郭雪婷

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

電力變壓器的任何故障都會導(dǎo)致電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重大損失。電力變壓器一般會運行很長時間，因此，定期對其設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)測與維護十分重要。其中，局部放電（Partial Discharge，PD）是一種可以監(jiān)測的故障，通常發(fā)生在電力變壓器的絕緣系統(tǒng)中，它是變壓器產(chǎn)生絕緣劣化的主要因素之一，也是其絕緣進一步劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式。據(jù)統(tǒng)計，84%的變壓器停電是由于絕緣故障引起的[1]。在799 例對變電站變壓器進行的調(diào)查顯示，近40%的故障是由于介電問題，其中主要是局部放電[2]。

變壓器健康檢測是一種監(jiān)測變壓器工作參數(shù)的技術(shù)，有助于估計和避免絕緣系統(tǒng)的故障。它是一種無損診斷測試，用于識別絕緣系統(tǒng)中的早期故障。因此，測量設(shè)備必須在變壓器完全擊穿之前提供與變壓器相關(guān)的問題警告，以便在預(yù)定的關(guān)閉期間進行維修[3]。PD 源位置的精確定位，能夠準(zhǔn)確、快速地反映變壓器的絕緣情況，供相關(guān)人員及時制定相應(yīng)的維修措施，保證設(shè)備的運行穩(wěn)定性和可靠性。由此可見，變壓器的PD 源監(jiān)測與定位對于保障電力系統(tǒng)的安全運行具有十分重要的意義。

1 局部放電檢測方法研究現(xiàn)狀

定期的PD 測量可以幫助估計設(shè)備的未來性能和安全性。因此，必須使用至少一種局部放電監(jiān)測技術(shù)來連續(xù)監(jiān)測變壓器的狀況，以避免由于局部放電而導(dǎo)致變壓器絕緣系統(tǒng)的災(zāi)難性故障。電力變壓器有許多PD 監(jiān)測方法，如電氣、聲學(xué)、化學(xué)、光學(xué)和超高頻（Ultra High Frequency，UHF）方法。

1.1 電氣局部放電檢測方法

電氣方法是標(biāo)準(zhǔn)IEC60270 方法。該方法專注于檢測變壓器中發(fā)生局部放電事件時產(chǎn)生的電脈沖。通常它以皮克庫倫（pC）為單位對脈沖進行測量。這個方法提供了精確的校準(zhǔn)，但需要在測量電路中有足夠的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）來濾除PD 信號中的環(huán)境噪聲。電氣檢測方法的主要優(yōu)點是頻率范圍寬、靈敏度高，并且可以完成PD 源的定位，但這種方法也有一定的缺點，例如，它會受到電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的影響以及環(huán)境噪聲的影響，不適合現(xiàn)場測試。

1.2 聲學(xué)局部放電檢測方法

發(fā)生局部放電事件時，PD 脈沖形放電產(chǎn)生機械應(yīng)力，從而產(chǎn)生聲波。聲波通過變壓器內(nèi)的油向周圍傳播。通常，PD 源在變壓器內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號頻率范圍為20 kHz～1 MHz[4]，可以通過聲學(xué)傳感器進行檢測和觀察。聲學(xué)檢測方法通常應(yīng)用于高壓變壓器以及氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation，GIS）。聲學(xué)傳感器可以安裝在變壓器油箱的內(nèi)部或外部，另外，變壓器內(nèi)部聲波的傳播速度取決于介質(zhì)，在材料界面處發(fā)生的聲信號的反射和混響會導(dǎo)致聲音傳播行為的改變，因此研究聲波通過變壓器的不同部分傳播，如絕緣油、鐵芯、繞組。同電氣和化學(xué)方法相比，聲學(xué)檢測可以通過各個傳感器接收到的聲信號來定位PD 源，且不受EMI 的干擾。但是變壓器內(nèi)部聲波的分布具有復(fù)雜性，由于變壓器是不均勻的器件，聲波以均勻的波前傳播，當(dāng)聲壓波穿過變壓器的金屬部件（如鐵芯和繞組）時，波前會受到反射和折射，這使得多徑聲波在變壓器內(nèi)部傳播并發(fā)生衰減，降低了信號強度。

1.3 光學(xué)局部放電檢測方法

與通過檢測脈沖的電氣檢測方法不同，光學(xué)檢測方法主要取決于PD 源的強度、絕緣材料、溫度和壓力等因素，主要通過光學(xué)傳感器來捕獲變壓器中發(fā)生局部放電時發(fā)出的光。直接檢測方法側(cè)重于通過安裝在變壓器壁外或變壓器油箱內(nèi)來檢測PD使用光纖傳感器產(chǎn)生的光。在光聲法中，當(dāng)PD 聲壓波撞擊光纖傳感器時，其光學(xué)特性發(fā)生變化，使壓力波的結(jié)構(gòu)變形。它表現(xiàn)為纖維的機械應(yīng)力和應(yīng)變[5]。

1.4 超高頻局部放電檢測方法

超高頻（UHF）檢測用于檢測局部放電源所產(chǎn)生的電磁波。與聲學(xué)信號相比較，PD 源發(fā)出的UHF 脈沖信號電磁波傳播距離更長，且可以穿透多種介質(zhì)[6]。與傳統(tǒng)的脈沖電流法相比較，UHF 檢測法在靈敏度、精度及安裝方便性方面具有明顯的優(yōu)勢[7]。通過UHF 傳感器接收這些電磁波信號，通常PD 源在變壓器中產(chǎn)生的電磁波信號范圍為 300 MHz～3 GHz。超高頻檢測法抗干擾能力強、靈敏度高，已成為PD 源定位檢測的重要方法。

