毕业论文-电力变压器局部放电现场测量方法与技术

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- PAGE II -哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目：电力变压器局部放电现场测量方法与技术 院 系： 电气工程及其自动化（高电压） 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012 年 6哈尔滨理工大学学士学位论文PAGE III电力变压器局部放电现场测量方法与技术摘 要电力变压器是电力系统重要的枢纽设备，其结构复杂，运行条件恶劣。随着电力设备容量及数量的增加，及电网规模的扩大，电力变压器故障给人们的生产和生活带来的影响也越来越大。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

2、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，快速准确地对局部方电源进行定位，可以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。本毕业设计从局部放电概念出发，简述了多种变压器局

3、部放电的现场测量方法，并主要介绍了超高频检测和超声波检测两种方法，最后本文还针对变压器局部放电现场测量时的干扰进行阐述，并介绍了干扰消除的方案。关键词变压器，局部放电，超高频，超声波，检测The Transformer Partial Discharge Field Measurement Method and TechnologyAbstractPower transformer is the electric power system important hub equipment, its structure is complex, operation conditions. As th

4、e electric power equipment capacity and the increase in the number of, and the expansion of the scale of power, power transformer faults to peoples production and life of the impact of the also more and more big.In power transformer fault, insulation fault has held high proportion. Along with the de

5、velopment of electric power system and voltage levels increase, power transformer partial discharge has become the important reasons for insulation degradation. Happen insulation fault are the main reasons why weak insulation in partial discharge of the insulation caused by aging and failure, and fi

6、nally result in insulation breakdown. So, partial discharge is transformer insulation of internal degradation precursors, through the partial discharge of on-line monitoring, can timely find transformer insulation of latent within existing defects, judge transformer insulation degradation degree of

7、internal, avoid sudden insulation fault occurred transformer. To ensure the safe operation of power transformer has very important significance. For transformer manufacturer and site monitoring workers, in the determination of the transformer exist partial discharge, fast and accurate to local party

8、 power for positioning, can the state for transformer maintenance information and guidance to provide the scientific, to quickly remove the faults and avoid vicious incidents, reduce the power outage losses from and reduce maintenance cost, which makes power department attention.The graduation desig

9、n from the conception of partial discharge, and expounds the transformer partial discharge of field measurement methods, and mainly introduces the uhf detection and ultrasonic testing two methods, finally, this paper also in transformer partial discharge measurement in site describes the interferenc

10、e, and introduced the interference of eliminating the scheme.KeywordsTransformer，Partial Discharge，Uhf，Ultrasonic，Detection PAGE II- - PAGE V -目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328568186 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328568186 h 1 HYPERLINK l _Toc328568187 1.1 选题的背景及意义 P

11、AGEREF _Toc328568187 h 1 HYPERLINK l _Toc328568188 1.2 局部放电的概念及其研究现状 PAGEREF _Toc328568188 h 2 HYPERLINK l _Toc328568189 1.2.1局部放电的概念 PAGEREF _Toc328568189 h 2 HYPERLINK l _Toc328568190 1.2.2局部放电的研究进展 PAGEREF _Toc328568190 h 2 HYPERLINK l _Toc328568191 1.3 电力变压器局部放电检测方法 PAGEREF _Toc328568191 h 5 HYP

12、ERLINK l _Toc328568192 1.3.1 检测方法 PAGEREF _Toc328568192 h 5 HYPERLINK l _Toc328568193 1.3.2 研究方向 PAGEREF _Toc328568193 h 7 HYPERLINK l _Toc328568194 1.4 本文所研究的内容 PAGEREF _Toc328568194 h 7 HYPERLINK l _Toc328568195 第2章 超高频检测法在局部放电中的应用 PAGEREF _Toc328568195 h 8 HYPERLINK l _Toc328568196 2.1 超高频法检测局部放电

13、的基础研究 PAGEREF _Toc328568196 h 8 HYPERLINK l _Toc328568197 2.1.1 超高频检测技术的介绍 PAGEREF _Toc328568197 h 8 HYPERLINK l _Toc328568198 2.1.2 超高频检测系统硬件和软件的构成 PAGEREF _Toc328568198 h 9 HYPERLINK l _Toc328568199 2.2 超高频传感器的设计与分析 PAGEREF _Toc328568199 h 11 HYPERLINK l _Toc328568200 2.2.1 设计依据 PAGEREF _Toc328568

14、200 h 11 HYPERLINK l _Toc328568201 2.2.2 超高频传感器的选取与分析 PAGEREF _Toc328568201 h 12 HYPERLINK l _Toc328568202 2.3 基于超高频法的变压器局部放电检测系统 PAGEREF _Toc328568202 h 13 HYPERLINK l _Toc328568203 第3章 超声波检测法在局部放电中的应用 PAGEREF _Toc328568203 h 16 HYPERLINK l _Toc328568204 3.1 超声波法检测局部放电的基础研究 PAGEREF _Toc328568204 h

