变压器PD监测超高频方法的初步研究

【摘要】变压器是电力系统中的重要设备，它的绝缘状态直接关系到电网的安全运行。本文详细介绍了变压器局部放电（partial discharge（PD））信号的产生机理，超高频监测方法的阐述及超高频天线的设计，另外包络检波技术被用来提取变压器局部放电中的超高频信号。模拟结果表明，超高频局部放电信号用该方法可以有效地提取，以方便变压器局部放电信号的监测。

【关键词】局部放电；超高频监测方法；超高频天线；包络检波

1.引言

电网容量的扩大、电压等级的提高，对电力系统的稳定性、可靠性以及各种高压电气设备的运行状况提出了更高的要求。电力变压器是电力系统的重要设备之一，其可靠运行对电力系统的安全、经济运行有重要意义。电力变压器的可靠性主要决定于其绝缘状况，据统计资料表明，110kV级以上电压等级的电力变压器事故中二分之一是绝缘事故，而且几乎都是在正常工作电压下损坏的。造成变压器绝缘老化和破坏的主要原因之一是局部放电，所以进行变压器局部放电的检测对提高电力系统的可靠性和经济性具有很高的理论和实用价值。

由此可见，局部放电是绝缘损坏的主要原因和表现形式。对运行中的电力变压器的绝缘状态进行在线监测，根据获得的反映变压器运行状态的各种信息可有效地发现其内部绝缘的固有缺陷和长期运行使绝缘老化而产生的局部隐患。因此，国内外普遍认为，在线监测变压器的局部放电是保证电力系统安全运行的有效手段。

2.局部放电的产生及分类

电力变压器的内部故障初期都将产生局部放电，同时，在电气设备中绝缘体各区域承受的电场一般是不均匀的，加之在制造过程中残留的一些气泡或其它杂质也会造成绝缘体内部或表面出现某些区域电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首先发生放电，而其它区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放电。

所谓“局部放电”是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而并没有形成贯穿性放电通道的一种放电。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘的特性。大型电力变压器基本采用油—纸复合绝缘及油—屏障绝缘结构，局部放电一般发生在绝缘薄弱或电场强度偏高的部位。按部位来分，变压器局部放电主要发生在引线接线处、纸板、压板、围屏、端部油楔、金属尖端、变压器油以及套管等部位。

从局部放电发生的位置、放电过程和显现来看，局部放电可分为内部局部放电、表面局部放电和电晕放电三种。

a.内部局部放电

造成内部放电的常见原因是固体绝缘体内部存在气隙或液体绝缘内部存在气泡。绝缘内部气隙发生放电的机理随气压和电极系统的变化而异。

（1）按照放电机理，局部放电分为三类：

l）汤逊放电，以电子碰撞电离为主，电子崩中电子数目小于108个。放电条件是当空隙中场强在放电起始场强和临界场强之间时存在有效自由电子。临界场强是指当电子崩由于空隙壁上沉积的表面电荷足够多而使放电停止时，这些表面电荷产生的场强。

2）流注放电，以光电离为主，空隙中存在起始电子且流注条件得以满足时发生的放电。要求空隙直径必须大于流注直径四倍以上，以便于流注的传播。

3）热电离放电，以热电离为主，当温度大于1000℃以上时发生。

（2）根据放电的表现形式，局部放电可分为：

①脉冲型火花型：持续时间1—100ns，包括低幅度、上升时间较缓慢的汤逊型火花放电和大幅度、快上升时间的似流注火花放电。

②放电和非脉冲型辉光放电：具有无脉冲性质，占据半个工频周期的大部分区域。

③亚辉光放电：也称群放电，存在小幅度的离散脉冲，是辉光放电和火花放电之间的过渡形式。

三种放电形式的存在和转变与气隙大小、气隙上的过电压、气压等有关。辉光放电或亚辉光放电多发生在小气隙或气泡和低过电压情况下。而当存在大气隙和高过电压时，电子崩可以充分发展，容易产生火花脉冲放电。气隙不变，过电压增大，辉光放电、亚辉光放电向火花放电转变。在短气隙局部放电中，三种形式的放电均以电子崩碰撞电离为主，属于汤逊放电，可以较明显地分辨电子电流和离子电流。高过电压下，由于阴极发射增强，局放电流以电子电流为主，离子电流所占比重不大。低过电压下，电子电流显著减少，光电离作用突出，离子电流增大，造成放电电流尾部加长，所产生的汤逊脉冲放电表现为低幅值、慢上升时间的小脉冲，放电量相对较小。而在大气隙中，放电脉冲多属于流注型，幅值大，上升沿陡，放电量较大[1—3]。

