè)備,持續(xù)的在線監(jiān)測(cè)則是保證其安全的重要環(huán)節(jié)。在線監(jiān)測(cè)目前爭(zhēng)議較大的關(guān)鍵原因在于在線監(jiān)測(cè)裝置本身的不可靠性。由于缺乏嚴(yán)格的準(zhǔn)入機(jī)制和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致目前局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置質(zhì)量參差不齊,甚至出現(xiàn)了由于在線監(jiān)測(cè)裝置本身出現(xiàn)故障進(jìn)而導(dǎo)致被監(jiān)測(cè)設(shè)備被迫停運(yùn)的事故。實(shí)際上這些問(wèn)題在帶電檢測(cè)裝置上也都存在。針對(duì)局部放電檢測(cè)裝置的校驗(yàn),目前已經(jīng)意識(shí)到了問(wèn)題的重要性,有些單位已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)的研究,文獻(xiàn)91等研究了利用吉赫茲?rùn)M電磁波(GTEM)小室進(jìn)行特高頻檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的校驗(yàn)工作,并建立了1套特高頻局部放電校驗(yàn)平臺(tái)。文獻(xiàn)92提出了1種超聲波

54、局部放電校驗(yàn)方法,利用標(biāo)準(zhǔn)超聲波傳感器來(lái)校驗(yàn)待測(cè)傳感器。此外一些單位也建立了局部放電檢測(cè)裝置入網(wǎng)檢測(cè)平臺(tái),對(duì)入網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行不同方面的檢測(cè),來(lái)評(píng)價(jià)其檢測(cè)效果和工作可靠性。不論在線監(jiān)測(cè)還是帶電檢測(cè),我們的觀點(diǎn)是一方面要保證裝置本身的可靠性、準(zhǔn)確性和靈敏性,這要求對(duì)傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及信號(hào)分析技術(shù)等進(jìn)行持續(xù)深入的研究,特別是研究更為靈敏的、抗干擾能力更強(qiáng)的傳感器是其中的重點(diǎn)。這樣才能保證局部放電檢測(cè)裝置不誤判、不錯(cuò)判、不漏判。另一方面要加強(qiáng)裝置的入網(wǎng)檢測(cè),建立標(biāo)準(zhǔn)的局部放電檢測(cè)裝置準(zhǔn)入檢測(cè)環(huán)節(jié),加強(qiáng)對(duì)其的質(zhì)量控制,兩方面結(jié)合才能從根本上解決目前局部放電檢測(cè)裝置存在的問(wèn)題,保證局部放電檢測(cè)的有效

55、性。4.2 檢測(cè)技術(shù)的盲點(diǎn)電力變壓器、GIS等重要設(shè)備運(yùn)行中局部放電多采用特高頻法和超聲波法,但現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)這2種方法并不能發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備的內(nèi)部缺陷。以GIS為例,特高頻法對(duì)GIS內(nèi)部懸浮類缺陷較為靈敏,對(duì)明顯的內(nèi)部異物導(dǎo)致的放電也較為靈敏,而超聲波法則對(duì)自由金屬微粒放電最為靈敏,但一旦放電涉及到盆式絕緣子固體絕緣的局部放電,則2種方法均存在漏判的現(xiàn)象。文獻(xiàn)38在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)實(shí)體GIS內(nèi)置缺陷進(jìn)行不同檢測(cè)方法的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),一旦局部放電位于盆式絕緣子表面,盡管脈沖電流法已經(jīng)檢測(cè)到明顯的放電脈沖,但由于環(huán)氧材料本身對(duì)超聲波信號(hào)的吸收作用,會(huì)導(dǎo)致超聲波信號(hào)完全檢測(cè)不到。而沿面放電本身會(huì)導(dǎo)致電荷的

