高樹國(guó)，趙軍，喬輝，田源，王亞林，尹毅

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司，河北 石家莊 050022；3.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240）

0 引言

換流變壓器是連接交流和直流系統(tǒng)的重要部件，換流變壓器的一次側(cè)（網(wǎng)側(cè)）繞組與交流輸電系統(tǒng)連接，二次側(cè)（閥側(cè)）繞組與直流換流閥連接。在運(yùn)行過(guò)程中，換流變壓器一方面要連接直流、交流輸電系統(tǒng)，傳輸電能，另一方面要完成電壓等級(jí)的變換，使得兩側(cè)電壓符合所需的額定電壓并且能夠處于可控的電壓偏移范圍內(nèi)。

換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用的絕緣材料包含變壓器油、聚合物紙或紙板等，絕緣形式呈現(xiàn)復(fù)合絕緣的特點(diǎn)。在正常運(yùn)行過(guò)程中，換流變壓器絕緣需要耐受不同形式的電壓，比如脈動(dòng)直流電壓、交直流疊加電壓、操作和雷電沖擊電壓以及極性反轉(zhuǎn)電壓[1-2]。對(duì)于油、紙和紙板復(fù)合絕緣，在交流和沖擊電壓作用下，各絕緣部分的電場(chǎng)分布取決于各絕緣材料介電常數(shù)的比例關(guān)系；而在直流高電壓作用下，各絕緣部分的電場(chǎng)分布主要取決于各絕緣材料的電阻率。然而，各絕緣部分的電阻率容易受到各種因素的影響，比如溫度、濕度、承受的電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)施加時(shí)間以及空間電荷積累等[3]。此外，換流閥還可能會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的情況，極性反轉(zhuǎn)瞬間，反向電場(chǎng)和積累的空間電荷電場(chǎng)同向疊加，加劇了內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，油紙復(fù)合絕緣在不同電壓形式的作用下，內(nèi)部各絕緣部分的電場(chǎng)分布不同，具有發(fā)生放電故障的風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)CⅠGRE調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，58.8%的直流輸電系統(tǒng)故障是由換流變壓器故障引起的，而換流變壓器的絕緣故障約占50%[4]。換流變壓器的故障形式主要為線圈絕緣失效、油中放電和套管故障等，放電故障是換流變壓器所有故障類型中較為主要的一部分。絕緣老化過(guò)程中，局部放電現(xiàn)象是伴隨發(fā)生的重要現(xiàn)象，也是導(dǎo)致設(shè)備故障的重要因素。針對(duì)換流變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的故障隱患，對(duì)于換流變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估和維護(hù)以及電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。換流變壓器由于承受的電壓形式多樣，其局部放電特性也與普通電力變壓器不同，對(duì)換流變壓器的局部放電特性與檢測(cè)進(jìn)行歸納和總結(jié)有助于了解換流變壓器的失效原因，輔助換流變壓器運(yùn)維并保障其可靠性。

本文對(duì)換流變壓器的局部放電研究進(jìn)行綜述，主要介紹換流變壓器局部放電現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、局部放電的主要類型、局部放電的檢測(cè)方法以及交直流混合情況下?lián)Q流變壓器絕緣局部放電特性等，旨在總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，為后續(xù)研究提供參考方向。

1 換流變壓器局部放電現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

目前針對(duì)換流變壓器的試驗(yàn)是基于ⅠEC 61378-2-2001標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中與局部放電相關(guān)的試驗(yàn)主要包括外施直流電壓耐受試驗(yàn)、極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)和外施交流電壓耐受試驗(yàn)，試驗(yàn)加壓程序如圖1所示，其中N為六脈沖橋的串聯(lián)數(shù)目，Udm為閥橋直流最大電壓，Uvm為閥側(cè)繞組最大交流相電壓。

圖1 特高壓換流變局部放電試驗(yàn)加壓程序Fig.1 Partial discharge test procedure for UHV converter transformer

（1）外施直流電壓耐受試驗(yàn)：油溫為20℃±10℃，施加電壓為正極性。非被試端子和套管在試驗(yàn)前都接地，保證電荷泄放。試驗(yàn)電壓在1 min內(nèi)升至規(guī)定水平并保持120 min，之后電壓應(yīng)在1 min內(nèi)完全降低到0。此外，在直流耐壓結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行充分的放電，排除殘余電荷的干擾。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在試驗(yàn)的最后30 min內(nèi)大于2000 pC的放電不超過(guò)30個(gè)，且最后10 min內(nèi)不超過(guò)10個(gè)可以認(rèn)為試驗(yàn)通過(guò)。

