电力变压器检测技术研究设计论文.docx
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电力变压器检测技术研究设计论文
毕业论文
电力变压器检测技术研究设计
作者姓名：
专业、班级：
发电厂及电力系统1102班
学号：
2011110232
校指导教师：
校外指导教师：
邓银环
完成日期：
2014年7月17日
黄河水利职业技术学院自动化工程系
摘要
局部放电测量是目前测试电力设备特性、发现设备部缺陷、预防设备故障的一种非常有效的手段。
为满足现代电力企业的需求，超高频法、超声波法、油色谱法等许多局部放电在线检测技术得以发展，并在现实中得到应用。
本文介绍了市电力公司主变压器局部放电在线检测技术的应用研究，对局部放电的测量技术进行了分析，积累了大量数据、样本和经验，给出了技术应用的两个典型案例，介绍了DMS超高频和TECHIMP高频两种先进技术方法的典型典型图谱。
建立多种局部放电在线检测方法合理搭配的联合诊断方法，为未来电力设备在线测方法发展提供指导。
关键词：
变压器；局部放电；在线检测；高频；超高频
摘要-2-
目录..............................................................-3-
1第一章引言-4-
1.1选题背景和意义-4-
1.2文献综述-4-
1.3本文的主要容和结构安排-5-
2第二章局部放电与变压器局部放电的测量-8-
2.1局部放电概述............................................-9-
2.2变压器局部放电测量方法-13-
3第三章市电力公司局部放电在线监测技术-15-
3.1空间电磁波频谱测试技术-16-
3.2POCheck高频局部放监测技术-17-
3.3地电波局部放监测技术-21-
3.4超声波局部放监测技术....................................-23-
3.5OWTS震荡波局部监测技术-24-
3.6高速示波器精确定位技术................................-27-
3.7超高频局放监测技术.....................................-28-
3.8油色谱分析技术..........................................-34-
3.9气体分析技术.............................................-35-
4第四章局部放电联合诊断技术-36-
4.1联合诊断技术原理-37-
4.2典型图谱的实测比对-37-
4.3联合诊断技术的确立-37-
5第五章典型案例-38-
5.1案例-39-
结论-40-
致-41-
第一章引言
1.1选题背景和意义
随着国民经济的发展，针对电力系统可靠运行的要求越来越高，而电力变压器是电力系统的枢纽设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。
对实际故障的统计分析表明，绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因，而局部放电是造成变压器绝缘劣化的主要原因。
它既是绝缘缺陷的预兆，又是其发展的产物。
目前国的局放试验多在离线状态下进行，此时变压器已经脱离电网及外界干扰，测量较容易。
但离线状态下，设备处于“冷状态”，外界的电磁场、发热、机械振动等环境影响都与实际运行时不同，所测数据也有一定偏差，因此有必要进行局放在线检测。
同时，在线检测时试品不用承受高于额定值的过电压，不会影响被试设备，属于非破坏性试验。
此外，带电检测可以在不影响设备正常运行的情况下，随时测量或监测设备的“健康状态”，使管理者对设备运行状态心中有数，也便于科学合理地安排设备检修周期及检修项目，使维修更换时有的放矢，不仅大量缩减检修时间及相应人力物力财力消耗，也使企业管理水平上升到一个新的层面，实现对在役设备的在线监测和数字化管理。
电力设备综合监测、分析、诊断一直是电力部门期待解决的问题。
传感技术、信号检测处理技术及诊断技术的发展，为建立电力变压器局部放电在线监测系统提供了技术基础，变压器运行经验的积累为绝缘诊断提供了依据。
本课题期望能够引进、消化、吸收国外的先进技术和经验，结合市电力公司设备的实际情况，实现市电力公司自己特色的主变压器局部放电在线检测实施方法和分析判断方法。
1.2文献综述
