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1、变压器局部放电在线监测一、 综述局部放电是引起电力设备绝缘劣化的主要原因之一，每次放电，高能量电子或加速电子的冲击，特别是长期局部放电作用都会引起多种形式的物理效应和化学反应，如带电质点撞击气泡外壁时，就可能打断介质的化学键，破坏介质的分子结构，造成绝缘劣化，加速绝缘损坏过程。严重时有可能导致设备故障，甚至影响到电网的正常运行。在一个复杂的电工设备中，发生在不同部位的放电，对绝缘的破坏作用是不同的。对局部放电准确定位从而准确测定放电量、判断其对绝缘的危害对于电力设备维护、改进产品设计与工艺等都具有重要的意义。在各种电力设备中，变压器的结构和电磁环境尤为复杂，其局放监测问题显得更为突出，经过多年
2、的发展，工程科研人员已提出了一些实用的方法。二、多端测量定位由于变压器任何部位的放电都会通过不同的耦合途径向各个部位传递，油箱上各个端子都能接收到它的信号，因而可以依次在各个端子对地注入脉冲电荷以模拟不同端子或部位的放电，此时其它端子也会有各自的响应。通过若干组模拟可以得到一校正矩阵。将每个端子实测的放电信号与之比较，它与哪一组校正结果相近即表明放电源与这一对校正端子相关。 1、变电位多端测量采用不同的试验接地和加压方式改变诸如变压器个别端子的电位、变压器相间和高低压间的电位差、线圈匝间的电位差，结合在各种接线方法下所得到的各线端实测数据变化规律，从而推断放电发生的部位。变电位多端测量原理简单
3、，试验方便，在故障检测中起到了很大作用。改变电位、电位差的方法非常之多，要根据具体情况而定。下面给出三例变电位的方法：1)对称加压法图1 对称加压电路图2 实测结果U1（高压）端放电量为600 pC, U2（低压）端放电量为1800 pC。测得U1端放电量为200 pC，U2端放电量为300 pC。这时发现U2端放电量大大减小，此时可判定局放位置发生在U2端。2）两相支撑一相法此方法主要用于判断局部放电部位是线圈对地还是在线圈内部。图3 两相支撑一相法某变压器U1相试验，当施加电压为1.4Um时，U1端放电量为1000 pC。将V1，W1相接地支撑U1相，U1端电压保持不变，此时结果局部放电量
4、仍为1000pC。由此可判断局部放电存在于U1相出线端的可能性较大。3)一相支撑两相法图4 一相支撑两相法测得V1相局部放电量为2000pC，同时测得W1相局部放电量为3000pC。此时V1= 0.5Um，UW1 =0.25Um，V1-W1 = 0.75Um。经分析怀疑局部放电源存在于V1，W1相之间，故采取如图4的接线方式，此时发现V1-W1 = 0, V1=W1=0.8Um，V1，W1相放电量均小于100 pC。试验证实了局部放电源与V1，W1端头电位无关, 而与V1，W1之间电位差有关。检查V1，W1相间, 发现W1相围屏上黏附有金属微粒，清除后，故障消失。变电位多端测量原理简单，试验方
5、便, 在故障检测中起到了很大作用。在试验过程中，用好该方法的关键在于：1) 改变某端子电位往往有多种方法，应视试品的内部绝缘结构，选择一种“副作用”较小的方式；2) 应评价由于加压或接线方式改变而造成的其它相关电位的改变, 不可轻易下定论。可能的情况下, 应采取不同的方式进行验证或排除；3) 变电位的方法很多, 不可拘泥, 其运用的灵活程度取决于实践经验。2、多端测量多端校正变压器内部任何一个部位放电，都会向变压器的所有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波形特征和不同的幅值。如果将校正脉冲依次添加到某两个端子之间，则校正脉冲同时向各个测量端子传送，