（2）極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)：油溫為20℃±10℃，非被試端子固定接地，所有套管端子應(yīng)在試驗(yàn)開始前至少接地2 h，不允許對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)先施加較低的電壓。采用雙極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)，負(fù)極性電壓-正極性電壓-負(fù)極性電壓交替，施加時(shí)間分別是90、90、45 min，每次電壓極性反轉(zhuǎn)均應(yīng)在2 min內(nèi)完成。判斷試驗(yàn)是否通過(guò)的放電次數(shù)和放電量與外施直流電壓耐受試驗(yàn)相同。

（3）外施交流電壓耐受試驗(yàn)：采用50 Hz或60 Hz的交流電壓，電壓應(yīng)施加在與各相應(yīng)端子連接在一起的每個(gè)繞組上，所有非被試端子都應(yīng)接地。局部放電測(cè)量按ⅠEC 60076-3-2013附錄A的適用部分進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器按ⅠEC 60270-2015的標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為1 h。判斷試驗(yàn)是否通過(guò)的局部放電標(biāo)準(zhǔn)和上述兩種試驗(yàn)略有不同，允許的局部放電量最大值應(yīng)不超過(guò)500 pC。

可以看出，換流變壓器的交流耐壓性能要求高于直流耐壓性能，這是由于直流電壓下局部放電的重復(fù)特性并不顯著，影響因素也更多，具有一定的偶然性，對(duì)直流下的局部放電測(cè)試要求更低。

目前報(bào)道的在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)換流變壓器進(jìn)行的試驗(yàn)大多為交流電壓下的局放試驗(yàn)。湖北省電力試驗(yàn)研究院的吳云飛等[5]對(duì)向家壩-上?！?00 kV特高壓直流輸電示范工程的換流變壓器進(jìn)行了局部放電試驗(yàn)，提出了對(duì)稱加壓與單邊加壓兩種試驗(yàn)接線方式并進(jìn)行了試驗(yàn)效果比較，如圖2和圖3所示。針對(duì)試驗(yàn)電源方案，采用了中頻電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組結(jié)合與高壓變頻電源的不同形式并進(jìn)行了比較。此外，分析了現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)中的干擾來(lái)源，采用紫外成像技術(shù)、超聲定位技術(shù)和寬頻局部放電檢測(cè)技術(shù)來(lái)抵抗干擾，現(xiàn)場(chǎng)局放試驗(yàn)表明，采用對(duì)稱加壓和單邊加壓相結(jié)合的接線方式以及中頻電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的方式試驗(yàn)效果更好。青海電科院的岳海龍等[6]研究了高海拔地區(qū)±800 kV換流變現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)技術(shù)，提出了基于變頻并聯(lián)諧振原理的試驗(yàn)裝置，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)局部放電檢測(cè)試驗(yàn)中防止電暈干擾提出了可行措施。國(guó)家電網(wǎng)公司的盧理成等[7]首次對(duì)±1 100 kV昌吉換流站的換流變?cè)陂y廳進(jìn)行了閥側(cè)外施交流耐壓及局部放電測(cè)量，提出首端加裝隔離變壓器和尾端加裝電感阻波器的雙級(jí)濾波回路，采用“扇形布局、一點(diǎn)接地”的方法，降低了地線帶來(lái)的試驗(yàn)干擾。

圖2 局部放電試驗(yàn)單邊加壓方式Fig.2 Unilateral partial discharge test method

圖3 局部放電試驗(yàn)對(duì)稱加壓方式Fig.3 Symmetrical partial discharge test method

2 換流變壓器局部放電的起因及檢測(cè)方法

2.1 局部放電的起因

換流變壓器內(nèi)部的絕緣系統(tǒng)主要是油紙復(fù)合絕緣，在設(shè)計(jì)和出廠之前已經(jīng)通過(guò)了各類電性能和力學(xué)性能校核。然而目前換流變壓器在運(yùn)行與維護(hù)過(guò)程中時(shí)有放電等異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，其原因較多，主要包括絕緣材料本身缺陷、制造過(guò)程中引入外部雜質(zhì)、運(yùn)輸貯存時(shí)引入缺陷和運(yùn)行老化。

絕緣材料本身可能存在質(zhì)量不合格的問(wèn)題，比如紙板存在裂紋、絕緣紙存在金屬和非金屬顆粒，這些絕緣材料本身的缺陷使得換流變壓器絕緣無(wú)法耐受或無(wú)法長(zhǎng)期耐受額定應(yīng)力，導(dǎo)致局部放電發(fā)生。為了避免絕緣材料本身的缺陷，重點(diǎn)部位絕緣件應(yīng)在變壓器廠內(nèi)安裝前進(jìn)行X光檢測(cè)。