15、16 HYPERLINK l _Toc328568205 3.1.1 超声波检测技术的介绍 PAGEREF _Toc328568205 h 16 HYPERLINK l _Toc328568206 3.1.2 局部放电的等效电路 PAGEREF _Toc328568206 h 17 HYPERLINK l _Toc328568207 3.1.3 局部放电产生超声波的机理和传播途径分析 PAGEREF _Toc328568207 h 18 HYPERLINK l _Toc328568208 3.2 变压器局部放电超声波法定位 PAGEREF _Toc328568208 h 20 HYPERLIN

16、K l _Toc328568209 3.2.1 超声波法定位方法及其存在的问题 PAGEREF _Toc328568209 h 20 HYPERLINK l _Toc328568210 3.2.2 基于广义互相关的声声定位方法 PAGEREF _Toc328568210 h 22 HYPERLINK l _Toc328568211 3.2.3 多声源的判断 PAGEREF _Toc328568211 h 24 HYPERLINK l _Toc328568212 3.3 基于超声波法的变压器局部放电检测系统 PAGEREF _Toc328568212 h 25 HYPERLINK l _Toc3

17、28568213 第4章 变压器局部放电检测中的干扰识别与抑制 PAGEREF _Toc328568213 h 28 HYPERLINK l _Toc328568214 4.1 局部放电测量中的干扰的识别 PAGEREF _Toc328568214 h 28 HYPERLINK l _Toc328568215 4.2 变压器局部放电测量时干扰的抑制 PAGEREF _Toc328568215 h 29 HYPERLINK l _Toc328568216 4.2.1 抗干扰措施 PAGEREF _Toc328568216 h 29 HYPERLINK l _Toc328568217 4.2.2

18、干扰去除方案 PAGEREF _Toc328568217 h 30 HYPERLINK l _Toc328568218 结论 PAGEREF _Toc328568218 h 33 HYPERLINK l _Toc328568219 致谢 PAGEREF _Toc328568219 h 34 HYPERLINK l _Toc328568220 参考文献 PAGEREF _Toc328568220 h 35 HYPERLINK l _Toc328568221 附录A PAGEREF _Toc328568221 h 38 HYPERLINK l _Toc328568222 附录B PAGEREF _

19、Toc328568222 h 43- PAGE 10 - PAGE 48 -绪论选题的背景及意义伴随着我国智能电网的全面覆盖，电力变压器作为电力系统中重要的枢纽设备，越来越突显出其重要的位置和作用。电力变压器结构复杂，运行条件恶劣，随着电力设备容量及数量的增加，及电网规模的扩大，电力变压器故障给人们的生产和生活带来的影响也越来越大。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

20、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，快速准确地对局部放电源定位可为变压器的状态维修提供科学的信息和指导，更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。由于变压器绝缘故障原因大多是变压器内部发生局部放电，其发展使局部绝缘老化并终致击穿，因此，检测局部放电是变压器绝缘故障在线监测的主要方式。对运行中的变压器进行局部放电在线检测，了解运行变压器内部局部

21、放电的发展情况和材料的老化程度，以确保设备的安全运行，这样有利于实现变压器的预知性维修。而且，通过对变压器局部放电进行在线检测，可以大大减少维修、试验等的盲目性，并积累变压器可靠性评定所需的大量数据，减少停电损失和维修费用，带来巨大的经济效益。电力变压器是电力系统重要的输变电设备，利用先进的传感技术和计算机技术，对运行中的电力变压器进行在线检测，能及时取得各种反映绝缘状况变化的信息，并对其进行全面处理和综合分析，监测和诊断故障的类型和故障的程度，这样可有效避免因绝缘缺陷发展而导致的设备事故。本文针对变压器局部放电检测的方法进行了现状分析，主要研究电力变压器局部放电现场测量的电检测法和非电检测法

22、。并同时提出了超高频检测方法和超声波检测方法相比于其他方法的优势以及现阶段研究所存在的问题。局部放电的概念及其研究现状1.2.1局部放电的概念局部放电是在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局部放电。放电的概念是指由电子雪崩开始，二次过程通常局部放电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生的。它表现为绝缘体内气体掺入物的击穿，小范围内气体或液体介质的局部击穿或固体介质局部的沿面放电等。产生局部放电的条件取决于绝缘装置中的电场分布和绝缘的电气物理性能。局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是可以导致电介质（特别是有机电介

