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电力变压器局部放电定位方法的现状及发展.pdf
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1、第 4 4 卷 第 6 期 2 0 0 7 年 6 月 变 压 。 P V O I 4 4 No 6 Ju n e 2 0 0 7 电力变压器局部放电定位方法的现状及发展 李军浩, 司文荣, 王 颂, 袁 鹏, 李彦明 ( 西安交通大学电气工程学院,陕西西安7 1 0 0 4 9 ) 摘要 : 概括论述 了电力变压器局部放电定位的现状, 对超声定位、 电气定位、 超高频定位、 相控阵定位等局部放电定 位方法进行 了分析、 探讨和阐述。 关键词: 变压器 ; 局部放 电; 定位 中图分类号 : T M4 0 6 文献标识码 : B 文章编号: 1 0 0 1 8 4 2 5 ( 2 0 0 7
2、) 0 6 0 0 4 0 0 5 Si t u a t io n a n d De v e l o p me n t o f PD L o c a t i o n Me t h o d f o r Po we r Tr a n s f o r me r L I J u n - h a o ,SI We n -r o n g,WANG So n g ,YUAN P e n g,L I Ya n mi n g ( X i a n J i a o t o n g U n i v e r s it y , X i a n 7 1 0 0 4 9 ) Ab s t r a c t ; Th e s i
3、 t u a t i o n o f P D l o c a t ion f o r p o we r t r a n s f o r me r i s di s c u s s e d T h e u l t r a s o n i c l o c a t i o n ,e l e c t r i c l o c a t i o n ,UHF l o c a t i o n a n d p h a s e d r e c e i v i n g a r r a y l o c a t i o n a r e a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d K
4、e y wo r d s T r a n s f o r me r ;P D;L o c a t i o n 1 引言 2 超声波定位方法 电力变压器是电力系统中重要的设备之一 , 其 安全运行意义重大。 在现场运行中 , 局部放 电是导致 电力变压器绝缘劣化的重要原因之一。 从 2 O世纪中 期开始,各个国家就对变压器中局部放电的机理做 了很多研究 , 并取得 了很大进展I 】 捌。现有 的检测方 法可以通过对一些局放物理量的检测来发现变压器 内部是否发生 了局放。对于局部放电源的准确定位 是 目前发展的一个方向。 根据局部放 电过程 中所产生 的诸 如电磁波 、 声 波 、 光 、 热和化
5、学变化等现象 , 其定位方法有电气定 位 、 超声定位 、 光定位 、 热定 位和 D G A定位等f3 1 。 目 前 , 国内外研究较多也 比较成熟 的是超声定位 和 电气定位 5 1 。但一些新的定位方法的出现也为进一 步研究局部放电的定位提供 了新 的思路 ,如基于辐 射电磁波 的超高频定位嘲, 基于相控阵理论的局部 放电源定位f 7 删等。笔者拟对超声波定位和电气定位 方法及 目前的发展趋势进行总结 ,并对超高频法和 相控阵法进行 了介绍。 当变压器内部发生局部放电时 , 会产生电磁波 、 放 电脉冲和超声波等信号 ,超声波在变压器中的不 同介质中传播( 油纸 、 绕组和隔板等) ,
