高頻局部放電測(cè)量法的超高頻電磁波檢測(cè)

高頻局部放電測(cè)量法的超高頻電磁波檢測(cè)

0變壓器局部放電測(cè)量超高頻技術(shù)uhf在線(xiàn)能源供電站的本地監(jiān)控是能源系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái),運(yùn)行變壓器的局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)大多沿用或借鑒變壓器出廠或交接試驗(yàn)所采用的脈沖電流法,該方法的突出問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾信號(hào)不能得到有效克服和抑制。變電站屬于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境,現(xiàn)場(chǎng)廣泛存在的電暈放電、開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的沖擊干擾及相鄰高壓電氣設(shè)備內(nèi)部可能出現(xiàn)的局部放電等是變壓器局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)所面臨的主要干擾源。傳統(tǒng)的局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè),其測(cè)量系統(tǒng)與電網(wǎng)具有較緊密的聯(lián)系,或通過(guò)耦合電容(如套管末屏)直接與電網(wǎng)連接,或通過(guò)電磁耦合(如脈沖電流傳感器)等方式與電網(wǎng)發(fā)生聯(lián)系。盡管干擾信號(hào)在進(jìn)入測(cè)量電路過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的衰減,但由于現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)屬于強(qiáng)電磁干擾,其能量和幅值往往很大,傳播路徑又十分復(fù)雜,這些干擾信號(hào)不可避免地竄入測(cè)量系統(tǒng),對(duì)局部放電測(cè)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。更嚴(yán)重的是,干擾信號(hào)往往與被測(cè)局部放電信號(hào)具有相同或類(lèi)似的特征,被測(cè)信號(hào)極易被干擾信號(hào)所淹沒(méi),導(dǎo)致有效信號(hào)識(shí)別困難甚至測(cè)量幾乎無(wú)法進(jìn)行。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外在局部放電機(jī)理、被測(cè)信號(hào)和干擾信號(hào)的提取及檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾措施等方面進(jìn)行了大量研究,取得了一些成效,但由于上述種種原因,使變壓器局部放電在線(xiàn)測(cè)量中的抗干擾問(wèn)題仍未得到圓滿(mǎn)地解決。目前,超高頻局部放電測(cè)量技術(shù)(UHF法)在GIS(SF6封閉組合電器)局部放電檢測(cè)中獲得成功的應(yīng)用。UHF法所采集的被測(cè)信號(hào)為局部放電過(guò)程所產(chǎn)生的超高頻電磁波,有效地避開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)的電暈等干擾,因而具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),非常適宜局部放電的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。近年來(lái),基于超高頻電磁波測(cè)量的變壓器局部放電測(cè)量技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外局部放電研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)采用自行研制的超高頻局部放電測(cè)量裝置也實(shí)現(xiàn)了變壓器局部放電的在線(xiàn)監(jiān)測(cè),為推廣UHF法積累經(jīng)驗(yàn)。1實(shí)時(shí)采集控制系統(tǒng)研究表明,絕緣介質(zhì)的耐電強(qiáng)度、絕緣缺陷的種類(lèi)和大小等影響局部放電的發(fā)生和發(fā)展,也影響局部放電的電流脈沖陡度。耐電強(qiáng)度越強(qiáng),則擊穿過(guò)程越快,所產(chǎn)生的放電電流脈沖越陡。變壓器油及油/紙絕緣中發(fā)生的局部放電,其信號(hào)的頻譜很寬,放電過(guò)程可激發(fā)出數(shù)百甚至數(shù)千兆赫茲的超高頻電磁波信號(hào)。變電站現(xiàn)場(chǎng)的電暈干擾信號(hào)頻譜范圍一般在200MHz以下,且在傳播過(guò)程中衰減很大。