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摘要：本文通过专门设计的变压器典型局部放电模型，构建变压器局部放电试验系统，在试验室内获取了大量局部放电样本数据，构造出变压器局部放电样本模式库，通过对不同局放类型进行特征提取，构建出放电模式识别样本库
1.绪论
电力变压器是电力系统中的关键设备之一，它承担着电压变换、电能分配和传输等功能，是输变电系统中最为关键的环节。变压器的正常运行是电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，其健康水平和运行状况的好坏直接影响着整个电力系统的安全运行，变压器的故障不仅影响电力系统的输电能力，甚至可能造成电力系统的大规模停电，给电力系统和国民经济带来重大损失。随着电力系统规模和变压器单台容量的不断增大，其故障对国民经济造成的损失也愈来愈大，因此努力提高变压器运行维护和技术管理水平，降低变压器故障的发生几率，是电力系统迫切需要解决的文。
而各类变压器带电局放检测设备以其检测灵敏度高，缺陷定位及类型判断精准、现场容易应用等特点获得广泛的应用，但是由于监测/检测手段不科学，方法不当，数据分析不够深入，实际检修中设备仍存在一定的盲检率。尤其是输变电设备状态监测系统建设中，一方面接入数据量还需逐步扩充；另一方面对关键数据的高级分析挖掘能力还急需深入研究整合。各个电力部门普遍开展了定期设备带电检测工作，但在执行中还存在标准不高、手段不健全、统一的技术标准不够完善等等问题，因此进一步发挥不停电检测技术对设备状态评价的支撑作用，是摆在我们面前的重要研究文。
本文针对目前变压器现场局放试验方法的要求，以变压器局放模型入手，通过对变压器故障原理的分析，利用精密故障模拟、局放原理分析等技术开发电力变压器故障模拟及检测试验装置，并利用该系统对变压器在不同工作环境下的故障特征进行研究，建立局放故障模拟数据库，分析局放故障信号特征，为现场变压器故障诊断提供依据。
2.变压器局放检测方法现状分析
电力变压器中有可能出现的主要绝缘缺陷可以总结为以下几个方面：
（1）固定缺陷。其中包括导体和外壳内表面上的金属突起，以及固体绝缘表面上的微粒。金属突起通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成的，导致毛刺且较尖。在稳定的工频状态下不引起击穿，但在快速电压如冲击、快速暂态过电压条件下很危险，易发生绝缘事故；
（2）电力变压器油箱内可以移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒，在制造、装配和运行中均有可能产生，它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动，在很大程度上运动与放电的可能性是随机的。当靠近高压导体且并未接触时，放电最可能发生，且放电可能性比同样微粒但为固定物时高10倍左右；
（3）传导部分接触不良。例如静电屏蔽和其它浮动部件。由松动或浮动部件产生的放电可能性很大，通常易于检测，放电趋向于反复，其放电电荷在nC到gC间转变。
（4）变压器制造时造成的内部空隙和实验闪络引起的表面痕迹，还包括或是因电极的表面粗糙或是来自制造时嵌入的金属微粒，此外因内部油循环产生的部分气泡在绕组以及其它部位产生的气隙绝缘缺陷，这些电力变压器的绝缘缺陷类型极有可能会在电力变压器中产生局部放电，在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，进一步发展成为树枝，并最后导致绝缘击穿。
而电力变压器发生以上绝缘故障时，往往会伴随各种物理现象的产生，比如常规的脉冲电流信号、纳秒级脉冲信号、振动冲击或声波信号、油中气体含量变化、水分变化、各种光热现象等，因此针对不同物理现象研发设计的多种检测技术手段也应运而生，常用的测试方法比如有脉冲电流法、特高频局放检测法、超声波局放检测法、高频局放检测法等方法。
脉冲电流法：常规停电检测方法，优点是放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征（如）和实测的波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其发展趋势；对于突变信号反应灵敏，易于准确及时地发现故障；具有较有效的校准方法，易于定量，因而得到广泛的应用。目前国内外比较成熟的局部放电检测装置普遍采用这种方法。缺点是需要停电检测，测试过程较为复杂，对人员的局放判断水平有较高的要求，且进行试验的成本较高。
特高频法：带电测量方法，优点是测量方法不改变设备的运行方式，并且可以实现在线连续监测，可有效地抑制背景噪声，如空气电晕等产生的电磁干扰频率一般均较低，特高频方法可对其进行有效抑制，抗干扰能力强。缺点是仅能判断局放故障是否产生，无法直接判断具体量值，缺乏相关标准规范支持，且现场安装比较麻烦。
超声波法：带电测量方法，优点是传感器与电力变压器设备的电气回路无任何联系，不受电气方面的干扰。设备使用简便，技术相对比较成熟，现场应用经验比较丰富，由于测量的是超声波信号，因此对电磁干扰的抗干扰能力比较强，可以对缺陷进行定位。缺点是由于电力变压器设备内部结构复杂，超声波信号会产生各种反射，本身变压器运行时也会产生各种振动，信号模式复杂，灵敏度不高，无法直接判断具体量值，缺乏相关标准规范支持。
高频法：带电测量方法，优点是高频CT可直接安装在变压器接地母排或其它接地点，可以实现在线连续检测，且在高频段检测局部放电信号还可以有效避免外界噪声干扰。缺点是高频信号量微弱，入地电流大，容易被背景淹没，相关滤波器和放大器会使原始波形发生畸变，容易误导误判，缺乏相关标准规范支持。
