（国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院 哈尔滨 150030）
摘要：套管是电力系统内的关键高电压绝缘器件，一旦发生绝缘故障，往往导致局部区域停电。本文对套管局部放电特高频信号的特征进行了研究，获得套管典型缺陷局部放电特高频的相位谱图，提出定位算法适用的最佳定位距离和最佳定位角度，该技术能够定性分析有无局放并判断局放类型，进行背景噪声的初步识别，自动获取信号间时间差进行定位并展示三维定位结果。
关键词：套管；绝缘故障；局部放电；定位技术
引言
变压器出线套管结构复杂、设计紧凑，在运行过程中由于设计缺陷、安装不当、外部环境因素等原因产生局部放电，并不断发展，最终导致套管炸裂，变压器停运等严重后果。局部放电是套管绝缘故障的前期征兆和重要诱因，及时发现局部放电现象、确定放电部位并排除引起局部放电的绝缘缺陷是避免发生套管绝缘故障的有效措施。套管局部放电定位技术通过对套管产生的特高频信号进行检测，判断被测设备上是否存在局部放电故障，并确定放电位置。
1 典型套管局部放电缺陷
为模拟典型套管局部放电缺陷，共设计4种局部放电模型，分别为末屏引线接触不良、下瓷套沿面放电、均压环悬浮放电和顶部悬浮四种放电模型[1]。
（1）套管顶部接触不良放电模型。将一根细金属丝固定在绝缘纸板上，再将绝缘纸板固定在套管顶部的螺丝上。金属丝和套管顶部金属不直接相连，二者保持约1mm的空气绝缘距离。加压时，金属丝处在套管顶部的高电位区，会形成稳定的悬浮放电。该模型用来模拟套管导电头悬浮放电。
（2）末屏引线接触不良模型。通过改造末屏防护罩，设计防护罩中心用一颗活动顶丝和接线柱相接触。顶丝旋紧顶住接线柱时，末屏处良好接地；需要时，将顶丝旋出0.5圈，即顶丝和接线柱分离，即末屏处虚接。
（3）均压环附近悬浮放电模型。用一小段绝缘绳将垫片绑在均压环上，同时二者之间的距离小于2mm。加压时，由于垫片距离均压环距离较近，会形成稳定的油中悬浮放电。该模型用来模拟套管均价球接触不良缺陷。
（4）下瓷套沿面放电模型。通过一根硬铝导线将下部均压环的高压引到接近地电位的法兰处，导线末端削尖且正对法兰下端，导线尖端距离法兰约5厘米。加压时，导线末端的针尖即会在下瓷套表面形成沿面放电。该模型用来模拟套管瓷套沿面爬电缺陷。
2 套管局部放电UHF信号特征
搭建套管局部放电的试验平台来研究套管典型缺陷局部放电特高频信号的特征，通过对大量原始信号进行分析，获取了不同局部放电模型下特高频信号的基本时域、频域、相位特征。
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套管典型缺陷局放信号中，对于直接在空气中传播的电磁波信号，波形等效时长子16ns左右，上升时间较短在1.0ns之内，下降时间也仅有4.0ns；而对于油箱内部传出的局部放电信号，波形等效时长在150ns左右，上升时间较长均大于2.0ns，下降时间均大于25ns；信号峰值与放电量、信号传播路径均有关。当套管发生局部放电时，特高频信号的频域分量非常丰富。对比分析可得对于直接在空气中传播的电磁波信号，高频部分的含量较为丰富，而对于油箱内部传出的局部放电信号，高频含量较少。对于实际运行套管的特高频检测，可以通过选取较高的频带来获取上升沿较陡的局部放电信号，进而提高时延选取的精度。各缺陷套管局放特高频检波信号谱图与脉冲电流法所绘PRPD谱图基本一致，且有均有明显的相位特征，也符合各放电类型谱图的基本分布规律[2]。
3 局部放电定位技术
3.1 局部放电UHF信号传播特征