此外，變壓器在制造過(guò)程中容易引入外部雜質(zhì)，這主要與制造工藝和廠內(nèi)環(huán)境控制有關(guān)，比如二次拆除或返修產(chǎn)品容易出現(xiàn)臟污、引入雜質(zhì)顆粒和人為損傷等缺陷情況。

除了在換流變制造環(huán)節(jié)引入缺陷外，運(yùn)輸和貯存過(guò)程中也容易出現(xiàn)受潮、現(xiàn)場(chǎng)組裝失誤等狀況。目前要求換流變壓器如果貯存時(shí)間超過(guò)3個(gè)月應(yīng)充油保存，且除了在充氣過(guò)程中記錄過(guò)程氣壓外，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝之前還應(yīng)測(cè)試換流變內(nèi)部氣體露點(diǎn)，評(píng)估整體絕緣狀態(tài)。

換流變壓器通過(guò)了一系列出廠和交接試驗(yàn)后，也有可能在正常運(yùn)行過(guò)程中逐漸出現(xiàn)老化的情況，產(chǎn)生油中水分、金屬毛刺、氣泡、機(jī)械缺陷等。這些缺陷會(huì)使換流變壓器油紙絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)放電并最終導(dǎo)致故障，比如油中含有的水分或者固體絕緣在電場(chǎng)或其他因素作用下發(fā)生化學(xué)分解或放電產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳，進(jìn)而形成氣泡，由于氣體的介電常數(shù)小于液體和固體絕緣，交流電場(chǎng)往往會(huì)在氣體內(nèi)部集中，容易發(fā)生局部放電，威脅絕緣可靠性[8]。

2.2 局部放電的檢測(cè)方法

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，針對(duì)50/60 Hz交流電力設(shè)備的局部放電檢測(cè)已經(jīng)形成了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)往往伴隨大量的干擾而影響局部放電的檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，局部放電檢測(cè)方法可以分為非電學(xué)方法和電學(xué)方法兩大類，這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)在表1中。

表1 不同局部放電檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of different partial discharge detection methods

2.2.1 非電學(xué)檢測(cè)法

非電學(xué)檢測(cè)法的原理是將局部放電引起的非電學(xué)物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，大多具有抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。非電學(xué)方法主要包括聲學(xué)方法、光學(xué)方法和化學(xué)方法[9-11]。

（1）聲學(xué)法是指在被測(cè)設(shè)備表面貼上壓電傳感器，檢測(cè)局部放電引起的機(jī)械振動(dòng)（聲波）。有些研究者使用聲學(xué)法來(lái)定位換流變壓器中局部放電發(fā)生的位置[12]。然而，聲學(xué)法的輸出信號(hào)頻率通常是從幾千赫茲到幾兆赫茲，振蕩信號(hào)持續(xù)幾毫秒，無(wú)法捕捉到發(fā)生在沖擊電壓快速上升沿的多個(gè)局部放電信號(hào)。此外，聲學(xué)法檢測(cè)到的信號(hào)可能不是真實(shí)的局部放電信號(hào)，而是局部放電聲波信號(hào)在被測(cè)設(shè)備內(nèi)部的反射，需要謹(jǐn)慎處理避免誤判。

（2）光學(xué)法是另一種相對(duì)較新的局部放電檢測(cè)方法[13]，它利用光電倍增管或其他光敏感器件收集絕緣中微弱的放電發(fā)光。雖然該方法具有相當(dāng)好的抗電干擾能力，但檢測(cè)必須在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，光探頭必須指向可能發(fā)生局部放電的位置，這意味著檢測(cè)人員需要提前估計(jì)可能發(fā)生局部放電的區(qū)域來(lái)布置相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)。

（3）與上述聲學(xué)和光學(xué)方法相比，化學(xué)方法最不敏感?；瘜W(xué)傳感器用于檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物，例如臭氧等。與施加電壓的周期相比，化學(xué)方法檢測(cè)的時(shí)間要長(zhǎng)很多。

2.2.2 電學(xué)檢測(cè)法

電學(xué)檢測(cè)方法是發(fā)展最完善的局部放電檢測(cè)方法[14-15]。電學(xué)局部放電檢測(cè)方法主要包括脈沖電流法和電磁法。

（1）脈沖電流法使用耦合電路或高頻電流互感器（HFCT）來(lái)檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的電脈沖，從而可以將檢測(cè)到的信號(hào)直接映射為放電量。但是，如果換流變壓器遭受快速變化的脈沖電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可忽略的位移電流來(lái)掩蓋局放電流，影響局部放電的檢測(cè)。

