(李军浩 变压器) 电力变压器局部放电定位方法的现状及发展

电力变压器局部放电定位方法的现状及发展李军浩，司文荣，王颂，袁鹏，李彦明（西安交通大学电气工程学院，陕西西安７１００４９）摘要：概括论述了电力变压器局部放电定位的现状，对超声定位、电气定位、超高频定位、相控阵定位等局部放电定位方法进行了分析、探讨和阐述。

关键词：变压器；局部放电；定位中图分类号：ＴＭ４０６文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－８４２５（２００７）０６－００４０－０５ＳｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰＤＬｏｃａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＬＩＪｕｎ－ｈａｏ，ＳＩＷｅｎ－ｒｏｎｇ，ＷＡＮＧＳｏｎｇ，ＹＵＡＮＰｅｎｇ，ＬＩＹａｎ－ｍｉｎｇ（Ｘｉ＇ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００４９）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆＰＤｌｏｃａｔｉｏｎｆｏｒｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｌｏｃａｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃａｔｉｏｎ，ＵＨＦｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈａｓｅｄｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｒｒａｙｌｏｃａｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ＰＤ；Ｌｏｃａｔｉｏｎ１引言电力变压器是电力系统中重要的设备之一，其安全运行意义重大。

在现场运行中，局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一。

从２０世纪中期开始，各个国家就对变压器中局部放电的机理做了很多研究，并取得了很大进展［１～２］。

现有的检测方法可以通过对一些局放物理量的检测来发现变压器内部是否发生了局放。

对于局部放电源的准确定位是目前发展的一个方向。

根据局部放电过程中所产生的诸如电磁波、声波、光、热和化学变化等现象，其定位方法有电气定位、超声定位、光定位、热定位和ＤＧＡ定位等［３］。

目前，国内外研究较多也比较成熟的是超声定位［４］和电气定位［５］。

但一些新的定位方法的出现也为进一步研究局部放电的定位提供了新的思路，如基于辐射电磁波的超高频定位［６］，基于相控阵理论的局部放电源定位［７～８］等。

笔者拟对超声波定位和电气定位方法及目前的发展趋势进行总结，并对超高频法和相控阵法进行了介绍。

２超声波定位方法当变压器内部发生局部放电时，会产生电磁波、放电脉冲和超声波等信号，超声波在变压器中的不同介质中传播（油纸、绕组和隔板等），到达固定在变压器油箱壁上的超声传感器。

通过多个超声传感器测量不同传感器测量到信号的时间延时，经过定位算法的计算，就能够确定局放源的位置。

根据基准信号的不同，超声检测定位又可分为以下两类。

２．１电—声检测定位该定位法是在变压器油箱外壁上安装多个超声传感器，以局部放电的电脉冲作为触发基准信号，同时记录电脉冲信号和ｎ路超声波信号，并加以比较、以测得电信号与超声波信号的时延ｔ作为从局部放电点到达各传感器的传播时间；以等值声速ｖ乘以时延ｔ而得到放电点到各传感器的空间距离，以此来列方程求解。

随着特高频（ＵＨＦ）技术和射频电流技术的应用，电信号的选取不仅可以选择ＩＥＣ２７０方法推荐的脉冲电流信号，也可以使用ＵＨＦ信号和射频电流第４４卷第６期２００７年６月ＴＲＡＮＳＦＯＲＭＥＲＶｏｌ．４４ＪｕｎｅＮｏ．６２００７李军浩、司文荣、王颂、袁鹏、李彦明：电力变压器局部放电定位方法的现状及发展第６期信号作为电信号基准，在此基础上进行计算。

２．２声—声检测定位该方法在耦合于变压器油箱外壁上的多个超声传感器中选用一路声信号触发其余声信号。

定位时选择某一传感器为参考探头，以此为基准测量同一局部放电超声信号传播到其他传感器时对应于它的相对时差，将该组相对时差代入满足该组传感器几何关系的一组方程求解，即可求出局部放电点的几何位置坐标。

