变压器局部放电在线监测技术浅析

[摘 要] 电力变压器是变电站的最重要的设备，其是否安全稳定运行将影响到供电可靠性和系统的正常运行，因此对电力变压器运行状态进行实时在线监测具有重要意义，本文论述了变压器局部放电的机理，介绍了变压器局部放电常见检测方法及各自的特点。

[关键词] 变压器 在线监测 局部放电

大型电力变压器是电力系统中最重要、最昂贵的设备之一，对变压器实施绝缘状态在线监测具有十分重要的意义。据统计，我国110 kV及以上电压等级大型变压器事故中50%是匝绝缘事故，而且基本上都是在正常工作电压下损坏[1]。变压器的内绝缘结构主要是油纸绝缘，变压器在工作电压下局部放电是油纸绝缘老化并发展到击穿的主要因素。本文从变压器局部放电的发展过程入手，论述各种局部放电在线监测方法的基本原理和特点。

1.变压器局部放电的发展机理

变压器的内绝缘结构主要是油纸绝缘，局部放电往往是从其中的气泡、杂质、导体表面的毛刺及油隙等处开始。变压器绝缘产生气泡的主要原因为绝缘结构和制造工艺缺陷，如在变压器固体结构中由于浸渍不善而残留气泡或局部电场过高， 油在高电场作用下析出气体，局部过热使固体和液体分解产生气体等；变压器在长期运行过程中绝缘材料老化、劣化，如绝缘受潮，其中的水分在过热点汽化成气泡或水分，在高电场作用下电解产生气泡。变压器油纸绝缘中如含有气隙，由于气体介质的介电常数小而击穿场强比油、纸都低，因而在外施交流高压下气隙将是最薄弱环节。但刚放电时，一般放电量较小，如不超过几百皮库；当外施高压下油中也出现局部放电时，放电量可能有几千到几十万PC。强烈的局部放电，即使时间很短(如几秒钟)，就会引起纸层损坏，而持续时间较短强度不大的局部放电，并不会马上损伤纸层，但如果局部放电在工作电压下不断发展，会加速油质老化、气泡扩大、形成高分子量的蜡状物等，更促使局部放电加剧。图1为局部放电的发展过程。

图1 局部放电的发展过程

由此可见，局部放电既是变压器绝缘劣化的征兆，又是变压器绝缘劣化的原因。因此，测量局部放电能有效地发现变压器内部绝缘的固有缺陷和因长期运行使绝缘老化而产生的局部隐患。国内外普遍认为测试局部放电是及时发现变压器潜伏故障的重要手段。

伴随局部放电会出现多种现象：有些属于电气方面的，诸如电流脉冲、介质损耗突然增大、电磁波辐射等；另有一些属于非电方面的，诸如光、热、噪声、气压变化、化学变化等。这些派生现象就是我们各种局部放电在线监测方法的基础。

2 局部放电的在线检测方法

为了保证设备安全可靠的运行，除了采用新型绝缘材料、改进制造工艺来提高绝缘的电气强度以外，很重要的一个方面就是要对设备绝缘定期地进行预防性检查，随时掌握设备运行的情况，防患于未然。目前，变压器局部放电在线监测的主要方法是脉冲电流局部放电量测量法、气体色谱分析法、超声波局部放电测量法、电流传感器检测法。

2.1 脉冲电流法

通过检测阻抗来检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁芯接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，而获得视在放电量。脉冲电流法是最早研究的，并且是迄今为止最广泛使用的一种检测方法，IEC对此制定了专门的检测标准。在线检测变压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗科夫斯基线圈制成，与被测变压器仅有磁耦合，而无电气连接，符合在线检测的要求。

图2 脉冲电流法在线监测原理图

当变压器内部发生局部放电时，在变压器中性点或外壳接地电缆处等加装罗科夫斯基线圈就能检测到电流脉冲，抑制干扰后进行模式识别，得到单位时间放电次数(n)一放电电荷量(q)一放电相位( )谱图，然后与库中特征比较以判断局部放电的类型。

优点是灵敏度高、实时性好，而且可以测得放电量、放电重复率、平均电流以及放电能量等。因此这种方法得到了广泛的应用。

缺点是电流传感器输出信噪比低，尤其是在线检测时，信号易被现场各种干扰所湮没，使得后续信号处理过程中的信号识别和干扰抑制比较困难。但随着计算机和各种新的数字信号处理方法的引入，用该方法研制的局部放电在线检测系统性能将有很大的改善。