（2）局部放電感應(yīng)電磁信號(hào)通常具有從幾千赫茲到千兆赫茲的廣泛分布的頻譜[16]。特高頻（ultrahigh frequency，UHF）方法是最常見的局放電磁檢測(cè)方法。帶寬為300 MHz～1.5 GHz的天線常用于接收局部放電在介質(zhì)中產(chǎn)生的電磁波，廣泛用于工業(yè)在線監(jiān)測(cè)。這種方法具有較強(qiáng)的抗干擾特性和非接觸特性的優(yōu)點(diǎn)。然而，該類方法一般不具有定量檢測(cè)的條件，檢測(cè)信號(hào)的波形和幅值受到多種因素諸如天線的幅頻響應(yīng)、檢測(cè)的位置、放電信號(hào)的頻帶等的影響。

2.3 局部放電檢測(cè)的干擾來(lái)源及抑制手段

換流變壓器的局部放電檢測(cè)是在有各種干擾的環(huán)境中進(jìn)行的，局部放電信號(hào)有時(shí)可能被干擾信號(hào)完全湮沒(méi)。因此，如何最大限度地識(shí)別干擾和抑制干擾而獲得可靠的局部放電信息成為變壓器局部放電檢測(cè)中的重要研究課題。

2.3.1 干擾來(lái)源

換流變壓器局部放電檢測(cè)干擾的主要來(lái)源包括以下幾種：

（1）空間電磁干擾

電磁輻射在空間中廣泛存在，其來(lái)源也非常多樣，比如雷電、空氣中的靜電放電、無(wú)線電信號(hào)、50 Hz電磁輻射、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的輻射、電子設(shè)備的高頻輻射等。除此之外，高壓設(shè)備的裸露導(dǎo)體或者尖端產(chǎn)生的電暈也是干擾來(lái)源之一。

（2）接地部分引入的干擾

接地是高壓試驗(yàn)最為重要的試驗(yàn)準(zhǔn)備工作之一，由于大量電器設(shè)備的使用，大地表層存在多種共模干擾電流，若接地不可靠，大地中具有懸浮電位的金屬會(huì)引入靜電耦合，產(chǎn)生的干擾雜波會(huì)對(duì)局部放電測(cè)試產(chǎn)生一定影響。因此，局部放電測(cè)試中為了保證具有低的接地電阻，一般采用單點(diǎn)接地，接地銅棒的入地深度也要得到保證。

（3）換流閥動(dòng)作干擾

對(duì)于換流變壓器的現(xiàn)場(chǎng)局部放電檢測(cè)，換流閥的脈動(dòng)干擾也是不可忽視的重要來(lái)源之一。換流閥相當(dāng)于電子開關(guān)，在開通和關(guān)斷時(shí)，構(gòu)成換流閥的晶閘管或ⅠGBT兩端的電壓和電流突變，阻抗也會(huì)發(fā)生快速的變化，導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射干擾，影響換流變現(xiàn)場(chǎng)局部放電的測(cè)量。

掌握局部放電的干擾來(lái)源后，需要進(jìn)一步識(shí)別局部放電檢測(cè)中的干擾信號(hào)，主要包括以下流程：

1）在不通電不施加電壓時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，獲得除測(cè)試系統(tǒng)之外引入的外部干擾信號(hào)。

2）空載時(shí)檢測(cè)的信號(hào)與測(cè)試試樣無(wú)關(guān)，與未施加電壓時(shí)的信號(hào)比較可以甄別測(cè)試系統(tǒng)的干擾信號(hào)。

3）在通電但不施加電壓時(shí)檢測(cè)電源系統(tǒng)引入的干擾信號(hào)。

2.3.2 抑制手段

在識(shí)別出干擾的來(lái)源后，一般采用如下幾種方法抑制局部放電的測(cè)量干擾[17]：

（1）根據(jù)波形的特征進(jìn)行甄別并通過(guò)模擬或數(shù)字信號(hào)處理手段抑制干擾，比如局部放電波形大多呈現(xiàn)震蕩的脈沖形式，頻譜分布較為廣泛，相比于白噪聲等其他周期性出現(xiàn)的干擾，波形有一定差別。

（2）通過(guò)濾波器等硬件手段屏蔽或?yàn)V除干擾，例如將測(cè)試系統(tǒng)和試樣放置在法拉第籠里，使用金屬屏蔽盒保護(hù)檢測(cè)電路免受輻射干擾，選擇濾波器濾除干擾。

