陶賢亮，陳天翔，李　威，陳　剛

(1.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；2.中國科學院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

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基于光纖傳感器測試變壓器內(nèi)部局部放電試驗

陶賢亮1，陳天翔1，李威2，陳剛2

(1.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；2.中國科學院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

采用JFD-251局部放電檢測儀，建立不同電極形狀的放電模型模擬變壓器內(nèi)部局部放電故障，測試變壓器內(nèi)部局部放電特征值，包括放電起始電壓、尖端放電電壓、熄滅電壓等.在此基礎(chǔ)上采用新式光纖傳感器進行變壓器內(nèi)部局部放電試驗.試驗發(fā)現(xiàn)：放電脈沖間隔隨著試驗電壓的增大而減??；光纖傳感器測得的放電量與局部放電測試儀測得的放電量有著很好的正相關(guān)性.

變壓器；放電試驗；內(nèi)部局部放電；光纖傳感器

電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其能否安全穩(wěn)定運行與變壓器絕緣狀況有著直接關(guān)系.內(nèi)部局部放電是電力變壓器絕緣劣化和發(fā)生事故的主要原因之一，研究變壓器內(nèi)部局部放電能夠預(yù)示變壓器內(nèi)部的絕緣狀態(tài)[1]，對保證電力變壓器安全運行具有重要意義.高壓電力變壓器內(nèi)部由于某些原因出現(xiàn)了不同程度的缺陷[2],在強電場的作用下，缺陷處可能發(fā)生局部放電，特別是絕緣內(nèi)部存在氣泡時，在氣泡處首先發(fā)生游離，產(chǎn)生局部放電[3-6].目前，較常用的電力變壓器局部放電檢測方法主要有超聲波探測法、光學檢測法、絕緣油氣像色譜分析法、脈沖電流測量法等[4-9].但這些方法的穩(wěn)定性和可靠性有所欠缺.本文主要采用光纖傳感器對電力變壓器內(nèi)部局部放電進行試驗研究.

1　不同形狀電極局部放電試驗

電力變壓器局部放電檢測系統(tǒng)試驗原理圖如圖1所示.高壓電源經(jīng)濾波器濾波后通過一個高壓濾波阻抗變壓器進入回路，被測試品電容低壓端與檢測阻抗輸入端串聯(lián)，耦合電容與被測試品電容并聯(lián)，接于高壓濾波阻抗變壓器末端，檢測阻抗接地端與耦合電容接地，檢測阻抗輸出端接到JFD-251局部放電檢測儀.其中，局部放電檢測儀的接地端必須接地.

根據(jù)放電理論與變壓器局部放電的部位及類型，模擬變壓器內(nèi)部放電的情況.采用銅箔紙分別制作成一個直徑5.4 cm的小球，直徑13.5 cm的大球和一個尖端電極作為本次實驗的不同電極.這3種電極所模擬的電場均勻程度不同，充分反映了不同電場強度下的放電情況.

JFD-251局部放電檢測儀專門用于變壓器、互感器、避雷器等電力設(shè)備的局部放電測量，具有2個通道，頻率為50 Hz，檢測靈敏度為0.1 pC.通過JFD-251局部放電檢測儀測得不同電極形狀下試驗電壓與放電量關(guān)系如圖2所示.

通過JFD-251局部放電檢測儀測量3種不同形狀的電極放電情況，發(fā)現(xiàn)3種不同形狀電極當施加電壓在5 kV左右時，出現(xiàn)了局部放電.隨著施加電壓不斷增加，放電脈沖間隔不斷減小，放電量逐漸增加，8～9 kV之間有很大變化，之后放電量趨于穩(wěn)定.通過測量放電起始電壓與熄滅電壓的關(guān)系，可得出局部放電熄滅電壓小于起始電壓，兩者差值有變化，但變化不是很明顯.尖端電極放電量隨電壓的變化比球形電極激烈，隨著試驗電壓的升高首先是放電量和脈沖數(shù)的增加，當電壓達到某一數(shù)值后轉(zhuǎn)為放電量的增加，脈沖數(shù)基本保持不變.由于環(huán)境干擾以及檢測設(shè)備準確度的影響，該方法結(jié)果存在一定誤差，下文將在此研究基礎(chǔ)上模擬光纖傳感器測試變壓器內(nèi)部局部放電試驗.

2　光纖傳感器測試變壓器內(nèi)部局部放電試驗

2.1可行性分析

通過查閱相關(guān)資料，得知變壓器內(nèi)部局部放電其頻帶大概為幾十千赫茲，其中在頻帶為40～100 kHz時，變壓器內(nèi)部局部放電的外部干擾最小.變壓器內(nèi)部局部放電的程度不同，所產(chǎn)生的光信號頻率和強度不同，本文通過模擬光纖傳感器采集變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的光信號來反映變壓器內(nèi)部實際局放的情況.考慮到兩者產(chǎn)生的光信號在頻率、強度等特征方面是否一致對方案可行性的影響，因此針對這一方案的可行性，2015年1月在中國科學院半導(dǎo)體研究所進行了第三方測試.對內(nèi)置式光纖傳感器測試采用了如圖3所示的測試原理圖.試驗中采用針形放電電極.電極兩端的電壓是由試驗變壓器產(chǎn)生的.固定兩個針形電極的間距，通過改變試驗變壓器的輸出電壓改變電極的放電強度.在試驗中，改變試驗變壓器的輸出電壓值，同時記錄下該電壓下的局部放電測試儀的測量值和內(nèi)置式光纖傳感器的輸出信號.

