山東科技大學(xué) 朱愛珍 孫中莉

變壓器PD監(jiān)測超高頻方法的初步研究

山東科技大學(xué) 朱愛珍 孫中莉

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，它的絕緣狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全運行。本文詳細(xì)介紹了變壓器局部放電（partial discharge（PD））信號的產(chǎn)生機理，超高頻監(jiān)測方法的闡述及超高頻天線的設(shè)計，另外包絡(luò)檢波技術(shù)被用來提取變壓器局部放電中的超高頻信號。模擬結(jié)果表明，超高頻局部放電信號用該方法可以有效地提取，以方便變壓器局部放電信號的監(jiān)測。

局部放電；超高頻監(jiān)測方法；超高頻天線；包絡(luò)檢波

1.引言

電網(wǎng)容量的擴大、電壓等級的提高，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及各種高壓電氣設(shè)備的運行狀況提出了更高的要求。電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其可靠運行對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行有重要意義。電力變壓器的可靠性主要決定于其絕緣狀況，據(jù)統(tǒng)計資料表明，110kV級以上電壓等級的電力變壓器事故中二分之一是絕緣事故，而且?guī)缀醵际窃谡９ぷ麟妷合聯(lián)p壞的。造成變壓器絕緣老化和破壞的主要原因之一是局部放電，所以進行變壓器局部放電的檢測對提高電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性具有很高的理論和實用價值。

由此可見，局部放電是絕緣損壞的主要原因和表現(xiàn)形式。對運行中的電力變壓器的絕緣狀態(tài)進行在線監(jiān)測，根據(jù)獲得的反映變壓器運行狀態(tài)的各種信息可有效地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部絕緣的固有缺陷和長期運行使絕緣老化而產(chǎn)生的局部隱患。因此，國內(nèi)外普遍認(rèn)為，在線監(jiān)測變壓器的局部放電是保證電力系統(tǒng)安全運行的有效手段。

2.局部放電的產(chǎn)生及分類

電力變壓器的內(nèi)部故障初期都將產(chǎn)生局部放電，同時，在電氣設(shè)備中絕緣體各區(qū)域承受的電場一般是不均勻的，加之在制造過程中殘留的一些氣泡或其它雜質(zhì)也會造成絕緣體內(nèi)部或表面出現(xiàn)某些區(qū)域電場強度高于平均電場強度，當(dāng)這些區(qū)域的擊穿場強低于平均擊穿場強時，將會首先發(fā)生放電，而其它區(qū)域仍保持絕緣特性，從而形成局部放電。

所謂“局部放電”是指在電場作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電而并沒有形成貫穿性放電通道的一種放電。產(chǎn)生局部放電的主要原因是電介質(zhì)不均勻時，絕緣體各區(qū)域承受的電場強度不均勻，在某些區(qū)域電場強度達到擊穿場強而發(fā)生放電，而其它區(qū)域仍然保持絕緣的特性。大型電力變壓器基本采用油-紙復(fù)合絕緣及油-屏障絕緣結(jié)構(gòu)，局部放電一般發(fā)生在絕緣薄弱或電場強度偏高的部位。按部位來分，變壓器局部放電主要發(fā)生在引線接線處、紙板、壓板、圍屏、端部油楔、金屬尖端、變壓器油以及套管等部位。

從局部放電發(fā)生的位置、放電過程和顯現(xiàn)來看，局部放電可分為內(nèi)部局部放電、表面局部放電和電暈放電三種。

a.內(nèi)部局部放電

造成內(nèi)部放電的常見原因是固體絕緣體內(nèi)部存在氣隙或液體絕緣內(nèi)部存在氣泡。絕緣內(nèi)部氣隙發(fā)生放電的機理隨氣壓和電極系統(tǒng)的變化而異。

（1）按照放電機理，局部放電分為三類：

l）湯遜放電，以電子碰撞電離為主，電子崩中電子數(shù)目小于108個。放電條件是當(dāng)空隙中場強E在放電起始場強E1和臨界場強 E2之間時存在有效自由電子。臨界場強 E2是指當(dāng)電子崩由于空隙壁上沉積的表面電荷足夠多而使放電停止時，這些表面電荷產(chǎn)生的場強。