56、泄漏,也會(huì)導(dǎo)致此時(shí)放電脈沖的前沿相比其他類型的放電要緩,其所激發(fā)的特高頻信號(hào)也相對(duì)較弱,因此特高頻法和超聲波法對(duì)涉及到盆式絕緣子表面的放電,其檢出能力均較弱。而盆式絕緣子沿面放電是GIS設(shè)備中最為危險(xiǎn)的缺陷類型,極易導(dǎo)致閃絡(luò)的發(fā)生。現(xiàn)場(chǎng)也多次出現(xiàn)裝有特高頻在線監(jiān)測(cè)的設(shè)備無(wú)預(yù)警出現(xiàn)閃絡(luò),剛剛采用超聲波帶電檢測(cè)過(guò)的設(shè)備發(fā)生絕緣子閃絡(luò)的事故,證明了目前現(xiàn)場(chǎng)常用的帶電檢測(cè)方法還不能覆蓋所有的缺陷。因此對(duì)于檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)深入研究還是目前局部放電研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方面。盡管一些新的檢測(cè)方法如化學(xué)檢測(cè)法、光檢測(cè)法尚處于研究階段,還有各種不足之處,但更為精確的檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)研究是局部放電研究領(lǐng)域的重要研究

57、內(nèi)容。4.3 更為準(zhǔn)確和深入的結(jié)果分析方法對(duì)局部放電檢測(cè)而言,要在準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,并合理評(píng)價(jià)局部放電對(duì)設(shè)備的影響。在此方面,需要繼續(xù)深入研究局部放電的產(chǎn)生機(jī)理及放電特性。近幾十年來(lái),工頻電壓下各種缺陷類型局部放電特性已經(jīng)研究較多 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b93-0-0-0-1702172050-1 93- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b100-0-0-0-1702172050-1 100,近年來(lái)直流電壓、復(fù)合電壓、沖擊電壓等不

58、同類型電壓作用下絕緣的局部放電機(jī)理和放電特性的研究也日趨增多 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b101-0-0-0-1702172050-1 101- HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b105-0-0-0-1702172050-1 105,眾多研究者已經(jīng)注意到了基礎(chǔ)的機(jī)理研究和放電特性研究是保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確分析的關(guān)鍵,采用構(gòu)建局部放電模型、缺陷電場(chǎng)分析及從空間電荷角度解釋局部放電行為等基礎(chǔ)研究也是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。在局部放電檢測(cè)結(jié)果的分析方面,檢測(cè)結(jié)果單一的幅值和

59、放電頻率的分析已經(jīng)不能完全評(píng)估放電源的危害性,需要建立更為詳細(xì)和全面的局部放電源危險(xiǎn)程度的評(píng)估。對(duì)GIS的危險(xiǎn)程度評(píng)估方面,CIGRE WG D1.03工作組建立了詳細(xì)的基于局部放電檢測(cè)的危險(xiǎn)評(píng)估流程,檢測(cè)到局部放電后,根據(jù)缺陷位置、外加電壓的波形和水平、放電持續(xù)時(shí)間及缺陷類型等4個(gè)因素進(jìn)行缺陷擊穿概率的評(píng)估,進(jìn)而進(jìn)行危險(xiǎn)程度的評(píng)估 HYPERLINK /periodical/html/2015-41-8-2583.html l b106-0-0-0-1702172050-1 106。該流程可在出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)及運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)107則建立了運(yùn)行狀態(tài)下GIS局部放電危險(xiǎn)程度評(píng)估的流程

60、,基于放電類型、缺陷位置、缺陷發(fā)展程度和局放幅值4個(gè)因素進(jìn)行危險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算,進(jìn)而進(jìn)行危險(xiǎn)程度的評(píng)估。具體流程如圖15所示。目前對(duì)GIS局部放電危險(xiǎn)程度評(píng)估已經(jīng)進(jìn)行了一些研究,但對(duì)變壓器等其他設(shè)備的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道,不同的設(shè)備由于絕緣介質(zhì)不同,設(shè)備結(jié)構(gòu)不同,其危險(xiǎn)評(píng)估的流程和方法還需要因設(shè)備不同進(jìn)行針對(duì)性構(gòu)建。4.4 不同種類電壓作用下局部放電的檢測(cè)和分析交流電壓作用下電氣設(shè)備局部放電的檢測(cè)與分析已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究,形成了較為完整的理論體系和分析方法。但隨著電網(wǎng)的發(fā)展,特別是高壓直流輸電工程的發(fā)展,直流電壓和復(fù)合電壓作用下電氣設(shè)備局部放電的檢測(cè)、分析及放電機(jī)理研究近年來(lái)也得到了重視。文獻(xiàn)71