23、质）的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘装置的电气强度的降低。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于高压电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘的缺陷相互很好的印证。即根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。在某种情况下，绝缘的性能是可以按某种特性来判断的，而对于不同设备的绝缘不同特性可能各不相同。在多数情况下，综合测量局部放电各种特性可以较客观的评价产品的绝缘水平。1.2.2局部放电的研究进展正是由于局部放电的测量能够很好的反映绝缘的状态，因此目前很多专家学者都对局部放电作了大量的研究工作。目前在局部放电的研究方面取得的进展主要有：

24、（1）局部放电的模型问题。通常的局部放电采用传统的三电容模型来描述局部放电的机理，这对于分析测试回路中的脉冲电流是具有实际意义的。但是，现在国内外新的研究认为把绝缘介质中的气泡看成一个电容器却并不十分确切，因为气泡两端是介质，不是等位面，并且气泡放电后，气泡中又存在空间电荷，因此提出了新观点，将气泡设为一个电荷系统，由N个电极组成，每个电极面积很小，可认为是等位面，放电过程是由其中两个以上的放电极放电，从而组成一个多电容的局部放电模拟系统。荷兰科学家Pedersen A等进一步利用电位移矢量场D计算了气隙中产生的电荷和测量电极上电荷的关系，再由感应电荷推导出放电脉冲电流，这样得到的放电量是实际

25、放电量。（2）局部放电的放电形式问题。加拿大科学家Bartnikas R等根据放电的表现形式将放电分为三类：火花放电、辉光放电和亚辉光放电。火花放电，持续时间1100ns，属于脉冲型放电，包括低幅度、慢上升时间的汤逊型火花放电和大幅度、快上升时间的似流注火花放电，辉光放电，不具有脉冲性质，占据半个工频周期的大部分区域。亚辉光放电，具有微小幅度的离散脉冲，是辉光放电和火花放电之间的过渡形式。放电时三种放电形式的转变与放电部位过电压以及内部气压等因素有关。研究表明，运行中电力设备的气隙，有的承受较高的过电压，而有的则承受较低的过电压，表现出三种放电形式将同时存在。即使对于一个固定的放电点而言，由于

26、有效电子的统计性，气隙所承受的过电压也具有随机性，使得同一气隙的放电也表现出多种放电形式。利用传统的脉冲电流检测法只能检测出一小部分上升时间较快、幅度较大的脉冲型放电。而对其它类型的放电则很难捡测出来，所以由此得到的视在放电量并不能完全反映内部的实际放电水平。(3)局部放电的物理模拟问题。早在1984年，Niemeyer、Petroner和Wesmann就提出分形介质击穿模型，即Niemeyer-Petroner-Wesmann（NPW）模型。后来对该模型的改进又提出WZ模型（应用于针-板电极结构）和NKL模型（应用于不均匀绝缘体系的放电生长）。最近，基于上述三种模式的局部放电树状通道模拟被许

27、多学者所运用。有的学者还采用由尖端半径几m、直径几十m的金属钨被作为样品，在具有不同长度的单通道中发生局部放电，基于此建立了一种局部放电的物理模型，此物理模型得到的局部放电进展特征与实际电树枝放电的进展特征相似。1995年，Niemeyer又提出关于气隙和SF6气体中绝缘局部放电的物理模型，通过该模型可以模拟汤逊放电中的前导和火花，该模型也可以对固体和液体中的相似放电形式进行模拟。英国科学家J.C.Fothergill等也提出利用放电雪崩理论来解释电树枝的发展，从而建立了一种基于电压的放电物理模型，利用该模型可以很好的对电树枝的产生和发展进行分析。2001年，日本科学家T.Okamoto等在三

28、电容法的基础上建立了局部放电的随机过程模型，这样利用随机算法可以在简单的模型上对局部放电的各种特性进行分析。(4)局部放电在不同电压波形下的特性问题。目前的局部放电研究通常是研究介质在工频交流电压或直流电压下的特性，然而一方面随着电子元器件的高集成化和小型化，高频电子元器件中的绝缘部分的局部放电问题已经成为电子元器件制造的重要问题，因此十分有必要研究高频下的局部放电问题，文献提出高频电子元器件的耐电压老化与局部放电试验的绝缘评价问题。另一方面随着电力电子技术的推广，电力系统中的谐波也大量产生，目前在谐波电压畸变的条件下局部放电的研究还很不充分。文献研究了室温下施加双重正弦电压时空气气隙的局部放

29、电特性，指出电压中的高频成分加速了含有气隙的固体绝缘材料的老化。并在人工实验条件下，分析了局部放电在双重正弦电压下的发展过程以及影响局部放电特性的因素。(5)局部放电的记忆效应问题。长期以来，局部放电的记忆效应问题一直是困扰局部放电研究的关键问题。记忆效应是指在一次放电过程中产生的空间电荷和介稳粒子对随后放电的产生和发展的影响。记忆效应包括两个方面的作用：一方面是在一定电压作用时间内控制着局放的统计性；另一方面是由于较长时间的局部放电，引起材料的变性以及气隙结构的变化等原因造成材料的永久性老化。长期记忆效应的累积结果将造成局部放电统计特性的不稳定，有可能改变局部放电的模式，给局部放电模式识别造