b.表面局部放电

在电气设备的高电压端，由于电场集中，而且沿面放电场强又比较低，往往会产生表面局部放电；绝缘体表面放电的过程及机理与绝缘内部气隙或气泡放电的过程及机理相似，不同的是放电空间一端是绝缘介质，另一端是电极。如果电极系统是不对称的，发生在工频正、负半波的放电图形也是不对称的。当放电的一端是高压电极，不放电的电极接地时，在正半周出现的放电脉冲是大而稀，负半周出现的是小而密；在对称电极系统中，正负二半周放电情况相同，放电图形基本上是对称的。

c.电晕放电

电晕放电通常发生在高压导体周围完全是气体情况下。由于气体中的分子自由移动，放电产生的带电质点不会固定在空间某一位置上。对于针—板电极系统，针尖附近场强最高而发生放电，由于负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极发生二次电子发射，使得放电在负极性时最先出现。当外加电压较低时，电晕放电脉冲出现在外加电压负半周90°相位附近，并几乎对称于90°；当电压升高时，正半周会出现少量幅值大而数量少的放电脉冲。正负两半周中的放电波形是极不对称的。

除以上是三种最基本的局部放电形式外，绝缘体中存在水珠、导电杂质、电气设备内部存在悬浮电位体也会引起局部放电；液体绝缘内部也可能出现固体表面局部放电和电晕放电。

3.超高频监测方法及天线的设计

局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电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；当放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。发生在电力变压器中的局部放电脉冲非常符合上述理论。该类放电脉冲可以辐射上升沿达到1—2ns、频率达到数GHz的高频电磁波，为一种横电磁波（TEM）。该电磁波的能量以固定的速度沿电磁波的传播方向流动。所以，通过耦合这种以TEM波形式传输的电磁信号，就可以监测到变压器内部的局部放电，并进一步认识其绝缘状态。这种监测方法称作超高频监测方法。

在变压器这个设备中，存在的外部干扰大大降低了局部放电现场监测技术的可靠性。而超高频范围内（300—3000MHz）提取的局部放电信号基本上无外界干扰，可极大地提高局部放电监测（特别是在线监测）的可靠性和灵敏度。变压器绝缘体内的气泡发生放电时，其放电时间很短暂，大约10—100ns，能激起大于1GHz的超高频电磁信号，利用特殊制作的超高频传感器可以提取油中局部放电辐射的超高频信号。

在电力变压器局部放电超高频检测系统中，传感器需适合在线安装运行，一般说来，安装在变压器内部的传感器的工作环境是很糟糕的。它工作在有腐蚀性的且具有较高的温度（可能大于120℃）的变压器油中。当变压器在运行时，很难去移除固定在内部的传感器，所以要求传感器必须具备高可靠性和能长时间在油箱里运行的特点。因此，超高频传感器的设计必须满足下述要求：（1）结构尺寸小巧，能在不改变变压器结构和不影响变压器运行的前提下实现在线检测；（2）能实现带宽为500～1500MHz的局部放电信号检测，并具有良好的频率响应特性；（3）具有较高的信号检测灵敏度；（4）具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力。

但是几乎没有工业用传感器满足这些要求，因此有必要去设计一种能满足要求的超高频的传感器。在本文中设计了可用于变压器局部放电超高频检测的天线传感器——双臂阿基米德平面螺旋天线[4]，如图1所示，也可称为超高频耦合器。宽带天线的设计的带宽从300MHz到1500MHz，其中心频率是800MHz。

为了提高装置在现场的可靠运行，天线由环氧树脂进行封装，这种环氧树脂有很好的绝缘、防腐、防氧化和耐高温的特性。出厂前，要对超高频传感器进行严格的测试，看它是否可以工作在变压器油箱中。

