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深圳供电局有限公司 518000
摘要：分析了超声波在变电器局部放电检测中的优点，阐述了其存在的不足问题。
关键词：超声波；局部放电；定位；
在电力变压器故障中，绝缘故障一直占有较高的比重。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。发生绝缘故障原因主要是绝缘薄弱处的局部放电所引起绝缘的老化和失效，并最终导致绝缘击穿。所以，局部放电是变压器内部绝缘劣化的前兆，通过局部放电的在线监测，可及时发现变压器内部绝缘存在的潜伏性缺陷，判断变压器内部绝缘劣化的程度，避免变压器发生突发性绝缘故障。这对保证电力变压器安全运行具有十分重要的意义。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可为变压器的状态维修提供科学的信息和指导，有利于迅速排除故障，避免恶性事故的发生，减少停电所带来的损失和降低维修成本，因而倍受电力部门重视。
1.变压器局部放电定位方法
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（Dissolved Gas Analysis）定位等。目前，國内外研究最多、应用最广泛的是超声波定位法和电气定位法。同传统的检测方法相比，超高频检测技术具有检测频率高、抗干扰性强和灵敏度高等优点，更适合在线监测。
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。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间差，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，由波形时间差也有两种读取法。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。这样便可很容易地分辨出直达波，以该波为准读取时间差。
现场中常用的超声波定位方法有形曲线法、双曲面法和球面定位法。随着声波传播机理研究的深入，又出现了顺序定位法和模式识别法。而电气定位法则是根据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来定位的，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。
通常情况下，变压器绕组普遍存在三个频率特性范围。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（O～0.O1MHz）局部放电信号的传输以电磁波形式为主；中频范围（O.01～O.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（O.01～O.1MHz），即由绕组的共振引起的分量；电容性分量（0.01～10MHz），即通过电容梯形网络传输的分量。
根据变压器的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。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（与数字滤波技术相结合）和端点电流脉冲频谱分析法。
超高频局放定位法是近几年发展起来的一种新方法，该方法通过超高传感器接收变压器内部局放产生超高频电磁波，实现局放的检测和定位。该方法最早应用于20世纪80年代英国GIS设备的局部放电检测中。变压器局部放电每一次都会发生电荷中和，伴随一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。在电力变压器内部局部放电的脉冲宽度为ns级，可激发频率达1GHz以上的电磁波，为一种横电磁波（TEM），超高频法测量的频率范围为300MHz～3GHz，目前国内实验室的实测值表明变压器油中的局部放电发射的超高频电磁波的频率范围从低频到高频广泛分布，上限截止频率至少可达1.5GHz。
2.超高频法定位的优点
在工作现场，干扰源多且干扰信号幅值大，用于定位的局放信号难以提取，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（UWB）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IMHz带宽的局放灵敏度为0.1pC，在350
MHz带宽灵敏度达0.01pC。（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200MHz）和空气中电晕产生的电磁干扰（通常小于4001MHz）频率一般均较低，可用宽频带超高频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，因而可用窄频带超高频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，用超高频法能有效地抑制外部干扰和提高信噪比。
