陳晨，陳悅，劉衛(wèi)東，高文勝

（1．國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310052；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084）

變壓器局部放電在線檢測(cè)的地線傳感法研究

陳晨1，2，陳悅1，劉衛(wèi)東2，高文勝2

（1．國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310052；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084）

局部放電在線檢測(cè)對(duì)監(jiān)視電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義。提出了1種檢測(cè)變壓器局部放電的地線傳感方法，只需要對(duì)變壓器進(jìn)行較小的改造即可進(jìn)行局部放電檢測(cè)。選取較高的檢測(cè)頻段，以達(dá)到較高的測(cè)量靈敏度。通過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法用于變壓器局部放電檢測(cè)的可行性。在此基礎(chǔ)上對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，分析了實(shí)際檢測(cè)得到的信號(hào)特性，對(duì)今后的實(shí)際測(cè)量提出了建議。

變壓器；局部放電；檢測(cè)方法；地線傳感

0 引言

對(duì)電力變壓器進(jìn)行局部放電在線檢測(cè)具有重要意義。通過監(jiān)測(cè)局部放電的發(fā)生，能夠早期發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的絕緣劣化，避免重大事故發(fā)生[1-3]。變壓器局部放電檢測(cè)的主要方法有脈沖電流法、超聲檢測(cè)法、氣相色譜法、特高頻法、光測(cè)法等[4-8]。特高頻法選取了較高的頻段，從而可有效避開現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響，但是現(xiàn)有的特高頻方法往往需要對(duì)變壓器進(jìn)行改造，有可能對(duì)變壓器運(yùn)行造成不良影響[9-14]。

本文提出一種檢測(cè)變壓器局部放電的新思路，即地線傳感法，試圖減小測(cè)量對(duì)變壓器運(yùn)行的影響，同時(shí)達(dá)到比較高的測(cè)量靈敏度。通過仿真和實(shí)驗(yàn),對(duì)地線傳感法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)測(cè)量得到的放電信號(hào)進(jìn)行分析。

1 地線傳感方法的基本原理

每一次局部放電都將產(chǎn)生正負(fù)電荷的中和，伴隨產(chǎn)生1個(gè)較陡的電流脈沖，在周圍激發(fā)高頻電磁場(chǎng)，并向周圍輻射電磁波。研究表明，局部放電擊穿過程越快，電流脈沖的陡度越大，則輻射高頻電磁波的能力越強(qiáng)。大量實(shí)驗(yàn)表明，在變壓器內(nèi)部發(fā)生的局部放電脈沖上升沿時(shí)間能夠達(dá)到納秒級(jí)，輻射的電磁波涵蓋甚高頻（VHF）乃至特高頻（UHF）頻段[15-17]。通過檢測(cè)放電引發(fā)的高頻電磁輻射，能夠?qū)ψ儔浩鲀?nèi)部的局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，衡量設(shè)備的絕緣性能。

局部放電發(fā)生時(shí)激發(fā)出電磁輻射，在變壓器內(nèi)部的各種導(dǎo)體，如繞組、接地線等均會(huì)受電磁場(chǎng)激發(fā)，感應(yīng)出與局部放電相關(guān)聯(lián)的高頻電磁波。變壓器鐵心接地線經(jīng)由出線套管從變壓器內(nèi)部延伸到外部，從而也將所感應(yīng)的放電信號(hào)攜帶到變壓器殼體以外。

地線傳感方法的思路就是在變壓器外部測(cè)取鐵心接地線上的放電信號(hào)，表征局部放電的發(fā)生。

常規(guī)的鐵心接地線經(jīng)過引線套管引至變壓器體外，在外部連接扁平地線，順著變壓器外殼引入地下。變壓器一旦制造完成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不能隨意更改的，只能對(duì)外部的接地線部分進(jìn)行改造，使之便于測(cè)量得到放電信號(hào)。

測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地線傳感方法示意

對(duì)地線進(jìn)行彎折處理，使地線上附加產(chǎn)生1個(gè)等效的小電感。由于接地線仍使用扁平金屬線，有較高的電導(dǎo)率，等效電感值也很小，對(duì)工頻表現(xiàn)出的阻抗極小，該結(jié)構(gòu)幾乎不改變工頻接地阻抗值，保證變壓器鐵心可靠接地，不影響變壓器正常運(yùn)行。而當(dāng)局部放電信號(hào)經(jīng)由接地線傳播時(shí)，由于頻率達(dá)到了甚高頻至特高頻頻段，等效電感會(huì)表現(xiàn)出很大的阻抗，放電信號(hào)會(huì)在接地線兩端形成明顯的壓降UAB，因此可以通過測(cè)量這一電壓降來監(jiān)測(cè)局部放電。因?yàn)樽冸娬粳F(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境惡劣，空間存在著大量的電磁干擾，如果不加屏蔽，這些干擾信號(hào)都會(huì)耦合到外露的接地線上，從而影響測(cè)量效果。因此還要為測(cè)量段的接地線增設(shè)金屬屏蔽罩，以屏蔽空間干擾，同時(shí)將測(cè)量段地線末端與屏蔽罩相連，屏蔽罩與變壓器金屬外殼相連，保證地線末端、屏蔽罩都為地電位，使外露地線上耦合的干擾信號(hào)能夠從屏蔽罩傳播，不影響測(cè)量部分。