6、在各个测量端子上测出其校正电荷量和观察其波形，并将各端子上的校正电荷值依次作出比值。若放电的比值序列与校正时某个比值序列相似而波形也相似，则可认为放电点在相应的校正端子的邻近部位上。图5 多端测量多端校正3、脉冲极性鉴定法变压器内部发生局放时在各个检测阻抗上发现的脉冲波都有一定的极性，根据这些脉冲的特征来确定局放发生的位置的方法就是脉冲极性鉴定法。该方法应用较多，而且直观方便。图6为脉冲极性法的原理和应用。图中：E为假设的放电源。ZD为测量阻抗；图6(a)为高压和低压绕组之间发生局部放电时测得的脉冲极性即低压阻抗高压绕组阻抗测得的极性相同而高低压绕组测得的极性相反：图6(b)为高压绕组中发生局
7、部放电时测得的脉冲极性；图6(c)为高压绕组和地之间发生局部放电时测得的脉冲极性。将实测脉冲与校对脉冲对比，可以大体上确定放电发生的部位。图6 脉冲极性法测试原理图三、超声波检测法 超声波检测定位法是大型电力变压器局部放电定位的主要方法。变压器中局部放电故障的产生和发展将伴随着声发射现象，放电源也就是声发射源。根据声测原理对变压器的内部放电予以定位时，可将若干个超声探头放置在变压器箱壳上相分离的几点上，组成声测阵列，测定出由声源到各探头的直接波传播时间或各探头之间的相对时差，然后将这些时间或相对时差代人满足该声测阵列几何关系的一组方程中求解，即可得到放电源的位置坐标。1、超声波局部放电测试原理
8、 绝缘介质局部放电有两种类型：气泡内放电以及介质在高场强下游离击穿。一些浇注、挤压的绝缘介质容易夹杂着气隙或气泡, 空气的介电常数较固体介质小, 而场强与介电常数成反比。介质中的气隙或气泡是第一种局部放电的发源地；当局部电场更高时, 在绝缘薄弱环节处将引起介质的游离击穿。以上两种局部放电, 在多数情况下往往同时发生或互相诱发。变压器在运行中出现局部放电时, 伴随产生电脉冲、超声波、光、热和化学变化等现象。高频的电气扰动向所有与其有连接电气回路传播。超声波信号以球面波的形式以某一速度通过绝缘纸板、绝缘油等介质向变压器油箱外传播。超声波穿过绝缘介质到达变压器箱壁上的传感器有两条途径：一条是直接传播
9、，即超声波的纵向波穿过绝缘介质、变压器油等到油箱内壁, 并透过钢板到达传感器；另一条是以纵向波传到油箱内壁, 后沿钢板以横向波传播到传感器, 此波为复合波。超声波传播途径如图7所示。放电源S产生超声波, SA为纵向波, SBA、SCA为复合波。图7 超声波的传播途径图8 超声波的传播波形2、超声波局部放电检测法优缺点超声波法是用安装在变压器油箱壁上的超声波探测接收信号, 通过信号大小的比较分析, 对变压器内部局部放电进行定性测试, 还能对放电点所处的空间位置进行确定, 并具有在线条件下对变压器内的局部放电进行检测等优点。它的检测结果给变压器的故障分析及处理提供信息，这一方法可避免现场各种电气信
10、号的干扰。通过在线超声波局部放电检测，可实时地监视变压器局部放电状态。超声波局部放电检测是变压器放电性故障测量及带电监测的一种较好的方法。 但该方法有一定的局限性：当放电源位于变压器绕组表层时测试是有效的，当放电源位于变压器绝缘深处时，信号将难以收到；对于同时出现的多点放电, 如何判断超声信号的大小, 如何区分其超声信号, 仍需要做进一步的工作；此外，此法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。四、油中气
11、体色谱分析(DGA)1、概述变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测方法是基于油中溶解气体分析理论，它直接在现场实现油色谱的定时在线智能化监测与故障诊断，不仅可以及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障，并且可以及时根据专家系统对运行工况自动进行诊断。2、油中气体组成规律运行中的变压器在正常情况下，变压器内部的绝缘油和固体绝缘材料由于电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类和H2、CO2和CO,，这些气体大部分溶解在油中，当存在局部过热或局部放电等缺陷时，这些气体的产气速度就会加快，随着故障的发展，分解出的气体形成气泡在油中对流、扩散, 不断溶解在油中。在对变压器故障做诊