在螺旋的周长为1个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。周长约为1个波长的那些环带就形成了螺旋天线的有效接收区，工作频率改变时，有效接收区沿螺线移动。当频率发生变化时，主要辐射区随之变动，但方向图基本不变，因此螺旋天线具有宽带特性。对应最低工作频率，天线必须有1.25倍波长的周长。对最高工作频率，要由馈电点间的间隔尺寸来确定，其间隔也必须小于λ/4[5]。天线最大接收方向在螺旋线平面的法线方向上，且是双向的，主瓣宽度约为60°—80°。为避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通常在最外层螺旋线的末端用吸收电阻或有损耗的材料端接。阿基米德螺旋天线具有一系列优点，正日益受到重视。但由于其辐射是双向的，因而增益较低。为了获得单向辐射特性，可在其一边加装反射腔。由于反射腔是一个谐振器件，必然会使天线工作频带变窄，也就是说，用反射腔实现单向辐射，提高增益，是以牺牲工作带宽为代价的。平衡馈电的阻抗变换器可放在反射腔内，这样避免了方向图倾斜并允许用同轴线馈电。

相比传统的监测方法，大型电力变压器的超高频局部放电监测方法有几个优点如下：

（1）超高频局部放电监测方法检测频段是300MHz—1500MHz，而大部分地方的外部干扰频段是在100MHz[6][7]，所以超高频方法可以避免大多数地方干扰和发现局部放电的高灵敏度。

（2）超高频局部放电传感器通常安装在变压器内部，因为变压器外壳有一个良好的屏蔽效果，所以大部分外部高频率信号不能进入变压器箱内。这表明，超高频法有很强大的抗外部噪声干扰的能力。实验表明，由于变压器外壳可以防止电磁波入侵，超高频方法是几乎检测不到的变压器外部空气中的电晕放电[6]。

（3）在超高频检测传感器和电力变压器的高压侧之间完全没有电气连接，因此超高频检测方法比其他局部放电的监测方法对电力二次系统和操作者来说，更为安全可靠。

4.超高频包络检测器

在局部放电监测中，我们往往会注意以下两个方面：1）最大和平均放电幅度；2）局部放电信号发生时的相位。因此，需要有一个特殊的信号预处理方法，以减少原始局部放电信号的频率，这样可以方便一般的数据采集卡（DAQ）取样。为了保持放电信号的振幅和相位信息，包络检测技术将用来预处理超高频信号。在实验室中，设计一个MATLAB仿真模型（如图2所示）来模拟包络检测过程。

在模拟电路中，充电电容将决定包络检测的性能。假设二极管内阻，充电电容，负载电阻，因此，充电时间常数，放电时间常数。

那么从现场检测到的局部放电信号振荡信号衰减的情况，可以由以下指数方程来表示出：

（1）

（2）

其中，、和分别代表信号的振幅，衰减系数和振荡频率。

在图2中，信号发生器（Signal Gene—rator）控制着电压源（Controlled Voltage Source），指数方程（1）和（2）是信号发生器的输入信号，这决定着局部放电信号的脉冲。利用上述的电路和仿真参数，包络检测实验结果就出现在计算机的MATLAB7.0的界面。蓝线在图3中代表原始超高频局部放电信号，红色虚线是输出信号包络检测后的信号。和原始的输入信号相比，输出信号保持着一样的振幅，而且几乎没有相移，具体来说，就是信号包络提取准确。

5.结论

本文介绍了一种超高频的局部放电检测方法，内部的超高频传感器（天线）很好地设计和安装，因为这种超高频传感器的频段为300～1500MHZ，所以能有效地抑制干扰。此外，包络检波技术被用来从变压器的局部放电中提取超高频信号，对原始信号进行预处理。实验中模拟结果表明，超高频局部放电信号利用该方法可以有效地提取。

参考文献

[1]邱昌容，王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术[M].机械工业出版社，1994.

[2]恒等.高电压绝缘[M].清华大学出版社，1992.

[3]金维芳.电介质物理学[M].机械工业出版社，1995.

[4]ChampagneNJ.Numericalmodeling of impedance loaded multi—arm Archimedian spiral antennas[J].IEEE Trans on Antennasand Propagation，1992.

[5]王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

[6].Raja，K.，Devaux，F.，Lelaidier，S.：Recognition of discharge sources using UHF PD signatures.IEEE Elect.Insul.Mag.18，8—14（2002）.

[7]Gulski，E.：Digital Analysis of Partial Discharges.IEEE Trans.Dielec.Elect.Insul.（1995）.

作者简介：

朱爱珍，女，山东科技大学在读研究生，研究方向：电力系统及其自动化。

孙中莉，女，山东科技大学在读研究生，研究方向：电力系统及其自动化。