文献［９］通过计算、试验比较了以上两种方法在定位上的准确程度。

认为声－声定位方法中声波的前沿不容易确定，所以声－声定位方法不如电－声定位方法准确。

但电－声定位方法需要提取电信号作为参考基准信号，信号的取样要麻烦些。

声－声定位则比较方便，可以完全通过声传感器来进行信号的测量和判断。

在超声定位中，定位算法是能否进行准确定位的关键，目前，常用的普遍算法有顺序定位算法、球面定位法、双曲面定位算法、模式识别定位法和遗传算法等。

双曲面定位算法和球面定位法是目前应用较为广泛的针对声－声检测和电－声检测的定位方法，两种算法都是通过信号的时间差建立双曲面方程或球面方程，然后通过最小二乘法进行求解。

但这种算法是非线性算法，计算时间长，内存占用量大，而且计算结果受初值、步长影响较大。

如果选择不当，会使方程组无解或误差很大，且其计算公式中较为复杂的是等值声速的计算。

目前，一般将等值声速取为常数，但声波信号在变压器中传播时，情况极其复杂，等值声速不可能为一常数。

针对以上问题，出现了线性算法和基于模式识别的定位算法及基于遗传算法的定位算法［１０～１１］。

线性算法是在非线性算法的基础上，对非线性方程组进行变换，将其转换为线性方程组求解；基于模式识别的定位算法是将变压器分解为若干个模块单元，分别计算这些模块到各个传感器之间的时间差，将这些时间差组成数组进行模式识别，计算与所测的超声信号时间差数组的距离，选择距离最小的模块为放电点；基于遗产算法的定位算法则是在最小二乘法的基础上采用了具有全局搜索特性的遗传算法，解决了局部收敛问题，避免了迭代过程中的局部最优点问题。

同时综合以上几种方法来进行定位判断也是目前的一个发展趋势。

如文献［１２］采用的先使用顺序定位法，然后使用基于广义互相关的声－声定位方法来进行定位计算［２］。

随着研究的深入，一些新的定位算法也在发展之中。

文献［１３］提出将超声定位问题转化为一个带约束的非线性连续函数优化问题，在最优化框架内，应用国际上最近提出的粒子群优化（ＰＳＯ）算法进行求解［４］。

文献［１４］提出基于混沌遗传算法的变压器局部放电源点定位方法，将混沌理论和遗传算法引入局放超声波定位算法中，也取得了一些效果。

目前的定位方法中，多是针对单一放电源进行的计算。

但由于实际中变压器内部可能不仅仅存在单一的一个局部放电源，很可能同时存在多个放电点。

针对多放电源的定位问题，目前研究的较少，但也有一些文章对此进行了介绍。

文献［１５］利用多个传感器组成传感器阵列来进行多个放电源的定位。

首先对放电源个数进行估计，然后进行不同放电源的定位，并进行了仿真工作。

３电气定位方法当变压器内部发生局部放电时，所产生的放电脉冲沿绕组传播到达测量端。

该放电脉冲包含了放电特性和局部放电定位所需要的一些信息，通过对此脉冲进行分析，可确定局放源的具体位置。

传统的电气定位方法很多，诸如起始电压法、极性法、行波法、电容分量法等。

随着研究的逐渐深入和数字测量技术的进一步发展，改进电容分量法和端点电流脉冲频谱分析法这两种方法得到了更多的研究和应用。

３．１改进电容分量法根据绕组传输特性可知，对于某些变压器绕组如纠结式绕组在０．１ＭＨｚ～１ＭＨｚ范围内，可近似等效为一个容性梯形网络。

当变压器内部某点发生局部放电时，该点作为放电源产生一个陡脉冲向两端传播，其传播规律满足：ＵＬＵＮ＝ＣＫＣ!ｃｈ（αｘ）＋ＣＮｓｈ（αｘ）ＣＫＣ!ｃｈα（ｌ－ｘ"#）＋ＣＬｓｈα（ｌ－ｘ"$）式中ＵＬ，ＵＮ，ＣＬ，ＣＮ分别是线端和中性点处对应的电压和电容；ｘ为放电点到中性点的绕组长度；ｌ为变压器绕组的总长度；α＝Ｃ:ＣＫ!；Ｃ，ＣＫ分别为绕组单位长度的并联、串连电容。