（3）由于局部放電信號(hào)具有很寬的頻帶，也可以通過(guò)檢測(cè)固定頻段的局部放電分量來(lái)避免其他頻段的干擾，比如檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)具有固定頻段的無(wú)線電信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，可以通過(guò)檢測(cè)其他頻段的局部放電信號(hào)來(lái)避免這些干擾。

干擾的抑制一般是從干擾源、干擾途徑、信號(hào)后處理3個(gè)方面考慮。找出干擾源直接消除或切斷相應(yīng)的干擾路徑，是解決干擾最有效、最根本的方法。以上抑制干擾的手段通常聯(lián)合使用，一般抑制噪聲干擾的思路為先硬件后軟件。在局部放電檢測(cè)前通常對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行測(cè)定，排除通信信號(hào)的干擾。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的研究可構(gòu)造相應(yīng)的微型屏蔽室。對(duì)于采集系統(tǒng)中放大器和電源等因素導(dǎo)致的不可避免的白噪聲，可通過(guò)db2和db8小波變換等方案濾除。

3 不同電壓形式下的油紙絕緣局部放電特性研究

由于針對(duì)換流變壓器本體進(jìn)行局部放電特性研究不是很現(xiàn)實(shí)，并且換流變壓器內(nèi)部絕緣的主要形式是油紙絕緣，因此大部分研究者主要針對(duì)油紙絕緣進(jìn)行局部放電特性研究。

3.1 交流電壓

交流電壓下油紙絕緣局部放電的研究主要包括：局放模式識(shí)別、局放發(fā)展過(guò)程與老化程度評(píng)估。

（1）局放模式識(shí)別

局放模式識(shí)別的目標(biāo)是希望通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法或其他手段分析局部放電信號(hào)的波形特征和統(tǒng)計(jì)特征，識(shí)別可能發(fā)生的放電故障類型，進(jìn)而判斷可能的局部放電位置。傳統(tǒng)的局放模式識(shí)別方法是通過(guò)分析多次放電疊加后的放電頻次-放電幅值-放電相位統(tǒng)計(jì)譜圖，計(jì)算形狀分布參數(shù)如偏斜度、陡峭度等，進(jìn)而根據(jù)形狀分布參數(shù)的不同判斷放電類型。另外的方法是通過(guò)分析單次波形的時(shí)頻域特征，判斷放電類型。

目前隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能方法也逐漸被應(yīng)用在局放模式識(shí)別中。使用人工智能進(jìn)行模式識(shí)別的步驟大致分為兩步：第一步為有效特征的提取。由于局部放電波形包含的頻譜廣泛，可以通過(guò)多種方法檢測(cè)，并且獲得的數(shù)據(jù)信息量大，存在冗余的情況，有效特征往往隱藏在大量的數(shù)據(jù)中，一般不會(huì)直接將原始局放信號(hào)輸入模式識(shí)別模型中。特征提取手段主要包括對(duì)局部放電信號(hào)的時(shí)域和頻域譜進(jìn)行分析，或者使用人工智能方法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維。第二步為故障類型判斷。使用人工智能算法對(duì)不同缺陷類型的局部放電信號(hào)特征量進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)局部放電類型與特征的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而對(duì)未知局部放電信號(hào)采用同樣的模型處理來(lái)識(shí)別局部放電類型。

局放模式識(shí)別的算法多種多樣，部分算法之間存在交叉和融合的特性，下面根據(jù)模式識(shí)別算法的主要類型進(jìn)行分類闡述。

1）模糊識(shí)別法

模糊識(shí)別法并不直接確定局部放電信號(hào)屬于哪種放電類型，而是通過(guò)隸屬度函數(shù)，計(jì)算出不同放電類型的識(shí)別概率，然后選擇概率高的類型作為最有可能的放電類型。模糊概率的使用提高了識(shí)別結(jié)果的泛化性能，有助于人工判斷，也可以結(jié)合專家的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的判斷，使用方式靈活。全玉生等[18]通過(guò)對(duì)不同局放類型下采集的單個(gè)局部放電特高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行小波包分解，提取熵值和能量等6個(gè)特征量，使用模糊理論計(jì)算了不同放電模式的參考量，識(shí)別結(jié)果較好。

2）聚類算法

聚類算法的核心是通過(guò)將不同類型的局部放電信號(hào)特征映射到特征空間，進(jìn)而通過(guò)特征空間上不同放電類型之間的距離來(lái)判斷放電類型。常見的聚類方法包括K-means法等。ZHU M X等[19]對(duì)局部放電信號(hào)在時(shí)域和頻域的累積能量函數(shù)進(jìn)行特征提取，并采用K-means聚類算法將多種放電類型分離，如圖4所示。但是聚類算法容易受噪聲信號(hào)的干擾，并且對(duì)于放電特征相似的放電類型難以識(shí)別[20]。