局部放电检测是以发生局部放电时产生的电光声等现象为依据，来判断局部放电的状态，包括定位和放电的程度。
其检测方法有脉冲电流法、超声波检测法、光测法、化学检测法等多种检测方法。
l、脉冲电流法
脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器，检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。
脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC60270为IEC正式公布的局部放电测量标准。
检测变压器局部放电用的电流传感器通常由罗戈夫斯基线圈制成。
电流传感器按频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器带宽一般在10kHz左右，中心频率在20--30kHz之间或更高;宽带传感器带宽为100kHz左右，中心频率在200--400kHz之间。
脉冲电流法通常被用于变压器出厂试验以及力其他离线测试中，其离线测量灵敏度高，而且可以测量视在放电量。
脉冲电流法的缺点在于:
由于运行现场干扰严重，导致脉冲电流法无法有效应用于在线监测;对于变压器这类具有绕组结构的设备，由于局部放电在绕组的传播导致脉冲电流法在标定时产生很大的误差;当试样的电容量较大时，受藕合电容的限制，测试仪器的测量灵敏度受到一定限制;测量频率低，频带窄，包含的信息量少。
2、超声波法
用固定在变压器油箱壁上的超声波传感器可以接受到局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置。
由于此方法受电气干扰的影响比较小以及它在局部放电定位中的作用，人们对超声波的研究比较深入。
局部放电产生的声波频率围分布很广，一直延伸到超声波频率，而现场中的环境干扰（如运行中变压器的励磁噪声、散热器风扇、冷却器、潜油泵的噪声、循环油噪声等）的频率大多为声频。
因此，选择局部放电的超声频段进行检测容易避开干扰的影响，选用的频率围一般为70--150kHz，目的是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声。
很早以前人们就用局部放电发生的声波和超声波来检测放电的位置，但由于灵敏度很低，在局部放电测试中很少使用。
近年来，由于换能元件灵敏度的提高和低噪声的集成元件放大器的应用，大大提高了超声波测量的灵敏度。
再加上设计好的超声波探测仪器可以很好地消除干扰，能有效确定局部放电的部位。
超声检测主要用于定性地断局放信号的有无，以及结合脉冲电流法或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。
在电力变压器的离线和在线检测中，它是主要的辅助测量手段。
3、DGA法（气相色谱法）
当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测气体生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。
目前，该方法广泛应用于变压器，分析各种气体的组成和浓度可确定故障类型和故障程度。
IEC为此特意制定了三比值法的推荐标准。
该方法目前已广泛应用于变压器的在线故障诊断中，并且建立起模式识别系统可实现故障的自动识别，是当前在变压器局放检测领域非常有效的方法。
该方法的优点是不受外界电磁干扰的影响，准确度较高。
但是DGA法具有两个缺点:
油气分析是一个长期的监测过程，因而无法发现突发性故障;该方法无法进行故障定位。
4、红外热像法
它是利用变压器部局部放电产生的电热能量转换来检测局部放电区域的温度变化。
优点是使用方便，结果直观。
缺点是当故障点处于变压器深处时，检测不到。
用于定性测量有其一定意义，但用于定量研究还存在困难。
目前多用于套管的检测。
5、RIV法（无线电干扰测量法）
局部放电会产生无线电干扰的现象很早就被人们所认识。
例如人们常采用无线电电压干扰仪来检测由于局放对无线电通讯和无线电控制的干扰，并已制定了测量方法的标准。
用RIV表来检测局放的测量线路与脉冲电流直测法的测量电路相似。
此外，还可以利用一个接收线圈来接收由于局放而发出的电磁波，对于不同测试对象和不同的环境条件，选频放大器可以选择不同的中心频率（从几万赫兹到几十万赫兹），以获得最大的信噪比。
这种方法已被用于检查电机线棒和没有屏蔽层的长电缆的局放部位。
6、光测法
光测法利用局放产生的光辐射进行检测。