對內(nèi)置式光纖傳感器所得脈沖在時間上的分布進行直方圖統(tǒng)計，并對統(tǒng)計結(jié)果采用以下公式擬合：

(1)

式(1)中：y為數(shù)量；x為脈沖間的時間間隔；a和b為擬合參數(shù)，b表征放電脈沖的頻率變化.擬合結(jié)果如表1所示.表1中b1,b2,b3為3次同等條件下的3組測試結(jié)果，b_mean為3組測試的平均值，U為施加的測試電壓，Q為局放儀檢測的放電量.通過對表中數(shù)據(jù)分析可以得出，內(nèi)置式光纖傳感器輸出信號的特征參數(shù)b與局放儀檢測結(jié)果呈正相關(guān)關(guān)系.測試結(jié)果表明：內(nèi)置式光纖傳感器的輸出信號特征參數(shù)與針形電極的放電強度呈正相關(guān)的關(guān)系，本文采用光纖傳感器捕捉變壓器內(nèi)部局放產(chǎn)生的光信號與變壓器實際產(chǎn)生的光信號在頻率、強度等特征方面高度一致，光纖傳感器捕捉變壓器內(nèi)部局放產(chǎn)生的光信號可以用來表示變壓器實際產(chǎn)生的光信號的特征，因此，采用光纖傳感器測試變壓器內(nèi)部局部放電具有可行性.

表1　擬合參數(shù)b變化與局部放電儀測量結(jié)果

采用光纖傳感器測試變壓器內(nèi)部局部放電具有以下優(yōu)點：1)改變光纖的位置或者利用多根光纖確定最佳測量位置可以提高測量的精確度；2)針對微弱的放電過程，可以通過對電路板進行改進與優(yōu)化，如重新選擇更加適合的A/D芯片，增大存儲空間，連續(xù)采集多個周期的完整波形，將完整的數(shù)據(jù)送到PC機進行分析(統(tǒng)計分析、能量分析、頻域分析等)和處理，從而對放電量進行標定來提高測量精確度.而傳統(tǒng)測試方法則需要更換精度更好的測量設(shè)備提高檢測精確度，增加了測量成本，實驗所用的高電壓會對設(shè)備和人身安全帶來一定的隱患，設(shè)備接線處是否良好等因素也影響了測量結(jié)果的準確度；3)采用光纖傳感器測量局部放電可以實現(xiàn)遠距離智能化操作，提高了測量過程的安全性，在節(jié)能和安全方面較之傳統(tǒng)方法有了很大的改善.

2.2試驗儀器及過程

試驗儀器包括高壓放電設(shè)備，熒光光纖，傳輸光纖，光電倍增管，數(shù)據(jù)采集板，控制板及便攜式計算機.變壓器箱體頂部加以蓋子，四周加螺絲固定防止蓋子偏移.蓋子上除了兩個套管孔，還設(shè)計一個四方形的可開合關(guān)閉的口子，為了便于模擬變壓器內(nèi)部局部放電.在箱體底部設(shè)有一個接地端和一個閥門，作用是根據(jù)需要從閥門放入導(dǎo)線或光纖，模擬變壓器底部的放電.

局部放電會伴隨光信號產(chǎn)生，通過熒光光纖捕捉光信號將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號來檢測局放.不同強度的局部放電，產(chǎn)生的光信號頻率和強度均有所不同，因而得到的電信號頻率和幅值也會有所不同.將熒光光纖放入高壓放電設(shè)備(長1.5 m，寬、高均為1.2 m金屬密閉箱體，頂部裝有兩個安放電極的絕緣套管)底部，沿對角方向固定.本次數(shù)據(jù)采集中箱體和其中一個套管電極接地，對其中一個套管電極施加電壓，記錄脈沖出現(xiàn)的時間間隔及幅值.調(diào)整電極伸出長度和光電倍增管的控制電壓，按相同方式測得多組數(shù)據(jù).

2.3試驗結(jié)果及分析

光電倍增管控制電壓為0.79 V時，測得電極伸出套管外15 cm時3種情況，即未放電、放電不明顯、放電較明顯，平均脈沖間隔分別為23.981 0，26.887 9，7.878 7 ms.

測試12種不同試驗電壓下脈沖間隔的平均值變化，繪制脈沖平均間隔隨試驗電壓改變而變化的曲線如圖4所示.由圖4可以看出，隨著施加電壓的增大，脈沖間隔平均值總體上呈現(xiàn)減小趨勢，尤其在20 kV以后，下降幅度更大.在20 kV之內(nèi)脈沖間隔平均值有出現(xiàn)增大的趨勢，但增大的幅度并不明顯.

