变压器局部放电的特高频(UHF)在线监测

变压器局部放电的特高频(UHF)在线监测

摘要:特高频（UHF）局部放电测量法与传统的脉冲电流法不同，它采集的信号是局部放电产生的特高频电磁波。利用UHF法进行电力变压器局部放电的在线监测具有很强的抗干扰性和高灵敏度。本文简单介绍了局部放电特高频在线监测的原理与装置，通过研究油中纸板沿面放电、油中纸板内部放电、油中悬浮放电、油中气泡放电及油中尖板放电5种典型局放模型的特高频放电信号，对局部放电信号的模式识别方法进行了分析。

关键词:变压器特高频局部放电

1、前言

局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部场强过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿现象，是造成绝缘劣化的主要原因，也是劣化的重要征兆，与绝缘材料的劣化和击穿密切相关。因此，对局部放电的有效检测对于电力设备的安全运行具有重要意义。

局部放电的检测是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态及特性。由于局部放电的过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及一些化学生成物，并引起局部过热。相应地出现了脉冲电流法、特高频（UHF）法、超声波法、光测法、化学检测法等多种检测方法。

特高频检测技术通过接收电力变压器局部放电产生的特高频电磁波，实现局部放电的检测和定位。

2、特高频在线监测的原理与装置

2.1 UHF在线监测原理

变压器内发生局部放电时，其放电持续时间是很短暂的，大约10ns～100ns。放电脉冲的上升时间则更短，仅为0.35ns～3ns，脉宽1ns～5ns。所以局部放电产生的脉冲信号的频带是很宽的，应在数十至数百MHz，甚至更高。因此，局部放电所激发的信号，除了以脉冲电流的形式通过变压器绕组和电力线向外传播外，还会以电磁波的形式向外传播。这样就可以通过特高频传感器接收到局部放电的信号，然后对接收到的信号进行分析，达到检测和定位局部放电的目的。

2.2 UHF在线监测的抗干扰性

试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小或者放电间隙的绝缘强度比较高时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油纸结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数GHz。这样特高频的监测频带一般可为300MHz～3GHz。由于所采取的频段较高，能有效地避开背景噪音（在200MHz 以下）和常规测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰（一般小于300ＭHz）；而对特高频通信、广播电视信号，由于它们有固定的中心频率，因而可用合适的频带将其与局放信号加以区别。

2.3 UHF在线监测的装置

变压器局部放电特高频在线监测装置主要包括以下几部分：特高频传感器、阻抗变换器、放大单元、检波器、模数转换单元和计算机等。其原理框图如图1所示。

2.3.1 特高频传感器

传感器的性能直接决定着信号的提取，应具有良好的频率响应特性、较高的抗干扰能力和信号检测灵敏度，并且结构尺寸灵巧,在不影响变压器运行和不改变变压器结构的前提下可实现在线监测。

2.3.2 阻抗变换器

传感器接收到局放信号后通过同轴电缆传送到前置放大器，这时就需要通过阻抗变换器使得传感器与电缆、电缆与前置放大器之间有良好的匹配，信号功率才能被负载（即前置放大器）完全吸收，电缆中只有传感器向前置放大器传输的入射波。

2.3.3 放大单元

放大单元包括前置放大器和高频放大器，它们将从传感器接收到的局部放电信号进行预处理放大。

2.3.4 检波器、模数转换器和计算机

经放大单元处理后的信号通过检波器得到特高频信号幅值的包络线。检波得到的是高频信号中的“低频”分量，这样监测装置可以用较低采样率的模数转换器进行模数转换，最后由计算机做分析处理。

3、特高频在线监测的模式识别

电力变压器绝缘结构复杂，可能发生的放电类型很多，部位多在某些油隙、空气间隙、有悬浮电位的金属体、导体尖角和固体表面上。本文通过在实验室测试油中纸板内部放电、油中纸板沿面放电、油中悬浮放电、油中气泡放电和油中尖板放电5种模型，分析相应的特高频放电信号。图3（b～f）表明变压器油中局部放电能激励起特高频电磁信号，并且不同放电类型放电能量的集中频带有差别。采集高频窄带时域时中心频率的选取也有所不同。

对5种不同放电模型分别选取测试的最优中心频率，带宽5MHz，提取100个工频周期的高频窄带时域放电信号。统计所得放电信号, 可形成Hqmax（φ）二维放电谱图及三维放电谱图（φ—q—n）

3.1内部放电

选取测试中心频率620MHz，试品在较低电压下就放电，起始时局放脉冲总是先出现在电压幅值绝对值上升部位的相位上（约90°及270°处）；电压升高后放电脉冲的相位范围逐渐扩展，但90°和270°之后的一段相位内没有放电产生。

3.2沿面放电

选取测试中心频率580MHz，正负半周的放电电压几乎相同，且放电都出现在电压峰值周围，相位在30～120°和210～300°的区间内，谱图形状呈典型的矩形分布。

3.3悬浮放电

选取测试的中心频率为510MHz，其相位分布很宽，集中出现0～90°、150～270°和330～360°相位范围内，谱图形状呈典型的矩形分布。

3.4油中气泡放电

选取测试的中心频率为520MHz，其正负半周的放电几乎在相同电压下产生，起始放电幅值也相差不大。正负半周的放电都出现在电压峰值周围，在30～140°和220～320°的区间内谱图形状呈锥形对称分布。

3.5油中尖板放电

选取测试的中心频率为620MHz，正负半周的放电都出现在电压峰值周围，在60～120°和230～300°的区间内谱图形状呈锥形不对称分布，正半周的放电次数和放电幅值比负半周要少得多。通过比较可以发现不同放电源其放电谱图的形状具有明显的特征，且电压升高导致局放脉冲幅值增大及放电重复率增加，而谱图形状变化不大。

4、特高频在线监测的局放定位

电力变压器局部放电的在线监测中，更关注的是放电点的位置。当发生局放时，放电产生的电磁波是以速度v沿着r方向传播出去的，它是时间和位置的函数，电磁波能量沿传播方向流动。

这样，与超声波信号的定位类似，在不同的位置安装多个传感器，通过分析特高频电磁波在变压器内部不同物质中的传播特性，利用信号到达传感器的不同时延，可进行局部放电点的定位。

另外还有用单个电磁矢量传感器（即EMVS，它能同时测量入射电磁波的全部电磁场分量，其测量数据可实现对入射波空间参数的极化特性的估计）检测局部放电辐射的特高频信号来实现变压器局放定位的方法，该法先将检测的局放宽带数据通过窄带滤波，获取相应的窄带数据,并应用信息论的最小描述长度准则或平滑秩序列法确定PD源个数后应用多重信号分类算法对数据协方差矩阵进行空间谱估计，实现多个局放源点分辨和空间参数估计。仿真实验结果表明，单个EMVS可同时检测出3个局放源点的方位角、俯仰角及其极化特性，对变压器局部放电在线监测具有较高的参考价值。

5、特高频在线监测存在的问题