广东电网有限责任公司中山供电局 李新海 王伟平 陈 昱 梁智康 梁丽丽 陈 权

局部放电（Partial Discharge，PD，简称局放）是绝缘介质区域中的局部击穿导致的放电现象，由于局放是绝缘劣化的初始表象，研究局放发生的情况以及准确定位局放发生的位置对危险程度评估和制定相应的检修策略具有重要的意义[1]。

变压器是电力系统正常运行中必不可少的一个关键运行部件，其运行状况与设备质量直接关系到整个电力系统的安全与稳定性[2]。其中，变压器的绝缘状态对于变压器整体的运行情况又是一大影响因素，由于变压器在局部放电的过程中会产生大量的光、电、热以及各种物理、化学反应，使得变压器绝缘出现老化以及变形等严重问题，由此而引起的大大小小的电力事故已不在少数。国内外研究表明，变压器局部放电检测和定位已经成为保障电力系统安全运行的重中之重。

当变压器发生局部放电现象时，不仅会产生电荷转移和电能损耗等现象，变压器周围的介质还会出现发光、发热现象，并伴随着高频辐射以及超声波，为局部放电检测技术的优化提供了基础[3]。根据变压器局部放电产生的不同现象，科研人员可以使用与之对应的不同方法来收集这些信号，从而实现局部放电的检测。目前，国内外学者对变压器进行局放检测的手段可分为电气检测法和非电气检测法两大类。电气检测法包括脉冲电流法、特高频法等；非电气检测法包括油中溶解气体分析法、超声波法、光测法等。脉冲电流法抗干扰能力差，信号易受干扰，不能实现局放的定位，目前，脉冲电流法主要用在电气设备的型式试验和离线检修工作中，难以用于电气设备PD绝缘缺陷的在线监测[4]。油中溶解气体分析法虽然不受电磁干扰，但是对与局放信号的响应较慢，不能及时的反馈局放信号；超声波法可根据信号幅值和相位分布对放电类型和严重程度进行判断，可对局部放电信号精确定位，但超声波信号衰减较快，检测区域较小[5]。光测法对于所使用的检测部件的透明性的要求很强，设备成本也较高，导致其在实际检测中受限；超声波法只能对变压器外壳周边的信号进行检测，且抗干扰能力较差；相对来说，特高频法检测覆盖面较广、对于局放信号的灵敏度高且定位精度高、抗干扰能力强，更适合于对运行中的变压器内部进行局部放电的在线监测和精确定位。

本文例举出了几种针对变压器特高频局部放电的检测方法，分析了它们不同的检测技术，包括检测原理、使用现状等内容，同时基于现有检测方法的不足，提出了一种封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置的设计与应用情况。

1 特高频带电检测技术

1.1 基本原理

特高频带电检测技术其主要的检测设备分为两大块：信号采集装置和局部放电检测装置。变压器内部出现局部放电时，会产生上升/下降沿1ns左右的快速放电脉冲电流，在快速的击穿过程中，这些快速脉冲会在变压器腔体内辐射出300-3000MHz的特高频信号。局部放电产生的高阶电磁波信号可以沿着变压器的金属结构长距离的向前传播，速度较快，近似于光速，并且特高频信号可以通过变压器设备上的非铁磁材料位置扩散到外部[6]。由于变电站空气中电晕干扰的电磁波频段主要集中在300MHz以下，因此该技术具有较高的抗干扰能力，能实现实际工作中局部放电巡检、定位及缺陷识别和诊断[7]。

1.2 局放特高频传感器分类及优缺点

按照使用时安装位置的不同，通常可以将特高频传感器大致分为两类，分别是外置传感器和内置传感器。外置传感器在对局放信号进行采集时，如果存在金属屏蔽，是无法有效采集信号的，因此需提前预留非金属浇注口。但是外置传感器具有安装拆卸方便、安全性高及经济成本低的优点[8]。

变电站变压器特高频局放检测传感器一般采用内置传感器，相较于外置传感器，由于内置传感器安放在变压器壳体的内部，因此受到的外部电磁干扰很小，几乎不受影响，这使得检测的灵敏度也得到了提高。内置式传感器的频率响应曲线在特高频段（300MHz～3GHz）范围内几乎为一条上升的直线，在该频段范围内具有优秀的频率响应特性[9]。但是在信号传输的过程中特高频信号会出现衰减的现象，所以需要间隔一定的距离安装多个传感器，一般至少需要在变压器的不同位置布置4个特高频传感器，一般是在变压器检修手孔和人孔位置安装，因此对传感器制造安装的工艺要求较高，特别是当变压器结构过于复杂时，安装难度和成本会大大提高。