2）流注放電，以光電離為主，空隙中存在起始電子且流注條件得以滿足時發(fā)生的放電。要求空隙直徑必須大于流注直徑四倍以上，以便于流注的傳播。

3）熱電離放電，以熱電離為主，當(dāng)溫度大于1000℃以上時發(fā)生。

（2）根據(jù)放電的表現(xiàn)形式，局部放電可分為：

①脈沖型火花型：持續(xù)時間1-100ns，包括低幅度、上升時間較緩慢的湯遜型火花放電和大幅度、快上升時間的似流注火花放電。

②放電和非脈沖型輝光放電：具有無脈沖性質(zhì)，占據(jù)半個工頻周期的大部分區(qū)域。

③亞輝光放電：也稱群放電，存在小幅度的離散脈沖，是輝光放電和火花放電之間的過渡形式。

三種放電形式的存在和轉(zhuǎn)變與氣隙大小、氣隙上的過電壓、氣壓等有關(guān)。輝光放電或亞輝光放電多發(fā)生在小氣隙或氣泡和低過電壓情況下。而當(dāng)存在大氣隙和高過電壓時，電子崩可以充分發(fā)展，容易產(chǎn)生火花脈沖放電。氣隙不變，過電壓增大，輝光放電、亞輝光放電向火花放電轉(zhuǎn)變。在短氣隙局部放電中，三種形式的放電均以電子崩碰撞電離為主，屬于湯遜放電，可以較明顯地分辨電子電流和離子電流。高過電壓下，由于陰極發(fā)射增強，局放電流以電子電流為主，離子電流所占比重不大。低過電壓下，電子電流顯著減少，光電離作用突出，離子電流增大，造成放電電流尾部加長，所產(chǎn)生的湯遜脈沖放電表現(xiàn)為低幅值、慢上升時間的小脈沖，放電量相對較小。而在大氣隙中，放電脈沖多屬于流注型，幅值大，上升沿陡，放電量較大[1-3]。

b.表面局部放電

在電氣設(shè)備的高電壓端，由于電場集中，而且沿面放電場強又比較低，往往會產(chǎn)生表面局部放電；絕緣體表面放電的過程及機理與絕緣內(nèi)部氣隙或氣泡放電的過程及機理相似，不同的是放電空間一端是絕緣介質(zhì)，另一端是電極。如果電極系統(tǒng)是不對稱的，發(fā)生在工頻正、負(fù)半波的放電圖形也是不對稱的。當(dāng)放電的一端是高壓電極，不放電的電極接地時，在正半周出現(xiàn)的放電脈沖是大而稀，負(fù)半周出現(xiàn)的是小而密；在對稱電極系統(tǒng)中，正負(fù)二半周放電情況相同，放電圖形基本上是對稱的。

c.電暈放電

電暈放電通常發(fā)生在高壓導(dǎo)體周圍完全是氣體情況下。由于氣體中的分子自由移動，放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點不會固定在空間某一位置上。對于針-板電極系統(tǒng)，針尖附近場強最高而發(fā)生放電，由于負(fù)極性時容易發(fā)射電子，同時正離子撞擊陰極發(fā)生二次電子發(fā)射，使得放電在負(fù)極性時最先出現(xiàn)。當(dāng)外加電壓較低時，電暈放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓負(fù)半周90°相位附近，并幾乎對稱于90°；當(dāng)電壓升高時，正半周會出現(xiàn)少量幅值大而數(shù)量少的放電脈沖。正負(fù)兩半周中的放電波形是極不對稱的。

除以上是三種最基本的局部放電形式外，絕緣體中存在水珠、導(dǎo)電雜質(zhì)、電氣設(shè)備內(nèi)部存在懸浮電位體也會引起局部放電；液體絕緣內(nèi)部也可能出現(xiàn)固體表面局部放電和電暈放電。