在变压器油中，各种放电发出的光波长不同，研究表明通常在500—700nm之间。
在实验室利用光测法来分析局放特征及绝缘劣化等方面已经取得了很大进展，但是由于光测法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光是透明的，因而在实际中无法应用。
7、射频检测法
利用罗果夫斯基线圈从变压器中性点处测取信号，测量的信号频率可以达到3万千赫兹，大大提高了局放的测量频率，同时测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统的运行方式。
但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局放信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干扰。
随着数字滤波技术的发展，射频检测法在局放在线检测中得到了较广泛的应用。
8、超高频法
局部放电超高频检测是通过超高频传感器接收变压器部局部放电产生的超高频电磁波，实现局部放电的检测，并实现抗干扰。
变压器每一次局部放电都发生正负电荷的中和，伴随有一个很陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。
根据已经取得的结论:
局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。
当放电间隙比较小，且放电间隙的绝缘强度比较高时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射的电磁波超高频分量比较丰富。
目前已经证实:
变压器部局部放电确实能激发出很高频率的电磁波，最高可达数1GHz。
传统的局部放电检测方法，测量频率低，易受外界干扰。
通常超高频检测技术的检测频带是500一1500MHz，而实测表明，现场噪声通常低于400MHz，可最大限度避开干扰。
同时，由于检测频带宽，具有较高的灵敏度。
另外，与其它方法不同，超高频法测得的波形更加符合实际的放电波形，可以较全面的研究变压器部局部放电的本质特征。
其缺点是超高频法体外检测灵敏度低，体检测预置超高频传感器要厂家配合;此外，难以进行标定是阻碍超高频技术应用的最大障碍。
局部放电超高频检测技术近年来得到了较快的发展，在以GIS为代表的电力设备中得到了成功的应用。
由于GIS的结构特点，超高频检测GIS局部放电已成功地应用多年。
局部放电信号在GIS中是以TEM波和TE波、TM波的形式传播的，GIS的同轴结构相当于导引电磁波的波导管，TE波与TM波在其中传播的截止频率取决于G工S的结构尺寸，同时由于间隔的作用，一个GIS系统如同一系列的谐振腔，谐振腔号传播损耗小，信号传播时间长，通常一个纳秒级的局部放电信号可以持续I0mS以上，有利于检测。
对变压器而言，局部放电通常发生在变压器的油一隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性，电磁波在其中传播会发生多次折返射及衰减。
同时，变压器箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这就大大增加了检测的难度。
因此，变压器局部放电超高频检测技术的研究还处于起步阶段。
国外方面，荷兰KEMA实验室的RutgerS等人在实验室中对变压器局部放电超高频检测技术进行了初步研究。
研究结果表明:
油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激起IGHz以上的超高频电磁波。
他们还在实验室中检测到了几种缺陷放电的超高频信号，并研制了300--1200MHZ的超高频天线运用于实际变压器中。
他们将天线插入变压器放油阀中，天线面与油箱壁在同一平面上，所测得的信号通过一个波导结构从变压器导出并送入检测装置，这样电磁波到达传感器时衰减较少;同时，波导结构有利于电磁波的无损传播，从而提高了超高频法的检测灵敏度（可达到10pC）。
英国Strathclyde大学的Judd等人在GIS超高频检测研究的基础上，也对变压器进行了实验室研究，并进行了现场实测。
传感器为盘式的电容祸合器（disccoupler），在变压器顶部靠近高压侧的箱体上开一介质窗，传感器通过介质窗提取局部放电信号，送入频谱分析仪，选取最优频率后，使用频谱仪的POW（pointonwave）模式进行分析，取得了一定的成果。
