电气设备局部放电检测技术述评

电气设备局部放电检测技术述评局部放电(partialdischarge,PD,简称局放)是绝缘介质中局部区域击穿导致的放电现象。与击穿或者闪络不同,局部放电是绝缘局部区域的微小击穿,是绝缘劣化的初始现象[1-2]。电气设备绝缘材料多为有机材料,如变压器油、绝缘纸、环氧等。通常电气设备绝缘体所承受的电场分布是不均匀的,而电介质本身通常也是不均匀的,如气体-固体复合绝缘、液体-固体复合绝缘等。即使是单一的绝缘介质,在制造、运行过程中也会在介质内部出现气泡、杂质等其他物质,这就导致了在绝缘介质内部或表面会出现高场强区域,一旦这些区域的场强高到足以引起该区域的局部击穿,就会出现局部区域的放电,而此时其他区域仍会保持良好的绝缘性能,这就形成了局部放电。它可能产生在固体绝缘孔隙中、液体绝缘气泡中或不同介电特性的绝缘层间。如果电场强度高于介质所具有的特定值,也可能发生在液体或固体绝缘中。局部放电不会立即导致绝缘整体的击穿,但其对绝缘介质的危害异常严重。一旦介质中出现局部放电,通过对其周围绝缘介质不断侵蚀,最终会导致整个绝缘系统的失效。局部放电是造成绝缘劣化的主要原因,也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式,与绝缘材料的劣化和绝缘体的击穿过程密切相关,能有效地反映设备内部绝缘的潜伏性缺陷和故障,尤其对突发性故障的早期发现比介损测量、色谱分析等方法要有效得多[3-4]。绝缘介质中局部放电现象的研究已经有了近80年的历史[5]。众多研究者通过试验研究、理论分析、物理建模等方法研究了局部放电的产生机理及基本的放电特性,研究结果表明局部放电与外加电压的类型、绝缘介质本身的材料特性、缺陷处的电场分布及放电所产生的空间电荷有着密切的关系[6-8]。局部放电的检测都是以局部放电发生时所产生的各种物理量的检测为基础。当介质中发生局部放电时,会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热及一些新的化学产物,与此相应的出现了电学检测法、声学检测法、光学检测法及化学检测法等。当设备内部发生局部放电时,对局部放电源的定位往往借助这些常见的检测方法,通过多个传感器的检测和空间信号分析等进行局部放电源的定位。此外对检测到的放电信号还需要进行放电类型的识别,因此借助于各种信号分析和智能算法的模式识别方法也是局部放电研究的一个重要内容。随着局部放电研究的深入,众多运行单位和研究者也发现单纯采用传统的放电量、放电频率等参数已经无法满足对设备绝缘状态的评估,利用多个局部放电的相关信息进行局部放电源的危险程度评估也是目前的研究热点。作为电气设备绝缘性能重要的评价手段,局部放电的检测与分析是研究机构、设备制造厂商及电力系统运行部门最为关心的问题,特别是随着近年来高电压等级电网的大量建设,对设备安全可靠运行的重视程度日益增加,电气设备局部放电的研究及现场应用获得了极大的进展。本文针对电气设备局部放电的检测及分析,综述了近年来局部放电检测和分析方面的相关重要研究成果,讨论了目前电气设备局部放电研究及实践中存在的问题及可能的解决思路,提出了今后研究和应用中可能的发展方向。1局部放电的检测技术电气设备的局部放电测量会在设备出厂、现场试验及设备运行过程中进行,对检测结果的准确分析需要局部放电的强度、模式及定位3方面信息的准确获得。检测技术是局部放电分析的基础,模式识别给出了导致发生局放的原因及类型,定位则给出了局放源的准确位置,而局部放电的强度则给出了当前局部放电活动的剧烈程度,这3方面信息的结合才能进行介质绝缘状态的合理准确评估。局部放电的检测技术一直以来都是局部放电研究领域的重点,目前常用的方法主要有以下几种。1.1脉冲电流法脉冲电流法是目前唯一有国际标准的局部放电检测方法[9],它是通过获取测量阻抗在耦合电容侧或通过Rogowski线圈从电力设备的中性点或接地点测取由于局部放电所引起的脉冲电流,可以获得诸如视在放电量、放电相位、放电频次等信息。