6、 到达 固定在变 压器油箱壁上的超声传感器。通过多个超声传感器 测量不同传感器测量到信号的时间延时,经过定位 算法的计算 , 就能够确定局放源 的位置。 根据基准信 号的不 同, 超声检测定位又可分为以下两类。 2 1 电一 声 检测 定位 该定位法是在变压器油箱外壁上安装多个超声 传感器, 以局部放 电的电脉冲作为触发基准信号, 同 时记录电脉冲信号和 n路超声波信号, 并加以比较 、 以测得电信号与超声波信号的时延 t 作 为从局部放 电点到达各传感器的传播时间;以等值声速 乘以 时延 t 而得到放 电点 到各传感器 的空间距离,以此 来列方程求解。 随着特高频 ( U HF )技术 和射
7、频 电流技术 的应 用 ,电信号 的选取不仅可以选择 I E C 2 7 0方法推荐 的脉冲电流信号 , 也可以使用 U HF信号和射频 电流 维普资讯 6 期 李 骂 、 文 荣、 王 垂 塑 至 堕 ! 皇 窆 垦 墨 堕翌 墼皇 壁 堕 互 鋈 罂 垄 壁 一 信号作为 电信号基准 , 在此基础上进行计算 。 2 2声一声检测定位 该方法在耦合于变压器油箱外壁上的多个超声 传感器中选用一路声信号触发其余声信号。定位 时 选择某一传感器为参考探头 ,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 ,将该组相对时差代人满足该组传感器几 何关系的一组方程求解 ,即可
8、求出局部放电点的几 何位 置坐 标 。 文献【 9 】 通过计算 、 试验 比较了以上两种方法在 定位上的准确程度 。认 为声一 声定位方法中声波 的 前沿不容易确定 , 所以声一 声定位方法不如电一 声定 位方法准确 。但 电一 声定位方法需要提取 电信号作 为参考基准信号 , 信号 的取样要麻烦些。声一 声定位 则比较方便 ,可以完全通过声传感器来进行信号 的 测量和判断。 在超声定位中 ,定位算法是能否进行准确定位 的关键, 目前, 常用的普遍算法有顺序定位算 法 、 球 面定位法 、 双曲面定位算法 、 模式识别定位法和遗传 算法等。 双曲面定位算法和球面定位法是 目前应用较为 广泛的
9、针对声一 声检测和 电一 声检测的定位方法 , 两 种算法都是通过信号的时间差建立双 曲面方程或球 面方程 , 然后通过最小二乘法进行求解 。 但这 种算法 是非线性算法 , 计算时间长 , 内存 占用量大 , 而且计 算结果受初值 、 步长影响较大 。如果选择不当 , 会使 方程组无解或误差很大 ,且其计算公式 中较为复杂 的是等值声速的计算 。 目前 , 一般将等值声速取为常 数 , 但声波信号在变压器 中传播时 , 情况极其复杂 , 等值声速不可能为一常数 。 针对以上问题 , 出现了线 性算法和基于模式识别的定位算法及基于遗传算法 的定位算法 i o - 1 1 。线性算法是在非线性算
10、法 的基础 上 , 对非线性方程组进行变换 , 将其转换为线性方程 组求解 ;基于模式识别 的定位算法是将变压器分解 为若干个模块单元 ,分别计算这些模块到各个传感 器之间的时间差 ,将这些时间差组成数组进行模式 识别, 计算与所测的超声信号时间差数组的距离, 选 择距离最小的模块为放电点 ;基于遗产算法的定位 算法则是在最小二乘法的基础上采用了具有全局搜 索特性的遗传算法 , 解决 了局部收敛问题, 避免了迭 代过程中的局部最优点问题。 同时综合以上几种方法来进行定位判断也是 目 前 的一个发展趋势。如文献 1 2 1 采用的先使用顺序 定位法 ,然后使用基于广义互相关的声一 声定位方 法来