此外他们还使用最小路径法对变压器局部放电的定位进行了探讨，他们最主要的贡献是发明了一系列超高频天线的标定计算方法，为以后超高频法测量局部放电的标准化奠定了一定的基础。
此外，法国ALSTOM输配电研究中心的K.Raja等人在实验室研究了各种典型局部放电模型的超高频特性，发明了能够选择干扰最小的频段进行检测的ZeroSpan超高频局部放电检测方法，并据此建立了模式识别方法。
国方面，交通大学王国利等人在变压器的超高频局部放电检测方面作了许多工作，建立了检测频带可调的实验室检测系统及局部放电自动识别系统，思路和方法与国外几家基本相同。
清华大学则试图通过在变压器部引出线的附近安置UHF天线的方法来测量变压器的部放电，在实验室进行了研究。
2第二章局部放电与变压器局部放电的测量
2.1局部放电概述
1、局部放电的定义
根据GB/T7354-2006《局部放电测量》中的定义，局部放电是指导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电，这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。
当电力设备的绝缘部存在气隙或生产过程中造成一些缺陷，在高电场强度作用下，气隙首先击穿，并会发生多次的重复击穿和熄灭，而周围的绝缘介质仍保持着绝缘性能，整个绝缘结构并未形成电极间的贯穿性放电通道。
局部放电一般存在于固体绝缘的空隙中，液体绝缘的气泡中，电极表面的尖锐部位或电场中的悬浮金属的表面;介质的沿面放电，层压材料中的放电，固体绝缘的表面和层的树枝状爬电等也属于这一类。
2、局部放电的危害
如果电气设备绝缘在运行电压下出现局部放电，这些微弱的放电会使绝缘材料受到电晕腐蚀、局部过热、紫外线辐射和氧化作用，产生的累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿，设备损坏。
如油纸绝缘在局部放电作用下会产生不饱和烃C2H2、H2、CH4和x蜡，蜡质会积留在固体绝缘上，放电产生的气体又使放电增加，造成在场强高的部位或绝缘纸有损伤的部位发生击穿，或沿着层间间隙爬电，或形成树枝状放电，在放电通道上会形成整齐的碳化层，最终贯穿绝缘。
虽然局部放电会使绝缘劣化而导致损坏，但它的发展是需一定时间的，发展时间与设备本身的运行状况及局部放电种类，与其产生的位置和设备的绝缘结构等多种因素有关。
因此，一个绝缘系统寿命与放电量的关系分散性很大，这也是该项测试技术有待研究的一个课题。
总的来讲，对一个绝缘系统的好坏判断是其局部放电越小越好。
3、局部放电测量的目的和意义
用传统的绝缘试验方法很难发现局部放电缺陷，并且lmin交流耐压试验还会损伤绝缘，影响设备以后的运行性能，随着电压等级提高，这个问题更为严重。
因而，测试电气设备的局部放电特性是目前预防电气设备故障的一种好方法，可以发现潜在绝缘薄弱部位，通过局部放电试验的变压器类设备，在运行中可靠性是比较高的。
目前局部放电已列为变压器类设备的出厂、交接和预试项目，在国家电网公司《输变电设备状态检修试验规程》中列为诊断性试验项目，成为国外广泛采用的一种评定绝缘质量的有重大意义的方法，是一种非破坏性试验。
进行局部放电测量的目的主要有:
1）验证设备在规定电压下，局部放电量应小于规定数值;2）确定起始和熄灭放电电压;3）制定在规定电压下的放电标准。
4、局部放电特征参量及形成机理
①局部放电的主要特征参量
表征局部放电的主要特征有以下三个:
l）视在放电量q:
是指在试品两端注入一定电荷量，使试品端电压的变化量和局部放电时端电压变化量相同。
此时注入的电荷量即称为局部放电的视在放电量，以皮库（pC）表示。
实际上，视在放电量与试品实际点的放电量并不相等，后者不能直接测得。
试品放电引起的电流脉冲在测量阻抗端子上所产生的电压波形可能不同于注入脉冲引起的波形，但通常可以认为这二个量在测量仪器上读到的响应值相等。
2）局部放电起始电压Ui:
是指试验电压从不产生局部放电的较低电压逐渐增加时，在试验中局部放电量超过某一规定值时的最低电压值。
3）局部放电熄灭电压U0:
是指试验电压从超过局部放电起始电压的较高值逐渐下降时，在试验中局部放电量小于某一规定值时的最高电压值。
②局部放电的形成机理
根据放电类型来分，局部放电大致可分为绝缘材料部放电、表面放电及高压电极的尖端放电。
1）部放电
如绝缘材料中含有气隙、杂质、油隙等，这时可能会出现介质部或介质与电极之间的放电，其放电特性与介质特性及夹杂物的形状、大小及位置都有关系。
在此以固体或液体绝缘中的气隙（空穴）为例来阐述局部放电的形成.