2 局部放電定位方法研究現(xiàn)狀

目前，局部放電源定位方法主要包括波達(dá)方向法（Direction of Arrival，DOA）、接收信號強度指示器 法（Received Signal Strength Indication，RSSI）、到達(dá)時間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）等[8]。DOA 法可以從UHF 信號中提取局部放電源的方位角信息，其中方位角能夠以較低的代價獲得，但精度較低；RSSI 法需要將許多測試點放置在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)以完成RSSI 指紋識別從而完成局部放電源的定位，但是它對硬件的要求比較低[9]，其局限性在于，當(dāng)信號與噪聲混合，會使得接收的信號強度信息受到影響。相比較而言，TDOA 法的原理更簡單，技術(shù)也更為成熟。

目前，在基于UHF 的檢測方法中，基于TDOA（到達(dá)時間差）算法被廣泛用于變壓器中PD 源的定位算法中[10-12]?；赥DOA 的定位方法主要包含兩個步驟，即時延的估計和非線性方程的求解。目前國內(nèi)外學(xué)者針對這兩個方面進行了研究。

2.1 時延的估計

時延是TDOA 法的一個關(guān)鍵參數(shù)。在實際檢測中，由于檢測系統(tǒng)的噪聲和采樣率等的影響，在測量和計算時延數(shù)據(jù)參數(shù)時不可避免地會存在誤差。因此，為了能夠更加準(zhǔn)確地獲得局部放電源的位置，需要準(zhǔn)確計算不同UHF 傳感器接收電磁波信號間的時延差。

XAVIER G V R 等人分別應(yīng)用第一峰值法和能量累積法來計算TDOA，確定局部放電源位置并進行對比，發(fā)現(xiàn)均有良好的定位效果[13]。湯林等人提出了對PD 源特高頻脈沖信號特征區(qū)域進行三次樣條插值，并利用廣義相關(guān)法來估計信號的時延，從而減小時延誤差[14]。當(dāng)信噪比較低甚至噪聲將信號淹沒時，通過能量累積法和閾值法難以準(zhǔn)確捕捉到信號的到達(dá)時間。互相關(guān)法需要信號與噪聲、噪聲與噪聲之間不具有相關(guān)性，對于非平穩(wěn)信號的時延估計性能較差，在實際應(yīng)用中只能用加權(quán)函數(shù)的估計值來代替理論值，使得實際性能于理論性能存在一定差距。

除了在信號處理方面由于噪聲的影響存在時延誤差，測量時延的精確性通常也會受到PD 源到接收天線傳播路徑的影響[15]。電磁波在傳輸過程中具有反射、折射和衍射等情況，對PD 源的定位構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[16]展示了最短光程原理在變壓器中電磁波傳播的適用性。高壓設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致UHF 信號傳輸出現(xiàn)偏差，不能以簡單的歐氏距離進行計算，因此TDOA 可通過物理模型轉(zhuǎn)換為求解兩點間最短路徑來改進[17-23]。在文獻(xiàn)[18]中，UMEMOTO 等人對PD 源到接收天線的傳輸路徑進行簡化，將繞組構(gòu)建為圓柱體結(jié)構(gòu)，搭建數(shù)學(xué)模型來求解局部放電源到傳感器間的距離，將理論求得的TDOA 值與現(xiàn)場試驗進行對比，得到了較好的結(jié)果。

2.2 非線性方程的求解

基于TDOA 法建立的非線性方程組，無法直接進行求解。傳統(tǒng)的求解方法為數(shù)值解算法，即直接通過迭代法求解非線性方程，如牛頓法[24]、最小二乘法[25]等。它們在非線性迭代過程容易受到初始值的影響，在實際測量中，當(dāng)初始值的精度不高時，容易導(dǎo)致迭代不能收斂，甚至出現(xiàn)無解。

常規(guī)迭代算法很難求解復(fù)雜的非線性方程組，因此需要對非線性方程組本身進行轉(zhuǎn)換。FRESNO等人提出采用迭代雙曲最小二乘法和非迭代最大似然估計器法結(jié)合求解基于TDOA 的非線性方程組[26]。WANG 等人提出一種基于變電站局部放電正則化的非線性變換定位算法。通過消除二階項對基于TDOA 建立的非線性方程進行線性化，得到線性定位方程。然后應(yīng)用中心化和行平衡來處理定位方程，通過L 曲線法計算正則化參數(shù)，最后，采用Tikhonov 正則化法求解線性定位方程，確定局部放電位置[27]。NING 等人提出一種截斷奇異值分解（TSVD）正則化的定位算法，利用球面線性變換方法對非線性方程進行變換，再利用TSVD 正則化方法求解線性方程組[28]。這些方法有很好的表現(xiàn)，但是方法較復(fù)雜，計算需要消耗內(nèi) 存資源。

3 結(jié)語

變壓器中的局部放電會逐漸降低絕緣性能，從而導(dǎo)致變壓器故障。實現(xiàn)PD 源的準(zhǔn)確定位，對于保證電力安全和提高電力系統(tǒng)的整體效率非常重要。在UHF 檢測法中，基于TDOA 法來實現(xiàn)局部放電源的定位需要準(zhǔn)確估計時延。目前的研究大多只關(guān)注于特高頻信號本身的處理，很少考慮變壓器內(nèi)部有源結(jié)構(gòu)對時延誤差的影響。目前的定位算法研究大多基于TDOA 非線性方程組，沒有考慮變壓器內(nèi)部有源結(jié)構(gòu)的影響。有些研究提出的定位算法較為復(fù)雜，加大了計算量，使得定位所需時間大大增加，當(dāng)在現(xiàn)場需要快速定位時無法滿足。