30、成困难。短期的记忆效应则说明了连续的局部放电序列之间存在很强的相关性，而目前利用局放的各种谱图进行模式识别时并没有考虑这种相关性。虽然局部放电分布在观察的相位间隔意义上是条件分布，但在根据脉冲发生顺序选择单个放电脉冲上是无条件的。最近，日本科学家Tatsuo Takada等利用超声波和激光对绝缘材料中的电荷分布测量进行了研究，探讨了局部放电的效应问题。我国也开展了类似的工作，在理论和实验方面都取得了一定的进展。(6)局部放电的检测物理量问题。在局部放电电脉冲法的研究中，检测的物理量往往是放电量、放电次数和放电相位（即q-n-）。以及放电起始电压和放电熄灭电压，实际中一些常用的局部放电模式识别经

31、常是建立在q-n-三维图形的辩识基础之上的。近年来，这些各自独立的局部放电参数开始被一些与电压相位角相联系的分布参数所代替，如：放电量的相位分布图，放电次数的相位分布图以及它们的暂态变化等。最近瑞典科学家Martin Hoof等利用相邻放电之间的电压差特征进行了局部放电的模式识别，这样的放电特征不但包含了所加电压的幅值信息，同时它也在一定的范围内考虑了局部放电的记忆性问题，是一个值得认真研究的放电特征量。(7)局部放电的模式识别问题，局部放电的模式是与一定的缺陷相联系的。就研究层次而言，这些缺陷分为标准缺陷、设备模型缺陷、运行中设备缺陷。标准模型是一些简单的二电极模型，代表了介质中可能出现的缺

32、陷典型形式。设备模型缺陷是在一些电力设备模型上人为制造的缺陷，运行中设备缺陷是指实际运行的设备中出现的缺陷，是局部放电模式识别研究的最终目标。目前，有关局部放电模式的研究主要上局限于标准模型上，在限定的环境条件下，已经可以较准确地识别出各种典型的缺陷，取得了不少成果。但在设备模型上的局部放电识别，由于缺陷形式的多样化，缺陷中的电压不宜控制等原因，导致局部放电随机性增强，误识率增加，识别效果不理想。而在线情况下，由于强烈的电磁干扰以及多个缺陷的存在和环境条件的不可控，使得模式识别遇到了很大的困难。因此在局部放电的模式识别方面除了原来的模糊聚类和人工神经网络方法在继续深入研究以外，基于中心分布归类

33、的一些模式识别方法开始深入研究，目前一些新的数学工具也开始在局部放电的模式识别方面得到了应用。最典型的就是Weibull分布、小波分析和分形方法，国内外的科学家很多都在这方面进行了尝试，印度科学家E.M.Lalitha等还利用小波分析方法对多源的局部放电模式进行了区分，取得了令人鼓舞的成果。(8)局部放电对绝缘的老化影响问题，近年来，随着计算机技术和微处理技术的发展，用局部放电特征参量分析绝缘的老化及进行状态诊断己成为大家关注的热点。但是，绝缘的局部放电特性是十分复杂的物理、化学现象。要真正用局部放电的统计参量描述发电机主绝缘的老化过程还必须进行大量而深入的试验研究。意大利科学家M.Di Lo

34、renzo del.CasaleJ和丹麦科学家T.Holboll使用CIGIE的方法研究局部放电处于3080之间的行为。在理论上和实验上利用局部放电的幅值和相位分布的特征，区别不同的老化机理。且在30 和80 观察这种区别，指出局部放电对老化的影响。国内一些专家学者也发表了一些有价值的论文。给出了部分材料在不同环境下，局部放电对绝缘的影响及绝缘寿命的预估方法。我国的邹健等人也基于碰撞电离的微观机理，利用非平衡统计物理的方法建立缺陷长大的随机微分方程，进而求出击穿几率，寿命分布函数，寿命与外加电场的关系。张晓虹老师等人也在统计的基础上分析了大电机主绝缘老化的机理，研究了在不同老化因子作用下局部放

35、电分布图中统计参数随老化时间的变化规律并将之用在大电机主绝缘的老化状态诊断方面。电力变压器局部放电检测方法检测方法电力变压器是电力系统中的重要设备之一，其绝缘状况的好坏直接影响着电力系统的安全运行。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主要原因之一，因而局部放电的检测与评价也就成为变压器绝缘状况检测的重要手段。无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都越来越关心局部放电检测技术的发展，并广泛的把局部放电检测作为变压器绝缘质量监控的重要指标。由于人们非常关注电力变压器运行的安全问题，所以对其局部放电机理和检测方法进行了大量的研究。局部放电的检测以局部放电

