局部放电严重程度评定方法的研究

摘 要：变压器绝缘系统的性能是变压器正常运行的关键。为了解决变压器局部放电检测中严重程度判定的问题，研究绝缘系统在不同状况下的局部放电信号，该文在已有的局部放电模拟、检测试验系统上，设计了升压法和恒压法两种加速寿命试验方法。提出了不同严重程度局部放电的试验模拟方法，以及用最大放电幅值、放电次数及最大放电幅值变化率来反映出压器局部放电的发展情况，从而反映内部绝缘的性能，并编写了一套试验数据的采集分析程序。

关键词：电力变压器 局部放电 UHF 严重程度

中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0077-02

局部放电的严重程度是针对绝缘系统状态而言的，局部放电越严重，绝缘系统故障的风险越大，绝缘寿命越短。传统的变压器局部放电检测中，视在放电量是主要的特征参量，但是也不能准确的反映变压器内部局部放电的严重程度，预知绝缘系统寿命。

近年来，人们注意到特高频（UHF）检测技术兼有抗干扰能力强和灵敏度高的特点，并对其进行了大量的研究，该方法已经在实验室和现场取得了丰硕的成果，并正在走向工程应用[1]。但是，UHF法检测局部放电还存在一个关键问题即无法判断局部放电严重程度，国内外一些学者已经对此进行了研究。文[2]认为UHF信号特征量和视在放电量不能很好的对应。文[3]采用短期加速寿命试验检测了不同电老化阶段下绝缘局部放电的UHF信号，发现放电发展过程中伴随着放电频率、幅值和相位的变化。

我们认为局部放电是由某一种或几种绝缘缺陷引起的，因为绝缘缺陷具有一定的稳定性，故局部放电现象也具有一定的稳定性[4-5]，当绝缘缺陷发展到一定程度时，才会改变局部放电信号的特征。本文设计了一套局部放电严重程度试验系统，提出了评定局部放电严重程度和变压器绝缘状态的试验方法和特征参数。

1 试验简介

1.1 试验系统

整个试验系统由局部放电模拟系统、检测系统和数据采集系统组成，并设计了四回路同时加压的开关装置，示意图如图1所示。

1.1.1 局部放电模拟系统

局部放电模拟系统包括试验加压系统和放电模型设计。试验变压器为江都华宇电气有限公司生产的整套设备，型号为YDTW-10/120的工频单项无晕变压器，在额定电压120kV下局部放电不超过5pC，保护电阻为10kΩ。本文建立了4种模型来模拟变压器内部的局部放电：气泡放电、针板放电、悬浮放电和沿面放电。如图2所示。

1.1.2 局部放电检测系统

试验的检测系统由脉冲电流检测系统、UHF检测系统、超声波检测系统、高频电流检测系统等组成。部分硬件设备见图3。

脉冲电流检测系统包括检测阻抗和DST-4型局部放电测试仪，局部放电测试仪的检测频带为40kHz～80kHz，检测灵敏度为5pC。UHF检测系统由UHF传感器、放大器等组成，UHF传感器使用的是阿基米德平面螺旋天线，工作频带为500M～1500M，与UHF传感器配合使用的放大器工作频带为500M～1500M，设计增益为35dB（平均值）。超声波检测系统包括超声波探头和放大器，超声波探头灵敏度在60～180kHz范围内都比较高，基本保持在60dB左右，放大器采用了和传感器配套的PA II-宽带前置放大器，该放大器的频率覆盖了10kHz～2MHz，增益达到40dB。最后，本文设计了一套高频电流检测系统，测量频带为1M～20M。

1.1.3 数据采集系统

数据采集系统由示波器、GPIB卡和计算机组成。示波器使用的是YOKOGAWA DL1540L数字示波器，最大采样速率为200M/s。试验数据通过GPIB卡传输给计算机进行保存及分析处理。利用Lab VIEW虚拟仪器语言编写了一套试验用数据采集系统。

1.2 试验方法

为了研究绝缘系统在不同状况下的局部放电信号，本文设计了两种加速寿命试验：升压法和恒压法。考虑到放电试验中试品被击穿后产生的冲击信号可能对测量仪器（示波器）造成损坏，在测量仪器前端加过压保护装置。

升压法为短时间内的加速寿命试验，定义起始电压下的放电为初级阶段，逐步升高电压后，为放电的发展阶段，邻近击穿电压时，为放电的严重阶段。但是在实际中，变压器内部局部放电的产生、发展直至击穿需要相当长的一段时间，而且电压强度不变，故短期的加速寿命试验很难模拟绝缘的实际劣化过程。本文还设计了较长时间段内的加速寿命试验，即恒压法。在试验电压恒定的前提下，定义试验前期的放电为初级阶段，中期为放电的发展阶段，后期为放电的严重阶段。在放电模型特性相似的前提下，做多组加速寿命试验，观察不同严重程度下试验结果的可重复性。

