变压器局部放电检测系统综述

摘要：文章分析了变压器局部放电的产生原因和现象，详尽的归纳了变压器局部放电的检测方法，描述了变压器局部放电检测系统的基本构架和发展状况。

关键词：变压器；局部放电；检测系统

中图分类号：TM406文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）12-0093-02

随着电力工业的迅速发展，电网规模的日益扩大，电压等级的提高，对电力系统的稳定性，可靠性以及各种电气设备的运行状况提出了更高的要求。作为电力系统枢纽设备的电力变压器一旦发生故障将影响整个电力系统的稳定和安全，甚至造成供电系统意外停电事故，给国民经济其他部门的生产和运作带来严重的不良后果。通过对电力变压器事故的统计发现110 kV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，因此变压器的绝缘劣化将直接影响变压器的可靠性运行。

电力变压器的绝缘结构通常采用绝缘性能良好的油浸式复合绝缘，它的绝缘故障常起源于变压器内部的局部放电。通常局部放电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生的，它一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘装置的电气强度的降低。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于变压器来说是一种隐患。

局部放电是电力变压器绝缘劣化的重要原因，而局部放电的特性一般可与绝缘的缺陷相互很好的印证，即根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。因此，运用变压器局部放电检测系统对局部放电过程中局部放电特征参量进行采集、分析，提前发现异常征兆，能够较准确地评定绝缘的老化程度，从而有的放矢地在变压器出现故障前兆时进行维护或更换，不仅能有效的提高供电可靠性，还降低了电力系统的运行费用。

1变压器局部放电检测的常用方法

局部放电是在绝缘体内电气强度较低部位发生的放电现象，它表现为绝缘体内掺入物的击穿、液体介质的局部击穿或固体介质局部的沿面放电等。变压器出现局部放电时，会伴随电脉冲、超声波、光、热和化学变化等物理现象的产生。因此相应地局部放电的检测方法有电脉冲检测法，气相色谱检测法，超声波检测法，电磁波检测法，光检测法，红外检测法等。

①电脉冲检测法是通过检测阻抗接入到测量回路中来检测。检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁芯接地线以及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC-60270为IEC于2000年正式公布的局放测量标准。脉冲电流法通常被用于变压器出厂时的型式试验以及其他离线测试中，其离线测量灵敏度高。但是脉冲电流法也存在着一些问题如：其抗干扰能力差，无法有效应用于现场的检测；对于变压器内具有绕组结构的设备在标定时产生很大的误差；由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此当试样的电容量较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度受到一定限制；测量频率低、频带窄，包含的信息量少。

②气相色谱检测法是通过检测变压器油分解产生的各种气体的组成和浓度来确定故障（局放、过热等）状态。该方法目前已广泛应用于变压器故障诊断中，并且建立起模式识别系统可实现故障的自动识别，是当前在变压器局放检测领域非常有效的方法。气相色谱检测法也存在一定的问题：油气分析是一个长期的监测过程，因而无法发现突发性故障；该方法无法进行故障定位。

③光测法是利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，研究表明通常在500～700 mm之间。在实验室利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化等方面已经取得了很大进展，但是由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光是透明的，因而在实际中无法应用。

④超高频检测法是通过检测变压器局部放电的超高频电磁波信号来获得局部放电信息。在变压器局部放电测量时，现场干扰信号的频谱范围一般小于300 MHz，且在传播过程中衰减很大，若检测局部放电产生的数百MHz以上的电磁波信号，则可有效避开电晕等干扰，大大提高信噪比。正是由于超高频法的特点及变压器箱体的屏蔽效果，使其测量变压器的抗干扰能力优于目前传统局部放电检测法，利于变压器局部放电检测。但还需设计专用的超高频传感器，且传感器一般需要预埋或伸进变压器油中。

⑤超声波法是通过检测变压器局放产生的超声波信号来测量局放的大小和位置。由于超声波法受电气干扰小以及可以在线测量和定位，因而人们对超声波法的研究较深入。目前超声波检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲电流法或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中，它是比较成熟的测量手段。

2变压器局部放电检测系统的发展状况

变压器局部放电检测系统一般由主控器、声电转化（超声波传感器）、前置放大电路、A/D转换器、数据通信和数据处理等模块组成。其中，主控器是整个系统的核心部位，它不但决定了硬件电路的布局，还直接关系着整个采集系统的功能和性能。目前常用于变压器局部放电检测系统的微处理器有单片机、DSP及带高速采集卡的PC机。

