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摘要：电力变压器是电力系统的枢纽设备，主变跳闸可能造成局部乃至大面积的停电，其运行状况直接关系着电力系统的可靠性。绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因，局部放电是造成绝缘劣化的重要因素。本文对变压器局部放电定位方法各类技术进行简要分析。
关键字：变压器；局部放电；定位
1 前言
统计研究表明，在所有电力变压器故障中有80%是绝缘故障。绝缘故障指绝缘介质完全或部分丧失绝缘性能，常见表现为电介质击穿。变压器内主要的绝缘介质是变压器油和绝缘纸。绝缘劣化是常见的绝缘故障，主要由局部放电引起。变压器中局部放电的成因，有制造和安装过程中产生的绝缘缺陷和运行中引发的绝缘缺点等，如金属部件接触不良、过电压等。通过检测定位变压器内部的局放现象等绝缘监测手段，可有效评估变压器的绝缘状况[1]。
2 局部放电原理
2.1 局部放电机理
电场不均匀，局部电场过高，引起绝缘介质局部的放电或击穿，称为局部放电。局部放电主要发生在固体孔隙中、液体气泡中或不同绝缘介质层间。局放逐渐发展，侵蚀周围绝缘介质，最终导致绝缘失效。以介质中含有气隙的模型说明局部放电原理，如图1所示。c为气隙，b是与气隙串联的介质，a是其它部分的介质。该介质处于平行板电极之中，两端施以交流电压。
空气相对介电常数εc =1 ，固体绝缘介质相对介电常数εb >1 ，气隙中的电场强度要高于介质中，气体的击穿场强低于绝缘介质。外加电压够高时，气隙被击穿，周围介质绝缘特性完好，气隙中发生放电。变压器油中有气泡或其他杂质时发生的局放现象原理类似。气隙上的电压会随电极上交变电压的变化而改变，达到其击穿电压时即放电，在外施电压峰值点附近放电最集中[2]。
2.2 局部放电的信息
局部放电过程中会产生电脉冲、超声波等，并有局部过热等现象。据此可对局放的存在、大小、位置进行检测。
(1)高频脉冲电流。绝缘介质中存在气泡、杂质时，等效于有一个电容。外施交变电压时，该电容充电；介质击穿时，该电容放电。反复地充放电，产生高频脉冲电流。
(2)超声波。局放时脉冲电场力导致气泡振动，放电热量导致气泡膨胀，电场力或压力的改变，介质中气泡相应的体积改变，导致绝缘介质的局部体积变化，产生超声波。
(3)高频电磁波。每次局部放电，正负电荷中和产生陡峭的电流脉冲，发出电磁波。局放源的体积越小，放电间隙的绝缘强度越高，产生的电流脉冲越陡，辐射电磁波的能力越强。
(4)光子。局放过程中能量释放，粒子从激励状态回到基态或低能级，正、负离子复合，以及正离子与电子复合，该过程辐射出光子。
(5)裂解产物。局放过程中，电子和正负离子撞击、断裂绝缘介质的化学键，产生裂解产物，形成不同类型的新生成物，如烷类和烃类气体等。
3 传统局部放电定位技术
3.1 电气定位法
当变压器内部发生局放时，放电脉冲沿绕组传播到外部。变压器绕组存在三个频率特性范围，传输特性各异：低频范围内(0~0.01MHz)局放信号以电磁波形式传输为主，对应行波分量；中频范围(0.01~0.1MHz)以绕组的共振形式传输为主，对应振荡分量；高频范围(0.1~10MHz)以通过电容梯形网络传输的电容分量传输为主[3]。电气定位方法主要有：
(1)多端测量定位法。两两端子之间施以校正脉冲，其余端子上电气信号尤其是幅值各异；实测时，对比各个端子上放电量及其波形，与校正序列对比，可定位放电端子大致位置，该方法难以在线使用。
(2)行波法。局放发生时，测量端立即测得电容分量，经一段延时后可测得行波分量。用行波传播的速度，乘以行波延迟的时间，可计算出放电点距离。放电点距离远，导致电容分量微弱，则无法测量，同时延时难以准确获取。