试验采集的信号包括工频周期信号和射频信号两类，其中工频周期信号包括脉冲电流、检波、超声波和高频电流四组检测信号，射频信号包括脉冲电流和射频信两组检测信号，其采样率比工频周期信号要高。该文中涉及的信号采集都包括这两类信号。

1.2.1 升压法

逐渐升高试品两端电压至有放电产生，持续加压一段时间（如15分钟）并采集100组放电信号。然后电压升高1kV，持续一段相同的时间并采集100组放电信号，重复以上步骤至试品击穿，记录试品的放电起始电压，以及各电压等级和电压持续时间。

1.2.2 恒压法

根据第一步试验，我们得到了各种典型放电类型的放电起始电压和击穿电压，取两者之间的一个定值为试验电压。保持该试验电压不变，长时间测量局部放电信号，同时考虑到试验结果应具有统计性，采用四个回路同时加压的方法。

直接升压至试验电压并保持电压恒定，每隔一段时间（如30分钟）集100组放电信号，直至所有试品击穿。信号采集的步骤：（1）断开2～4回路开关，测量1回路放电信号；（2）逐渐升高电压至放电产生，记录放电起始电压，然后直接升压至试验电压；（3）采集数据；（4）重复1～3步，依次测量每个试品的放电信号。

2 试验数据分析方法

2.1 对工频周期信号的处理方法

为了对采集到的工频周期信号数据进行分析和处理，利用LabVIEW语言设计编写了数据处理分析的程序，主要有Qmax-Φ谱图统计、N-Φ谱图统计、N-U谱图统计等，图4为数据分析程序界面。利用这些数据处理程序对采集到的局部放电信号进行系统的分析，得到需要的结果。

各种放电谱图的定义如下：

（1）Qmax-Φ：将每个统计周期平均分成100个相位段，令各个相位段的最大放电量为相应的Qmax，与其对应的还有Umax-Φ、Uav-Φ谱图。

（2）N-Φ：令统计周期内各个相位段的放电次数相加为相应的N。

（3）N-U：将放电幅值按照一定的刻度划分，令统计周期内各个刻度范围中的放电次数之和为相应的N。

放电谱图描述了局部放电在一个工频周期内的相位、放电次数、幅值等特征参数的情况。由于放电严重程度和绝缘特性的差异，在工频周期内的特征参数也会不同。也就是说，放电特征参量随电压高低或加压时间长短而变化的规律可以反映出变压器局部放电的发展情况，从而反映绝缘的性能。

该文定义了三种放电趋势图：最大放电幅值（可以反映最大放电量）趋势图、放电次数趋势图和最大放电幅值变化率趋势图。取每100个工频周期中放电幅值的最大值形成最大放电幅值发展趋势图，取100个工频周期的放电次数总和形成放电次数发展趋势谱图。定义最大放电幅值变化率Nu=ln（U1max/U2max），式中，U1max是U1或T1下的最大放电幅值，U2max是U2或T2下的最大放电幅值。

综合最大放电幅值（最大放电量）、放电次数和最大放电幅值（最大放电量）变化率来评定不同严重程度局部放电。

2.2 对射频信号的处理方法

对采集到的射频信号可以仿照工频周期信号的处理方法，进行最大放电幅值（最大放电量）及其变化率的趋势统计。

对每100组射频信号进行FFT变换得到其平均频谱，观察不同试验条件下放电频谱范围的变化规律。

3 结论

本文在已有局部放电试验系统的基础上，设计了两种加速寿命试验方法：升压法和恒压法，提出了用最大放电幅值、放电次数及最大放电幅值变化率来综合评定局部放电严重程度的方法，编写了一套试验数据的采集分析程序。至此为止，在试验室中建立了完整的变压器局部放电模拟、检测和分析系统，为局部放电严重程度的试验研究工作做好了准备。

参考文献

[1] 唐志国.电力变压器局部放电特高频定位方法的研究[D].北京：华北电力大学，2006.

[2] 王伟.超高频（UHF）法检测电力变压器局部放电的试验研究[D].北京：华北电力大学，2004.

[3] K. Raja， T. Floribert.Source characterization of discharges in transformers using UHF PD signatures.Power Engineering Society Winter Meeting.IEEE，2002，Vol.2：1383-1388.

[4] G.P. Cleary， M.D. Judd.An investigation of discharges in oil insulation using UHF PD detection.Proceedings of 2002 IEEE 14th International Conference.2002：341-344.

[5] M.D. Judd， Li Yang， I.B.B. Hunter.Partial discharge monitoring for power transformer using UHF sensors. Part 2： field experience.Electrical Insulation Magazine， IEEE， 2005，Vol.21（3）：5-13.Vol. 25 Supplementary Issue Power System Technology.