王国利，郝艳捧，李彦明
（西安交通大学，陕西西安710049）
摘要：概述了电力变压器局部放电定位的研究现状，探讨了其实用化中存在的主要问题及今后的发展趋势。关键词：电力变压器；局部放电；定位
中图分类号：TM403.2文献标识码：B文章编号：1001-8425（2001）11-0022-06
1前言
局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因。自20世纪中期起，人们就开始对局部放电作了较深入的研究［1，2］，并取得了很大的进展。目前，对于变压器内部发生的局部放电，人们已基本能通过采用多种检测手段检测到。随着数字信号处理技术的迅速发展，放电脉冲的提取［3］也较容易做到。对于变压器制造厂家和现场监护人员来说，在确定变压器内部存在局部放电后，快速准确地对局放源定位，这对于迅速排除故障、保障电力系统的正常运行具有重要意义。
局部放电的定位是根据局部放电过程中产生的电磁波、声、光、热和化学变化等现象，其定位方法有电
气定位、超声波定位、光定位、热定位和DGA（Dis-sOived Gas Anaiysis）定位等。目前，国内外研究最多、应用最广泛的是超声波定位法和电气定位法。超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播的方向和时间来确定放电位置的。而电气定位法则是根据局部放电产生的脉冲传播到测量端的特性来确定放电位置的。本文拟对各种超声波定位法和电气定位法给以总结，并就实用中存在的主要问题及今后的发展趋势进行探讨。
2超声波定位方法
当变压器内部发生局部放电时，会伴随有超声波能量的放出，超声波在不同介质（油纸、隔板、绕组、油等）中向外传播，到达固定在变压器油箱壁上的超声波传感器。通过测量超声波传播的时延时间，就能确定局放源的位置。 油箱内部放电源产生的超声波穿过变压器油到达箱壁上的传感器有两条途径，一条是直接传播，即超声波穿过变压器油到油箱内壁，并透过钢板到达传感器，这部分超声波都是纵向波；另一条是先以纵向波传到油箱内壁，然后沿钢板按横向波传播到传感器，此波为复合波。因而，由波形读取时延的时间也有两种读取法。由于超声波在钢板中的传播速度比在油中快得多，且在钢板中衰减很大，因此该波到达传感器的直达波的幅值通常比复合波大得多，如图1所示。这样便可很容易地分辨出直达波，以该
波为准读取时延的时间。
图1传感器接收到的直达波与复合波
超声定位测量的关键参数是，放电点至传感器之间声波的直接传播时间!，或放电点至两传感器之间声波传播的时间差!。声波的直接传播时间!就是电、声信号的时间差，该时间差是以局部放电的电信号作为触发基准信号。同时测量出放电的电信号和声信号。此为电—声定位系统。在耦合于变压器油箱外壁上的多个超声波传感器中，选用一路声信号触发其余声信号。定位时选择某传感器为参考传感器，以此为基准，测量同一局部放电超声信号传播到其他传感器时对应于它的相对时差!。此为声—声定位系统。
现场中常用的超声波定位方法有V形曲线法、双曲面法和球面定位法［4~6］。随着声波传播机理研究的深入，又出现了顺序定位法［7］和模式识别法［8］。
2.1V形曲线定位法
该定位法基于电—声触发的定位原理。在局放源附近区域内，将传感器沿油箱表面按直线分隔排
第38卷第11期2001年11月
变压器
TRANSFORMER
VOI.38
NOvember
NO.11
2001
列，排成水平和垂直两个方向，每个方向至少取8~I0点，
以沿油箱壁表面分隔的测量点距离数值为纵坐标，相应的局放源到各点的时间T 为横坐标，作出V 形曲线。其顶点为油箱壁上对应于局放源的最近点，该点时间即为局放源声波向油箱壁直射传播时间，用直射波传播途径所经过的介质分层计算与此时间相比较，就可求得局放源的位置。该方法简单直观，其最大特点是不计声速!。但用这个方法计算时，假定局放源到各传感器的声速!相同。此方法只是在局放源附近区域内最有效。2.2
