摘要：日前，随着超高频（UHF）局放检测技术发展日益成熟，大量UHF局放监测设备应用于变压器的在线监测，因此UHF局放设备能否合格可靠的运行直接关系到电网的安全稳定。本文简单介绍了局部放电特高频在线监测的原理与装置，通过研究油中纸板沿面放电、油中纸板内部放电、油中悬浮放电、油中气泡放电及油中尖板放电5种典型局放模型的特高频放电信号，对局部放电信号的模式识别方法进行了分析。
关键词：变压器特高频局部放电；超高频检测法；UHF传感器放电量
引言
近年来，超高频检测技术迅速发展，逐步应用于变压器局放监测。超高频检测技术是通过接收变压器内部局部放电所激发的超高频电磁波来实现局部放电的检测和定位。与传统方法相比，超高频检测方法可以获得反映局部放电的各种模式、相位、幅度等特征，更易于发现设备绝缘系统与局部放电相关的早期绝缘缺陷，抗干扰性强、分析速度快、灵敏度高。因此超高频方法较其它方法更适用于变压器局部放电的在线监测。
1 特高频在线监测的原理与装置
随着超高频检测技术在局放监测的广泛应用，大量超高频局放在线监测设备引入电网。国内目前对局放在线监测装置的入网检测、现场测试等没有统一的标准，本文通过搭建试验平台，选取典型局放模型，对变压器UHF局放在线监测设备的UHF传感器做了检测试验，并分析测量数据得出合格判据，为UHF局放在线监测装置调试标准的制定提供参考。
1.1 UHF在线监测原理
变压器内发生局部放电时，其放电持续时间是很短暂的，大约10ns～100ns。放电脉冲的上升时间则更短，仅为0.35ns～3ns，脉宽1ns～5ns。所以局部放电产生的脉冲信号的频带是很宽的，应在数十至数百MHz，甚至更高。因此，局部放电所激发的信号，除了以脉冲电流的形式通过变压器绕组和电力线向外传播外，还会以电磁波的形式向外传播。这样就可以通过特高频传感器接收到局部放电的信号，然后对接收到的信号进行分析，达到检测和定位局部放电的目的。
1.2 UHF在线监测的抗干扰性
试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小或者放电间隙的绝缘强度比较高时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油纸结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数GHz。这样特高频的监测频带一般可为300MHz～3GHz。由于所采取的频段较高，能有效地避开背景噪音（在200MHz以下）和常规测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰（一般小于300ＭHz）；而对特高频通信、广播电视信号，由于它们有固定的中心频率，因而可用合适的频带将其与局放信号加以区别。
1.3 UHF在线监测的装置
变压器局部放电特高频在线监测装置主要包括以下几部分：特高频传感器、阻抗变换器、放大单元、检波器、模数转换单元和计算机等。
1.3.1 特高频传感器
传感器的性能直接决定着信号的提取，应具有良好的频率响应特性、较高的抗干扰能力和信号检测灵敏度，并且结构尺寸灵巧，在不影响变压器运行和不改变变压器结构的前提下可实现在线监测。
1.3.2 阻抗变换器
传感器接收到局放信号后通过同轴电缆传送到前置放大器，这时就需要通过阻抗变换器使得传感器与电缆、电缆与前置放大器之间有良好的匹配，信号功率才能被负载（即前置放大器）完全吸收，电缆中只有传感器向前置放大器传输的入射波。
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1.3.3 放大单元
放大单元包括前置放大器和高频放大器，它们将从传感器接收到的局部放电信号进行预处理放大。
2 局部放电模型设计
本试验主要设计制作了两种种局部放电模型：油中气泡放电和油中悬浮放电模型。为保证试验结果的准确性，制作模型时处理了电极的表面和边缘，尽可能消除上面的尖角和毛刺，同时模型制备了材料和结构都相同的两个样品，并且每次试验时都在相同情况下对多个试样进行测量和统计。具体放电模型设计如下：
（1）油中气泡放电模型如图1所示，模型电极采用两块高3mm直径30mm的黄铜板，放电模型由三层30×30 mm的绝缘纸板用绝缘胶粘合而成，其中上下两层的纸板厚2mm，中间层纸板厚1mm，中间层纸板上设计有直径为3mm的气息圆孔。
（2）油中悬浮放电模型如图2所示，高压电极和低压电极为两块高3mm，直径30mm的黄铜电极。在高压电极上固定一段导线，并利用导线的外皮将金属丝与高压端隔离，使金属丝与高压电极的距离为5mm，与低压电极的距离为2mm左右。
3 试验过程
为了测试UHF局放监测设备的性能，现用油中气泡放电和油中悬浮放电两种典型的放电模型对其进行检测试验。
（1）油中气泡放电试验。将油中气泡放电模型放置在变压器模拟箱体内部，施加工频高压使模型产生放电。通过控制电压水平来控制模型的放电量。观察普通局放测量仪，开始放电时，控制模型放电量稳定在约200～300pc停止加压，记录此时传感器接收信号的幅值和带宽，保存示波器的波形及数据结果。
继续加压。改变电压将模型的放电量变化量控制在10pc左右，观察传感器能否监测出这一变化，若能，继续减小变化量至5pc，观察传感器接收信号的幅值和带宽，若能，继续减小变化量至3pc，观察传感器接收信号的幅值和带宽，模型放电量稳定在约600pc停止加压，记录此时传感器接收信号的幅值和带宽，保存示波器的波形及数据结果。
（2）油中悬浮放电试验。将油中悬浮放电模型放置在变压器模拟箱体内部，施加工频高压使模型产生放电。通过控制电压水平来控制模型的放电量。观察普通局放测量仪，开始放电时，控制模型放电量稳定在约5300～5600pc停止加压，记录此时传感器接收信号的幅值和带宽，保存示波器的波形及数据结果。
继续加压。改变电压将模型的放电量变化量控制在10pc左右，观察传感器能否监测出这一变化，若能，继续减小变化量至5pc，观察传感器接收信号的幅值和带宽，若能，继续减小变化量至3pc，观察传感器接收信号的幅值和带宽，模型放电量稳定在约7000pc停止加压，记录此时传感器接收信号的幅值和带宽，保存示波器的波形及数据结果。
4 特高频在线监测存在的问题
特高频在线监测还存在一定的局限性，就是难以实现局部放电量的准确标定。局部放电量又是现场人员对绝缘状况进行评估以及故障诊断的重要依据。虽然常规的脉冲电流法是以视在放电量来表示放电水平，与局部放电的实际放电量存在很大误差，但“视在放电量”的概念长期以来已经被人们所接受，并且以脉冲电流法为基础已经建立了IEC60270标准，形成了一套基本完整和适用的测试、评价体系。目前的研究尚未得到特高频信号与实际放电量的对应关系，这一点有待进一步研究。
5 结语
本文设计了油中气泡放电、油中悬浮放电三种典型的局部放电模型，并搭建UHF局放监测设备检测试验平台，对UHF局放在线监测设备进行局部放电检测试验研究，提出了UHF局放监测设备正常工作所应满足的基本标准和入网合格的基本要求，同时本试验过程也可作为UHF局放在线监测设备的一种调试方法。希望能以此推动UHF局放在线监测设备调试标准的尽快制定，为电网安全稳定运行提供可靠保障。
参考文献：
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[2] 周力行，李卫国.电磁矢量传感器用于变压器局部放电在线检测[J].高电压技术，2006，32（4）：37—40.
论文作者:许琛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/27
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