大型电力变压器局部放电超高频检测法初探

中国电机工程学会高电压专业委员会２００４年学术会议论文

大型电力变压器局部放电超高频检测法初探

许中荣，孙才新，唐炬，彭文雄

重庆大学高电压与电＿Ｔ－新技术教育部重点实验室（重庆４０００４４）

要：本文从理论上对变压器局部放电超高频检测技术作了的论述，对电力变压器中局部放电信号所激发电磁波的

机理进行了深入研究，着重分析计算了超高频电磁波在变压器内部各种不同介质和不同导体界面的折、反射

情况。建立的局部放电超高频检测系统的实验室研究模型，并用ＡＮＳＹＳ电磁场仿真软件对局部放电在电力变

压器内部传播特性进行了初探性的研究。

局部放电检测技术经历了从低频段到中频段再到超高频的发展过程。研究表明电力设备局部放电采用超高频、超宽频带局部放电检测能避开电晕等干扰、有利于识别局部放电脉冲的真实形状，进行超高频和超宽频带检测的关键是超高频、超宽频带局部放电信号的传感和实时采集。要实现

ＪＶ２＝－ｉＪ善ｃ＋Ｖ［肛鲁］＋Ｖ（ｖ・句懈警（１）

【ｖｚ尹＋ｖ．ａ２／西＝一户／日

妒ｂ，，，ｚ，ｔ）

缸，，，：，ｆ）

该方程说明了局部放电产生的电磁波以速度”沿着ｒ方向传播出去的，它是时间与位置的函数，是一辫种横电磁波（ＴＥＭ波）。

一种比较典型的基于平行传输线电磁耦合原理的超宽频带局部放电传感器，其原理如图１所示”１。图中的耦合平行双线，（Ａ１）一（Ａ２）为主线，（Ｂ１）一（Ｂ２）为副线。功率自端口（Ａ１）输入，当１７２摘关键词：电力变压器局部放电超高频ＡＮＳＹＳ１引言是由电子放电过程和离子放电过程组成，其中一次离子放电过程持续时间约为微秒级，而一次电子放电持续时间约为纳秒级，将这样一个非平稳信号进行频谱变换，发现其频率分量广泛分布在１ＧＨｚ范围内‘”。传统的局部放电测量，仅仅测量了表征局部放电特征的部分信息。局部放电超高宽频检测技术是用电磁耦合技术进行局部放电检测，测量频率为几百ＭＨｚ以上。２超高频、超宽频带耦合原理从而有利于判断绝缘系统中放电的性质和来源。对局部放电信号的超宽频带检测。首先必须要知道局部放电信号的传输模式”１。通常可以将局部放电信号看成是由一个点源所发出的，当介质某处有局部放电引起的电磁扰动，将会在空间产生电磁波，它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程，可以引入动态位的概念来分析。定义五为动态向量位，妒为动态标量位，它们既是空间坐标的函数又是时间的函数，于是由麦克斯韦基本方程可推导出动态位方程：该方程组表示了动态位与波源晶、Ｐ之间的关系，其解为：

——一．生里皇垫三堡堂全壹皇垦皇些重璺叁！！！！兰堂查叁塑堡苎

端口（Ａ２）接匹配负载时，主线上任一位置的电压和电流同相。令ｆ为主线上某处的电流瞬时值，Ｐ为主线上该处的电位瞬时值，它们的方向如图中所示。

图１平行传输线的电磁耦合

对于超宽频带局部放电检测的具体情况，设计的传感器相当于图１中的幅线（Ｂ１）一（Ｂ２），而从局部放电源发出的ＴＥＭ波就相当于经主线（Ａ１）一（Ａ２）的信号输入。端口（Ａ２）接匹配负载时输入的电磁波为无限长行波状态，即电压与电流同相。这样，当从局部放电源发出的ＴＥＭ波流经传感器表面时，就会产生电磁耦合作用。

３电力变压器ＰＤ的传播特性

在变压器超高频局部放电检测过程中，ＴＥＭ波从放电点传播到超高频传感器可能会遇到３种情况１１ｌｆ３Ｉ：①经过单一绝缘介质（变压器油）传播到接受天线；⑦经复合绝缘介质（油．隔板）传播到接受天线；③传播过程中遇到金属导体（变压器箱体）。为有效地进行超高频局部放电地检测，首先需要了解局放电磁波在以上３种情况下地传播特性。