改變電極伸出套管的長度，重復(fù)上面的測量過程，得到脈沖平均間隔在不同電極長度、不同試驗電壓下的分布情況如圖5所示.從圖5可以看出，在試驗電壓增加的過程中，無論電極伸出長度為多少，脈沖平均間隔整體上呈現(xiàn)下降趨勢.20 kV之后由于放電明顯，頻率有明顯的變化，因此可以很容易判斷出出現(xiàn)局部放電.在20 kV之內(nèi)，觀察到圖5中脈沖平均間隔有略微的上升.

為了進一步了解20 kV以內(nèi)的放電情況，增加了測量的次數(shù)(試驗電壓從5 kV起按1 kV步長增大，完成測量后調(diào)整光電倍增管控制電壓為0.85 V后再測量一組數(shù)據(jù))，得到試驗電壓與脈沖平均間隔的關(guān)系如圖6所示.電極伸出套管長度為10 cm.從圖6可以看出，從15 kV開始，隨著試驗電壓的升高脈沖間隔平均值開始呈現(xiàn)下降趨勢.在15 kV以內(nèi)，數(shù)據(jù)差別并不明顯，可能是數(shù)據(jù)的波動.考慮到初期放電時，放電程度較弱，產(chǎn)生的信號脈沖幅度較小僅在脈沖頻率上有所增加.而目前的數(shù)據(jù)采集板采集的信號并非完整的信號波形，由于已做初步處理(設(shè)定幅度閾值，僅采集超過閾值的脈沖)，因此初期放電較小的信號脈沖未采集到，從而導(dǎo)致幅值和脈沖間隔均未有明顯的變化.另外，由于光電倍增管是能量累積型的，試驗過程中裝置漏光激發(fā)熒光光纖產(chǎn)生的噪聲也會對小幅度的信號脈沖產(chǎn)生一定干擾且這種影響是累積的，因而可能造成如圖6所示的數(shù)據(jù)波動.

2.4局部放電檢測儀與光纖傳感器測量結(jié)果的相關(guān)性分析

通過局部放電檢測儀與光纖傳感器測量變壓器內(nèi)部局部放電的試驗研究二者測量結(jié)果的相關(guān)性，兩者測得的放電量之間的關(guān)系如圖7所示.從圖7可以看出，局部放電檢測儀與光纖傳感器測得的放電量存在很強的正相關(guān)關(guān)系.

3　結(jié)論

1)通過測試各種電極形狀的放電情況，研究了其試驗電壓值與放電脈沖關(guān)系.隨著外加試驗電壓的增大,放電的脈沖數(shù)會增加，當電壓達到某一值后轉(zhuǎn)為放電量的增加，脈沖數(shù)基本保持不變.

2)光纖傳感器測得的脈沖間隔隨著施加電壓的增加而減小，測得的放電量與局部放電儀測得的放電量有著很強的正相關(guān)性.

3)光纖傳感器測試變壓器內(nèi)部局部放電的優(yōu)點:a)改變光纖的位置或者利用多根光纖來確定最佳測量位置可以提高測量的精確度;b)針對微弱的放電過程，為提高檢測靈敏度，可以通過對電路板進行改進與優(yōu)化即可，同時采用光纖傳感器測量局部放電可以實現(xiàn)遠距離智能化操作，大大提高了測量過程的安全性.在節(jié)能和安全方面有了很大的改善.對比發(fā)現(xiàn)光纖傳感器用于變壓器內(nèi)部的局部放電測量有著很好的發(fā)展前景.

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[3]馬永翔．高電壓技術(shù)[M]．北京：北京大學出版社，2008：77-82.

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(責任編輯李寧)

Partial Discharge Test in Transformer Using Optical Fiber Sensor

TAO Xianliang1，CHEN Tianxiang1，LI Wei2，CHEN Gang2

(1.School of Electrical Engineering & Automation，Xiamen University of Technology， Xiamen 361024，China； 2.Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China)

Using JFD-251 partial discharge detection system，a discharge of different electrode shape model was set up to simulate the partial discharge fault in transformer，to test the characteristic value of partial discharge in transforme，including the initial discharge voltage，point discharge voltage and voltage.On the basis of this，a new optical fiber sensor was used to test the partial discharge in the transformer.The study has found that the discharge pulse interval decreases with the increase of voltage，that discharges measured by partial discharge device and optical fiber sensor shows a positive correlation.

transformer;discharge test;partial discharge;optical sensors

2015-10-21

2015-12-03

福建省科技計劃項目(2015H0041)；廈門市科技計劃項目(3502Z20111008)

陶賢亮(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為高電壓絕緣及試驗技術(shù).通訊作者：陳天翔(1966-)，男，教授，博士，研究方向為電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)。E-mail：1245251621@qq.com

TM83

A

1673-4432(2016)03-0040-05