3.超高頻監(jiān)測方法及天線的設(shè)計

局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強度有關(guān)。當(dāng)放電間隙比較小時，放電過程的時間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強；當(dāng)放電間隙的絕緣強度比較高時，擊穿過程比較快，此時電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強。發(fā)生在電力變壓器中的局部放電脈沖非常符合上述理論。該類放電脈沖可以輻射上升沿達到1-2ns、頻率達到數(shù)GHz的高頻電磁波，為一種橫電磁波(TEM)。該電磁波的能量以固定的速度沿電磁波的傳播方向流動。所以，通過耦合這種以TEM波形式傳輸?shù)碾姶判盘?，就可以監(jiān)測到變壓器內(nèi)部的局部放電，并進一步認(rèn)識其絕緣狀態(tài)。這種監(jiān)測方法稱作超高頻監(jiān)測方法。

在變壓器這個設(shè)備中，存在的外部干擾大大降低了局部放電現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)的可靠性。而超高頻范圍內(nèi)(300-3000MHz)提取的局部放電信號基本上無外界干擾，可極大地提高局部放電監(jiān)測(特別是在線監(jiān)測)的可靠性和靈敏度。變壓器絕緣體內(nèi)的氣泡發(fā)生放電時，其放電時間很短暫，大約10-100ns，能激起大于1GHz的超高頻電磁信號，利用特殊制作的超高頻傳感器可以提取油中局部放電輻射的超高頻信號。

圖1 雙臂阿基米德螺旋天線

圖3 包絡(luò)仿真電路的結(jié)果

在電力變壓器局部放電超高頻檢測系統(tǒng)中，傳感器需適合在線安裝運行，一般說來，安裝在變壓器內(nèi)部的傳感器的工作環(huán)境是很糟糕的。它工作在有腐蝕性的且具有較高的溫度(可能大于120℃)的變壓器油中。當(dāng)變壓器在運行時，很難去移除固定在內(nèi)部的傳感器，所以要求傳感器必須具備高可靠性和能長時間在油箱里運行的特點。因此，超高頻傳感器的設(shè)計必須滿足下述要求：(1)結(jié)構(gòu)尺寸小巧，能在不改變變壓器結(jié)構(gòu)和不影響變壓器運行的前提下實現(xiàn)在線檢測；(2)能實現(xiàn)帶寬為500～1500MHz的局部放電信號檢測，并具有良好的頻率響應(yīng)特性；(3)具有較高的信號檢測靈敏度；(4)具有較高的抗干擾能力及干擾信號區(qū)分能力。

但是幾乎沒有工業(yè)用傳感器滿足這些要求，因此有必要去設(shè)計一種能滿足要求的超高頻的傳感器。在本文中設(shè)計了可用于變壓器局部放電超高頻檢測的天線傳感器——雙臂阿基米德平面螺旋天線[4]，如圖1所示，也可稱為超高頻耦合器。寬帶天線的設(shè)計的帶寬從300MHz到1500MHz，其中心頻率是800MHz。

為了提高裝置在現(xiàn)場的可靠運行，天線由環(huán)氧樹脂進行封裝，這種環(huán)氧樹脂有很好的絕緣、防腐、防氧化和耐高溫的特性。出廠前，要對超高頻傳感器進行嚴(yán)格的測試，看它是否可以工作在變壓器油箱中。

在螺旋的周長為1個波長附近的區(qū)域，形成平面螺旋的主要輻射區(qū)。周長約為1個波長的那些環(huán)帶就形成了螺旋天線的有效接收區(qū)，工作頻率改變時，有效接收區(qū)沿螺線移動。當(dāng)頻率發(fā)生變化時，主要輻射區(qū)隨之變動，但方向圖基本不變，因此螺旋天線具有寬帶特性。對應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25倍波長的周長。對最高工作頻率，要由饋電點間的間隔尺寸來確定，其間隔也必須小于λ/4[5]。天線最大接收方向在螺旋線平面的法線方向上，且是雙向的，主瓣寬度約為60°-80°。為避免電流在螺旋最外層的邊沿上反射，通常在最外層螺旋線的末端用吸收電阻或有損耗的材料端接。阿基米德螺旋天線具有一系列優(yōu)點，正日益受到重視。但由于其輻射是雙向的，因而增益較低。為了獲得單向輻射特性，可在其一邊加裝反射腔。由于反射腔是一個諧振器件，必然會使天線工作頻帶變窄，也就是說，用反射腔實現(xiàn)單向輻射，提高增益，是以犧牲工作帶寬為代價的。平衡饋電的阻抗變換器可放在反射腔內(nèi)，這樣避免了方向圖傾斜并允許用同軸線饋電。