鉴于超高频检测技术有较强的优势，该方法已经在实验室和现场的研究中取得了丰硕成果，并正在走向工程应用。采用超高频方法进行变压器局放定位是当前在线检测及故障诊断领域一个重要而前沿性的研究课题。
变压器局放定位要求在数米空间内实现对厘米范围的定位，与雷达无源定位的原理相同，变压器局放电磁波定位方法依据的是多传感器接收信号的时间差信息，因此时间差的准确测量是定位成功与否的关键。脉冲信号的时间差测量精度与脉冲信号上升沿时间的倒数成正比。脉冲宽度越小、前沿越陡，其时间分辨率越高，相应时间差的测量越准确。高精度雷达定位中通常采用的电磁波频率从几百MHz提高到了数十GHz，其定位精度从数米提高到数厘米。雷达定位精度与电磁波的频率（波长）有关，频率越高，定位精度越高。
3.超高频法定位存在的主要问题
采用超高频方法定位的主要特点有：
（1）超高频信号以近光速进行传播，其上升沿为ns量级，必需用采样频率数GHz的仪器采集，故对设备要求非常高。
（2）超高频电磁波不能穿透金属障碍物传播，而以反射和绕射为主且遵循几何绕射理论；
（3）超高频宽带检测的灵敏度很高，其起始波头的衰减特性是决定其定位能力的关键因素。超高频法定位电力变压器局部放电目前还很不成熟，国内外所作的工作绝大部分是在实验室内部进行的，在运行现场的应用基本上处于探索阶段。主要存在的问题有以下3点：
1）对局部放电超高频电磁波的辐射特性和传播机理缺乏深入系统的研究。由于变压器内部绝缘结构的复杂性，电磁波从放电点到接收传感器的传播过程中可能会遇到变压器油、油纸绝缘或者金属导体，电磁波会发生多次的折返射及衰减，加大了超高频法的检测难度，也加大了基于超高频法进行局部放电故障定位的准确程度。
2）基于超高频法考核电力变压器放电状况即标定问题还没有解决。传统的局放检测方法及标准是依据IEC60270实施的，即通过脉冲电流法得出的视在放电量来判定变压器的放电严重程度。而对于超高频法来说，由于放电点与传感器距离、电磁波的传播途径的复杂性，得出的检测结果无法与低频的脉冲电流法相对应，大大阻碍了超高频法在运行现场的应用。
3）现场干扰的抑制。干扰抑制问题一直是局部放电在线监测应用发展瓶颈，对于超高频法检测变压器而言，目前现场信号检测频带在300MHz--1000MHz之间，实验室研究也不超过1.5GHz，管检测频带非常宽，’可提高检测灵敏度。但对于现场复杂的电气环境，宽频带的电气干扰有可能存在，而且目前也缺乏对干扰的宽频带范围的分析研究，如何选取测量频段是一个非常关键的问题。
摘要：分析了超声波在变电器局部放电检测中的优点，阐述了其存在的不足问题。
关键词：超声波；局部放电；定位；
在电力变压器故障中，绝缘故障一直占有较高的比重。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。发生绝缘故障原因主要是绝缘薄弱处的局部放电所引起绝缘的老化和失效，并最终导致绝缘击穿。所以，局部放电是变压器内部绝缘劣化的前兆，通过局部放电的在线监测，可及时发现变压器内部绝缘存在的潜伏性缺陷，判断变压器内部绝缘劣化的程度，避免变压器发生突发性绝缘故障。这对保证电力变压器安全运行具有十分重要的意义。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可为变压器的状态维修提供科学的信息和指导，有利于迅速排除故障，避免恶性事故的发生，减少停电所带来的损失和降低维修成本，因而倍受电力部门重视。
1.变压器局部放电定位方法
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（Dissolved Gas Analysis）定位等。目前，國内外研究最多、应用最广泛的是超声波定位法和电气定位法。同传统的检测方法相比，超高频检测技术具有检测频率高、抗干扰性强和灵敏度高等优点，更适合在线监测。
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。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间差，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，由波形时间差也有两种读取法。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。这样便可很容易地分辨出直达波，以该波为准读取时间差。
现场中常用的超声波定位方法有形曲线法、双曲面法和球面定位法。随着声波传播机理研究的深入，又出现了顺序定位法和模式识别法。而电气定位法则是根据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来定位的，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。