双曲面定位法
频谱屋
该定位法基于声—声触发的定位原理。设传感器S i （x i ，y i ，z i ）与参考基准传感器S I （x I ，y I ，z I ）的相对实测时差为!i -I （i =I ，2，3，…，m ；m !4），则相应超声波信号的传播时间差为t i -t I =!i -I ，传播距离差为：
"（t i -t I ）="!i -I =常数
（I ）局放源P （x ，y ，z ）
到传感器S i 的声传播时间：t i =
（x -x i ）2+（y -y i ）2+（z -z i ）"2
"
（2）
式（I ）称为双曲面方程，满足该方程的点就是双曲面上的点。若测出m -I 个相对时差!i -I ，同时已知
声速"
（用优化处理方法求取［6］
）及各传感器坐标时，则可由式（I ）、式（2）联立求出局放源的位置。2.3
球面定位法（或称三角定位法）
该定位法可选用电—声触发或声—声触发的定位原理。
基于电—声触发的定位原理，在变压器外壳的同一侧面上，安放m 个接收超声波信息的传感器，以电信号为触发信号，以测得电信号与超声波信号的时延T i 作为从放电点P （x ，y ，z ）到达各传感器S i （x i ，
y i ，z i ）的传播时间，以等值声速"乘以时延T i 而得到放电点到传感器的空间距离"T i 。由此得到球面方程：
（x -x i ）2+（y -y i ）2+（z -z i ）2=（"胃电图仪
T i ）2
（i =I ，2，3，…，m ）
（3）若测出m 个时延T i ，同时已知各传感器坐标时，用最小二乘法求出以上m 个非线性超定方程组的最优解，即x 、y 、z 、"，从而确定局放源的位置。此定位法最大特点是声速"由计算取得而不取定值。
基于声—声触发的定位原理，若局放源P （x ，y ，z ）产生的超声波到达传感器S I （x I ，y I ，z I ）的时间为T ，
则放电点到达各传感器的距离为：L i ="
（T +!i -I ）（4）
砭石枕
由此可建立声传播距离和时延的球面方程：
（x -x i ）2+（y -y i ）2+（z -z i ）2=L i
2
（5）
若测出m -I 个相对时差!i -I ，
同时已知声速"及各传感器坐标时，用最小二乘法求解，得到x 、y 、z 、T I ，从而可确定局放源的位置。2.4
顺序定位法
该定位法是基于在一个固定放电点上所产生的超声波到达不同传感器的顺序定出放电区域，并不提供一个确切的放电位置。原理如图2所示，将一组传感器阵列放置在同一平面上。当某一固定声源的超声波到达这一平面时，传感器I 首先接收到信号，由传感器I 与其周围传感器的平分线构成的区域称为对固定声源定位的主区。随后传感器2接收到信
号，按照平分线分隔原则，定出子区域2，接着传感器3接收到信号，定出子区域3…依次类推，对同一声源接收到信号的传感器个数越多，所得的子区域越小，定位的准确度就越高。将传感器阵列与计算机构成定位系统，由图象显示或靠人为确定放电区域，这两种方法都是非常简便易行的。此定位法对声速和传感器的位置不敏感，因而在现场中能取得较好的结果。
图2顺序定位法原理图
2.5模式识别定位法
该定位法基于声—声触发的定位原理，以四个
传感器为限，给出了利用时延!定位的数学模型方法。其基本原理如下：
设有标准模式矢量f 0i 和待判定模式矢量f i ，取其欧式相对距离：
i （i ）=i （f 0
i
，f i ）=
#N i =I
L 0ij -L ij
L 0()
ij
"
2
（6）
若将i （i ）按顺序排列，则排在第一位的f i 距离最近，为最接近模式。同理，第二位为次接近模式，依此类推。
设变压器是由m 个子模块组成的集合体。
对于任一空间位置已知（即x ，y ，z 已知）的子模块I 来说，它到达基准传感器的时间T 及其余各传感器的
!