概括來看，地線傳感方法的原理就是以變壓器內(nèi)部的鐵心接地線作為耦合單元，感應(yīng)放電輻射；對(duì)變壓器殼體外部的接地線進(jìn)行改造，使其成為測(cè)量單元，測(cè)取放電信號(hào)。

相對(duì)于目前常用的脈沖電流法以及超聲測(cè)量方法，地線檢測(cè)方法選取了較高的頻段，主動(dòng)避開大多數(shù)的干擾頻段，使其在電磁環(huán)境惡劣的變電站現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)；相對(duì)于特高頻檢測(cè)方法，地線檢測(cè)方法對(duì)變壓器的改動(dòng)較少，降低了檢測(cè)成本，同時(shí)避免因大規(guī)模改造而造成影響變壓器正常運(yùn)行的可能。

2 時(shí)域有限差分仿真

2.1 時(shí)域有限差分（Finite-difference Timedomain）方法簡(jiǎn)介

FDTD（時(shí)域有限差分）方法是一種在時(shí)域中求解電磁場(chǎng)問題的方法，是由Kane S.Yee在1966年提出的。該方法將空間區(qū)域離散化并劃分為立方體網(wǎng)格，以給定的空間網(wǎng)格點(diǎn)的電磁參數(shù)代表整個(gè)空間的電磁特性。在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解有限差分方程，通過類似蛙步跳躍式步驟，用前一時(shí)刻的電磁場(chǎng)值得到當(dāng)前時(shí)刻的電磁場(chǎng)值，并在每一時(shí)刻將此過程求遍整個(gè)空間，從而得到整個(gè)空間電磁場(chǎng)的時(shí)域信息[18，19]。

2.2 仿真模型的建立

首先在計(jì)算機(jī)中使用FDTD方法，對(duì)地線傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真運(yùn)算，從仿真角度驗(yàn)證其測(cè)量的可行性。

由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于仿真計(jì)算，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。因?yàn)閷?shí)際測(cè)量中主要關(guān)心的是變壓器鐵心接地線，尤其是接地線伸出變壓器外殼之外的部分，因此可以在仿真模型中忽略無關(guān)的繞組和其他導(dǎo)體。

仿真模型選取了變壓器上蓋板、鐵心接地線和屏蔽罩3個(gè)部分，與圖1中的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。仿真模型如圖2所示。

變壓器鐵心接地線采用20 mm×5 mm的理想導(dǎo)體，接地線折成三匝，間距50 mm。以線電流源模擬局部放電，置于變壓器腔體內(nèi)部，長2 cm，注入高斯電流脈沖。

圖2 地線檢測(cè)結(jié)構(gòu)的仿真模型

網(wǎng)格劃分為5 mm×5 mm×5 mm，時(shí)間步長9.629 ps，最高頻率6 GHz。

2.3 仿真結(jié)果分析

向模擬放電源注入如圖3所示的高斯電流脈沖，幅值1 A，脈寬0.96 ns。電流源產(chǎn)生的輻射場(chǎng)向空間傳播，接地線處于輻射場(chǎng)中，感應(yīng)出與模擬放電相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，并沿地線傳播至變壓器外。圖2（b）中地線上A點(diǎn)對(duì)外殼的電壓如圖4所示，其波形已不同于電流源的高斯脈沖，而是振蕩衰減的波形，說明地線在耦合電磁輻射時(shí)有特定的頻率響應(yīng)特性，在信號(hào)沿地線傳播的過程中，地線匝間、地線和周邊導(dǎo)體間有相互感應(yīng)和諧振的現(xiàn)象，使得在某些頻段的信號(hào)被加強(qiáng)而在另一些頻段被減弱。

2.4 仿真小結(jié)

FDTD仿真證明：鐵心接地線能夠耦合變壓器內(nèi)的放電信號(hào)，并且能夠通過改造后的地線結(jié)構(gòu)，在變壓器外部測(cè)量到局部放電信號(hào)。

圖3 高斯電流脈沖波形

圖4 仿真計(jì)算波形

3 局部放電試驗(yàn)

3.1 放電模型及測(cè)量方式

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)典型的油中沿面放電進(jìn)行測(cè)量，采用的沿面放電試品結(jié)構(gòu)如圖5所示，測(cè)量裝置示意圖如圖6所示。