采集變壓器局部放電過(guò)程所產(chǎn)生的數(shù)百兆赫茲以上的超高頻電磁波信號(hào),可有效地避開(kāi)電暈等多種干擾信號(hào),達(dá)到有效測(cè)量變壓器局部放電的目的。根據(jù)上述原理及變壓器箱體結(jié)構(gòu),測(cè)量傳感器宜安裝在變壓器箱體內(nèi)。電力變壓器的箱體厚度一般在厘米數(shù)量級(jí),可有效屏蔽變壓器體外空間各種電磁干擾信號(hào),進(jìn)一步提高變壓器局部放電的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。圖1為變壓器超高頻局部放電測(cè)量原理框圖。圖中,UHF傳感器采用寬帶超高頻天線(xiàn),工作頻帶為500～1500MHz,輸入阻抗約為196Ω,駐波比<3。饋線(xiàn)為特性阻抗50Ω的高頻同軸電纜。為保證天線(xiàn)與饋線(xiàn)的匹配及饋電的對(duì)稱(chēng)性,采用1:4的雙孔磁芯阻抗變換器實(shí)現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)換和阻抗轉(zhuǎn)換,以達(dá)到最佳的信號(hào)接收效果。由于超高頻電磁脈沖信號(hào)的頻率很高,帶寬很寬,如果直接對(duì)其進(jìn)行采樣和實(shí)時(shí)處理,不僅要求系統(tǒng)具有至少4GHz以上的采樣率,而且對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存、總線(xiàn)傳輸速率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和CPU運(yùn)算速度等都提出了極高的要求,其技術(shù)要求和開(kāi)發(fā)成本均比較高。為此,采取超高頻信號(hào)檢波處理的方式,采集超高頻信號(hào)的包絡(luò)線(xiàn)波形,從高頻載波信號(hào)中取出低頻調(diào)制信號(hào),即將UHF信號(hào)中的高頻成分濾除,而僅保留信號(hào)的幅值和相位信息。在實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中,將檢波放大處理后的局部放電信號(hào)由一個(gè)20MHz采樣速率的超高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采集卡為4路12Bit模擬輸入,32BitPCI總線(xiàn),板上無(wú)任何開(kāi)關(guān)、跳線(xiàn)或電位器,所有地址、中斷和通道全部由軟件設(shè)置。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性要求不高的情況下,也可采用高速數(shù)字示波器,直接采集超高頻信號(hào),并通過(guò)示波器顯示原始的UHF信號(hào)波形。圖2為實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)軟件框圖。實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)軟件采用NI公司的虛擬儀器軟件LabView6.1開(kāi)發(fā),主要功能包括:對(duì)變壓器的局部放電信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)顯示1個(gè)工頻周期內(nèi)的放電情況,并可根據(jù)用戶(hù)的設(shè)定決定是否將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。所有數(shù)據(jù)文件按日期目錄進(jìn)行保存管理;采集100個(gè)工頻周期的信號(hào)后,進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得到局部放電的各種分布譜圖,包括:最大幅值與相位分布譜圖(Qmax-Φ圖)、放電次數(shù)與相位分布譜圖(N-Φ圖)、放電次數(shù)與幅值分布譜圖(N-Q圖)。如有需要,還可提供放電次數(shù)-幅值-相位分布譜圖(N-V-Φ圖),并將這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行壓縮保存。用戶(hù)可在相應(yīng)的顯示模式下查看這些譜圖。系統(tǒng)在每天零點(diǎn)對(duì)前一天的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并得出當(dāng)日的放電發(fā)展趨勢(shì),包括最大放電幅值發(fā)展趨勢(shì)和放電次數(shù)發(fā)展譜圖,并取每100個(gè)工頻周期中放電幅值的最大值形成最大放電幅值發(fā)展趨勢(shì)譜圖;取每100個(gè)工頻周期的放電次數(shù)總和形成放電次數(shù)發(fā)展趨勢(shì)譜圖。超高頻信號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)和安裝是變壓器超高頻局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感器的安裝應(yīng)盡可能減小或避免對(duì)變壓器絕緣及運(yùn)行帶來(lái)影響。