传统的脉冲电流法可分为宽带和窄带测量2种,宽带检测法的下限检测频率为30~100kHz之间,上限检测频率500kHz,检测频带宽度为100~400kHz,其具有脉冲分辨率高、信息相对丰富的优点,但信噪比低。窄带检测法的频带宽度较小,一般为9~30kHz,中心频率为50kHz~1MHz,其具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点,但脉冲分辨率低、信息不够丰富的缺点[10]。针对传统脉冲电流法的不足,近年来有研究者采用更高的检测频带进行局部放电脉冲电流的检测,文献[11-14]采用带宽为30MHz的测量阻抗进行局部放电脉冲电流信号的测量,该方法采用独特的基于波形特征分类的数据处理方法进行噪声的剔除,即根据噪声脉冲和局放脉冲在脉冲波形特征上的区别,将脉冲在时域和频域进行变换,计算每个脉冲的等效带宽W和等效时间T,将其投影到2维T-W平面进行聚类分析,根据噪声聚类和局放信号聚类的不同从而得到放电信号和噪声的分离。该方法的流程图和实际效果如图1所示。该方法基于局部放电的宽频带测量,采用脉冲波形特征进行噪声的抑制,有别于之前的采用调频进行噪声抑制的思想,近年来得到了广泛的应用,文献[15]等将其利用在交流、直流下多个局部放电源的分离、识别方面,取得了较好的效果。脉冲电流法多应用于电气设备的出厂试验中,有学者将其应用于变压器等设备的在线监测,并采用极性鉴别的方式进行放电信号和噪声信号的抑制。但总的来说,脉冲电流法测量频率低、频带较窄、信息量相对较少,抗干扰能力较弱,但依据IEC60270标准进行测量,所得数据具有可比性,目前是不可替代的,也是局部放电检测领域最为重要的方法。图1利用等效时频进行噪声抑制的示意图Fig.1Schemaofde-noiseusingequivalenttime-frequencyanalysis1.2特高频检测法绝缘介质中每次局部放电均会发生正负电荷中和,并伴随有1个陡的电流脉冲,同时向周围辐射电磁波。已有研究表明,局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关[16-18]。当放电间隙比较小时,放电过程的时间比较短,电流脉冲的陡度比较大,辐射高频电磁波的能力比较强;而放电间隙的绝缘强度比较高时,击穿过程比较快,此时电流脉冲的陡度比较大,辐射高频电磁波的能力比较强。研究表明在SF6气体及变压器油纸绝缘中局部放电所辐射出的电磁波范围可达数GHz的特高频范围。通过对特高频电磁波的检测可实现对局部放电的检测,SF6气体中的局部放电特高频电磁波信号及其频谱分布的例子如图2所示[18]。局部放电的特高频检测最早是在气体组合电图2SF6气体中的局放特高频电磁波信号及其频谱分布Fig.2UHFsignalsanditsfrequencyofPDunderSF6gas器(gasinsulationswitchgear,GIS)上进行研究并应用,文献[19-20]系统研究了GIS中局部放电辐射特高频电磁波的产生机理及相应的检测方法;文献[21-23]则系统的研究了GIS中特高频电磁波的传播特性,研究结果表明局部放电信号在GIS中是以横电磁波(TEM)和横电波(TE)、横磁波(TM)的形式传播的,GIS的同轴结构相当于导引电磁波的波导管,TE波与TM波在其中传播的截止频率取决于GIS的结构尺寸,同时由于间隔的作用,1个GIS系统如同一系列的谐振腔,谐振腔中信号传播损耗小,信号传播时间长,通常1个ns级的局部放电信号可以持续10ms以上,有利于信号的检测。对变压器而言,局部放电通常发生在变压器内的油-隔板绝缘中,由于绝缘结构的复杂性,电磁波在其中传播时会发生多次折反射及衰减,同时,变压器内箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响,这就大大增加了局部放电特高频电磁波检测的难度,文献[24-25]对变压器中局部放电特高频电磁波的检测及传播特性进行了较多的研究。