36、所产生的各种现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、气体生成物超声波、电磁辐射、光、局部过热以及产生能量损耗等现象。相应的就出现了电脉冲检测法、气相色谱检测法、超声波检测法、电磁波检测法、光检测法等多种检测方法。（1）脉冲电流法是通过检测阻抗来检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中局部放电引起的脉冲电流，获得一些局部放电的基本量（如：视在放电量、放电次数以及放电相位）。它是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，IEC对此制定了专门的标准。该方法灵敏度高；可以定量测量局部放电的特征参数；还可以与声信号一起通过电声定位方法确定局部放电

37、的位置等。但是脉冲电流法的检测灵敏度随着试品电容值增加而下降，在测量大容量电容器时，有时会出现灵敏度下降到无法进行检测的地步，还由于测试频率低、频带窄，一般设置频带小于1MHz（IEC60270标准我国国家标准的推荐检测频带为数kHz到数百kHz），这样得到的信息量较少；受电磁干扰严重。（2）超声波检测法是用固定在变压器箱壁上的超声波传感器接收变压器内部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。由于超声法受电气干扰小以及它在局放定位上的广泛应用，因此人们对超声法的研究较为深入，近年来，由于声电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高，尤其是在大容量电

38、容器的局部放电检测方面，其灵敏度甚至高于电脉冲法。该方法具有可以避免电磁干扰的影响；可以方便地定位；在线检测与离线检测的结果相同等优点。但由于超声波在变压器内部的传播过程是一个很复杂的过程，造成在一些情况下定位实验不能成功；目前无法利用超声波信号对局部放电进行模式识别和定量判断，主要作为一种辅助测量方法。（3）气相色谱检测法是根据局部放电所产生的分解气体来判断局部放电的程度和局部放电的模式。该方法已广泛应用于变压器的油气分析，在指导变压器的安全运行方面取得了一定的成绩。该方法可以避免电磁干扰的影响；可以根据局部放电所分解气体的成分和浓度判断局部放电的模式，目前已有三比值法和电协助研究法等等判断

39、方法，一些新的判断方法如模糊数学、模糊模式多层聚类、人工神经网络、模糊神经网络等的新的判断方法也陆续提出。但该检测方法存在很大的时延，即从局部放电的发生到可检测的特征气体往往需要较长的时间；且只能作定性分析，无法进行定量判断；气体传感器对所检测的气体均敏感，在线提取气体成分存在一定的困难。（4）超高频检测法是通过检测变压器局部放电的超高频电磁波信号来获得局部放电信息。在变压器局部放电测量时，现场干扰信号的频谱范围一般小于300 MHz，且在传播过程中衰减很大，若检测局部放电产生的数百MHz以上的电磁波信号，则可有效避开电晕等干扰，大大提高信噪比。正是由于超高频法的特点及变压器箱体的屏蔽效果，使

40、其测量变压器的抗干扰能力优于目前传统局部放电检测法，利于变压器局部放电的在线监测。但需要该设计专用的超高频传感器，且传感器一般需要预埋或伸进变压器油中。（5）光检测法包括两种：一种是荧光光学检测法，通过荧光光纤检测局部放电所产生的荧光来检测局部放电。另一种是超声光学检测方法，通过提取局部放电超声信号传播到光纤上时光纤的形变信号来检测局部放电。该方法测量时，光信号不受电磁干扰，因此灵敏度高可以方便的确定局部放电位置。但由于变压器结构复杂，光纤的埋法复杂，且不能记录非透明装置的局部放电；目前光纤传感器的分辨率尚不能满足工程需要，不能进行定量分析与局部放电的模式识别。除此之外，还有一些其他方法如：电

41、磁波检测法和射频检测法等也正在研究。这些检测方法的研究都取得了一定的进展，主要表现在所用传感器灵敏度的提高、数字处理技术水平的提高以及各种数学方法的应用，大大提高了测量的精度与可靠性。使这些方法从实验室或离线应用开始向在线应用转换，但还存在一些问题需要进一步解决。例如对电脉冲测量法来讲，最主要的是如何在检测现场的强大干扰中进行信号的检测和识别，尽管很多方法（数字信号处理方法、极性鉴别方法、差动平衡法、选频平衡法、小波分析法等）都在这方面进行了尝试，但还没有能够在各种场合的情况下都适合的方法。研究方向目前，超高频方法的研究也面临着一些问题，由于测量机理与脉冲电流法不同，因此无法进行视在放电量的标