传感器安装前需要对变压器进行停电、排油和滤油处理，安装完成后还需要对变压器进行相关的检查和试验，这导致施工周期较长，施工成本较高。在安装时还需要注意，不要影响到变压器原有的电场分布以及绝缘。传感器感应面多采用金属材料，这导致安装传感器后可能对变压器内部的电场分布存在影响；为了保证信号采集，有时传感器可能会出现伸入过多的情况，从而导致变压器的绝缘特性降低。因此对于传感器的设计和安装要求较高，还需要计算和试验验证传感器的安装是否对变压器的运行存在影响。

目前存在一种排油阀型内置式传感器，即利用变压器油阀作为安装通道，将传感器伸入变压器箱体内部，与变压器油直接接触后耦合PD产生的电磁波信号，该方式可以在变电站现场带电状态或停电状态下进行安装和拆卸，是目前已投运变压器PD内置式特高频传感器最常用的安装方式[10]，但是监测效果并不理想，原因如下：大部分变压器的排油阀管路弯曲，很难将传感器伸入变压器的内部；排油阀内部设有金属挡板，信号采集受到阻断，导致不能有效的采集到的特高频信号；排油阀型传感器只能用于安装在排油阀为球阀和闸阀的变压器，对于蝶阀的变压器并不适用。

综上所述，传感器存在设计制造工艺要求高、安装施工复杂，且检测位置选取困难等问题，这导致国内变压器的特高频局部放电监测研究应用停滞不前，较大的限制了特高频检测技术在变压器局部放电检测的推广和应用。

2 封盖式变压器特高频局放信号采集

2.1 封盖式变压器特高频局放信号采集装置设计

为了解决信号采集装置的安装施工周期较长，施工成本较高、设计要求高、检测位置选择困难等问题。如图1和图2所示，提出了一种封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置，包括装置外壳和信号采集器件两部分。

图1 封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置外壳

图2 封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置设计

装置外壳内设置用于放置信号采集装置，由CT二次接线盒盖板、防水盒底盒和防水盒上盖组成；通过三部分的密切安装达到密封，实现防水、防潮、防尘及防小动物的作用，防护等级达到IP66。CT二次接线盒盖板表面设置传感器感应面用于局放信号的采集，板面设有四个盖板固定螺孔用于信号采集装置的固定。信号采集装置的尺寸和结构是可以通过对CT二次接线盒盖板的大小的设计以及四个盖板固定螺孔的孔位设计，实现对不同型号的变压器升高座电流互感器二次端子箱的封盖进行匹配，实现信号采集装置的通用性和特定性，从而达到对多种不同变压器的信号采集装置的匹配和快速安装，平均等效高度可达12mm。防水底盒上设置有特高频电缆穿线孔，同轴电缆可以通过此孔将连接信号检测装置上的同轴电缆接头，从而传出信号。

信号采集装置包括N型接头、三通接头、过电压保护器和特高频同轴电缆接头。过压保护器、三通接、N型接头连接、特高频同轴电缆接头这四个部件如图2所示依次连接，其中N型接头灵敏度为-75dBm～-5dBm、动态范围70dBm的特高频检测和定位设备技术参数匹配，一方面保证了连接安全可靠以及降低损耗，另一方面实现变压器和套管特高频局放信号的测试和定位分析。而特高频同轴电缆接头保证了封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置对电磁波有优良的耦合技术。

N型接头技术参数：接口类型N型公头，N型接头匹配阻抗50Ω，适用线径1/4英寸，阻抗50Ω±1Ω，工作频段0～18000MHz，衰减度910 MHz典型衰减小于-110dBm，工作温度-40～85℃。

此封盖式变压器局部放电信号采集装置技术参数、主要功能和技术指标如下：

传感器的灵敏度指标：传感器平均等效高度不小于12mm；

传感器的工作频带测量频带范围：300MHz-1500MHz；

传感器的信号接头：N型母头；

传感器的电气安全性指标：传感器工频接地电阻≤0.1Ω；

传感器工频瞬时冲击电流承受能力≥10kA/2ms；

保护器的工频接地电阻≤0.1Ω；

保护器的工频瞬时冲击电流承受能力≥10kA/2ms；

保护器接入衰减≤1.0dB；

传感器的特高频对地阻抗≥2kΩ；

传感器的机械安全性；

抗震动能力IEC60068-2-6-Vabration±1g、抗冲击能力IEC60068-2-7-Shock 15g/11ms、抗击打能力IEC60068-2-9-Bump 10g/16ms、适应压力-1Bar～10Bar；