12、断时，通过DGA定量测定的主要气体是H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO 和CO2。故障气体的组成和含量与故障的类型、故障的严重程度有密切关系，在正常运行温度下，油和固体绝缘材料在正常老化过程中，产生的气体主要是CO和CO2；在油纸绝缘材料中存在局部放电时，油裂解产生的气体主要是H2和CH4；在故障温度高于正常运行温度不多时，油裂解的产物主要是CH4；随着故障温度的升高, C2H4和C2H6 的产生逐渐成为主要特征；在温度高于1000时(例如在电弧弧道温度3000以上的作用下)，油分解产物中含有较多的C2H2；当故障涉及到固体绝缘材料时，会产生较多的CO和CO2。3、色谱气体检测原
13、理 通过色谱柱中的固定相对不同气体组分的亲和力不同，在载气推动下，经过充分的交换，不同组分得到了分离，经分离后的气体通过检测转换成电信号，经A/D采集后获得气体组分的色谱出峰图。根据组分峰高或面积进行浓度定量分析。4、气体色谱分析为了解释油中溶解气体的分析结果，并以此对产生这些气体的故障原因作出诊断，应用特征气体法可知，局部放电反映的特点是H2含量高、CH4占总烃中的主要部分；过热故障反映的特点是总烃含量高；放电故障(包括电弧放电和火花放电)反映的特点是H2和C2H2含量高。DGA 结果的解释是建立在三比值法(IEC) 基础上, IEC法(即基于H2、CH4、C2H6、C2H4 和C2H2五种
14、特征气体的最大产气速率的温度的依次增加的假定而提出的) 用H2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2气体组成三对比值法来判断变压器故障性质。对相同的比值范围，三对比值以不同的编码表示，并将这些编码组合分析，即可对故障情况按程度进行分类，作出判断。5、色谱在线监测系统的组成气相色谱法是目前应用较广的分析方法之一，它在石油、轻工、食物及环保等领域有着广泛的应用，长期的运行实践证明了利用气相色谱法分析变压器内部故障的有效性。随着自动化技术、选择性检测器的应用、新型色谱柱的研制，气相色谱分析方法正在朝更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展。然而，大多应用场合仍需要人工干预，已实现在线色谱检测的领
15、域非常有限，这与气体自动萃取、仪器所使用的恶劣环境影响检测精度等问题有很大的关系。以变压器色谱在线监测系统为例，为了完全替代常规的人工检测方法，在线监测系统按图9所示的方式构成。图9 色谱在线监测系统构成由图9可以看出以往需由人工从变压器取油样，并在试验室进行脱气处理的过程可以利用色谱数据采集器中的油气分离装置完成。色谱数据的处理过程原来是由人工确定基线，现也由数据处理服务器自动完成。6、色谱在线监测系统的功能变压器色谱在线监测系统主要具备以下功能：1)可同时自动定量分析变压器油中溶解的H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2和H2O以及各自的增长率；2)可以选择数据报表、趋势
16、图及直方图等多种显示方式；3)具有设备故障诊断及报警功能；4)具有故障发展趋势分析功能；5)具有网络功能。7、色谱在线监测系统的关键技术随着在线监测技术的发展，当前的色谱在线监测技术已经日趋成熟。在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同时要适应环境的变化。业界对色谱在线监测的关键技术基本上达成以下几点共识：1)高效、准确的油气分离，以真实的反映油中溶解气体的含量和变化速度；2)自动、智能的色谱数据处理方法，以获取准确的气体浓度信息；3)稳定的环境适应能力，以适应室外不同气象条件下的在线监测。8、色谱在线监测系统工作流程变压器色谱在线监测系统的