42、定，而目前大多数工程人员已经习惯于通过视在放电量来反映局放的严重程度，IEC规定有关局放的变压器产品出厂标准中，其指标也是通过局放量的阈值来规定的。目前的研究表明，即使在局放源到传感器之间的传播路径不变的情况下，脉冲电流法的视在局放量与超高频方法所测得的脉冲信号幅值之间也没有确定的对应关系，这就更加大了应用该方法进行局放定量的难度。此外，由于变压器内部绝缘结构的复杂性，局放产生的电磁波在内部的传播将存在大量的散射、折反射以及衰减，因而传播特性研究和局放源定位工作将注定是难度很大而且充满挑战的。随着科技的发展，特别是信号分析技术如神经网络、指纹分析、专家系统、模糊诊断和分形等都越来越多地应用到变

43、压器局部放电检测中，对通过脉冲电流法按照IEC270标准测量得到数据，进行模式识别和绝缘寿命评估，推动了局放检测技术的发展。超高频检测方法从一开始就是从数字化技术起步的，通过将成功的传统方法移植到超高频检测之中，实现局放的连续在线监测和自动识别的研究正在取得快速的进展，上述超高频法存在的问题是目前很多相关研究单位需要解决的课题。我认为任何一种方法都有一定的应用范围，有些问题它可以解决，有一些则不能解决。当前通信技术的发展使人们充分认识到,在线监测是个跨学科、综合性的研究领域，多种方法相结合，综合运行目前各种技术和知识，构建统一的、综合的在线监测平台，将是未来局部放电在线监测的发展方向。本文所研

44、究的内容变压器现场局部放电测试是一项敏感性的大型试验，现场试验中遇到的现象多种多样十分复杂，但只要对局部放电的各个环节充分了解，掌握其规律性，并采取有效的措施加以抑制，就可以有效提高大型变压器局部放电量评估的性能。对此本文首先论述了局部放电基础知识及电力变压器局部放电的概念及其研究现状，然后介绍了电力变压器局部放电现场测量的电检测法和非电检测法，并主要介绍了电检测法中的超高频检测法，和非电检测法中的超声波检测法做了详细介绍和讨论。最后本文还详细分析了电力变压器局部放电测量时的干扰和抑制，其中包括电力变压器局部放电测量时的干扰来源，以及干扰的抑制和识别干扰的依据。超高频检测法在局部放电中的应用超

45、高频法检测局部放电的基础研究超高频检测技术的介绍变压器中每一次局部放电都发生正负电荷中和，并伴随有一个陡的电流脉冲，向周围辐射电磁波。变压器油隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率可达数GHz。超高频检测技术通过接收变压器内部局部放电所激发的超高频电磁波，实现局部放电的检测和定位，并实现抗干扰，它具有测量频率高、检测频带可调、抗干扰性强、灵敏度高等优点，可以较全面地研究变压器绝缘系统中局部放电的本征特征。随着传感器技和数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向着超高频和超宽频方向发展。局部放电超高频检测是通过超高频天线传感器提取变压器内部局部放电所产

46、生的超高频信号，从而实现局部放电的检测。局部放电超高频检测技术作为电气设备局部放电检测的一种新的手段和方法，越来越受到重视，在国内外得到了较快发展，并在电力设备如变压器、同步电机、电缆等的检测中得了到初步的应用。变压器局部放电由于其绝缘结构复杂，电磁波在传播中会发生多次折反射及衰减，而且变压器箱体结构也会对电磁波的传播带来不利影响，这就大大增加了超高频局部放电检测的难度。因此，变压器局部放电的超高频检测还处于起步和发展阶段。近年来，荷兰研究人员Rutgers Pemen等人在实验室中对变压器局部放电的超高频检测进行了一些初步的研究，他们的研究结果表明：油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能

47、激起1GHz以上的超高频电磁波。在实验室中他们还对几种缺陷放电产生的超高频信号进行了研究，并研制了3001200MHz的超高频天线传感器用于实际变压器局部放电的超高频检测。在研究中，他们将天线传感器插入变压器事故放油阀中，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。Rutgers等人还对变压器超高频检测的模式识别与基于超高频检测的变压器状态评估进行了的研究。英国Strath Clyde大学的研究人员Judd等人对变压器局部放电的超高频检测也进行了大量实验研究，他们采用检波法提取5001500MHz高频放电信号，并进行了现场实测。在传感器安装和试验过程中，

48、他们在变压器顶部靠近高压侧的箱体上开一个介质窗，传感器通过介质窗提取局部放电信号，并送入频谱分析仪进行分析。此外，法国ALSTOM输配电研究中心的KaRaja等人在实验室对各种典型放电模型局部放电的超高频特性进行了研究，并发明了能够选择干扰最小的频段进行检测的超高频局部放电检测方法，并据此建立了局部放电模式识别的方法。在国内，清华大学的王晓宁等人也在实验室对变压器局部放电的超高频检测进行了研究，他们在实验室建立了局部放电的超高频检测系统，对放电模型在空气和油中的放电特性进行了对比和分析，并对将超高频传感器安置于在变压器内部引出线附近来检测局部放电进行了研究。西安交通大学的王国利等人，在变压器局

