收稿日期:2000204219
作者简介：王国利(19752)，男，山东籍，博士生，主攻电力设备诊断技术的研究。
王国利，郝艳捧，李彦明
(西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049)
摘要：本文概述了电力变压器局部放电检测技术的研究现状，着重论述了近几年发展起来的数字化测量和超高频(UHF )检测，并对电力变压器局部放电检测技术的发展前景作了探讨。
关键词：电力变压器；局部放电；检测
中图分类号:T M855 文献标识码:A 文章编号:100323076(2001)022*******
1 前言
随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力变压器绝缘劣化的重要原因，因而局部放电的检测和评价也就成为绝缘状况监测的重要手段。因此，无论是研究机构、制造厂商，还是电力系
统运行部门，都愈来愈关心局放检测技术的发展，并广泛地把局放检测作为质量监控的重要指标。 局部放电的检测都是以局放所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局放的状态。电力变压器局放过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及生成一些新的生成物，并引起局部过热。因此，相应的出现了电脉冲检测法、超声波检测法、光测法、化学检测法、红外检测法等多种检测方法。对于常见的检测方法，本文作了简单介绍，并讨论了它们各自的优缺点。近几年来，局放检测在数字化测量、超高频(UHF )检
测等方面有了较快的发展，本文详细介绍了
它们的原理及应用情况，并讨论了它们在未来应用中的前景。最后指出，超高频检测和数字化测量的结合，将是未来的电力变压器局放检测(特别是在线检测)的发展方向。
2 常见的局部放电检测方法
[1]
(1)超声检测法
用固定在变压器油箱壁上的超声传感器可以接收到变压器内部局放产生的超声波，由此来检测局放的
大小及位置。通常采用的超声传感器是压电传感器，选用的频率范围为70-150kH z ，目的是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声。由于超声法受电气干扰小以及它在局放定位上的广泛应用，人们对超声法的研究较深入。但变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样；目前使用的局放检测超声波传感器抗电磁干扰能力较差，灵敏度也不很高，这就增加了超声检测的难
度。
超声检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中，它是主要的辅助测量手段。随着对局放超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度及绝缘劣化程度。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展，超声检测的灵敏度有了较大的提高，因而该方法的发展应用还是非常有希望的。
(2)光测法
光测法是利用局放产生的光辐射进行的。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，研究表明通常在500-700nm之间，光电转换后，通过检测光电流的特性可以实现局放的识别。虽然在实验室中利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度
低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在实际中应用。
尽管如此，光纤技术已作为其他方法(特别是超声检测)的辅助手段应用于变压器的局放检测中。文[2]对利用光纤超声传感器伸入到变压器内部测量局放的方法作了研究：将光纤伸入到变压器油中，当变压器内部发生局部放电时，超声波在油中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光折射率和光纤长度的变化，从而光波将被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，可实现放电定位。
(3)化学检测
当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局放的状态。
DG A法是通过检测变压器油分解出的各种气体的组成和浓度来确定故障(局放、过热等)状态的。目前，该方法已广泛应用于变压器的在线故障诊断中，故障类型不同、故障程度不同，气体的组成和浓度也不相同，由此建立起来的模式识别系统可实现故障的自动识别。但直到今天，仍没有形成统一的判断标准。由于气体传感器对所检测的各种气体均敏感，导致检测准确度不高；油气分析是一个长期的监测过程，因而对发现早期潜伏性故障较灵敏，但不能反映突发的故障。
(4)红外热像法
它是利用变压器内部局放产生的电热能量转换来检测局部区域的温度变化。红外热像仪用于定性测量有其一定意义，但该方法目前用于定量研究还存在困难。
(5)脉冲电流法