在实际试验中，由于放电空穴两端的电压变化不能得知，则真实放电量q，是不能测得的。
但由放电引起电源输入端的电压变化△U。
可测到，绝缘介质整体电容可测得，则由局部放电引起的视在放电量q可求得。
所以，在局部放电试验中，由局部放电仪测量所测得的值为由pC为单位表示的视在放电量，是在真实放电量不可能测出的情况下的一种变通方法，在实际运用中，通过由视在放电量的大小来判断绝缘的优劣。
由上述及图2-2可看出，部局部放电总是出现在电源周期中的第一或第三象限，每周期的平均放电次数与外施电压u有关，每周放电次数随着u的上升与增加，大约呈直线关系，每个周期出现的局部放电脉冲可在局部放电测量仪的显示器上观察脉冲或放大波形分析.
当绝缘介质出现局部放电后，外施电压在低于起始电压的情况下，放电也能继续维持。
该电压在理论上可比起始电压低一半，也即绝缘介质两端的电压仅为起始电压的一半，这个维持到放电消失时的电压称之为局放熄灭电压。
而实际情况与理论分析有差别，在固体绝缘中，熄灭电压比起始电压约低5%-20%。
在油浸纸绝缘中，由于局部放电引起气泡迅速形成，所以熄灭电压低得多。
这也说明在某种情况下电气设备存在局部缺陷而正常运行时，局部放电量较小，也就是运行电压尚不足以激发大放电量的放电。
当其系统有一过电压干扰时，则触发幅值大的局部放电，并在过电压消失后如果放电继续维持，最后导致绝缘加速劣化及损坏。
2）表面放电
如在电场中介质有一平行于表面的场强分量，当其这个分量达到击穿场强时，则可能出现表面放电。
这种情况可能出现在套管法兰处、电缆终端部，也可能出现在导体和介质弯角表面处，见图2-4。
介质与电极间的边缘处，在r点的电场有一平行于介质表面的分量，当电场足够强时则产生表面放电。
在某些情况下，空气中的起始放电电压可以计算。
表面局部放电的波形与电极的形状有关，如电极为不对称时，则正负半周的局部放电幅值是不相等的，见图2-5。
当产生表面放电的电极处于高电位时，在负半周出现的放电脉冲较大、较稀;正半周出现的放电脉冲较密，但幅值小。
此时若将高压端与低压端对调，则放电图形亦相反。
3）电晕放电（电极尖端在气体中的放电）
电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体表面附近的电场强度达到气体的击穿场强时所发生的放电。
在高压电极边缘，尖端周围可能由于电场集中造成电晕放电。
电晕放电在负极性时较易发生，也即在交流时它们可能仅出现在负半周。
电晕放电是一种自持放电形式，发生电晕时，电极附近出现大量空间电荷，在电极附近形成流注放电。
现以棒一板电极为例来解释，在负电晕情况下，如果正离子出现在棒电极附近，则由电场吸引并向负电极运动，离子冲击电极并释放出大量的电子，在尖端附近形成正离子云。
负电子则向正极运动，然后离子区域扩展，棒极附近出现比较集中的正空间电荷而较远离电场的负空间电荷则较分散，这样正空间电荷使电场畸变。
因此负棒时，棒极附近的电场增强，较易形成。
在交流电压下，当高压电极存在尖端，电场强度集中时，电晕一般出现在负半周，放电波形见图2-6，或当接地电极也有尖端点时，则出现负半周幅值较大，正半周幅值较小的放电。
2.2变压器局部放电测量方法
电气设备绝缘部发生局部放电时将伴随着出现许多外部现象，有些外部现象属于电现象，如产生电流脉冲、引起介质损耗增大、产生电磁波辐射等;有些属于非电现象，如产生光、热、噪声、气压变化和分解物等，可以利用这些现象对局部放电进行检测。