"第II 期王国利、郝艳捧、李彦明：电力变压器局部放电定位方法的现状和前景
距离L
k2，L
k3
，L
k4
可由式（5）计算求解，定义它的待判
定模式矢量为f
k
=（L k2，L k3，L k4）。利用以上计算所
蝇蛆蛋白
船用防爆离心风机得到的时间T和测量所得的时延!
21，!
31
，!
41
，由式
（4）可得到标准模式矢量f0
k
=（L0k2，L0k3，L0k4），逐个求解变压器中每一个子模块所对应的标准模式矢量和待判定模式矢量的空间距离，两距离最小的子模块所在的位置就可能是放电点。借助计算机，该方法实施简单，定位精度高，它克服了原有计算定位法中存在的问题，具有实用价值。但在实际定位中，对声速的取值和放电时延的测量仍需进一步研究。
总之，超声波定位法能够确定放电部位的几何位置，是目前局部放电定位中普遍采用的方法，对于离线及在线状态的变压器均能到局部放电的位置。其中，电—声触发在目前离线试验条件下应用广泛，而其在在线试验条件下应用还存在一些困难。局部放电的在线定位一般采用声—声触发，但是由于局部放电的超声信号不是一个脉冲信号，不象局部放电的电信号一样有明显的起始位置，若使用声信号作为触发信号，在可收到强烈超声信号的情况下，触发信号本身就会引入较大的时延误差，因此定位偏差较大。文献［9］将电—声法加以改进，可提高电—声法在线定位的可靠性和精度。
以上几种超声波定位法各有其特点：V形曲线定位法做图方便，且不计声速，但它只能估计放电源的区域；双曲面定位法和球面定位法目前应用最广泛，借助计算机能精确地计算出放电源的几何坐标，但变压器结构的复杂性、现场的干扰和声波的衰减等都对时延的获取及精确定位产生较大的影响；顺序定位法和模式识别法，目前对其研究刚刚开始，且它们的实用性仍需在现场中进一步去验证，但可以预料这两种方法在局部放电定位（特别是在线定位）上的应用还是非常有希望的。
3电气定位法
当变压器内部发生局部放电时，产生的放电脉冲沿绕组传播到达测量端，该放电脉冲包含了放电特性和局部放电定位所需的有用信息，通过对放电脉冲进行分析，可以确定局放源的位置。
早期的研究［10~12］表明，通常情况下，变压器绕组普遍存在三个频率特性范围，如图3所示。在不
同频率范围内，变压器绕组的传输特性不同，具体为：在低频范围内（0~0.01MHZ）局部放电信号的传输以电磁波形式为主；中频范围（0.01~0.1MHZ）以振荡形式为主；高频范围（0.1~10MHZ）以电容分量传输为主。因此，
在测量端测得的局部放电信号通常
图3变压器绕组的频率特性
由三部分组成，分别为：行波分量（0~0.01MHZ），即以电磁波的形式传播的分量；振荡分量（0.01~ 0.1MHZ），即由绕组的共振引起的分量；电容性分量（0.1~10MHZ），即通过电容梯形网络传输的分量。
根据变压器的以上各种电气传播特性原理建立起来的定位方法有许多种，传统的电气定位法有起始电压法、多端测量定位法、极性法、行波法、电容分量法等几种［10，13，14］。随着对变压器绕组传输特性研究的深入以及数字滤波技术的发展，又出现了改进的电容分量法［15，16］（与数字滤波技术相结合）和端点电流脉冲频谱分析法［17，18］。
3.1起始电压法
假定沿绕组长度电压均匀分布，设绕组长度为l，两端电位各为U H、U N，若放电点P离高压端H的距离为x，放电点的电位为U
P
，则有：
U H-U P
U P-U N=
x
l-x
（7）
当U
P
达到起始放电电压U
i
时，P点开始放电，这时有：
U H-U i
U i-U N=
x
l-x
（8）
若已知l，则只要改变绕组两端的电压，测出U
H1
、
U H2、U N1、U N2，并将其代入上式就可求出放电的位置x。该方法在实际中很少应用。
3.2多端测量定位法
变压器内任何一个部位放电，都会向变压器的所有在外部接线的测量端子传送信号，而这些信号在各个测量端子上所显示出的波形都有其独特的特性和不同的幅值。若将校正脉冲依次加到某两个端子之间，则校正脉冲同时向各个测量端子传递，在各个测量端子上就可测出其校正电荷量并可观察其波形，
进而可将各端子上的校正电荷量依次作出比值。在实际测量中，测出各个测量端子上放电量并观察其波形，进而将各端子上的放电量值同样依次作出
!"