圖5 沿面放電試品

接地金屬盒內(nèi)的部分為改造后的地線結(jié)構(gòu)，用以測(cè)量局部放電信號(hào)，外部的地線通過金屬盒上的小孔穿入金屬盒內(nèi)部，模擬變壓器內(nèi)部鐵心接地線經(jīng)由出線套管伸出變壓器腔體，地線伸出金屬盒外1.4 m。實(shí)驗(yàn)室本身屏蔽良好，環(huán)境噪聲較低，因此可以省去圖中虛線所示的變壓器外殼結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)室空間設(shè)置的放電源相當(dāng)于變壓器內(nèi)部發(fā)生的局部放電，屏蔽盒內(nèi)則相當(dāng)于變壓器殼體之外的測(cè)量單元。

實(shí)際試驗(yàn)中，采用了如圖7所示的3種不同地線結(jié)構(gòu)作為測(cè)量單元，在驗(yàn)證可行性的同時(shí)比較不同結(jié)構(gòu)的靈敏度和頻率響應(yīng)特性。伸出金屬盒外的地線作為耦合單元保持不變。

3.2 放電波形分析

使用沿面放電模型，施加電壓15.8 kV。放電源距離地線端部1.4 m。試驗(yàn)中所捕獲的局部放電時(shí)域波形及其頻譜分析結(jié)果如圖8—10所示。

測(cè)量結(jié)果表明，使用地線傳感的方法能夠檢測(cè)到局部放電信號(hào)，且3種地線結(jié)構(gòu)都測(cè)量到了局部放電。

從時(shí)域上看，放電波形信號(hào)幅值大約為11～ 22 mV。不同結(jié)構(gòu)的地線，信號(hào)幅值有所不同，多次測(cè)量結(jié)果均表明，1號(hào)地線信號(hào)幅值最大，達(dá)到20 mV以上，2號(hào)、3號(hào)幅值相對(duì)較小，約12 mV。

從頻域上看，測(cè)量得到信號(hào)能量主要集中在50～300 MHz的頻段。一方面，由地線傳感法的原理可知，在頻率較高時(shí)地線上才能獲得較高的壓降，因此低頻段能量較小；另一方面，由于高頻信號(hào)在空間傳播的損耗比較大，局部放電信號(hào)在傳播到地線的途中，高頻成分有比較大的衰減，同時(shí)，地線傳感方法使用變壓器本身的鐵心接地線作為耦合元件，而沒有特意引入寬頻天線來接收放電信號(hào)，地線的長導(dǎo)線結(jié)構(gòu)對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)效率較低，所以，在高頻段的能量也比較小。不同結(jié)構(gòu)的地線，所得信號(hào)的頻譜也略有不同，1號(hào)地線測(cè)得信號(hào)頻率較高，在100～300 MHz，2號(hào)、3號(hào)地線相似，在50～200 MHz。

對(duì)比3種結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)地線結(jié)構(gòu)測(cè)量的靈敏度較高，信號(hào)能量也分布在較高的頻段上，是這3種結(jié)構(gòu)中最為理想的一種。

圖7 試驗(yàn)中使用的3種地線結(jié)構(gòu)

圖8 1號(hào)地線測(cè)量波形及頻譜分析

圖9 2號(hào)地線測(cè)量波形及頻譜分析

圖10 3號(hào)地線測(cè)量波形及頻譜分析

4 結(jié)論

（1）仿真計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的地線傳感方法能夠檢測(cè)到變壓器內(nèi)部的放電信號(hào)，理論分析和仿真均驗(yàn)證了該方法用于變壓器局部放電檢測(cè)的可行性。

（2）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室模擬的地線結(jié)構(gòu)能夠有效檢測(cè)變壓器中典型的油中沿面放電信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了地線傳感方法的可行性。

（3）分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，在測(cè)量油中沿面放電時(shí)，地線傳感方法所得信號(hào)頻率范圍大約為50～300 MHz。

（4）實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)，幾種不同地線結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的測(cè)量靈敏度及頻率響應(yīng)特性有所不同，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以進(jìn)一步優(yōu)化得到理想的測(cè)量結(jié)構(gòu)。

（5）地線傳感方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的可行性得到了充分驗(yàn)證，下一步還要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行的變壓器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)這種方法進(jìn)行研究。

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（本文編輯：龔皓）

Research on the Ground Wire Sensing Method for On-line Partial Discharge Detection of Transformers

CHEN Chen1，2，CHEN Yue1，LIU Weidong2，GAO Wensheng2
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310052，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

On-line partial discharge detection is of great importance for monitoring the operating status of pow

er transformers.A new method for detecting partial discharge of power transformer using ground wire sensing method is proposed，in which only tiny reconstruction of transformer is needed to detect partial discharge. High-frequency band is chosen to acquire higher sensitivity.Computer simulations and experimental tests are used to verify the feasibility of grounding wire sensing method for partial discharge detection of transformers. On the basis above，signals captured by several different structures are analyzed and suggestions are proposed for practical measurement in the future.

transformer；partial discharge；detection method；ground wire sensing

TM855+.1

：B

：1007-1881（2014）12-0021-05

2014-05-08

作者簡(jiǎn)歷：陳晨（1988-），男，浙江杭州人，助理工程師，從事電力設(shè)備在線檢測(cè)相關(guān)的研究。