根據(jù)超高頻局部放電監(jiān)測(cè)原理及變壓器箱體結(jié)構(gòu),傳感器一般設(shè)計(jì)為圓盤(pán)狀,并安裝在變壓器體內(nèi),通過(guò)專(zhuān)門(mén)加工的密封結(jié)構(gòu)將饋線(xiàn)引出變壓器箱體外。具體可采用3種方式:(1)放油閥式。設(shè)計(jì)專(zhuān)用傳感器輔助安置附件,該附件與變壓器放油閥相連接,通過(guò)拉桿將傳感器伸入變壓器殼體內(nèi),如圖3、4所示。(2)人孔(或手孔)蓋式。傳感器安裝在變壓器人孔(手孔)端蓋內(nèi)壁,如圖5、6所示。(3)電流互感器式。傳感器安裝在變壓器套管電流互感器二次接線(xiàn)端蓋內(nèi)壁。UHF傳感器的3種安裝方式中,放油閥式和人孔(手孔)蓋式傳感器與變壓器油相接觸,可直接接收變壓器油及油/紙絕緣中的UHF信號(hào);而電流互感器式傳感器通過(guò)互感器二次接線(xiàn)盤(pán)接收油中傳播過(guò)來(lái)的信號(hào),受電流互感器所處位置的影響,該方式的靈敏度較低。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了放油閥式和人孔(或手孔)蓋式2種安裝方式,如圖3～6。放油閥式與人孔(或手孔)蓋式相比,放油閥式安裝方式可在不停電情況下實(shí)現(xiàn)傳感器的安裝和拆卸,不影響變壓器的正常運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行單位易于接受。便攜式測(cè)量裝置宜采用放油閥安裝方式,當(dāng)變壓器可能存在內(nèi)部放電性故障時(shí),可隨時(shí)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。人孔(手孔)蓋式安裝方式一般在變壓器出廠或大修放油處理時(shí)實(shí)施安裝,傳感器永遠(yuǎn)保留在變壓器內(nèi),可長(zhǎng)期在線(xiàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部放電。在性能方面,受放油閥自身大小所限,放油閥式中的UHF傳感器尺寸一般較小,導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度、增益及頻率特性等低于人孔和手孔蓋式安裝方式。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在放大器等性能相同情況下,放油閥式測(cè)量系統(tǒng)的增益是人孔(或手孔)蓋式的1/3～1/4倍。2局部放電的測(cè)量與常規(guī)局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法相比,超高頻局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法較好地解決了現(xiàn)場(chǎng)抗干擾的問(wèn)題,使測(cè)量信號(hào)的可信度大大增加。但該方法也面臨一些新問(wèn)題需要解決。主要表現(xiàn)在2個(gè)方面。(1)放電量的標(biāo)定問(wèn)題。局部放電量是現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)絕緣狀況進(jìn)行評(píng)估以及故障診斷的重要依據(jù)。常規(guī)局部放電測(cè)量以視在放電量(pC值)來(lái)表示放電水平。盡管視在放電量并不是真正意義上的放電量,與實(shí)際局部放電產(chǎn)生的放電量存在較大的誤差,但“視在放電量”的概念長(zhǎng)期以來(lái)已被人們接受。同時(shí),由于被測(cè)量一般為1MHz以下的低頻信號(hào),放電脈沖的陡度與被測(cè)低頻信號(hào)的幅值關(guān)系不大,可用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模擬放電源(方波發(fā)生器)模擬放電脈沖信號(hào),并對(duì)被測(cè)的低頻信號(hào)進(jìn)行放電量的標(biāo)定。因此,脈沖電流法對(duì)局部放電的大小易于量化。在超高頻局部放電檢測(cè)方法中,被測(cè)量為超高頻電磁波信號(hào),其幅值與放電脈沖的陡度、放電類(lèi)型有關(guān)。目前的研究尚未得到超高頻信號(hào)與實(shí)際放電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,只能采用超高頻信號(hào)幅值(mV值)表征局部放電水平。(2)故障診斷的判據(jù)問(wèn)題。變壓器故障診斷判據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)十分關(guān)心的實(shí)際問(wèn)題。從目前超高頻局部放電的研究情況來(lái)看,可從變壓器出廠、交接或大修局部放電試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行超高頻局部放電測(cè)量及放電類(lèi)型識(shí)別等方面開(kāi)展故障診斷判據(jù)的研究。