圖4 聚類分析法局部放電模式識(shí)別實(shí)例Fig.4 Clustering method for partial discharge pattern recognition

3）支持向量機(jī)法

支持向量機(jī)將局部放電信號(hào)提取的低維特征向量映射到高維空間進(jìn)行區(qū)分，因而具有較好的抗干擾性。支持向量機(jī)的參數(shù)選取對(duì)局放模式識(shí)別效果具有較大影響，比如核函數(shù)的選取和局放提取特征的不同往往會(huì)影響識(shí)別準(zhǔn)確率。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及深度學(xué)習(xí)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為應(yīng)用最廣的人工智能算法，得到了非常廣泛的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，為了學(xué)習(xí)更深層的隱藏規(guī)律，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被提出。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有大量的神經(jīng)元和學(xué)習(xí)參數(shù)，可以直接將特征提取與故障識(shí)別兩部分整合并同時(shí)實(shí)現(xiàn)。何金等[21]采用稀疏自編碼器實(shí)現(xiàn)基于相位分辨脈沖序列圖譜的特征提取，提取后使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)局放類型獲得超過(guò)80%的識(shí)別準(zhǔn)確率。除此之外，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被用于處理局部放電圖像特征和時(shí)序特征。

（2）局放發(fā)展過(guò)程與老化程度評(píng)估

華北電力大學(xué)王輝[22]對(duì)油紙絕緣局部放電進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并將放電過(guò)程劃分為放電起始階段、發(fā)展階段和嚴(yán)重階段；放電起始階段具有多種特征，放電頻次較低，放電幅值和產(chǎn)生的能量較小，放電相位集中在較窄的范圍；隨后在發(fā)展階段放電次數(shù)開始增多，能量和幅值也越來(lái)越大，放電造成的燒蝕痕跡逐漸明顯。英國(guó)南安普敦大學(xué)的H ZAⅠNUDDⅠN等[23]對(duì)油紙絕緣的沿面放電進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著外加電壓的升高，沿面放電的發(fā)展過(guò)程呈現(xiàn)4個(gè)階段，沿面閃絡(luò)發(fā)展嚴(yán)重程度受施加電壓以及施加時(shí)間的影響。局部放電是油紙絕緣老化的一種表現(xiàn)形式和先兆，不同老化程度的油紙絕緣中局部放電存在較大差異，因此可以利用局部放電的特征來(lái)診斷絕緣老化狀態(tài)。基于局部放電來(lái)評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)需要選擇出能夠表征局部放電信息、反映老化狀態(tài)的特征量。選擇特征量可以PRPD譜圖為基礎(chǔ)，也可以從脈沖信號(hào)的時(shí)域波形入手。重慶大學(xué)的楊眉等[24]在油紙絕緣多因子老化診斷方面進(jìn)行了大量研究，根據(jù)局部放電特征量和聚類分析參數(shù)，得出譜圖偏斜度可以用于評(píng)估油紙絕緣針板模型下的老化狀態(tài)，并提出油紙絕緣狀態(tài)診斷方法。

3.2 直流電壓

直流電壓下的局部放電由于施加電壓的極性不發(fā)生變化，和交流電壓下的局部放電相比呈現(xiàn)不同的特性。以油中氣隙放電為例，若直流電壓下氣隙內(nèi)發(fā)生放電，由于空間電荷的積累，在氣隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生與外施電壓相反的電場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致氣隙內(nèi)實(shí)際電場(chǎng)小于起始放電電場(chǎng)，放電不能自持，之后若空間電荷通過(guò)氣隙壁或體泄放中和，內(nèi)部電場(chǎng)逐漸增加，可能引發(fā)再次放電。因此直流電壓下放電重復(fù)周期不規(guī)律，放電頻次也比交流情況下小很多[25-27]。換流變壓器閥側(cè)繞組長(zhǎng)期承受直流高壓作用，因此很多研究人員對(duì)直流情況下油紙絕緣的局部放電進(jìn)行了深入研究。