(3)电容分量法。变压器等效电路串联电容远大于并联电容时，利用绕组首尾两端电压比值曲线，测出局放时绕组两端的电容性分量比值，可确定放电位置。若电容性分量的衰减曲线不光滑、中性点直接接地时，则定位不准。
(4)脉冲频谱法。在中频范围，绕组中的局放脉冲振荡传播，局放源位置不同则在测量端的电流脉冲频谱不同，据此可定位局放位置。
3.2 超声波定位法
发生局部放电时，常有超声波以球面波的形式传播，不同介质中传播速度不同，超声波到达油箱壁上的传感器有先后，测量超声波传播的延时，可计算出局放源的位置。超声波定位主要分两类：一是“电—声”系统，以电信号为基准信号，同时测量局放的电信号、声信号时间差；二是“声—声”系统，以某一超声波传感器为基准信号源，测量其他传感器的相对延时。常用超声波定位方法主要有：
(1)V形曲线定位法。将超声波传感器在油箱某一面沿水平和垂直方向排布，以传感器距离为纵坐标，以各点延时为横坐标，作出V形曲线，顶点对应坐标即为距局放源最近的传感器；水平、垂直两个方向交叉点即为局放源对应位置，再测得直射波传播时间，采用介质分层分析的方法，倒推局放位置。
(2)双曲面、球面定位法。用多个超声波传感器，测得每个传感器与基准传感器的时差，或声信号与电信号的时差，用等效声速及各个传感器坐标，联立带入双曲面方程、或球面方程，可以直接求解或最小二乘法求解得到局放源位置。
(3)顺序定位法。将超声波传感器安置在油箱同一面，根据接收到超声波信号的次序，按顺序以平分线分隔原则定出局放源所在区域；传感器数量越多定位越准，对声速不敏感，现场效果较好。
3.3 X射线激励定位法
X射线能量大、穿透力强，当X射线穿透设备外壳并照射到绝缘介质中的空隙时，就会与之发生作用。X射线照射可使绝缘介质中气隙内的气体电离，产生初始电子，导致介质中的局部放电强化，局部放电的频次、放电脉冲的幅值增加。X射线照射可使金属导体表面电子逸出得到强化，特别是金属表面不平整时，这些电子加强了介质中的局放。调整X射线照射设备的方位，并检测由X射线照射作用引起的局放信号，可以确定局部放电的位置[4]。
3.4 光定位法
局部放电超声信号传播到光纤上时，检测光纤发生的形变，称之为光定位法。光信号较为稳定，不受现场复杂电磁环境干扰，灵敏度高，定位局放位置准确、方便。变压器结构复杂导致光纤的埋设非常复杂；光纤传感器的分辨率不足也限制了该方法的实际应用。
4 新型局部放电定位技术
4.1 超声传感器阵列定位技技术
前叙的超声定位法均是根据安装于变压器的多个超声传感器捕获的信号，根据一定的算法求取局放点的坐标。多个超声波传感器排布成平面阵列，代替传统排列较散乱的多个探头，多点并行采样空间信号场，应用空间谱估计技术提取阵列接收到的信号，找出其特征信息，如信号源数、传播方向等，可对多个局放目标进行定位。
4.2 基于特高频（UHF）检测的局放定位法
特高频（UHF）检测技术理论基础为费马最短光程原理，即局放源的电磁波沿最短光程、经最小时间到达传感器，该方法使用的频段频率高、频带宽，抗干扰能力强、衰减小、灵敏度高的特点，可以避免开关操作、电晕等的影响，获取的波形畸变小，更能反映局放的属性特征。基于 UHF 检测的定位法在变压器和气体绝缘开关设备的局放定位中得到了迅速的发展和广泛的研究应用[5]。
4.3 基于相控阵理论的定位法
局部放电可视为超高频电磁波和超声波的发射源，采用一个N×N阵元的相控阵平面传感器同时检测UHF信号和超声波信号。把检测到的UHF信号作为时间基准，比较同方向的超声波延时，可先直接得出局放源与传感器的距离，然后根据相控阵扫描的角度即可得出局放源的空间位置。该方法定位精确，并可对多个局放源进行定位；但对传感器的分辨率和安装要求很高。传感器阵元数量越多，分辨能力越、造价越昂贵、占地面积越大，在现场的变压器上应用存在诸多问题。该方法尚处于实验室研究阶段。