11、进行定位计算嘲 。 随着研究的深入 ,一些新的定位算法也在发展 之中。文献【 1 3 提出将超声定位问题转化为一个带 约束的非线性连续 函数优化问题 , 在最优化框架内 , 应用 国际上最近提出的粒子群优化( P S O) 算法进行 求解 。 文献 1 4 】 提出基于混沌遗传算 法的变压器局部 放电源点定位方法 ,将混沌理论和遗传算法引入局 放超声波定位算法 中, 也取得 了一些效果。 目前的定位方法中,多是针对单一放电源进行 的计算 。但 由于实际中变压器 内部可能不仅仅存在 单一的一个局部放电源 ,很可能同时存在多个放 电 点。针对多放电源的定位问题 , 目前研究 的较少 , 但 也有一
12、些文章对此进行 了介绍。文献【 1 5 】 利用多个 传感器组成传感器阵列来进行多个放 电源的定位。 首先对放电源个数进行估计 ,然后进行不同放电源 的定位 , 并进行了仿真工作 。 3 电气定位方法 当变压器 内部发生局部放电时 ,所产生的放电 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要的一些信息 ,通过对 此脉 冲进行分析 , 可确定局放源的具体位置 。 传统的 电气定位方法很多 , 诸如起始电压法 、 极性法 、 行波 法 、 电容分量法等 。 随着研究 的逐渐深入和数字测量 技术的进一步发展 ,改进 电容分量法和端点 电流脉 冲频谱分析法这两种方法得
13、到了更 多的研究和应 用 。 3 1 改进 电容 分量 法 根据绕组传输特性可知 ,对于某些变压器绕组 如纠结式绕组在 0 1 M H 1 M Hz 范围内,可近似等 效为一个容性梯形网络。当变压器内部某点发生局 部放 电时 ,该点作为放 电源产生一个陡脉冲向两端 传播 , 其传播规律满足 : 一 x F C r , C c h ( a x ) + C N s h ( a x ) U N 、 v c K c c h a ( 1 - x ) 】 + c l 【 a ( 1 一 ) 】 式 中 , , c L , c N 分别是线端和 中性点处对应 的 电压和电容 ; 为放电点到中性点的绕组长度
14、; Z 为 变压器绕组的总长度; = 、 C C ; C , C 分别为绕组 单位长度的并联、 串连电容。 根据以上方程找到两个 电容分量和绕组位置上的一一对应 的关系,就可以 进行准确定位。 变压器只是在某一个频率范围内等效为一个电 容梯形网络 , 在改进的电容分量法中, 该频率范围的 确定就显得尤为重要。 一般而言 , 该频率范围的确定 是由试验获得 。 将一个函数发生器接到绕组的一端 , 维普资讯 4 2 变 珏罄 第4 4 卷 并提供 变的 f 【 ! i t , 多 端接地 , 同时测量输 入电压和绕 电匮。当在此 等效频率范围时 , 会出 现最小 j 一 移 ,即输入波形和输 出波
15、形相似 而后采瑚投 滤波: 此频率池围以外的信号去掉 , 采用上述 0 世f 】 汁算 改 : 蜜 艟法利J 1 】 数 : 滤波技术 , 能够获得 沿变压 越境 脉冲的 乜 他辅分量 ; 该方法对干扰 信号完仑坤 圳, 频 ? 选卡 f 活 , 频率补偿 容易, 与 新的直线 法继合- J- 以解救一些实际问题 , 能够 得到较高的 f 精崾 、 3 2 端点电流脉冲频谱分析法 在 f ) 【 ) j 川 l 【 ) j MI _t z这个中间频率 范围内 , 变 压器绕射 i 7 4 , 文观 l 、 振荡传播 即发生在绕 组中的,L 政 ; l 【 i 荡 式传输 。此时 , 在变 压器
16、测 端所得到的J Ij 放 电电流脉 冲因局 放 源位置 j , u 仃牧人的蕾异。文献 1 6 1 对连续 饼式绕组 t 以 4饼为侧) , 从 1 同位置注入放 电脉 冲 , 从而模拟 了绕组 中不同位置的局部放电 , 用绕 组 的简化等效 电路计算 出相应放 电注入 电流对应 的传递函数 , 从而根据频谱分析来确定放 电点的位 置 。 在此基础 上, 文献【 l 7 】 采用建立仿真模 型并结 合试验的方法 , 研究了不同的局部放 电脉冲传播路 径 的传递 函数 ,在分析传递 函数频谱特性 的基础 上 , 提出了根据相应信号高频分量和能量的局部放 电电气定位方法。 尽管 人们对变压器绕组