2.2 气体色谱分析法

主要是指对变压器油的气体成分分析(DGA)的化学检测方法。当变压器存在潜伏性过热或放电故障时，如铁心，绕组等局部过热，局部电晕放电和匝间，层间短路，沿面放电等引起电弧放电，都会引起变压器油和固体绝缘裂解，从而产生大量的气体。尤其是一些溶于油中的特殊气体，如二氧化碳、乙炔、甲烷和乙烯等的含量变化比较明显。通过对变压器油的在线定期抽样分析，就可以判断变压器的局部放电发展水平。油中溶解气体采用气相色谱法分析是故障诊断的常用方法。其主要优点是能够提供油中溶解的各种气体浓度的定量分析。

图3 气体成分分析在线监测原理框图

基本原理如图3所示，系统主要由油气分离模块、气体分离模块、气体检测及数据采集模块、谱图数据分析及故障诊断专家系统组成。基本原理是将变压器油中的故障特性气体分离出来，利用传感器对故障气体按出峰顺序分别进行检测，将气体的浓度特性转换成电信号，数据处理器对电信号进行处理转化成数字信号，并存储在数据处理器的内嵌的大容量存储器上。下位机将采集的数据上传给主控计算机，主控计算机通过专家系统对数据进行处理分析。

气相色谱法的最大的优点是不受外界电磁干扰影响，准确度较高，且对早期潜伏性故障较灵敏。

主要的缺点是实时性差，原因在于局部放电产生的油的成分变化要经过一段时间才能在油的取样点处得到反映。结果是变压器已经出现了问题，而色谱分析的结果却是正常的。

总之，该方法对发现早期潜伏性故障较为灵敏，但不能反映突发性故障。

2.3 超声波检测法

用于检测变压器内部放电时产生的超声脉冲。超声传感器通常固定在变压器外壳上，利用压电晶体作为声一电换能器，将声波信号转换为电信号，并进一步放大后通过电缆传送至监测系统。

优点在于不存在严重的电磁干扰，主要用于定性地判断局部放电信号的有无，以及结合电脉冲信号或者直接利用超声信号对局部放电源进行物理定位，现场使用较为方便。

但在实际应用中存在的主要问题是：由于变压器内部结构复杂，局部放电所产生的超声波信号经过多次折射、反射后才能到达变压器外壳上的传感器。在这个过程中由于能量不断损耗造成严重的信号损失，因此对距离传感器较远的或发生在绝缘深处的放电往往检测不到。而且由于超声波在不同的传播介质中波速不同，故障定位精确度很难保证。其次，不同类型的放电故障产生的超声波频谱差异较小，几乎不能通过超声波信号对放电类型进行鉴别，故很难认识放电本质。最后，由于难以通过超声波标定放电量的大小，因此不易定量认识局部放电的严重程度。

鉴于以上原因，超声波检测法一般不单独应用，而是作为其他检测方法的辅助测量手段。

2.4超高频测量法

这是目前局部放电在线监测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波，实现局部放电的检测。测量放电产生的电磁辐射，其频带在数MHz至10MHz之间。

优点是具有灵敏度高、对外界干扰的抑制能力强以及能够反映放电脉冲真实波形等，已应用于电机以及一些固体绝缘设备(如电缆、干式变压器等)中局部放电的检测。

由于绝缘结构的复杂性，电磁波传播时会发生多次折反射及衰减；同时，变压器箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这就增加了超高频电磁波检测的难度。因此，变压器超高频局部放电检测技术仍处于起步阶段。

2.5其他检测方法

红外检测是基于局部放电引起的局部温度升高，通过红外探测器和热成像来实现的。对于变压器局部过热故障，该方法较灵敏，但对于局部放电还没有产生明显局部过热时，该方法不理想，远没有达到自动监测的目的。

光检测是利用局部放电产生的光辐射进行的。虽然在实验室中利用光测量来分析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面取得了许多成果，但由于光测量设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在现场应用。介质损耗率测量对发现局部故障不灵敏。

3.结束语

局部放电在线监测可以对变压器内部的绝缘状态和发展趋势实现实时监控，灵敏度高，但同时变压器局部放电在线监测是一个复杂的课题，需要同时采用多种检测技术相结合的方法来互相映证。随着数字化变电站、智能电网的建设，很多新型传感器及监测技术的出现，为变压器局部放电的监测提供了新的平台，将促进变压器局部放电在线监测技术的新的发展。

参考文献

[1] 胡平,林介东,马庆增.声发射技术在变压器局部放电测量中的应用[J]. 无损检测,2004,26 (10) :502.

[2] 张言苍，张毅刚，徐大可.变压器局部放电在线检测的现状及发展[J].继电器，2004，32(22):70.

[3] 谢玲,程明霄.变压器油中溶解气体在线监测系统设计[J]. 仪表技术与传感器,2009.6:41-43

[4] 徐清超.变电站在线监测技术的发展方向[J]. 仪表技术与传感器，2009，28(5):71-74.