它是通过检测阻抗、检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局放引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种检测方法,IEC对此制定了专门的标准。检测变压器局放脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成。电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器频宽一般在10kH z 左右，中心频率在20-30kH z之间或更高，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，但输出波形严重畸变；宽带传感器带宽为100kH z左右或更宽，中心频率在200-400kH z之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。该方法的主要缺点是:(a)由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因此当试样的电容量比较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度也受到了一定的限制;(b)测试频率低，一般小于1MH z，因而包含的信息量少;(c)在离线状态其灵敏度较高，而现场中易受外界干扰噪声的影响，抗干扰能力差。
(6)射频检测法
利用罗哥夫斯基线圈从变压器的中性点
处测取信号，测量的信号频率可以达到30MH z，大大提高了局部放电的测量频率，同时测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统的运行方式。对于三相电力变压器，得到的信号是三相局放信号的总和，无法进行分辨；且信号易受外界干扰。随着数字滤波技术的发展，射频检测法在局放在线检测中得到了较广泛的应用。
3 数字化局部放电测量
近年来，随着电子技术的飞速发展和电子计算机的广泛应用，计算机辅助测试系统在变压器局部放电中的应用越来越广泛。人们将计算机辅助测试系统与传统的测试方法相结合，将测得的局放信号经放大、滤波后进行AΠD转换，将模拟量转换成数字量后送入计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图和统计量，由此来分析变压器的局部放电情况[3]。电力变压器数字化局部放电测量系统普遍采用如下的框图结构:
测量→局放图形→特征提取→识别分类→识别结果
↑
数据库
(1)谱图分析：即通过建立放电相位、放电量、放电能量和放电次数之间的关系，绘制反映局放不同特
征的各种谱图。如反映放电次数、放电量和放电相位的三维谱图H
n
(q,
φ)，以及由此衍生的H
q
(φ)(H qm(φ)、H qn(φ)、H qs(φ))、H n(φ)和其他二维谱图，如H w(φ)
(H
wm
(φ)、H wn(φ)、H ws(φ))、H n(W)、H n(q)，其中，下标m、n、s分别表示最大值、平均值和累计值。通过这些谱图可以反映放电在不同方面的特征，从而从总体上概括放电的大部分有效信息。
(2)特征提取：就是将反映放电特征的信息从局放谱图中提取出来，它要求表达形式简洁，以便提高后续对特征量识别的效率，但同时必须能够反映放电的全部信息。将局放参数进行傅立叶或其他数学变
换(Haar变换、K arhunen2Loeve变换、W olsh Hadamaed变换等)可得到一系列统计算子(指纹)，如：偏斜度Sk、突出度K u、局部峰个数Pe、放电不对称度Q、相位不对称度φ、互相关因子cc、相位中值μ、修正相关因子mcc等，利用这些特征指纹可以进行放电类型识别。
(3)数据库：将放电数据存储下来形成一个数据库，作为识别时进行数据比较的依据。数据库的结构和建立方法各不相同，常采用设备2问题2指纹的树形结构，能较清楚地反映不同放电缺陷在不同部位中的归属。
(4)识别分类：就是对局放类型加以识别。常见的是统计概率分类法和距离分类法，以及模糊识别、专家系统等识别系统。近年来，随着神经网络和人工智能理论的应用，已经可以建立具备自我学习功能的识别系统[4,5,6]。只要将已知的放电模式输入系统，经过有限次的学习训练过程，系统经自我调节内部神经元之间的权值，自行建立模型库，当未知缺陷的特征量被输入时，与已知模型进行比较，出最相似的，从而达到识别的目的。
数字化测量为局部放电的研究提供了强有力的手段，使局放测量技术进入了一个新阶段。通过数字化测量，可以使研究和检测人员更准确、更简单地了解变压器的绝缘情况，从而使得局放识别不再象以前那样主要依靠测试人员的试验经验。迄今为止，数字化测量都是针对脉冲电流法进行的，它根据IEC270标准进行检测，具有许多明显的优点，但仍存在一些不足：测量频率低(1MH z以下)，损失了
大量局部放电特征信息；用于在线检测时，易受现场干扰影响；现有标准指纹库提供的标准放电指纹太少，难以全面准确地诊断。
4 超高频(UHF)局部放电检测
针对传统检测方法的不足，近几年出现了一种新的检测方法—超高频(UHF)检测法。超高频局放检测通过传感变压器内部局部放电所产生的超高频(300-3000MH z)电信号，实现局部放电的检测和定位，并实现抗干扰。
每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。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。变压器油2隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数G H z。研究表明，变压器中局部放电脉冲上升沿时间基本上为1-2ns[7]，因此，它发射的电磁波中超高频分量相当丰富。这些超高频成分可以用电容传感器或超高频天线加以接收。
UHF法与脉冲电流法不同：脉冲电流法的频率测量范围一般不超过1MH z，而UHF 法的频率范围为30