变压器第38卷
比值。若放电的比值序列与校正时某个比值序列相似，而且波形也相似，则可认为放电点在相应的校正端子临近部位上。该方法定出的电气位置并非几何位置，它在离线状态时应用较广泛，但对于复杂的在线定位很难使用。
3.3极性法
变压器中发生局部放电时，在检测阻抗上（通常RLC型）出现的脉冲波都有一定的极性。根据这些极性的特征来确定放电位置。它只能大体上确定放电发生的部位，要确切的测出放电的位置，还要通过其他方法进一步确定。
3.4行波法
当变压器绕组发生局部放电时，在放电开始的瞬间，测试仪就出现电容性分量，经过一段时间的时延
后，行波分量才到达测量端。只要知道行波传播的速度，测出行波迟到的时间，就可以计算出放电点离测量端的距离。如果放电点距离测量端很远，电容分量便很微弱而无法检测。这时只要放电点不在绕组的正中位置，也可通过测量行波到达绕组两端的时间之差，来计算放电点的位置。实际到达测量端的时延是难以准确获得的，特别是当中性点和套管末屏具有不同的阻抗时，时延更难测取。
3.5电容分量法
当变压器简化等效电路中的串联电容远大于并联电容时，采用电容分量法较为合适。局部放电时绕组两端的电容性分量之比，用下式求取：
U H
U N=0
+（l-I）C H
+IC H
（9）
式中，l为绕组长度，I为放电点到H端的距离，C
H 为高压端对地电容，
由绕组的简化等效电路取
得。当已知U
H
/U N曲线时，测量比较方便。但许多变压器电容性分量的衰减曲线并不光滑，此时很难用电容性分量定位。实际应用中，当绕组中性点直接接地时，用此方法对局部放电定位很不准确。
3.6改进的电容分量法
根据对绕组传输特性的分析可知：对于某些变压器绕组，特别是纠结式绕组，存在一个频率范围（0.l~lMHZ）。在此范围内，变压器可近似等效为一个电容梯形网络。当变压器内某点发生局部放电时，将会在该点产生一个陡脉冲沿绕组向两端传播。在放电开始的瞬间，绕组的两端就会出现放电陡脉冲的电容传递分量。通过测量这个分量，并到两个电容分量与绕组上位置的一一对应关系，就可以精确确定放电的位置。
该频率范围，可由试验获得。其方法是将一个函数发生器接到绕组的一端，并提供频率可变的电
压U，另一端接地，输入电压和沿绕组的电压同时被监测。当在此频率范围时，会出现最小的电压相位移，即输入波形和输出波形相似。而后用数字滤波法将此频率范围以外的信号去掉。这时，对于一个两端可看作电容接地的变压器绕组，用局放产生的电容传输线端电压来确定局放位置。
U L
U N*=
C k
!C ch（!x*）+C N Sh（!x*）
C k
!C ch［!（l-x*）］+C L Sh［!（l-x*）］
（l0）
式中，U
L
、U
N
*、
C L、C N分别为线端和中性点处相应的电压和电容；x为放电点到中性点的绕组长度；! =C/C
!k，C、C k分别为绕组单位长度的并联、串联电容。
这种利用数字滤波的局部放电定位法，能够获得沿变压器绕组脉冲的电容传输分量；该定位法对干扰信号完全抑制，频带选择灵活，且频率补偿容易，与新的直线内插法结合可以帮助解决一些实际问题，能得到较高的定位精度。
3.7端点电流脉冲频谱分析法
在中间频率范围内，发生在绕组中的局部放电脉冲以振荡形式传输，此时，在变压器测量端点所得的局部放电电流脉冲因局放源位置不同，其频谱有较大的差异，据此就可定出局部放电发生的位置。
图4局放源到中性点的转移函数
文献［l8］中，对连续饼式绕组（以84饼为例），作者以不同位置注入放电脉冲的方式模拟了绕组中不同部位的局部放电，用绕组的简化等效电路计算出相应放电注入点对应的传递函数，如图4所示。由图中可以很清楚地看到，局放点位置变化时，传递函数的极点（波峰）不变，而零点（波谷，由“+”标出）随之变化。在中性点处用电流互感器测得相应的电
!"