研究结果表明油中放电上升沿很陡,脉冲宽度多为ns级,能激励起1GHz的特高频电磁波,该研究组还在实验室中检测到了变压器油中几种典型缺陷放电的特高频信号,并将研制的特高频天线插入实际变压器的油阀中,天线面与油箱内壁在同一平面上,将所测得信号通过一个波导结构从变压器中导出并送入检测装置,这样电磁波到达传感器时衰减较少,同时波导结构也有利于电磁波的无损传播,从而提高特高频法的检测灵敏度(可达10pC)。此外,文献[26]在对GIS中局部放电特高频检测的研究基础上,也对其在变压器中的应用进行了实验室研究,并进行了现场实测,在变压器顶部靠近高压侧的箱体上开一介质窗,特高频天线通过介质窗提取局部放电信号,取得了一定的成果。特高频法局部放电检测的方法有特高频宽带检测法和特高频窄带检测法2种。2种检测方法的区别如图3所示。特高频窄带测量的中心频率通常为几百MHz、带宽为几十MHz,如图3(a)所示,以选择中心频率为600MHz,带宽为100MHz为例,则送入检测系统的频带为550~650MHz,窄带检测方法可以任意选择频带,因而可避开现场的许多干扰,能较有效地抑制外部干扰和提高信噪比,但其检测的是1个较窄频带内的信号,检测信号的能量会受到限制。西安交通大学的特高频局放检测是典型的窄带检测设备,其采用混频的方法实现特高频信号的窄带检测,并在现场得到了较好的效果[27]。而宽带检测法则将检测频带内的所有信号都送入检测系统,如图3(b)所示,这种情况下信息量大,可以在足够宽的频率范围内对局部放电进行检测,避免遗漏放电特征峰。但如果有检测频带之内的干扰信号,会造成信噪比低,影响后续的分析。英国DMS公司的特高频局部放电检测设备是典型的宽带检测设备[28]。特高频检测法由于具有良好的抗电晕性能而适合于局部放电的在线监测,特别是近年来随着局部放电在线监测的快速发展,特高频法在电气设备局部放电的在线监测方面的应用越来越广泛。就特高频法本身而言,近十几年来并未有大的改变,但特高频信号的检测技术,特别是特高频传感器技术近年来的发展较快,涌现出了一系列不同结构、不同形式及适用于不同场合的特高频传感器。对GIS进行特高频局部放电检测的传感器主要有内置式和外置式2种。内置传感器中常用的是平板式和锥形传感器,文献[29]研究结果表明,平板式传感器在300MHz~3GHz范围内具有优良的频图3两种特高频检测方法的差异Fig.3DifferenceoftwoUHFdetectionmethods率响应特性,当信号的频率越高时,传感器的增益越大。锥形阻抗与电缆匹配,这种传感器的灵敏度高于平板式传感器。2种传感器的结构如图4所示。双螺旋阿基米德天线和平面等角螺旋天线也是2种应用较为广泛的特高频传感器。文献[30]研究了双螺旋阿基米德天线,已将其应用于变压器的特高频局部放电检测,文献[31-32]研究了等角螺旋天线,对其结构特征、影响因素等进行了探讨。这2种传感器的结构形式如图5所示。图中,R为天线半径,δ为旋转角,ρi(i=1,2,3,4)为扇面半径,O为原点,D为天线直径随着分形技术的发展,近年来出现了1种基于分形思想的特高频传感器。分形传感器可实现传感器的小型化和多频带。分形传感器中Hibert分形天线是1种结构简单、性能优良的天线。这种天线图形连续,不存在交叉点,曲线自相似迭代,随着分形阶数的增加从1维空间填充到2维空间[33-34]。图6为3阶和4阶Hilbert分形天线。图4平板和锥形特高频传感器Fig.4DiscandconeUHFsensors特高频传感器的研究是近年来的一个热点,除了以上较为成熟的传感器,圆环形、半圆板偶极子天线、二次元对数周期天线等大量的新型传感器形式不断涌现[35],它们具有各自的优缺点,但其应用效果还需要进行现场的进一步验证。目前使用较多的特高频传感器均是无源型,也有学者将信号的滤波、放大等信号处理单元与传感器集成,形成有源传感器。有源传感器信号就地处理,减少了传输中的损耗,但其供电通常采用电池,使用方面没有无源传感器方便。总的而言,对于特高频局部放电检测,其与脉冲电流法在频带上具有较大差异,在检测方法上脉冲电流法主要是“路”的检测,而特高频法主要是“场”的检测,虽然2者检测的是同一