通常情况下，变压器绕组普遍存在三个频率特性范围。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（O～0.O1MHz）局部放电信号的传输以电磁波形式为主；中频范围（O.01～O.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（O.01～O.1MHz），即由绕组的共振引起的分量；电容性分量（0.01～10MHz），即通过电容梯形网络传输的分量。
根据变压器的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。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（与数字滤波技术相结合）和端点电流脉冲频谱分析法。
超高频局放定位法是近几年发展起来的一种新方法，该方法通过超高传感器接收变压器内部局放产生超高频电磁波，实现局放的检测和定位。该方法最早应用于20世纪80年代英国GIS设备的局部放电检测中。变压器局部放电每一次都会发生电荷中和，伴随一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。在电力变压器内部局部放电的脉冲宽度为ns级，可激发频率达1GHz以上的电磁波，为一种横电磁波（TEM），超高频法测量的频率范围为300MHz～3GHz，目前国内实验室的实测值表明变压器油中的局部放电发射的超高频电磁波的频率范围从低频到高频广泛分布，上限截止频率至少可达1.5GHz。
2.超高频法定位的优点
在工作现场，干扰源多且干扰信号幅值大，用于定位的局放信号难以提取，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（UWB）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IMHz带宽的局放灵敏度为0.1pC，在350
MHz带宽灵敏度达0.01pC。（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200MHz）和空气中电晕产生的电磁干扰（通常小于4001MHz）频率一般均较低，可用宽频带超高频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，因而可用窄频带超高频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，用超高频法能有效地抑制外部干扰和提高信噪比。
鉴于超高频检测技术有较强的优势，该方法已经在实验室和现场的研究中取得了丰硕成果，并正在走向工程应用。采用超高频方法进行变压器局放定位是当前在线检测及故障诊断领域一个重要而前沿性的研究课题。
变压器局放定位要求在数米空间内实现对厘米范围的定位，与雷达无源定位的原理相同，变压器局放电磁波定位方法依据的是多传感器接收信号的时间差信息，因此时间差的准确测量是定位成功与否的关键。脉冲信号的时间差测量精度与脉冲信号上升沿时间的倒数成正比。脉冲宽度越小、前沿越陡，其时间分辨率越高，相应时间差的测量越准确。高精度雷达定位中通常采用的电磁波频率从几百MHz提高到了数十GHz，其定位精度从数米提高到数厘米。雷达定位精度与电磁波的频率（波长）有关，频率越高，定位精度越高。
3.超高频法定位存在的主要问题
采用超高频方法定位的主要特点有：
（1）超高频信号以近光速进行传播，其上升沿为ns量级，必需用采样频率数GHz的仪器采集，故对设备要求非常高。
（2）超高频电磁波不能穿透金属障碍物传播，而以反射和绕射为主且遵循几何绕射理论；
（3）超高频宽带检测的灵敏度很高，其起始波头的衰减特性是决定其定位能力的关键因素。超高频法定位电力变压器局部放电目前还很不成熟，国内外所作的工作绝大部分是在实验室内部进行的，在运行现场的应用基本上处于探索阶段。主要存在的问题有以下3点：
1）对局部放电超高频电磁波的辐射特性和传播机理缺乏深入系统的研究。由于变压器内部绝缘结构的复杂性，电磁波从放电点到接收传感器的传播过程中可能会遇到变压器油、油纸绝缘或者金属导体，电磁波会发生多次的折返射及衰减，加大了超高频法的检测难度，也加大了基于超高频法进行局部放电故障定位的准确程度。
2）基于超高频法考核电力变压器放电状况即标定问题还没有解决。传统的局放检测方法及标准是依据IEC60270实施的，即通过脉冲电流法得出的视在放电量来判定变压器的放电严重程度。而对于超高频法来说，由于放电点与传感器距离、电磁波的传播途径的复杂性，得出的检测结果无法与低频的脉冲电流法相对应，大大阻碍了超高频法在运行现场的应用。
3）现场干扰的抑制。干扰抑制问题一直是局部放电在线监测应用发展瓶颈，对于超高频法检测变压器而言，目前现场信号检测频带在300MHz--1000MHz之间，实验室研究也不超过1.5GHz，管检测频带非常宽，’可提高检测灵敏度。但对于现场复杂的电气环境，宽频带的电气干扰有可能存在，而且目前也缺乏对干扰的宽频带范围的分析研究，如何选取测量频段是一个非常关键的问题。