5 定位方法存在的问题
5.1 电气定位技术问题
电气定位法来源于对变压器绕组特性的研究，实际中电气法应用很少，存在的技术问题：(1)现场操作复杂，适用范围受限；(2)变压器绕组建模难度大、精确度差、工作量大、无通用性模型；(3)绕组结构复杂、局部放电发生部位不同，绕组端部脉冲各异，定位准确性差；(4)受实际现场中电磁干扰的影响，难以有效地在线应用；(5)定位粗略，或只对特定绕组定位起作用。
5.2 超声波定位技术问题
受多种因素影响，超声波定位技术准确性、有效性差，存在的技术问题：(1)超声波信号经过变压器内介质、油箱外壳时衰减严重，传感器的灵敏度低，信号难以检测；(2)变压器绝缘介质层级多，难以确定不同绝缘介质中的声速，定位算法尚需完善；(3)超声波信号持续数百微秒，若两次放电间隔小于该时间，超声波信号在相互迭加，密集放电无法分辨；(4)多处放电时，超声波信号是多次放电信号的迭加，分辨多次脉冲困难，多处放电定位的问题难以解决。
5.3 特高频定位技术问题
特高频定位技术存在的主要问题：(1)绕组结构影响电磁波信号的传播，电磁波信号衰减程度需根据其真实绕组结构估算；(2)放电信号传播路径和传播介质复杂，折、反射造成的衰减大，定位检测系统需具有较高的检测灵敏度；(3)时间差定位算法对时延误差敏感，定位波速需精确选取，算法容易发散；(4)检测频带高达1GHz-10GHz，信号频域成分非常丰富，定位波速选取困难；(5)现有研究基于简单变压器模型，实际主变存在绝缘、铁芯、绕组以及夹件、引线等结构，放电定位的复杂度更高。
6 局部放电定位技术发展展望
电气定位法由于自身较大的局限性，未得到广泛的应用。超声波定位法应用较多，但由于超声波在变压器内的物理传播特性的限制，超声定位方法无法满足故障定位精度要求。进一步提高定位精度，增强检测的实时性和直观性，以特高频定位为主的一些新型定位技术是未来的发展趋势之一。关键技术可能在于：
(1)研究铁心、绕组等障碍物对UHF电磁波的衰减和畸变作用规律，掌握局放产生的UHF电磁波在变压器内的传播特性。
(2)精确测量UHF信号时延是局部放电准确定位的关键，变压器局放定位技术需确定定位频带、满足测量精度，殊为不易。
(3)变压器现场运行条件复杂，优化定位检测阵列传感器数量和检测阵列布置方式，提高检测灵敏度，确保实际现场可操作性强。
(4)研究变压器中局放电磁波传播及检测接收原理研究，研制灵敏度更高、接收性能更好的特高频天线。
参考文献：
[1] 董自胜. 电力变压器局部放电超声波定位的研究[D]. 华中科技大学, 2011.
[2] 凌云. 变压器油纸绝缘气隙放电发展特征信息提取及过程划分研究[D]. 重庆大学, 2012.
[3] 王国利. 电力变压器局部放电定位方法的现状和前景[J]. 变压器, 2001, 38(11):22-27.
[4] 黄兴泉. 基于X射线激励下的局部放电定位[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 1999(4):1-5.
[5] 唐志国. 基于辐射电磁波检测的电力变压器局部放电定位研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(3):96-101.
作者简介：
乐洋（1990- ），男，大学本科，从事变电站运维工作；
李志（1992- ），男，工学硕士，从事电力设备检验检测工作；
陈寰（1989- ），男，工学硕士，从事变电站运维工作。
论文作者:乐洋1,李志2,陈寰3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：局部论文; 介质论文; 变压器论文; 绕组论文; 超声波论文; 信号论文; 传感器论文; 《电力设备》2017年第29期论文;