文章编号：1674-0629(2008)01-0036-05 中图分类号：TM761 文献标志码：A变压器局部放电定位技术及新兴UHF方法的关键问题*唐志国，李成榕，常文治，王彩雄，盛康（电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，华北电力大学，北京 102206）The Partial Discharge Location Technology of Power Transformer and the Key Issues of Newly Developed UHF MethodTANG Zhi-guo, LI Cheng-rong, CHANG Wen-zhi, WANG Cai-xiong, SHENG Kang(Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control, Ministry of Education,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)Abstract：As an effective resort of finding potential insulation defects of power transformer in its early stage, the partial discharge (PD) detection technology has gained great breakthrough on the issue of anti-interference with the introduction of UHF method. This paper summarized the present status and characteristics of several important PD detection and location methods, pointing out some key problems of PD location using the newly developed UHF approaches in its current circumstances of development.Key words：power transformer; partial discharge; detection; location; UHF method摘要：局部放电检测作为一种发现潜在绝缘缺陷的早期预警技术，近年来由于UHF方法的引入而在抗干扰方面取得了一定的突破。
本文概述了几种主要的电力变压器局部放电检测和定位方法的现状和特点，并针对新兴的UHF局放检测和定位技术的发展情况，指出了该方法应重点解决的关键技术问题。
关键词：电力变压器；局部放电；检测；定位；UHF方法大量故障统计表明，在电气设备故障中绝缘故障一直占有较高的比重[1-4]。
发生绝缘故障的原因主要是绝缘薄弱处的局部放电引起的绝缘老化和失效，并最终导致绝缘击穿[5]。
局部放电检测能够提前反映变压器的绝缘状况，及时发现设备内部的绝缘缺陷，从而预防潜伏性和突发性事故的发生。
20世纪70年代，IEC为此制定了专门的标准，并做了多次更新[6,7]，发展电力设备的状态维修已经成为一种必然趋势[8-10]。
准确地局部放电定位是实现状态维修的重要前提之一。
探索更加有效的定位方法是当今电力工业的当务之急。
1 变压器局部放电检测方法综述对变压器局部放电有脉冲电流法、超声波法、射频检测法、特高频法、光测法、化学检测法以及红外检测法等多种检测方法[11,12]。
（1）脉冲电流法。
局部放电造成电荷的移动并在外围测量回路中产生脉冲电流，通过检测该脉冲电流便可实现对局部放电的测量。
该方法一般是检测脉冲电流信号的低频部分，通常为数kHz至数百kHz（至多数MHz）。
目前，脉冲电流法广泛用于变压器型式试验、预防和交接试验、变压器局部放电实验研究等，其特点是测量灵敏度高、放电量可以标定等。
（2）射频检测法。
射频检测法属于高频局部放* 长江学者和创新团队发展计划资助。
第1期唐志国，等：变压器局部放电定位技术及新兴UHF方法37电测量，其检测频带已达甚高频(VHF)范围，测量频率达30 MHz。
该方法利用罗戈夫斯基线圈从变压器中性点测取局部放电信号。
射频检测法使用方便，检测系统不会影响变压器的运行方式[13]。
超宽频带[14-17]（UWB）局部放电检测技术(上限频率可达GHz)具有测量频带宽、信息量大等优点，可以较全面地研究局部放电的特性。
（3）气相色谱法。
这是一种基于油中气体成分分析(DGA)的化学检测方法。
变压器中发生的局部放电将导致各种绝缘材料发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测各种气体生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。
目前，该方法广泛应用于变压器故障类型和故障程度的诊断，IEC为此制定了三比值法的推荐标准。
气相色谱法的优点是不受外界电磁干扰影响，准确度较高，且对早期潜伏性故障较灵敏，但不能反映突发性故障。
（4）超声波检测法。
根据超声波信号进行局部放电的判断分析，典型的超声波传感器的频带大多为50～200 kHz。
该方法的优点是不影响电气主设备的安全运行，并且受电磁干扰影响较小[18]；缺点是放电源和超声探头之间的波阻抗异常复杂，超声波信号常常因为传播途径复杂、衰减严重而导致检测灵敏度很低。