17、特性的研究较多 , 相应 的也 出现 了一些 电气定位方法 , 但 由于各种 电气定 位法现场操作复杂 , 使用范围限制较大 , 且 由于变 压器内部结构复杂及放 电部位 的不同 , 使 得放 电脉 冲的波过程也会出现不 同程度的振荡, 而对放 电信 号的检测却只能在变压器的测量端点进行 , 因而精 度不高 , 所以 目前在实际定位中很少采用。 4 基于特高频检测的局放定位方法 UH F检测技术具有抗干扰能力强 、 灵敏度高 的 优点 , 近年来已经在试验室中得到了大量研究并逐 步在工程实际中得到应用 。西安交通大学 、 华北 电 力大学等都对其进行 了深入研究并取得 了丰富的 成果 1 8
18、- 2 0 I 。采用 U HF方法进行变压器局部放电源定 位则是 目前的一个研究重点 。国内外的一些研究单 位都对其进行了大量研究。 利用 U H F信号进行局放定位 的基础是 电磁波 绕射所遵循 的费玛最短光程原理 即电磁波沿射线 传播 , 认为传感器所接收到的信号是局放信号沿最 短光程 、历经最小传播时问最先到达的子波的波前 反映 。示意 图如 图 l 。 S P 图 1 电 磁 波 绕射 示意 图 F i g 1 Di a g r a m o f d i ffr a c t e d e l e c t r o ma g n e t i c wa v e 在变压器油箱的不同位置耦合多个
19、U H F传感 器 ,根据 U HF信号到达不旧传感 器的时间延时 , 建 立方程即可求解 。 安装方式有介质窗方式 , 4阵元菱 形传感器阵列等。没局放源 P ( x , , , ) 到达传感器 S ( x , Y , z ) 的传播时间为 t i , 则有 t i = 、 ( 一 ) + ( , 一 , 。 ) 0 + ( ) C ( 1 ) 与参考传感器 , 的 对时差为 T i _ _ 一 t ( = 1 , ,m; m4 ) 。通过测量出 m 1个相对时差 丁 波速 及各传感器的位置坐标 , 利用方程( 1 ) 即可求出局 放源的具体位置。 在使用 U H F方法进行局放的定位中,
20、各个传感 器相对与参考传感 器时延的确 定至关重要 。文献 2 1 采用累积能量 曲线 , 功率 曲线及 自相关算法来 确定时延时间。文献I 2 2 】 使 用 4阵元菱形传感器阵 列的方法来进行信号的测量 ,并使用基于多样本的 互相关一 移位一 叠 加一 相关 时延算 法来确定 时延时 间。 使用 U H F方法来进行 局放 的定位具有抗干扰 能力强 , 定位精确的优点 。但 目前刚刚起步 , 诸如在 线检测中传感器的安装位置 ,变压器 内部复杂结构 的影响 , 定位算法的进一步优化等问题都需要解决。 5 基于相控阵理论的变压器局部放电定位 方法 该方法是根据相控阵理论1 2 3 1 , 采
21、用一个 阵 元的平面相控阵天线作为接收信号用传感器。N x N 个阵元对局部放电源的接收信号的空间相位差可表 示成矩阵 , 对 个阵元接收信号 的附加阵内相位 差也可表示成矩阵。 改变阵内相位矩阵, 天线传感器 方 向图就按照 19 = k d s i n O , a = k d c o s 0 s i n q ) 对应 的 0 , 方向扫描。同时通过近似连续改变平面阵的阵内水 平和垂直相位差 ,就可以实现空间坐标上的电控扫 描, 获取空间上的 目标信息。式 中, 为相邻阵元的 阵内相位差 , 即相位延迟 , 0 , 分别为相控阵的仰角 和方 位角 。 将局部放电看作超高频和超声波的发射源 ,
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