（1）局放模式識(shí)別

荷蘭Delft科技大學(xué)的H F PETER等[28]對(duì)直流電壓下局部放電測(cè)試及其模式識(shí)別進(jìn)行了大量研究，類比交流電壓下局部放電的相位信息，引入直流下放電時(shí)間間隔概念，從而提出直流下的圖譜識(shí)別概念。意大利Bologna大學(xué)的A CAVALLⅠNⅠ等[29]根據(jù)威布爾分布的形狀參數(shù)，放電幅值和間隔時(shí)間曲線的偏斜度、陡峭度等提取的形狀參數(shù)，分析了局部放電波形的時(shí)域和頻域譜特征，并基于這些特征分辨了內(nèi)部放電、沿面放電和電暈放電。中國(guó)電科院的徐征宇等[30]總結(jié)了直流電壓下局部放電模式識(shí)別方法，指出直流局部放電的特征提取和模式識(shí)別與交流類似，主要包含統(tǒng)計(jì)特征量以及人工智能算法等，但在交流中采用的分形特征提取法和圖像矩特征法卻未得到應(yīng)用。

（2）局放特征及影響因素

國(guó)外還有文獻(xiàn)研究了直流情況下試驗(yàn)電壓幅值、加壓時(shí)間等電壓波形參量對(duì)局部放電發(fā)生頻次和放電信號(hào)時(shí)間序列的影響規(guī)律。西安交通大學(xué)的于欽學(xué)等[31]對(duì)直流下油紙絕緣的局部放電進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)油紙絕緣的局部放電重復(fù)頻率與施加電壓和溫度呈現(xiàn)正相關(guān)性。常溫下，放電隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減弱，重復(fù)頻率也逐漸減小。高溫下，局部放電重復(fù)頻率沒(méi)有衰減情況出現(xiàn)。西安交通大學(xué)的司文榮等[32]研究了直流電壓下油紙絕緣中局部放電的超高頻特性，指出不同放電類型的放電能量集中在不同的頻帶，此外，放電信號(hào)的波形也呈現(xiàn)與交流不同的特性，局部放電信號(hào)的寬度和上升下降沿參數(shù)均有所不同，為直流電壓下根據(jù)波形參數(shù)判斷局放類型提供了參考。

（3）局放演變與絕緣狀態(tài)評(píng)估

上海交通大學(xué)的白建社等[33]提出基于時(shí)間窗處理方式的直流局放特征參數(shù)提取方法，通過(guò)移動(dòng)固定寬度的時(shí)間窗，將時(shí)間窗內(nèi)的放電次數(shù)和放電量作為局部放電特征參量，反映油紙絕緣的狀態(tài)。華北電力大學(xué)的楊波[34]搭建了直流下的局放模擬系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了在恒定溫度下不同缺陷模型中的放電發(fā)展過(guò)程。研究表明直流局部放電發(fā)生的重復(fù)頻率低，局部放電在外施電壓改變時(shí)會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象，待電壓穩(wěn)定一段時(shí)間后強(qiáng)度逐漸減弱。在放電全周期直到擊穿過(guò)程中，局部放電的各特征參量如放電次數(shù)、放電量等均沒(méi)有大的變化。

3.3 交直流復(fù)合電壓

如前所述，換流變壓器中的油紙絕緣承受的電壓形式復(fù)雜，閥側(cè)繞組的絕緣也承受交直流電壓混合的情況，需要進(jìn)行復(fù)合電壓下的試驗(yàn)來(lái)研究換流變壓器絕緣的局部放電特性[35-39]。

（1）局放特征以及與其他電壓形式比較

西安交通大學(xué)的孫振權(quán)等[40-41]搭建了工頻交流、直流疊加工頻交流、直流疊加不同頻率交流、直流疊加諧波等復(fù)合電壓源以及模擬直流輸電系統(tǒng)的電源，研究了不同放電模型在不同復(fù)合電壓下的局部放電特性。研究表明對(duì)于內(nèi)部缺陷放電，交直流疊加情況下的局部放電起始電壓低于純交流情況，隨著復(fù)合電壓中交流電壓頻率的升高，放電平均幅值下降，放電重復(fù)率提高，放電相位后移。西安交通大學(xué)的麥洪等[42]研究了交流及直流復(fù)合電壓下油紙絕緣氣隙缺陷的局部放電特性，試驗(yàn)表明當(dāng)直流電壓分量較低時(shí)，放電特性由交流分量決定，隨著直流電壓比例的增加，同極性放電逐漸增強(qiáng)，而相反極性的放電得到了抑制。祝令瑜等[43]研究了油紙絕緣針板缺陷在交直流復(fù)合電壓作用下預(yù)擊穿階段的局部放電特性，實(shí)驗(yàn)表明針板缺陷油紙絕緣在直流復(fù)合電壓下，局部放電的規(guī)律不明顯，在時(shí)域范圍具有一定的隨機(jī)波動(dòng)性，平均放電幅值和周期放電數(shù)總體上隨加壓時(shí)間增加而減小。