在變壓器出廠、交接或大修中進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí),記錄局部放電起始電壓和局部放電量(pC),并同時(shí)進(jìn)行超高頻局部放電的測(cè)量。由于出廠、交接或大修時(shí)局部放電試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)高于變壓器的運(yùn)行電壓,該試驗(yàn)電壓下的超高頻局部放電信號(hào)最大幅值對(duì)于衡量變壓器絕緣狀況以及變壓器運(yùn)行后的局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)具有一定的參考價(jià)值。因此,建議通過(guò)比較局部放電試驗(yàn)時(shí)的放電起始電壓與現(xiàn)場(chǎng)變壓器實(shí)際運(yùn)行電壓,將出廠、交接或大修時(shí)試驗(yàn)電壓下的超高頻局部放電信號(hào)最大幅值作為變壓器局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)初始值,并以此作為運(yùn)行電壓下的局部放電的“注意值”。對(duì)于局部放電類(lèi)型的識(shí)別,可采用放電指紋(放電譜圖)分析法。放電指紋分析有助于放電類(lèi)型的判別,該方法首先對(duì)各種放電產(chǎn)生的UHF信號(hào)進(jìn)行檢波,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理獲得檢波信號(hào)的二維、三維譜圖,根據(jù)不同的放電譜圖判斷放電的類(lèi)型。目前,對(duì)繞組絕緣中油間隙放電、繞組端部油隙放電及紙板沿面閃絡(luò)放電等產(chǎn)生的超高頻信號(hào)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象,這些特征將有助于局部放電危害程度的判斷。另外,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變壓器實(shí)施長(zhǎng)期局部放電的在線(xiàn)監(jiān)測(cè),可積累有關(guān)故障診斷的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于認(rèn)識(shí)和推廣變壓器超高頻局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)是十分重要的。3變壓器10kv自行研制的超高頻局部放電測(cè)量裝置分別安裝在河南電網(wǎng)的2臺(tái)變壓器上,其中之一為新投運(yùn)變壓器(110kV電壓等級(jí),容量31.5MVA,三繞組),另一臺(tái)為已服役6年的運(yùn)行變壓器(220kV電壓等級(jí),容量120MVA,三繞組變壓器)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,采用不同的傳感器安裝方式。3.1變壓器局部放電測(cè)量該變壓器于2003年8月間投運(yùn)。采用人孔蓋式安裝方式,在變壓器出廠前將傳感器安裝到人孔蓋的內(nèi)壁,測(cè)量單元等安裝在人孔蓋外側(cè),如圖5圓圈標(biāo)注所示。在變壓器出廠局部放電試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行了超高頻局部放電測(cè)量,以此作為運(yùn)行后超高頻局部放電信號(hào)的基礎(chǔ)值。按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,局部放電試驗(yàn)電壓為,而實(shí)測(cè)放電起始電壓約為。表1為出廠局部放電試驗(yàn)(pC值)與超高頻局部放電信號(hào)最大幅值(mV值)對(duì)比數(shù)據(jù)。變壓器在交付運(yùn)行后不久即進(jìn)行了超高頻局部放電在線(xiàn)測(cè)量,數(shù)據(jù)采集采用高速數(shù)字示波器(采樣速率2GHz、帶寬500MHz),直接采集并顯示UHF信號(hào)波形,如圖7所示。測(cè)量中發(fā)現(xiàn)變壓器存在明顯的超高頻局部放電信號(hào),且信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)頻繁,其中最大幅值為300mV左右(現(xiàn)場(chǎng)背景干擾小于20mV)。圖7為現(xiàn)場(chǎng)捕捉的超高頻信號(hào)典型波形(圖中第1個(gè)波形)?，F(xiàn)場(chǎng)主控室顯示,該變壓器實(shí)際運(yùn)行相電壓為,低于局部放電試驗(yàn)時(shí)的放電起始電壓,說(shuō)明變壓器內(nèi)部存在某種形式的局部放電。經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn),該變壓器在投運(yùn)前數(shù)小時(shí)曾進(jìn)行過(guò)注油作業(yè),而本次測(cè)量距注油時(shí)間不足1天,因此,上述所測(cè)量到的信號(hào)可能為變壓器油中混入大量氣體所致,所測(cè)量到的信號(hào)可能為油中氣泡放電。