根据以上方程找到两个电容分量和绕组位置上的一一对应的关系，就可以进行准确定位。

变压器只是在某一个频率范围内等效为一个电容梯形网络，在改进的电容分量法中，该频率范围的确定就显得尤为重要。

一般而言，该频率范围的确定是由试验获得。

将一个函数发生器接到绕组的一端，４１第４４卷并提供频率可变的电压，另一端接地，同时测量输入电压和绕组电压。

当在此等效频率范围时，会出现最小电压相位移，即输入波形和输出波形相似。

而后采用数字滤波将此频率范围以外的信号去掉，采用上述方程进行计算。

改进电容分量法利用数字滤波技术，能够获得沿变压器绕组脉冲的电容传输分量；该方法对干扰信号完全抑制，频带选择灵活，且频率补偿容易，与新的直线内插法结合可以解决一些实际问题，能够得到较高的定位精度。

３．２端点电流脉冲频谱分析法在０．０１ＭＨｚ～０．１ＭＨｚ这个中间频率范围内，变压器绕组的传输特性表现为振荡传播即发生在绕组中的局部放电脉冲以振荡形式传输。

此时，在变压器测量端点所得到的局部放电电流脉冲因局放源位置不同，其频谱有较大的差异。

文献［１６］对连续饼式绕组（以８４饼为例），从不同位置注入放电脉冲，从而模拟了绕组中不同位置的局部放电，用绕组的简化等效电路计算出相应放电注入电流对应的传递函数，从而根据频谱分析来确定放电点的位置。

在此基础上，文献［１７］采用建立仿真模型并结合试验的方法，研究了不同的局部放电脉冲传播路径的传递函数，在分析传递函数频谱特性的基础上，提出了根据相应信号高频分量和能量的局部放电电气定位方法。

尽管人们对变压器绕组特性的研究较多，相应的也出现了一些电气定位方法，但由于各种电气定位法现场操作复杂，使用范围限制较大，且由于变压器内部结构复杂及放电部位的不同，使得放电脉冲的波过程也会出现不同程度的振荡，而对放电信号的检测却只能在变压器的测量端点进行，因而精度不高，所以目前在实际定位中很少采用。

４基于特高频检测的局放定位方法ＵＨＦ检测技术具有抗干扰能力强、灵敏度高的优点，近年来已经在试验室中得到了大量研究并逐步在工程实际中得到应用。

西安交通大学、华北电力大学等都对其进行了深入研究并取得了丰富的成果［１８～２０］。

采用ＵＨＦ方法进行变压器局部放电源定位则是目前的一个研究重点。

国内外的一些研究单位都对其进行了大量研究。

利用ＵＨＦ信号进行局放定位的基础是电磁波绕射所遵循的费玛最短光程原理即电磁波沿射线传播，认为传感器所接收到的信号是局放信号沿最短光程、历经最小传播时间最先到达的子波的波前反映。

示意图如图１。

在变压器油箱的不同位置耦合多个ＵＨＦ传感器，根据ＵＨＦ信号到达不同传感器的时间延时，建立方程即可求解。

安装方式有介质窗方式，４阵元菱形传感器阵列等。

设局放源Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）到达传感器Ｓｉ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）的传播时间为ｔｉ，则有ｔｉ＝（ｘ－ｘｉ）２＋（ｙ－ｙｉ）２＋（ｚ－ｚｉ）２!6Ｃ（１）Ｓｉ与参考传感器Ｓ１的相对时差为τ１ｉ＝ｔｉ－ｔ１（ｉ＝１，…，ｍ；ｍ≥４）。

通过测量出ｍ－１个相对时差τ１ｉ、波速Ｃ及各传感器的位置坐标，利用方程（１）即可求出局放源的具体位置。

在使用ＵＨＦ方法进行局放的定位中，各个传感器相对与参考传感器时延的确定至关重要。