49、部放电超高频检测的研究中，建立了基于混频技术的检测频带可调的检测系统及局部放电自动识别系统。对变压器局部放电超高频检测的软件模式识别，以及基于检波原理的局部放电超高频检测进行了研究。在变压器局部放电超高频检测的研究中，国内外研究人员在思路和方法上存在许多的相似之处。目前，国内外对变压器局部放电超高频检测的研究还主要集中在实验室中，现场的工作较少，并且检测系统中所用仪器如频谱分析仪、高速数字示波器等不但价格昂贵且不适合在现场长期运行。而对变压器箱体内变压器油中超高频信号的传播规律的研究仍不充分，同时也非常有必要对适合变压器现场运行特点的小型化、高检测性能的超高频传感器进行研究。在局部放电类型判别

50、和检测规程建立等方面，也需要进行试验研究和经验积累。因此，对变压器局部放电的超高频检测进行研究，仍需针对上述问题开展工作。传统的局部放电检测方法，其检测信号的频率一般不超过1MHz，而且现场局部放电检测特别是在线检测，常常会受到各种电磁干扰的影响。当干扰信号与局部放电信号具有相同或者相似的特征时，被测信号往往被干扰所淹没。而在变压器运行现场，变电站背景噪声和空气中电晕干扰其频率通常小于400MHz。此外，在超高频范围内（5001500MHz）提取局部放电产生的超高频信号，外界干扰信号少，因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高变压器局部放电检测，特别是在线检测的可靠性和灵敏度。此外，由于电

51、力变压器的箱体厚度一般在厘米数量级，将测量传感器置于变压器油箱内，可有效屏蔽变压器油箱外部空间的各种电磁干扰信号，进一步提高变压器局部放电检测系统的抗干扰能力。正因为超高频局部放电检测具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度，用超高频法检测变压器局部放电具有良好应用前景和工程价值。超高频检测系统硬件和软件的构成近几年来，我国学者深入研究了油纸绝缘系统中局部放电的产生、传播、接收及信号分析技术，研制成功了可用于变压器局部放电带电检测和在线监测的局部放电超高频检测系统。该系统主要包括超高频传感器、信号传输电缆、信号调理单元、数据采集卡、便携式工业控制计算机及相关的控制单元。变压器中局部放电产生的电磁波经

52、超高频传感器接收后，放电信号转换为电压信号，然后通过同轴通讯电缆传送到信号调理单元，信号经过调理后送入工业控制计算机内的数据采集卡进行信号的采集、存储等处理。检测系统主要完成变压器局部放电信号的自动循环检测和手动检测，整个检测系统的结构如图 2-1所示。图2-1局部放电超高频检测系统结构示意图超高频传感器可通过专门的机构由变压器油阀伸入变压器内，并且可以带电操作，变压器无需停电。信号调理单元组成如图2-2所示。1-带通滤波器; 2-前置放大器; 3-混频器; 4-频率综合器;5-低通滤波器; 6-中频放大器; 7-检波对数放大器图2-2信号调理单元组成框图它通过计算机并行接口控制，即实现对系统

53、选通频带的中心频率和滤波器带宽的选择和控制。这样既可以滤掉频率较低的电晕放电等干扰信号，也能有效避开移动电话、载波通讯等频带比较固定的干扰信号，极大提高了系统的抗干扰性能。工控机通过数据采集卡记录并处理数据。监测系统软件分为数据采集和远程后台数据处理两部分，主要包括监测显示、参数设置、数据分析及报警、数据保存及历史查询等功能。该软件提供Hqmax()、Hqn()、Hn()三种二维谱图、传统的椭圆放电谱图以及-q-n三维放电谱图，放电谱图的指纹示意图提供直观、形象的数据显示结果，可反映不同类型局部放电的特点。该软件对放电谱图提供37个特征量，可计算并显示按照年月日累计的变压器放电趋势图，通过自适

54、应遗传算法和人工神经网络算法进行模式识别，可对变压器内部的几种典型局部放电类型进行识别。图2-3为某一放电对应的-q-n三维谱图和椭圆谱图。图2-3变压器中某一放电的谱图超高频传感器的设计与分析设计依据要实现对变压器局部放电的超高频检测，一个重要的途径就是对局部放电产生的以TEM波形式传播的电磁波进行耦合，并且要求这种耦合器具备以下基本特性：（1）结构尺寸灵巧，在不改变变压器运行和变压器结构的前提下实现在线监测。（2）能实现带宽为5001500 MHz的局部放电信号检测，具有良好的频率响应特性。（3）具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力。（4）具有较高的信号检测灵敏度。（5）能将局部放电特征