传感器的环境适应性：适应的环境湿度≤95%；适应的环境温度：-40℃～85℃。传感器接线端子盒具备防水、防潮、防尘及防小动物密封措施，提供方便快捷的安装接线环境，防护等级IP66。传感器与N型检测接口、灵敏度为-75dBm～-5dBm、动态范围70dBm的特高频检测和定位设备技术参数匹配，保证可靠安全、低损耗的连接，实现变压器和套管特高频局放信号的测试和定位分析。配置灵敏度为-75dBm～-5dBm、动态范围70dBm的特高频检测设备，可准确检测到变压器内部不大于100pC的局放信号。

2.2 封盖式变压器特高频局放信号采集装置安装布置

由于目前运行变压器升高座电流互感器二次接线端子分布固定在环氧板上，而环氧板的直径较大，二次端子件存在较大的间隙，这为信号采集装置的安装提供了足够的空间，可以将CT二次接线盒盖板替换原二次端子箱的封盖安装在主变压器升高座电流互感器二次端子箱位置；为了到达准确监测变压器的局部放电，如今很多变压器在设计制造时都会预先留有检测口，也就是变压器预留特高频局放测试接口，是监测局放相对合适的位置；铁芯是变压器中主要的磁路部分，而夹件位于其上下铁轭的两侧，在电压器正常运行时，铁芯和夹件必须有一点可靠接地，所以铁芯夹件接地端子接口也是测量局放的合适位置。当变压器内部发生局部放电时，这三个位置都可以辐射出特高频局部放电信号，可以实现有效的信号采集。

本信号采集装置可长期安装于变压器套管升高座CT二次端子、变压器预留特高频局部接口及铁芯夹件接地端子接口以上这三个位置，通过信号采集装置传感器感应面采集特高频局部放电信号的同时，为信号采集装置的安置提供方便快捷的安装接线环境，实现了安装信号采集装置不影响设备的运行安全。

2.3 局放信号采集检测

封盖式变压器信号采集装置将长期安装在主变压器套管升高座CT二次端子、变压器预留特高频局部接口及铁芯夹件接地端子接口以上这三个位置，通过传感器感应面采集变压器的特高频局部放电信号，特高频同轴电缆接头通过连接同轴电缆与就地端子箱的标准接口连接，就地端子箱将信号传输到变压器局部放电信号检测装置，从而实现变压器信号的采集过程。

其中采用低损耗的同轴电缆作为输出连接，且同一台主变的所有信号采集装置的同轴电缆采用等长设计，可以达到适应变压器特高频局放定位技术应用要求的目的，同轴线缆技术参数如下。

内导体材料为铜包铝线，外导体材料为皱纹铜屏蔽，线径1/4英寸，阻抗50Ω±1Ω，工作频段0～18000MHz，衰减度在频率小于1000MHz时100米同轴电缆衰减小于20dB，工作温度-40℃～85℃。

3 局部放电测试

采用上述封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置对一500kV东莞站#4主变压器B相进行局放测试。测试过程中，在电压升至1.3U0时，可以检测到一个持续性沿面放电缺陷局部放电信号，幅值约-47.69dBm，信号密度较大。

分别在以下六个不同位置同时对局放信号进行采集对比，测试设备的各通道接入情况如下：变中侧手孔处信号采集装置接入通道1，中性点CT二次端子盒信号采集装置接入通道2，变低CT二次端子盒信号采集装置接入通道3，铁芯夹件端子位置信号采集装置接入通道4，变高CT二次端子盒信号采集装置接入通道5，变压器外部（空气中）信号采集装置接入通道6，详细测试数据如图3和图4。

由图3和图4可以得出在铁芯夹件接地位置传感器信号幅值最大，套管升高座位置安装的信号采集装置中中性点套管升高座传感器信号幅值最大，即对局部放电信号的反应灵敏准确。此封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置在规定安装位置可以实现局部放电的有效监测。

图3 PRPS图谱

图4 PRPD图谱

4 结语

为了解决信号采集装置的安装施工周期较长，施工成本较高及信号采集装置的设计要求高、很难确定合适的检测位置的问题，提出了一种封盖式变压器特高频局部放电信号采集装置。本信号采集装置运用特高频信号耦合技术，保证其对电磁波有优良的耦合技术；可根据不同型号变压器的封盖的尺寸和结构进行设计和加工匹配封板，在保障不影响运行安全的前提下，保证传感器的高灵敏度，对不同型号变压器的高匹配度。信号采集装置通过安装在变压器套管升高座CT二次端子、变压器预留特高频局部接口及铁芯夹件接地端子接口以上这三个位置，就能监测到变压器内部局部放电信号，做到了变压器特高频局部放电信号采集装置的安装不改变变压器内部电场分布、不伸入变压器壳体内部、不接触绝缘油、不影响变压器绝缘特性、安装过程中不需要进行排油和滤油、信号采集装置安装后不需要对变压器检查和试验，解决了变压器特高频局放监测技术推广应用中信号采集装置布置的难题，突破变压器特高频局放检测技术发展瓶颈。