目前应用得比较广泛和成功的是脉冲电流法，它不仅可以灵敏地检出是否存在局部放电，还可判定放电强弱程度。
测量局部放电的基本回路有3种，如图2-7所示，其中图2-7（a）、（b）可统称为直接法测量回路;（c）称为平衡法测量回路。
图中:
Zf-高压滤波器;Cx-试品等效电容;Ck-祸合电容;Z。
-测量阻抗;
-调平衡元件;M-测量仪器
第一种回路主要包括:
l）试品等效电容Cx。
2）祸合电容以。
以在试验电压下不应有明显的局部放电。
3）测量阻抗云。
测量阻抗是一个四端网络的元件，它可以是电阻R或电感的单一元件，也可以是电阻电容并联或电阻电感并联的Rc和几电路，也可以由电阻、电感L、电容组成RL调谐回路。
调谐回路的频率特性应与测量仪器的工作频率相匹配。
测量阻抗应具有阻止试验电源频率进入仪器的频率响应。
连接测量阻抗和测量仪器中的放大单元的连线，通常为单屏蔽同轴电缆。
对RC型（如图2-8），当电容C较小时，检测阻抗上的波形与流过被试品的脉冲电流相似，但其频带较宽、噪声较大，被试品的工频充电电流大时使检测阻抗上工频分量不能完全滤除，从而影响测量。
RC型一般用于平衡测量回路，R值一般选用200--1200。
，电容C即为电缆分布电容，实际应用时不需另加。
RLC型（如图2-9）对局部放电脉冲检测有很高的灵敏度，而对被试品工频的充电电流呈现低阻抗，频带较窄，噪音水平较低。
缺点是波形易呈现振荡，但适当选择R（2--3kQ）可使振荡阻尼抑制，所以普遍采用RLC型检测阻抗。
4）根据试验时干扰情况，试验回路接有一阻塞阻抗乙，以降低来自电源的干扰，也能适当提高测量回路的最小可测量水平。
三种试验回路的选择原则:
1）试验电压下，试品的工频电容电流超出测量阻抗几允许值，或试品的接地部位固定接地时，可采用图2-7（a）试验回路。
2）试验电压下，试品的工频电容电流符合测量阻抗乙允许值时，可采用图2-7（b）试验回路。
3）试验电压下，图2-7（a）、（b）试验回路有过高的干扰信号时，可采用图2-7（c）试验回路。
4）测量阻抗的选取应使叹和cx串联后的等效电容值在测量阻抗所要求的调谐电容C的围，否则会降低测量灵敏度。
平衡法是利用两台试品相互作为祸合电容并平衡抑制干扰，或将电容值差别不大的另一电容器作为祸合电容。
平衡法的测量灵敏度略低于直测法，但它的抗干扰能力却比直测法高得多
第三章市电力公司局部放电在线检测技术
3.1空间电磁波频谱测试技术
1、基本原理
运行中的输变电设备产生放电缺陷后，伴随放电产生的电磁波信号在介质（SF6、空气、绝缘材料）中向四周传播，越靠近放电点其高频分量越多，幅值也越大。
同时，同一放电源的周期性时域谱图也具有相似性。
仔细采集和研究这些特征，采用频谱分析仪就可以在变电站进行放电信号的识别与定位
2、设备工作原理及主要技术指标
设备工作原理:
频谱分析仪工作原理如图3-1所示。
频谱分析仪通过电磁波传感器能够采集空间电磁波信号，通过对不同位置的电磁波信号进行幅值和频率的对比，并对某一频段的周期性时域谱图进行对比，可以对放电源进行识别和定位。
主要技术指标:
频谱分析仪的主要技术指标如下:
1）频率围:
100kHz--6.0GHz·
2）分辨率带宽:
100Hz--IMHz。
3dB宽度）
3）视频带宽:
10Hz--1MHzC3dB宽度）
4）量幅度围:
+20dBm--135dBm（带低噪放）
5）跟踪信号发生器频率:
SMHz--
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