相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，大型電力變壓器的超高頻局部放電監(jiān)測方法有幾個優(yōu)點如下：

(1)超高頻局部放電監(jiān)測方法檢測頻段是300MHz-1500MHz，而大部分地方的外部干擾頻段是在100MHz[6][7]，所以超高頻方法可以避免大多數(shù)地方干擾和發(fā)現(xiàn)局部放電的高靈敏度。

(2)超高頻局部放電傳感器通常安裝在變壓器內(nèi)部，因為變壓器外殼有一個良好的屏蔽效果，所以大部分外部高頻率信號不能進入變壓器箱內(nèi)。這表明，超高頻法有很強大的抗外部噪聲干擾的能力。實驗表明，由于變壓器外殼可以防止電磁波入侵，超高頻方法是幾乎檢測不到的變壓器外部空氣中的電暈放電[6]。

(3)在超高頻檢測傳感器和電力變壓器的高壓側(cè)之間完全沒有電氣連接，因此超高頻檢測方法比其他局部放電的監(jiān)測方法對電力二次系統(tǒng)和操作者來說，更為安全可靠。

4.超高頻包絡(luò)檢測器

在局部放電監(jiān)測中，我們往往會注意以下兩個方面：1)最大和平均放電幅度；2)局部放電信號發(fā)生時的相位。因此，需要有一個特殊的信號預(yù)處理方法，以減少原始局部放電信號的頻率，這樣可以方便一般的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)取樣。為了保持放電信號的振幅和相位信息，包絡(luò)檢測技術(shù)將用來預(yù)處理超高頻信號。在實驗室中，設(shè)計一個MATLAB仿真模型(如圖2所示)來模擬包絡(luò)檢測過程。

在模擬電路中，充電電容C將決定包絡(luò)檢測的性能。假設(shè)二極管內(nèi)阻 Rd= 1 00Ω，充電電容 C = 1 pF，負(fù)載電阻 R = 1 05Ω，因此，充電時間常數(shù)τc= RdC = 0 .1n s ＜ ＜ 1 ns，放電時間常數(shù)τd= RC = 1 00ns。

那么從現(xiàn)場檢測到的局部放電信號振蕩信號衰減的情況，可以由以下指數(shù)方程來表示出：

其中，A、τ和cf分別代表信號的振幅，衰減系數(shù)和振蕩頻率。

在圖2中，信號發(fā)生器(Signal Generator)控制著電壓源(Controlled Voltage Source)，指數(shù)方程(1)和(2)是信號發(fā)生器的輸入信號，這決定著局部放電信號的脈沖。利用上述的電路和仿真參數(shù)，包絡(luò)檢測實驗結(jié)果就出現(xiàn)在計算機的MATLAB7.0的界面。藍線在圖3中代表原始超高頻局部放電信號，紅色虛線是輸出信號包絡(luò)檢測后的信號。和原始的輸入信號相比，輸出信號保持著一樣的振幅，而且?guī)缀鯖]有相移，具體來說，就是信號包絡(luò)提取準(zhǔn)確。

5.結(jié)論

本文介紹了一種超高頻的局部放電檢測方法，內(nèi)部的超高頻傳感器（天線）很好地設(shè)計和安裝，因為這種超高頻傳感器的頻段為300～1500MHZ，所以能有效地抑制干擾。此外，包絡(luò)檢波技術(shù)被用來從變壓器的局部放電中提取超高頻信號，對原始信號進行預(yù)處理。實驗中模擬結(jié)果表明，超高頻局部放電信號利用該方法可以有效地提取。

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朱愛珍，女，山東科技大學(xué)在讀研究生，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

孫中莉，女，山東科技大學(xué)在讀研究生，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。