光纤技术已经应用在局部放电的超声波探测上，变压器内局部放电产生的超声波挤压光纤并导致光波在光纤中传播时受到调制，采用合适的调制解调器可以把局部放电的超声波信号提取出来，可以避免传统的油—钢复合路径所造成的影响[19-21]。
采用光学技术对电气设备局部放电的检测技术达到现场应用还有很大距离，其主要原因在于光学设备造价高、检测稳定性不高[22]。
（5）红外检测。
这是基于局部放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像原理实现热点测量。
但由于变压器结构和传热过程的复杂性，目前变压器红外检测针对于一些变压器外部故障（包括导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和变压器套管故障等）[23]。
（6）UHF法。
这是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，实现局部放电的检测。
在20世纪80年代末，UHF法测量局部放电首先应用在GIS设备中[24]。
该技术的特点在于：检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高；而且可识别故障类型和进行定位[25]。
UHF检测的特点使其在局部放电检测领域具有其他方法无法比拟的优点，因而在近年来得到了迅速的发展和广泛的应用[26,27]。
变压器油/隔板结构的绝缘强度比较高，理论上其局部放电能够激发出很高频率的电磁波，最高可达数GHz[28,29]。
1996年Rutgers首先将UHF技术应用于变压器的局部放电测量[30]。
他们在实验室中检测到了几种缺陷放电的UHF信号，研制了300～1 200 MHz的UHF天线并通过放油阀将其用于实际变压器中，其检测灵敏度可达10 pC。
英国Strathclyde大学的Judd等人在GIS特高频检测研究的基础上，也对变压器局部放电UHF检测进行了研究[31,32]。
他们以盘式电容作为传感器并通过在变压器箱体顶部开介质窗的方式安装，传感器耦合的局放信号送入频谱分析仪，选取最优频率后，使用频谱仪的POW模式进行分析。
法国ALSTOM输配电研究中心的K. Raja等人在实验室内研究了各种典型局部放电模型的UHF特性，通过频谱仪的Zero Span方式检测，并据此建立了模式识别方法[33,34]。
此外Raja等人在真实变压器模型上实验证实了UHF方法的灵敏度远高于超声法，且基本不受纸板等绝缘物的影响[35]。
国内方面，西安交通大学李彦明[28,36-39]等人在变压器的局部放电UHF检测方面作了许多工作，他们基于混频技术建立了频带可调的窄带检测系统，通过神经网络方法实现了局部放电类型的自动识别。
华北电力大学李成榕等人则采用检波技术对原始UHF信号进行调理[40]，并研制了基于检波技术的电力变压器在线监测装置。
该装置已经于2003年10月底通过变压器事故放油阀在河南某220 kV 主变上进行了在线安装和运行，并成功地检测到局部放电信号。
之后又发明了UHF人孔、手孔等传感器安装方式[41-43]，在将该技术实用化方面做出了一些成绩。
清华大学则试图通过在变压器内部引出线的附近安置UHF天线的方法来测量变压器的内部放电，在实验室内和现场都进行了探索[44]。
近年来，国内外还出现了通过射频和超声波进行联合来检测局部放电的方法。
联合检测有利于发挥两种方法的优势来保证局部放电检测的可靠性，而且可替代电气脉冲-超声波法进行定位[45]。
如澳大南方电网技术 2008年第2卷38利亚的西门子研究机构研制了射频和超声波复合探头，并通过变压器油箱上的油孔或观察窗以内部安装的方式进行放电检测[46]。
目前，基于UHF的局部放电检测技术在学术界和工程界都得到了广泛关注，将局部放电UHF检测技术应用于变压器的研究已经成为当前的一个研究热点。
2 变压器局部放电定位技术的研究进展目前局部放电定位的方法主要有超声波定位法、电气定位法两种。
2.1 超声波定位方法超声波定位方法是20世纪80年代开始发展，90年代趋于成熟的一种局部放电定位方法，目前这种方法已得到比较广泛的应用。
超声波定位方法利用放电产生的超声信号和电脉冲信号之间的时延，或直接利用各超声信号时延进行定位。
国内外对超声定位都做了许多研究[47-51]，并发展了三角定位法(球面方程法)、双曲面定位法、V型曲线法、顺序定位法和模式识别法等多种方法，其中以三角定位法和双曲面法研究最多。
（1）三角定位法。
这是以局部放电电信号作为触发基准，通过3个(或以上)传感器测量超声波信号与电信号的时间差，以此作为超声信号的传播时间，并由此建立球面方程求解局部放电点。
现场有时难以有效地获取局部放电的电信号，此时即可采用双曲面法来进行定位。
（2）双曲面定位法。
这是在变压器外壳上放置4个(或以上)超声传感器，以最先接收到的超声脉冲为时间基准，测量其他超声信号的时延，并由此建立双曲面方程组求解局部放电点。
为简化问题，三角定位法和双曲面算法假定声速为常数。
实际上由于变压器结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样，因此定位误差很大。
为此，研究人员基于最小二乘原理对这两种算法进行了改进，具体方法是增加传感器的数量，并将超声波的等值声速作为变量来处理，从而得到等值声速和局放点位置[52]。