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第ll期王国利、郝艳捧、李彦明：电力变压器局部放电定位方法的现状和前景
流脉冲，求出相应的频谱，将它与作出的传递函数相比较，便可判断出局放源的位置。
对于复杂的变压器绕组，传递函数谱图可通过计算机精确地模拟，而电流脉冲频谱的比较也可通过软件设定自动完成，因而该方法定位精度较高。尽管它还未真正用于现场，但可以看到该定位法有一定的实用价值。
总之，尽管人们对变压器绕组特性的研究较多，且相应出现了一些较新的电气定位法，但到目前为止，在实际定位中很少采用电气定位法。
以上的各种电气定位法现场操作比较复杂，因此适用范围也受到较大的限制。起始电压法、多端测量定位法、极性法、行波法、电容分量法，只能大概确定局放的区域；改进的电容分量法（与数字滤波技术相结合）和端点电流脉冲频谱分析法虽然对特定的绕组定位效果较好，但仍需在现场中进一步验证。
4存在的问题及今后的发展
随着人们对局部放电研究的深入，各种定位方法层出不穷，有些方法已基本达到实用化程度，但总的说来效果并不理想。
虽然超声波定位法已得到广泛应用，但其在具有强电磁干扰的现场定位中准确度不高，其原因主要有：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；目前使用的局部放电监测超声波传感器抗电磁干扰能力较差，灵敏度也不很高；各种计算定位法中的算法也不尽完善。尽管还有其他多方面的原因，但超声波定位法仍是大型电力变压器局部放电定位的主要方法。
对电气定位法而言，由于变压器内部结构的复杂性以及放电部位的不同，使得放电脉冲的波过程可能会出现不同的振荡波形，而对放电信号的检测却只能在变压器的测量端点进行，因而电气定位法精度不高。然而，当放电源位于变压器绝缘深处时，超声定位信号因衰减过大难以接收，此时，使用电气定位法将会收到较好的效果。由此可见，在现场定位中，应综合使用超声定位法和电气定位法。
今后对于局放源定位的研究应在以下几个方面加以重视：
（1）应加强局部放电机理的深入研究。简单的三电极系统已不能满足实际需要，因理论不成熟致使现场中提取的信号是否为局部放电信号不能确定，而这正是定位的基本依据。
（2）应对变压器内多点放电的定位进行研究。现有的定位方法大都基于变压器内的一点放电，而
实际中多是多点同时放电，因而，现有定位方法往往不准确。
（3）应进一步将数字信号处理技术和计算机技术引入到局部放电的定位中，这必将极大地提高定位
精度。
（4）在现场中（在线状态），应将整个系统的影响考虑进去。这方面的工作已开始起步［19］。
此外，对于超声波法应加强对传播机理的研究［20］；对于电气法应加强对绕组特性的研究，建立精确的数学模型，以满足定位的实际需要。
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!"
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