３．１单一绝缘一变压器油的传播特性

在绝缘介质中，局放电磁波的传播速度ｖ仅决定于介质的性质，其波前平面（平行珂平面）沿ｚ轴传播的速度ｖ＝叫出＝ｌ／√石，绝缘空间任一点的电磁场能量密度．．，＝＾日；＝日Ｅ：，而局放电磁波绝缘介质中传播的坡印亭矢量ｓ＝Ｅ×Ｈ＝ｖ．．，。它表明：绝缘介质中电磁能量沿电磁波传播方向流动．能量流动的速度即为波速，在传播过程中能量密度等振幅传播保持不变。也就是说，超高频局放电磁波在单一绝缘介质中是无衰减传播的。

３．２复合绝缘一油一隔板的传播特性

由于不同介质存在着界面，电磁波在界面处发生反、折射，在界面上入、反、折射波之间的关系决定于边界条件，任意点源可展开成ＴＥ和ＴＭ型Ｚ方向平面波谱的积分型叠加，而平面电磁波在平面分层复合介质中的传播，可用反、折射系数描述。

设有一ＴＥ型ｚ向平面电磁波分量入射到图２的单界面（ｚ－－０）处，则上半空间同时存在入、反射波，而下半空间只存在折射波，它们的场可分别为：

ＩＥＩ，（ｚ）＝Ｅｏｅｘｐ（一ｉｋｌ；ｚ）＋Ｒ”Ｅｏｅｘｐ（１ｋｌｚｚ）ｆ３）

ｋ２，（ｚ）＝ＴＴＭＥ。ｅｘｐ（－批２力

其中，Ｒｒｅ和ｒ”分别为界面的反、折射波与入射波幅值之比，称为局部反射系数和折射系数；＾豇＝√（中～Ｐ２）＇ｋｉｋ埘‘一＾，ｆ２域２。１７３

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图２电磁波在单界面上的反射和折射

在ｚ＝０界面处要匹配应满足下列边界条件：

Ｅ１ｙ＝Ｅｚｙ，＿ｈｄＥｌｐ／ｄｚ＝ｑｐ２ｄＥ２

故有：Ｐ／ｄｚ（４）ＪＲ他２（Ｐ２ｋｋ一一屯；），（肫七ｋ＋Ｍ岛：’

ＩＴ”＝２卢２ｋＩ：／（Ｐｚｋｌ：＋Ｐｌｋ２：）（５）

同理可导出ＴＭ波在介质单界面处的局部反射系数和折射系数：

』∥＝（ｅ２ｋｑｌｋ２＝）／（６２ｋｌ：＋８３ｋ２ｚ）

ｌＴＴＭ＝２Ｆ２ｋ１：／（８２ｋ１：＋岛ｋ２ｚ）（６）

由式（５）、（６）可知，当两种绝缘介质的８和∥接近时，电磁波几乎无反射，全部折射到下一层介质中：但当随种介质的５和∥相差较大时，局部放电产生的电磁波将在界面处产生反射，不能全部折射到下一层介质中。

因此电磁波经过多次的折反射后，局部放电信号衰减的大小变得十分复杂，传感元件所接收的信号是多次折反射叠加的结果。

３．３变压器箱体对电磁波传播的影响

３．３．１电磁波在导体中的衰减特性

局部放电电磁波在均匀导电介质中的传输特性可由包含３个电磁常数ｓ、

定：（￡一介电常数（Ｆ／ｍ）：Ⅳ一磁导率（Ｈ／ｍ）：Ｔ一电导率（Ｓ／ｍ））ｕ、ｙ的波动方程决

Ｖ２Ｅ一］６９ｙｕＥ＋６９２啦＝０

对于弱导体Ｄ／∞ｓ≤１），传输参数可简化为：（７）

ａ“（，，２）√互万（１－７２／８０）２ｓ２）

卢ｚ∞√面ｌ＋，２１８６９２８２）

ｖ，，，０／．ｆ面－）Ｏ－７＂２／８６９２ｓ２）（８）

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想介质中的传播速度稍有下降。其中，口，卢，ｖ。，Ｚ分别为衰减常数、相位常数、传播速度和波阻抗。此时电磁波的传输速度只是比理

对于良导体（ｙ／６９ｓ≥Ｉ），传输参数近似为：

Ｊａ“√螂，２，户ｍ√州，２

ｈ月√２∞，Ｐ７，Ｚ≈√掣，，ｚｚｌ４（９）

在良导体中口、卢都很大，表明电磁波经良导体后衰减大，单位长度的相移也大，相速与空气中的声速有相同的数量级，特性阻抗小，且包含感性成分．在良导体中沿ｚ方向传播的电磁波，由于能量损耗而使场量（电、磁场强度及电流密度等）都按ｅ的指数规律衰减，且随着电、磁导率的增加、