在變壓器連續(xù)運(yùn)行7天后又進(jìn)行了一次局部放電測(cè)量,未出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。在隨后對(duì)變壓器的跟蹤測(cè)量中也未再發(fā)現(xiàn)有任何UHF信號(hào)。3.2uhf信號(hào)分析被測(cè)變壓器1997年投運(yùn),投運(yùn)不久油色譜分析即發(fā)現(xiàn)乙炔(C2H2)成分,且呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),而H2和總烴指標(biāo)等為正常范圍,隨后進(jìn)行油色譜跟蹤。表2為2001年7月～2002年12月間進(jìn)行的變壓器本體油色譜分析部分跟蹤結(jié)果(此前對(duì)該變壓器進(jìn)行過(guò)2次濾油處理)。該變壓器在無(wú)局部過(guò)熱的情況下出現(xiàn)乙炔成分持續(xù)緩慢增長(zhǎng)的現(xiàn)象,說(shuō)明變壓器內(nèi)部存在某種形式的高能量放電,但通過(guò)對(duì)變壓器本體、有載分接開(kāi)關(guān)及人孔進(jìn)人檢查等一系列措施和試驗(yàn)均未能發(fā)現(xiàn)變壓器存在的明顯異常現(xiàn)象。2002年初,曾對(duì)該變壓器進(jìn)行了針對(duì)性超高頻局部放電檢測(cè)。因變壓器不具備停電條件,因此采用放油閥式安裝方式在變壓器正常運(yùn)行狀況將UHF傳感器伸入變壓器內(nèi),并以高速數(shù)字示波器采集UHF信號(hào),如圖8所示?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,測(cè)量系統(tǒng)基本上未受到現(xiàn)場(chǎng)電磁信號(hào)的干擾,背景干擾小于20mV。在對(duì)變壓器實(shí)施的數(shù)天連續(xù)監(jiān)測(cè)中觀測(cè)到若干次超高頻信號(hào),信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間間隔較長(zhǎng),最大幅值約120～140mV,圖8為現(xiàn)場(chǎng)捕捉到的典型信號(hào)波形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及信號(hào)波形特征,可認(rèn)為該信號(hào)為放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)。結(jié)合表2的油色譜分析結(jié)果及對(duì)該變壓器進(jìn)行的一系列檢查和試驗(yàn),該變壓器內(nèi)部可能存在間歇性放電,且放電的能量較大、放電間隔的時(shí)間較長(zhǎng)。2003年11月,該變壓器在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了吊罩檢查。發(fā)現(xiàn)變壓器中壓A相套管下部錐形瓷件距均壓球約250mm處有一約7mm×7mm的黑斑,經(jīng)仔細(xì)檢查確認(rèn)該處為深度數(shù)毫米的氣孔(砂眼),直徑約3mm,其內(nèi)有明顯的碳黑痕跡,如圖9圓圈標(biāo)注所示。經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)及生產(chǎn)廠家討論認(rèn)為,套管下錐體中的氣孔(砂眼)位于高電位區(qū),極有可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象。在變壓器更換中壓A相套管和濾油等處理并重新運(yùn)行后近2個(gè)月內(nèi),油色譜分析未再出現(xiàn)乙炔等放電特征氣體成分,證明上述故障點(diǎn)為乙炔產(chǎn)生的主要原因。套管下錐體與變壓器本體相通,氣孔(砂眼)中的放電為油中(或油/瓷介質(zhì)表面)放電形式,具有典型的放電間歇性,這一放電形式導(dǎo)致變壓器本體油中的乙炔呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。在變壓器重新投入運(yùn)行前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)變壓器局部放電試驗(yàn)及超高頻局部放電測(cè)量。UHF傳感器安裝采用人孔(手孔)蓋式,分別在中性點(diǎn)手孔和人孔處安裝2個(gè)傳感器,如圖6所示(人孔處傳感器圖略)。參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,選擇局部放電試驗(yàn)電壓為,試驗(yàn)時(shí)間為30min。在變壓器加電的10min內(nèi),實(shí)測(cè)局部放電量最大值約為2000pC,對(duì)應(yīng)UHF信號(hào)最大值約為150mV。由于人孔(手孔)蓋式測(cè)量系統(tǒng)增益為放油閥式的3～4倍,因此,經(jīng)折算估計(jì)該變壓器運(yùn)行