①基于单片机的变压器局部放电检测系统。单片机加MCU、CPLD等协处理器技术是设计变压器局部放电检测系统主控模块一种常用模式。其中，MCU、CPLD等协处理器用于管理高速数据存储器和高速通信接口与单片机协调等问题；单片机是采集与控制的管理核心,主要负责接收上位机命令、控制字和数据，对各采样通道进行自校自检，向上位机报告采集系统运行状态和参数,为高速通道控制器配置工作模式、触发方式、时序分配等控制字。早期用于变压器局部放电检测系统微处理器的单片机多为8位或16机构，如C51、80C196等，上下位机之间的通信多采用RS485总线。由于受单片机性能的影响，系统采集速率一般较低，模拟通道的带宽只有几十KHz，通信速率也较慢。近几年，虽然单片机性能有所提高，但其工频、内存空间大小和功能还是有限，无法完成对采集数据进行处理等功能，从而影响了整个变压器局部检测系统的性能。

②基于DSP的变压器局部放电检测系统。随着DSP性能和功能的提高，其逐渐取代单片机成为变压器局部放电检测系统的主控器。DSP仍然是系统中采集和控制的管理核心，它可以直接控制系统的采集、存储、显示、传输等功能模块；除此之外，由于DSP高性能的数据处理内核，可运用DSP和外扩的高速存储器，对采集数据进行预处理，从而剔除各种干扰后再判断所剩数据信号是否为有用放电信号。由此可见，运用DSP为主控器，扩大了采集系统的功能，使系统的实用性更强。DSP虽然在数据处理上的功能极其强大，但在控制、数据存储等方面功能不强，如果想要做成一个独立的数据采集系统，就需要外接其他器件，这就会使系统变得复杂，增加系统的成本。

③基于虚拟仪器和高速采集卡的变压器局部放电检测系统。常规的基于虚拟仪器的变压器局部放电检测系统是在计算机的PCI插槽中插入一个高速采集卡，然后用虚拟仪器开发工具如Matlab、LabVIEW在屏幕上生成仪器面板，用软件来实现采集控制、信号分析处理以及结果显示等功能。利用虚拟仪技术研制的变压器局部放电超声波信号采集系统具有以下优点：

用户可以在不改变硬件的基础上，通过软件应用各种数字信号处理手段实行有效的抗干扰措施，使测得的数据可靠；功能强大，可以根据需要设计不同的虚拟仪器面板，满足各种性能的测试；灵活性强，主要通过软件的建立开发扩展仪器的性能，因此大大节省了开发的时间；系统运行可靠稳定，自动化程度高，安全方便。

但该方案也存在一些不足如：带有虚拟仪和高述采集卡的PC机一般放在控制室或其他操作室，离变压器有一段距离，而电力变压器局部放电所产生的超声波信号频率在50～300 kHz范围内，经传感器检测产生的模拟电信号通过长距离传输,一是易受强电磁场干扰，二是信号在传输过程中经过的环节愈多，产生畸变和相位移就愈严重，这对应用时延原理定位的多传感器数据采集系统极不利。

3结语

文章分析了随着电子技术的快速发展，基于变压器局部放电检测方法的局部放电检测系统的发展情况，可为变压器局部放电检测系统进一步研究提供参考。

参考文献：

[1] 徐名通.电力变压器的运行与检修[M].北京:水利电力出版 社,1994.

[2] 李金忠,米康民,赵一虎.电力变压器局部放电实例分析[J]. 山西电力,2002,2(103):46-47.

[3] Andreas Kelen.Trends in PD diagnostics(When new options proliferate,so do old and new problems)[J].IEEE transactions on Dielectrics and ElectricalInsulation,1995,2 (4):529-534.

[4] 魏念荣,张旭东,曹海翔,等.用荧光光纤技术检测局部放电 信号传感器的研究[J].清华大学学报,2002,42(3):329-332.

[5] 黄兴泉,唐志国,李成榕,等.电力变压器超高频局部放电的 在线检测[J].高电压技术,2003,29(4):44-45,50

[6] Barry H.Ward A survey of new techniques in insulation monitoring ofpower transformers[J].IEEE Electrical Insulation Magazine,2001,17(3):16-23.