（2）不同缺陷下的局放模式

文獻(xiàn)[44-45]設(shè)計(jì)了懸浮、沿面、針板、氣隙等不同放電模型，以平均放電量和放電重復(fù)率為特征區(qū)分了局部放電發(fā)展的不同階段，得出交直流電壓中的直流分量可有效抑制放電量和放電重復(fù)率。不同放電模式的識(shí)別可通過(guò)起始放電量、放電重復(fù)率以及氣體成分來(lái)進(jìn)行區(qū)分，懸浮放電具有較高的放電重復(fù)率，而針板模型的起始放電量最高，針板模型容易產(chǎn)生更多的甲烷[45]。清華大學(xué)的周遠(yuǎn)翔等[46-47]研究了交直流復(fù)合電壓下不同缺陷模型局部放電的起始過(guò)程，結(jié)果表明，不同的放電缺陷模型對(duì)復(fù)合電壓的波形參數(shù)和幅值呈現(xiàn)不同的敏感度。針板電極的局部放電起始電壓只與施加電壓的幅值有關(guān)，而板板電極的局部放電起始電壓與直流分量的關(guān)系不大。此外，交直流疊加電壓下油紙絕緣沿面閃絡(luò)的試驗(yàn)結(jié)果表明，在復(fù)合電壓下，沿面閃絡(luò)電壓比只施加交流電壓時(shí)低，沿面閃絡(luò)電壓隨著直流電壓分量的增加而增加。

（3）局放發(fā)展與特征演變

齊波等[48]研究了交直流疊加電壓下油紙絕緣內(nèi)部氣隙放電的發(fā)展過(guò)程，結(jié)果表明交直流疊加電壓下，油紙絕緣氣隙起始放電發(fā)生在復(fù)合電壓的交流負(fù)半周期，隨后放電的相位分布逐漸擴(kuò)散，并且正半周期開始出現(xiàn)放電，放電次數(shù)也逐漸提高。

刁常晉等[49]搭建了交直流復(fù)合電場(chǎng)下局部放電試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)，用恒定電壓和階梯升壓兩種方法研究了多種電壓形式下油紙絕緣的局部放電特性。結(jié)果表明，恒定電壓下油紙絕緣的放電呈現(xiàn)間歇性，雖然放電重復(fù)頻率不高，但單次放電的幅值較大。階梯升壓情況下，局部放電起始電壓與復(fù)合電壓中的交流電壓分量更相關(guān)。在長(zhǎng)時(shí)間的加壓過(guò)程中，復(fù)合電壓下快擊穿時(shí)局部放電強(qiáng)度增加，重復(fù)頻率較高，隨著老化程度的加深，放電特性均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

換流變壓器局部放電的研究具有很強(qiáng)的工程實(shí)際意義，隨著特高壓直流輸電系統(tǒng)輸電電壓等級(jí)的提高，換流變壓器的局部放電測(cè)量與特性研究將會(huì)越來(lái)越重要。由于直流、工頻交流以及高次諧波疊加起來(lái)的復(fù)合電壓形式是換流變壓器實(shí)際使用過(guò)程中承受的電壓形式，復(fù)合電壓下?lián)Q流變壓器油紙絕緣的局部放電特性是研究的重點(diǎn)，然而國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此還沒(méi)有形成統(tǒng)一的結(jié)論。根據(jù)換流變壓器局部放電的研究成果總結(jié)和梳理，給出了未來(lái)的研究方向：

（1）當(dāng)前換流變壓器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)僅包含單一直流或單一交流下的試驗(yàn)，對(duì)于交直流疊加下的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)仍未給出。應(yīng)根據(jù)換流變壓器電壓波形中交直流電壓的比例來(lái)制定相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而全面評(píng)估換流變壓器局部放電的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）有關(guān)換流變壓器局部放電的研究多針對(duì)于模式識(shí)別領(lǐng)域，對(duì)于故障定位方面研究較少，后續(xù)研究可通過(guò)設(shè)計(jì)天線陣列組合等方式實(shí)現(xiàn)局部放電源的定位。

（3）多傳感器數(shù)據(jù)融合有助于全面表征局部放電的強(qiáng)度以及放電規(guī)律，通過(guò)電學(xué)測(cè)量法和非電學(xué)測(cè)量法的結(jié)合能夠提供局部放電綜合信息，有望為能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建和電力設(shè)備狀態(tài)智能評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）換流變壓器油紙絕緣在50 Hz交流電壓下的局部放電研究已經(jīng)趨于完善，但有關(guān)交直流混合以及3次、5次等高頻分量下的局部放電機(jī)理和特性仍未形成統(tǒng)一的理論。