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3.变压器典型局放模型设计
3.1典型放电理论模型油中试验研究
3.1.1针尖对板放电
升压过程中发现明显放电波形，升至出现放电声音后，伴随着放电声音的强弱与频率的快慢，其波形也会有相应变化，升至击穿后放电波形不再出现。
3.1.2板对针尖
模型与1相似，高压端为极板，接地端为针尖，针尖与板之间的距离大致从3mm到15mm不等，其针尖尖锐程度也选择了不同的弧度。升压过程中发现明显放电波形，升至出现放电声音后，伴随着放电声音的强弱与频率的快慢，其波形也会有相应变化，升至击穿后放电波形不再出现。
3.1.3针尖对针尖
模型与1相似，高压端与接地端都为针尖，针尖之间距离大致为10mm左右。升压至15KV左右，出现放电波形，电脉冲法可观察到放电波形。
3.1.4悬浮放电
模型图见图示，悬浮物与高压极之间距离为1mm左右，升压后放电波形明显，电脉冲法、超高频法、高频均可测得局放波形。
3.1.5颗粒放电
模型图见图示，高压极放置于绝缘体凹槽内，金属颗粒均匀分布于高压极与绝缘体外壁之间，升压至6000V左右，其放电明显，电脉冲法可测到明显波形。
3.1.6气隙放电
模型图见图示，高压极与接地极板间距离约为10mm左右，中间放置气泡。升压后气隙放电明显。另外，在高压极与接地极板之间放入浸油绝缘纸，其气隙放电更加明显。
油中气隙放电模型简单示意图
3.2典型局放模型构建
根据3.1理论模型试验研究的基础，参考《基于GIS局部放电模型的带电检测方法研究》中四种缺陷模型的设计方案，本装置构建了四种典型局部放电模型：气隙放电模型、颗粒放电模型、尖端放电模型、悬浮放电模型。
（1）气隙放电：聚甲醛模型采用统一工艺制造，利用该工艺必然会产生的缺陷来取代不可控制量的气泡。该模型更接近真实绝缘缺陷。其放电量的大小完全取决于模型的形状和长度。现模型采用柱状结构，在相同的直径条件下，改变模型长度就是调节放电量。而且其本身局放量就稳定，调节范围大。
（2）悬浮放电：悬浮放电模型的局放量受悬浮金属的形状体积影响较大，特别是接触面面积，与金属材质无关，且放电量很大超过5000PC，能从视频上看到明显的火花。
（3）颗粒放电：现有颗粒模型能很好的将颗粒控制在一定范围内，能自由的接近或远离母线。其局放量受颗粒的大小、数量影响很大。一般采用20颗以下的直径为1mm小铝球，再加一直径为3mm大铝球，就会产生5PC以上的局放，能使用电脉冲很明显的观察。
（4）尖端放电：主要受尖端曲率影响，包括高压尖端和地尖端。曲率越大，放电量越大，起始放电电压越低。考虑到高压尖端距离不可调，且尖端放电的同时伴随着沿面爬电出现。但在变压器缺陷模拟装置中，由于油中尖端放电的特点，极易击穿，因此需要在测试时小心调节。
4.变压器局放模拟装置设计
变压器局放模拟装置具备准确模拟各类局部放电的能力，通过外部调节装置直接体外控制局放故障的产生、消失以及加重，利用不同的检测方法对变压器的局放故障进行检测研究，分析局放信号特征，建立相关局放图谱与数据库，为变压器故障诊断、科研教学、仪器考核等提供参考依据。装置系统框架见下图：
装置主要由模拟变压器本体、变压器油箱、绝缘套管、变压器加热装置、内置的超高频传感器、内置的超声波传感器、局放故障模拟调节装置等各部分组成，具备以下特点：
a、可准确模拟110KV 及以下电力变压器尖端放电、移动金属颗粒放电、气隙放电及悬浮电极放电等各种性质的放电现场；
b、通过对典型放电现象的研究，设计稳定放电、量值可控的典型缺陷模型；
c、不同的放电缺陷模型实现不同种类的放电。可直接在体外控制放电缺陷模型与高压电极之间的距离以及控制试验电压，获得所需的放电类型与量值；
d、内建高压监测分压器、电流脉冲法局放相关耦合、校验单元，可用脉冲电流法局放仪同步测试放电类型和量值，作为比对依据和标准。可采用超声波法、特高频法、高频法同步监测放电情况，实现对带电仪器的有效性考核校验；
e、整个装置按照无局放要求设计；
6.结论
本文通过专门设计的变压器典型局部放电模型，构建变压器局部放电试验系统，在试验室内获取了大量局部放电样本数据，构造出变压器局部放电样本模式库，通过对不同局放类型进行特征提取，构建出放电模式识别样本库，完善变压器典型局部放电模式识别系统，采用多种检测技术手段，分别对变压器典型局部放电模型进行检测试验，完善各种检测技术针对变压器局部放电的检测效果，分析各类检测技术的优点及缺点，建立完善的变压器局放带电检测实施方案，为实际生产、试验教学及电网检修提供必要的数据支持，进一步将局部放电试验系统与局部放电在线、带电监测结合起来，将理想化实验室检测与变压器实际现场环境进行对比，进一步完善本实验装置的性能，构建出局部放电在线、带电诊断系统，进一步满足需要，方便实验人员实时科学、准确、及时对设备进行状态分析、维修及检修。
参考文献：
[1] 王蕾.变电站设备带电检测方法的研究[D].山东大学 2016
[2] 陈庆祺，张伟平，刘勤锋，马双，刘诣，张鸿平.开关柜局部放电暂态对地电压的分布特性研究[J].高压电器.2012
作者简介：
马永奎（1981.12-），男，宁夏中卫人，单位：国网宁夏电力公司中卫供电公司，研究方向：电力系统，
论文作者:马永奎
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/12/2
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