55、明显的频段加以区分和提取。根据变压器局部放电的特性及变压器的实际结构，本文设计了一种小型宽带超高频传感器。传感器的设计从以下方面着手：（1）用于变压器、电机、电缆的超高频法，检测频带较窄（通常为几十MHz），从而丢失了大量的放电信息，因而检测灵敏度受到一定的限制。研究表明，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，用宽频带检测有更高的灵敏度，例如对在半峰值处有1.5 ns宽度的局部放电脉冲，在1 MHz带宽的局放灵敏度为0.1 PC，在350 MHz带宽灵敏度达0.01 PC。因而检测电力变压器局部放电用的超高频传感器选用宽频带是有利的。（2

56、）在检测现场，干扰源多且干扰信号幅值大，这极大地增加了局部放电信号提取的难度。大量研究表明，在变压器使用现场，变电站背景噪声的频率通常小于200 MHz，而空气中电晕干扰的频率通常小于400 MHz。因此，选择天线的下限截止频率为500 MHz，这样可以较好地抑制噪声干扰（电台和移动通信干扰有固定的频率，可以通过软件加以去除）。对于变压器内部的局部放电，到达接收天线的电磁信号经多次折、反射和衰减后已发生畸变，高频分量不易精确提取，因此选择天线的上限截止频率为1500 MHz。这样既能有效地抑制大部分外部干扰，又能获取尽可能多的局部放电信息。超高频传感器的选取与分析从上述分析着手，本文研制了一种

57、超高频传感器双臂阿基米德平面螺旋天线。由天线理论可知，如果天线以任意比例变换后仍等于它原来的结构，那么它的电性能将与频率无关，即为非频变天线。如果天线的结构满足“角度条件”，即完全由角度决定，当角度变化时可得到连续的缩比天线。若将天线的终端部分截尾，对天线的电性能没有显著的影响，则有限尺寸的天线就可以在相当宽的频带范围内具有非频变天线的电特性。螺旋天线是根据无限长天线设计出的一种仅由角度表征其特征的天线，并且天线电流在离开馈电点时逐渐减小，因此在电流足够小处把天线截断将不会影响它的宽带特性。它既满足“角度条件”又具有结尾后“终端效应”小的特性，因此可以将其频带做到很宽，而尺寸可以做得很小。阿基

58、米德平面螺旋线的方程为： (2-1)式中：r为曲线上任意一点到极坐标原点的距离；r0为螺旋线起始点到原点的距离；为常数，称为螺旋增长率。工程中常用的螺旋天线是由两个反向馈电的阿基米德螺旋对称放置，得到两条起始点分别为A和B的对称螺线，如图2-4所示。图2-4双臂阿基米德平面螺旋天线 以这样的两条阿基米德螺线为两臂，在A、B两点对称馈电，就构成了阿基米德平面螺旋天线。通常用印刷技术制造这种天线，并使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以形成自补结构，有利于实现宽频带阻抗匹配。如果从A、B两点对天线进行平衡馈电，则从A点沿一条螺线绕至P点的长度与从B点沿另一条螺线绕至Q点的长度相等，即P、Q两点在

59、以坐标原点O为圆心、r为半径的圆周上，但两点上的电流是反向的。P点到B点的螺线长度与P点到A点的长度相比较，当螺旋增长率较小时二者相差的弧长为: (2-2)于是P、P两点的电流相位差为: (2-3)若 (2-4)则P、P两点上的电流相位差近似为2，也就是说，当螺线半径近似为/2时，天线两臂上相邻点的电流几乎是同相位的。因此，周长约为一个波长的那些环带就形成了螺旋天线的有效接收区。工作频率改变时，有效接收区沿螺线移动，但方向图基本不变，具有宽频带特性。天线最大接收方向在螺旋线平面的法线方向上，且是双向的，主瓣宽度约为6080。严格说来，阿基米德平面螺旋天线并不是一个真正的非频变天线，因为它的几何

60、结构并不满足自相似条件。但只要参数Or、Oa及天线的总长度取得适当，并在其最外层螺旋线末端接以吸收电阻或吸收材料，则可使这种天线具有很高的工作频带。阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装等优点。采用双孔磁芯阻抗变换器（又称传输线变压器）来实现平衡转换和阻抗变换，可以避免方向图倾斜并允许用同轴线馈电。基于超高频法的变压器局部放电检测系统试验采用脉冲电流法的并联测试回路与超高频测试回路相结合的综合测试系统。脉冲电流法用来检测试品的放电量等特征参数，作为超高频检测的参照。测试系统接线如图2-5所示。Z低通高阻阻抗； EVM静电电压表； Ck耦合电容；CX试品电容； ZmRC检