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频率的升高而衰减得越快。因此，良导体表面处的场量最大，愈深入内部，场量愈小。电磁波的电、磁场总是集中在导体表面，其趋肤深度为：Ｊ＝Ｉｌａ＝Ｉ，卢＝√２，∞ｐｙ（１０）频率为１ＧＨｚ的电磁波，对变压器箱体的趋肤深度约ｏ．１１９ｕｍ。因此，由理论推导可知，在电力变压器超高频局部放电测量中，变压器金属箱体外壳对测量影响很大，需采取措施才能检测到电磁波．如将超高频传感器置于变压器内部等。

３３．２电磁波在导体表面的反射

在绝缘介质１与导电介质２的分界面上，式（５）、（６）仍成立。实际金属导体的表面可用理想导体边界来代替，故有：Ｒ”＝一１；Ｒ“＝１；ＴｒＥ；ＴＴＭ＝０（１１）

这表明无论ＴＥ波还是ＴＭ在理想导体表面上都将发生全反射，而不能折射入导体内部。在电力变压器局部放电测量中，将超高频传感器置于变压器内部固然可提高检测灵敏度，但变压器箱体对电磁波的反射会使测得的波产生畸变，这将给局放电磁波的准确检测带来一定的困难。

４电力变压器局部放电超高频检测系统

电力变压器局部放电超高频检测系统接线见图３所示，为脉冲电流法与超高频检测回路。脉冲电流法用来检测试品的局部放电的脉冲特性（包括单次放电特性和统计特性），作为超高频检测的参照物。为了避免高压引线放电，引接线采用了光滑铜杆，所有连接头经过特殊处理。可设计几种典型的局部放电模型。“，局部放电源所激发的电磁波由本实验室研制振子天线来接收州，示波器为ＷａｖｅＰｒ０７１。００数字存储示波器，模拟带宽ＩＧＨｚ，采样频率１６ＧＨｚ。

图３超高频与脉冲电流法局部放电铡量系统

４．１超高频信号的衰减特性

试验研究发现：接受天线的位置变化时同一放电模型及相同的放电条件下测得局部放电信号的幅值存在明显的差异。在放电源与接受天线保持同一水平高度的情况下移动天线、改变其与放电源之间

ｚＯ

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Ｏ●

（ａ）屏蔽室内

图４ＵＨＦ信号的衰减特性（ｂ）屏蔽室外

距离以研究ｕ口信号的衰减特性，在屏蔽室内、外测得的试验结果见图４…。可见屏蔽室内、外的ＵＨＦ信号整体上明显衰减，但前者比后者衰减速率慢且起伏明显，这是信号在屏蔽室内折反射造成的。

变压器复杂的内部结构将引起ＵＨＦ信号在变压器内部严重的折反射。结合对试验结果的分析可知：变压器中局部放电的放电位置及局部放电所激发出ｕＨＦ频率的不同会导致ｕＨＦ天线接收局放幅１７５

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值的不同，但很难利用ｕＨＦ法对变压器内部局部放电的放电量进行精确的标定。有关ＵＨＦ信号在实际变压器中的传播及衰减特性有待更深入的研究。

４．２ＵＨＦ信号沿金属导线的辐射特性

用ＵＨＦ法在线监测变压器局部放电时，接受天线最理想的安装位置为变压器箱体内，变压器箱体屏蔽作用良好，剥于提高测量系统的抗干扰能力。因此，接受天线最适宜安置安装，有三种方式：一是放油阀安装方式，通过放油阀将传感器深入变压器油中，它不会影响变压器的正常运行：二是人孔安装方式，传感器安装在变压器人孔（或手孔）端盖上，需在变压器大修或放油处理时实施；三是预制方式，变压器出厂前预制探头”“”。但已投入运行的变压器则很难实现，故接受天线须放置在变压器箱体外，靠接受从金属导体之间的缝隙或接地引线辐射出来ＵＩｔＦ信号监测变压器的局部放电信号。试验研究结果表明：屏蔽完好时屏蔽室外的天线接受不到任何ＵＨＦ信号；将一根距放电源２００ｍｍ处的绝缘导线从屏蔽室内引出时天线能接收到由导线所辐射出的ＵＨＦ信号。天线与伸出导线端的距离不同时的测量结果图５…。可见天线距离引出线越近则接收的信号越强，即在变压器内部引出线的附近（如变压器内部接地引出线、高压套管末屏接地线等）安置接收天线可在一定程度上接收到来至变压器内部的超高频信号。

