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一．课题研究背景及意义
变压器作为电力系统中重要的电压等级转换工具，变压器的安全稳定运行对整个电力网的运行起着重要作用。变压器内部绝缘在运行中长期处于工作电压的作用下，特别是随着电压等级的提高，绝缘承受的电场强度值很高，在绝缘薄弱处很容易产生局部放电，产生局部放电的原因是:电场过于集中于某点，或者说某点电场强度过大，如固体介质有气泡，杂质未除净;油中含水、含气、有悬浮微粒;不同的介质组合中，在界面处有严重电场畸变。局部放电的痕迹在固体绝缘上常常只留下一个小斑，或者是树枝形烧痕。在油中，则出现一些分解的小气泡。
局部放电时间虽短，能量也很小，但具有很大的危害性，它的长期存在对绝缘材料将产生较大的破坏作用，一是使邻近局部放电的绝缘材料，受到放电质点的直接轰击造成局部绝缘的损坏，二是由放电产生的热、臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀老化，电导增加，最终导致热击穿。运行中的变压器，内部绝缘的老化及破坏，多是从局部放电开始。由此我们提出一种新型变压器局部放电监测装置。变压器放电脉冲是沿着绕组传播，起始放电脉冲是按分布电容分布的，经过一段时间后，放电脉冲通过分布电感和分布电容向绕组两端传播，行波分量传播到测量端的检测阻抗以后，有可能发生反射或震荡，所以纵绝缘放电信号在端子上的响应比地绝缘放电小的多，放电脉冲波沿绕组传播的衰减随着频率的增大而增大。利用暂态地电波(Transient Earth Voltages，简称TEV)技术，实现对变压器局部放电的监测，改变了传统的变压器局部放电试验方法，有效预防变压器由于局部放电造成绝缘缺陷。
二.暂态地电波（TEV）技术的基本理论理论
高压电气设备在发生局部放电时候，放电量往往先集中在与接地点相邻的导体附近，产生对地电场，从而会产生对地电流。电流沿着设备表面传播，对于内部放电，电荷集中在屏蔽层的内表面，屏蔽层连续完整的话，在外表面检测到放电是十分艰难的。但是屏蔽层通常在绝缘部位，垫圈连接部位，电缆终端等部分会出现不连续，局部放电信号中的高频信号会传输到设备屏蔽外壳，产生的放电电磁波对地会产生暂态电压脉冲信号。
三．TEV技术基本原理
当局部放电发生时，电压、电流脉冲沿着变压器金属外壳的内表面传播，遇开口或者电气接头处传播出去，沿着变压器外表面传播至大地，在此过程中会出现电压波动，电压波动幅值变化范围在及时毫伏至几伏之间，电压存在时间极其短暂，一般只有几纳秒的上升时间，在变压器外表面安装TEV传感器，当有放电脉冲时，快速捕捉放电信号。TEV传感器与后台计算机通过数据传输，将测量数据传送至计算机，在管理软件上实现对数据的自动分析处理，放电量超过设定阈值会发生报警。
图1 TEV传感器技术测量原理图
TEV传感器采用容性耦合电容设计，配合滤波、信号放大及降频处理。整个采集过程是先通过耦合电容采集局部放电信号，通过滤波降噪，微弱信号放大，输出局部放电信号，
根据外复电极法，在变压器外表面外复金属薄片，金属薄片与变压器外壳中间加入电容介质，形成电容C1，局部放电信号通过电容C1耦合到检测电容C2上。这样变压器局部放电信号的采集装置就初步形成，金属薄片大小与采集局放电压信号的影响起着决定性作用。
根据电容器基本原理，电容器耦合面越大，则电容量C1越大，接受局放电压信号越好，但是C1分压小，对于电压测量来说难度很大，电压信号小不易测量且误差较大，精度完全达不到要求。但是耦合电容表面积太小，不能消除杂散电容效应。因此选取一个合适的耦合电容对电压信号采集至关重要。
五、滤波及放大模块
设备装置所处环境有着很多干扰或者噪声，例如无线电波，手机信号，雷电电磁干扰，线路电流冲击，变压器励磁涌流等等。这些信号都会对采集产生影响，我们设计滤波模块，将信号通道频率带宽设定在3MHz~80MHz之间，滤除了80MHz以上高频信号和3MHz的低频信号，对于干扰信号起到了一定的滤除作用。
由于接受的放电信号都很微弱，需要将信号放大，以助于传感器能够准确识别采集到。
六、局部放电定位算法
利用局部放电信号传递到不同位置的传感器所用时间不同，对放电源实现定位，位置传感器放置位置如图所示，
图中A,B,C,D为四个传感器的放置位置，通过放电信号传输到不同传感器的时间前后不一样，定位放电信号距离四个传感器的相对位置。算法的基本流程分为四个部分，分别是：背景噪音特征提取，根据噪声特征去除干扰噪音；提取去噪后的放电信号；根据阈值法、能量法、AIC法与Gabor法分别确定每一个采样通道局部放电脉冲的波前时刻；根据波前时间获取任意两个采样通道的时间差；通过时间差确定局部放电位置。
局部放电定位算法的准备度主要取决于脉冲提取算法和脉冲波前时刻确定算法是否合理。
脉冲提取算法：
脉冲提取算法的基本思想是设置时间宽度可调的窗口，根据阈值提取脉冲。
窗口采样点数与采样频率有关，当采样频率比较高时，可将窗口设小些；当采样频率较低时，可适当将采样窗口增大一点，本文窗口设置时间为1us。
波前时刻确定算法
获取每个通道的数据总长度N，设定阈值，初始化循环变量i，设置初始标志位flag=0.
在时间窗中移动，如果窗口中的值大于阈值，则获取脉冲波前时刻，将标志位flag修改为1，脉冲个数加1，接着移动变量i，一直到找到脉冲结束位置索引，置flag=0,。此方法应用于所有脉冲通道的采集数据，找出所有脉冲，脉冲个数提取完毕以后，就可以确定放电脉冲的波前时刻。提取算法的流程图如下：
在局部放电定位精度上，波前识别的准确是决定放电定位精度的主要因素，常见的提取波前的方法有能量法、阈值法、AIC（Akaike information criterion）法，Gabor centriod法等，本文采用这几种提取局部脉冲的波前时刻。
七、TEV模拟放电试验
为了验证TEV传感器技术对变压器局部放电监测的有效性，我们特意建立放电模型，模拟变压器局部放电，由试验变压器在放电模型两段施加电压，TEV传感器紧贴模型外壳，LDIC局放仪作为TEV检测技术的对照，采用传统的脉冲电流法。
变压器局部放电监测采用新型带电容性耦合传感器，频带宽，传感器低频截至频率为3MHz，高频截至频率为80MHz，具有良好的频率响应特性。基于TEV传感器搭建的数据采集记录分析系统，将传统脉冲电流法作为参考，对比两种方法的测量分析结果，证明TEV传感器是一个有效监测变压器局部放电功能的技术手段。
八、结束语
变压器局部放电带电检测是及时发现变压器内部绝缘缺陷的重要手段，定位缺陷位置是提高检测效率的关键方法。介绍了变压器的局部放电检测方法TEV检测法，本文基于四种波前时刻计算实现局部放电定位，通过对变压器局部放电检测方法的比对，确定了TEV传感器技术在测量变压器局部放电测量的有效性，模拟变压器局
部放电检测环境，搭建了TEV与超声波相结合的局部放电检测实验平台。
论文作者:吴勇,杨波,潘敏,孙鹏
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/10/8
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