0-3000MH z。脉冲电流法中，将试品看作一个集中参数的对地电容，发生一次局部放电时试品电容两端产生一个瞬时的电压变化，通过耦合电容在检测阻抗中产生一个脉冲电流；而UHF法中传感器并非起电容耦合的作用，而是接收超高频信号的天线。
超高频局放检测技术近年来得到了较快地发展，在一些电力设备(如GIS、电机、电缆、变压器)的检测中已经得到应用[8]。由于GIS的结构为用UHF法进行局放测量提供了极为有利的条件，电磁波在其中以波导的方式传播，有利于局放信号的检测，因而该方法在GIS局部放电在线检测中起着极为重要的作用，其灵敏度可达到1pC[9]。UHF法在电机、电缆中也有较成功的应用，有的已形成产品[8]。对电力变压器而言，局部放电发生在变压器内的油2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超高频电磁波检测的难度，所以，深入研究油2隔板绝缘和箱壁对超高频电磁波传播机理的影响是十分必要的。
UHF法中的关键技术是传感器和灵敏度。传感器多采用电容传感器或超高频天线。传感器的放置位置对于UHF法检测灵敏度的大小是至关重要的。变压器的外壳铁箱把很大部分的放电辐射屏蔽掉了，但仍有少量电磁波由接缝及出线端口散出，而设备出口导线与地线上的脉冲波也会产生一定辐射。由于导线上的电感及辐射损耗，辐射强度沿出口导线衰减很快，因此当传感器放置在出线端口时，用UHF法检测其灵敏度较低。若将该传感器放在变压器内部，不仅可以提高检测灵敏度，还能减少变压器的
外部干扰。文[10]中，将宽带阿基米德平面螺旋天线(300-1200MH z)插入油阀中，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输，从而提高了UHF法的检测灵敏度(灵敏度可达到10pC)。该方法现场操作起来比较简单，已用于电力变压器局部放电在线检测中[11,12]。
在检测现场，干扰源多且干扰信号幅值大，这极大地增加了局放信号提取的难度。采用超高频检测局部放电主要有以下优点: (a)局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正
指纹读取器
比，当只考虑检测仪元件(如放大器等)的热噪声对灵敏度的影响时，用超宽频带(UW B)检测有更高的灵敏度，例如对在半峰值处有1.5ns宽度的局部放电脉冲，在1MH z带宽的局放灵敏度为0.1pC，在350MH z带宽灵敏度达0.01pC[13]。(b)大量研究表明，在变压器使用现场，变电站的背景噪声(通常小于200MH z)和空气中电晕产生的电磁干扰(通常小于400MH z)频率一般均较低，可用宽频带UHF法对其进行有效抑制；而对超高频通信、广播电视信号，由于它们有固定的中心频率，因而可用窄频带UHF法将其与局放信号加以区别。由此可见，用合适的超高频传感器可以测量真实的局部放电脉冲，以便分析变压器绝缘中局部放电的性质和物理过程。因此，用UHF法能有效地抑制外部干扰和提高信噪比。
目前，对于基于超高频传感的电力变压器局部放电检测，人们研究较少。由于UHF 法明显的优越性，
可以预料未来该方法的应用是非常有希望的，这就需要加大对电磁波在变压器中传播机理的研究以及研制实用性强的传感器[14,15]。同时，在放电量标定、放电严重程度判断、放电类型判别、检测方式选择和检测规程建立等方面仍需要大量的试验研究和经验积累。
5 未来的发展
声测法、光测法和化学检测等非电检测法，由于其抗干扰性好、受电气特性影响不大且操作方便，因而在未来的检测中将会有进一步发展。目前，声测法作为主要的辅助测量手段，随着对局放超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度，从而有可能形成从检测到定位的局放判别标准。由[2]可看出，光测法在未来的局放检测中也将起到一定的作用，随着光纤技术及光纤传感器的发展，该方法作为其它方法的辅助还是有一定意义的。化学检测在变压器故障诊断(特别是在线监测)中有着极其广泛的应用，形成的模式识别系统也有了较大的发展，可实现故障的自动识别，随着研究的进一步深入，未来建立统一的判断标准对故障诊断将有极大的推动作用。
脉冲电流法是目前国际上唯一有标准的局放检测方法，尽管测量频率低、频带窄、信息量少，但依据IEC270标准进行测量，所得数据具有可比性，目前是不可替代的。随着科技的发展，信号分析技术(神经网络、指纹分析、专家系统、模糊诊断、分形等)越来越多地应用到变压器局放检测中，对那些按IEC270标准测量得到的放电数据，进行模式识别和绝缘剩余寿命评估，推动了局放检测技术的发展。
射频检测给我们提供了一条新的途径—可以通过检测远高于传统测量频率的局放信号来对电力变压器进行诊断，消除干扰的影响，从而实现局放脉冲信号精确提取。近几年发展起来的超高频法就是该思路的发展，利用超高频法研究变压器的局部放电，克服了传统的脉冲电流法测量频率低、频带窄的缺点，可以较全面地研究局部放电的本征特征。尽管近年来对变压器局部放电进行超高频检测还处于初步探索阶段，但由于它的一系列潜在的显著优点，因而在局放检测(特别是在线检测)中将有广阔前景。
超高频检测和数字化测量两者的结合，在未来的变压器局放检测中将会发挥重要作用。研究变压器中各种典型局放类型在超高频中的特征，建立变压器局放指纹库，利用数字化测量的处理方式，可实现局部放电的自动识别。要实现以上检测思路，应解决以下关键技术：研制超高频局部放电传感器；研制超高频局部放电测试系统；研究超高频局放信号的实时高速采集技术；研究干扰的抑制和局放信号的提取技术；研究超高频局放信号的放电量标定问题；建立变压器超高频放
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