UHF信号检测是局部放电定位的前提，研究UHF电磁波的衰减特性，包括：UHF电磁波随传播距离的衰减特性、通过瓷套的衰减特性、从末屏引线盖子的衰减特性。对于局放电磁波信号，检测天线一般处于远场区域，在自由空间内幅值随距离成反比关系。对于安装在升高座上的变压器出线套管，如果发生末屏接触不良放电，电磁波会通过小瓷套进入套管油道向两端传播，进入油箱的电磁波来回这反射，不断衰减；向套管顶端传播的部分会在瓷套水泥密封处向外部空间泄漏，进而向外部空间传播。对于安装在升高座上的变压器出线套管，如果发生油箱内部的放电，电磁波会通过套管最外侧油道和电容屏向套管外传播；最先到达外部空间的是通过瓷套水泥密封处泄漏的电磁波；仿真也证明了，油箱内部的放电信号不能穿过油箱。
3.2 检测频带的选择
对分析频带对定位结果的影响，特将用等角螺旋天线（0.5GHz-3.0GHz）与放大器（250MHz-2.5GHz）采集到的信号定义为原始信号，做软件滤波处理，选取典型的频带方式，通过滤波获取响应频带的信号并分析其对个体波形首波的影响。检测频虽然对单体信号的首波时刻有一定影响：表现为频带越窄，首波相对幅值越小，估计结果可能滞后。但套管这类开放性设备局部放电向空间出来的电磁波，一般认为直射波，此类波形相似度高，起振时间短，因此各通道首波同步变化，使得总体时延估计误差较小。最终本项目将频带确定在2GHz-4GHz。
3.3 UHF传感器的优化
结合套管典型缺陷局部放电特高频信号的时域频域特点，为了得到更高的信号幅值和首波上升沿陡度，这就需要更宽、更高的检测频带。研制了0.5-4GHz的检测系统，其中的关键器件是UHF传感器。首先根据UHF天线及其工作原理选择传感器型式，然后设计和制作了等角螺旋天线，最后通过实验测试了其性能。根据定位检测需要，研制出了定向型宽带天线，即等角螺旋天线。为了提高时间差测量精度，将上限工作频率提高到了4GHz。实测结果表明，该利用本项目研制的等角螺旋天线，首波上升时间为0.2ns，这将把首波起始时刻的读取精度提高到0.2ns。研制并测试了一整套特高频信号检测系统，验证了该系统对套管典型缺陷模型检测的有效性，且所测波形具有较高分辨率的首波，并能够有效避免现场广泛存在的电晕干扰。
3.4 局部放电特高频信号时延估计方法
结合4种套管典型部位局放特高频信号的特点，对比了经典局放信号时延估计的算法，各方法都有一定的适用范围，但同时在处理非特定波形时也出现了一系列的问题。但利用已获得套管典型缺陷时域特征，将波形按照形态划分后，再利用相应的算法即可达到良好的读取效果。当波形形态简单，四通道信噪比接近时，阈值法有着最快速、最便捷的分析效果；对于套管顶部悬浮及末屏引线接触不良这类传播路径单一，波形持续时间短，呈三角振荡衰减形态的信号，其相关性强，互相关曲线有很高的辨识度，时延分析准确；对于套管下瓷套沿面这类位于油箱内部，信号传播路径复杂，波形持续时间长，呈纺锤形振荡上升再衰减的信号，最小能量法的拐点滞后现象不显著，最小能量法有较高的精度和稳定性。
3.5 局部放电特高频定位方法
特高频定位技术利用四个天线组成的传感器阵列检测局部放电电磁波信号，通过读取每路信号的起始时刻并做差值，就可以得到三个相对传播时间值，以此为基础建立传播时间-距离差方程组，也称时间差方程组。通过对该方程组求解计算，即可得到放电源的位置坐标。
4 结论
通过在实验室设置安装在油箱上的套管外部故障模型，验证了系统的可行性并验证了不同缺陷信号大致的传播路径，为现场有针对性的布置传感器提供了参考。通过多变电站的现场实测，发现了不同程度的局放信号，并进行了精确地定位，不仅验证了整套系统的有效性还累积了现场实测定位经验，形成了一套完整的现场定位流程。
参考文献：
[1]张莎，宋建成，温敏敏，等．电力变压器绝缘系统典型局部放电研究现状与展望[J]．变压器，2018，55（4）：32-40．
[2]邓岳华，阮绵晖，刘味果．高压设备绝缘在线监测系统的现场应用与分析[J]．电网技术，2004，28（16）：69-72．
论文作者:徐超
论文发表刊物:《云南电业》2019年5期
论文发表时间:2019/10/31
标签：套管论文; 信号论文; 局部论文; 电磁波论文; 波形论文; 频带论文; 缺陷论文; 《云南电业》2019年5期论文;