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图５天线与伸出导线端距离不同时的结果

５局部放电电磁波传播特性的仿真

采用电磁场仿真软件ＡＮＳＹＳＩ“０２进行局部放电的电磁波在电力变压器中的传播特性的研究。首先对变压器油箱进行高频谐振腔的电磁场的计算分析，再对局部放电信号在变压器油中的传播特性进行仿真。

５．１变压器油箱的高频谐振腔的仿真

假设所建变压器油箱尺寸为６００∞×６００ｍ×８００ｍ的封闭长方体，在变压器箱体上加ＰＥＣ和趋肤

（ａ）ＴＥｌｌ０模式的电场图（ｂ）７百１１０模式的磁场目

圈６

ＴＥｌｌ０模式的电磁场图谱

１７６

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效应的边界条件，变压器油的相对介电常数‘＝２．５，相对磁导率Ｈ，＝１．０，电阻率口：１×ｌＯＪｏＱｌｍ，箱体为热扎钢板，其相对磁导率Ｈ，＝２０００，电导率ｐ＝Ｉ×１０７ＳＩｍ，计算得到阿儿。的谐振频率为０．２２３ＧＨｚ，品质因素Ｑ＝４５４，４６６。图６为ＴＥｌＩｏ模式的电场、磁场图谱。

５．２变压器油中局部放电信号电磁波传播的仿真

由于局部放电信号看成是由一个点源所发出的，当介质某处有局部放电引起的电磁扰动，将会在空间产生电磁波，而偶极子天线具有发射和接收电磁波信号的功能。因此，用电流密度为Ｊ；Ｃｓｉｎ卢（＾一ｌｚｌ）洲ｍ２激励载荷加在偶极子天线上来模拟局部放电信号所激发的电磁波信号。其中，Ｃ为常数，声为真空波数。ｈ为偶极子天线的半长。

通过计算偶极子天线的在变压器油中的近场、远场和辐射图及方向增益来说明局部放电所激发的电磁波在变压器中的传播特性。图７为天线的辐射的电场、磁场、图８为两个不同路径下的近场、图

（ａ）电场图谱

围７偶极子天线所辐射的电磁场（ｂ）磁场图谱

蠢．一“‘。．者…”

（ａ）路径１掣”鬟“。ｏ…（ｂ）路径２

图８两个不同路径下的近电场

９为两个不同路径下的远场，图１０为极坐标下天线的特征图。通过计算得到天线的方向性增益为１．６３ｄＢ，辐射功率为０，０７５Ｗ。从图７可知电场的近场、远场的传播时间比磁场的慢。图８中随着近电场路径的不同，电场可能增大，也可能减小。图９中随着远电场的路径的增大，电场减小，且变化方向一致。图１０极坐标下的天线特征图可以知道，在０～１８００有良好的辐射性和方向性增益，且增益在９００附近有畸变。图８、９的仿真结果与图４实测的结果相吻合。从而证明仿真结果的有效性ａ

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（ａ）路径ｌ：：麟舞燃ｊ，：蜂娑娑娑邕泽ｉｊｉ／冀ｉｉ辍ｉｉ嚣｛＼辩骣ｌ王ｊ三ｊ簿ｌ（ｂ）路径２

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１”图９两个不同路径下的远电场

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７；点／，等≯，，ｍ＿纛一敬≤嘉强；，

（ａ）方向图（ｂ）增益图

图１０极坐标下的天线特征图

６结论

（１）局部放电信号在单一纯介质中无衰减地传播，由于电导体对电磁波有趋肤效应，局部放电信号不能由变压器箱体泄漏出来，只能通过诸如套管的电介质法兰泄漏出来，为外置天线所接收，且变压器局部放电信号在变压器箱体内经过复杂的折、反射的多重叠加。

（２）通过试验结果和仿真结果的比较分析，在靠近屏蔽室外的固定位置进行用外置天线局部放电信号的采集，所采集数据总不确定度可达到最低。尽量减小外置天线与变压器引出线的距离，可以提高灵敏度。

（３）通过局部放电电磁波的仿真计算，确定变压器箱体的谐振频率，使采集到的局部放电信号在超高频范围。并用偶极子天线发射的原理来等效模拟局部放电电磁波的变压器油中的传播特性。研究发现试验结果与仿真结果的一致性，从而说明仿真是可靠性。

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作者简介

许中荣，（１９７９一），男，江苏盐城人，博士研究生，主要从事电气设备的在线监测和故障诊断技术研究工作１７８

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作者：

作者单位：许中荣， 孙才新， 唐炬， 彭文雄重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室(重庆)

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