局部放电的在线监测方法

 一、绝缘内部局部放电在线监测的基本方法
    局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。因此针对这些现象，局部放电在线监测的基本方法有脉冲电流测量、超声波测量、光测量、化学测量、超高频测量以及特高频测量等方法。其中脉冲电流法放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征和实测波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其发展趋势，对于突变信号反应也较灵敏，易于准确及时地发现故障，且易于定量，因此，脉冲电流法得到广泛应用。目前，国内不少单位研制的局部放电监测装置普遍采用这种方法来提取放电信号。该方法通过监测阻抗、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。它是研究最早、应用最广泛的一种监测方法，也是国际上唯一有标准(IEC60270)的局放监测方法，所测得的信息具有可比性。图1－1为比较典型的局部放电在线监测(以变压器为例，图中CT表示电流互感器)原理框图。

图1－1 脉冲电流法监测变压器局部放电原理框图

 随着技术的发展，针对不同的监测对象，近年来发展了多种局部放电在线监测方法。如光测量、超高频测量以及特高频测量法等。利用光电监测技术，通过光电探测器接收的来自放电源的光脉冲信号，然后转为电信号，再放大处理。不同类型放电产生的光波波长不同，小电晕光波长≤400nm呈紫色，大部为紫外线；强火花放电光波长自＜400nm扩展至＞700nm，呈桔红色，大部为可见光，固体、介质表面放电光谱与放电区域的气体组成、固体材料的性质、表面状态及电极材料等有关。这样就可以实现局部放电的在线监测。同样，由于脉冲放电是一种较高频率的重复放电，这种放电将产生辐射电磁波，根据这一原理，可以采用超高频或特高频测量法监测辐射电磁波来实现局部放电在线监测。
    日本H.KAwada等人较早实现了对电力变压器PD的声电联合监测(见图1－2)。由于被测信号很弱而变电所现场又具有多种的电磁干扰源，使用同轴电缆传递信号会接受多种干扰，其中之一是电缆的接地屏蔽层会受到复杂的地中电流的干扰，因此传递各路信号用的是光纤。通过电容式高压套管末屏的接地线、变压器中性点接地线和外壳接地线上所套装的带铁氧体(高频磁)磁心的罗戈夫斯基线圈供给PD脉冲电流信号。通过装置在变压器外壳不同位置的超声压力传感器，接受由PD源产生的压力信号，并由此转变成电信号。在自动监测器中设置光信号发生器，并向图中所示的CD及各个MC发出光信号。最常用的是，用PD所产生的脉冲电流来触发监测器，在监测器被触发之后，才能监测到各超声传感器的超声压力波信号。后由其中的光信号接收器接收各个声、电信号。
    综合分析各个传感器信号的幅值和时延，可以初步判断变压器内部PD源的位置。如果像图1－3所示的波形及时延情况，则可判断PD源离MC2的位置更近一些。
    由于现场存在大量的干扰，故在线测量的PD灵敏度要比屏蔽的实验室条件下测量的灵敏度低得多。IEC要求新生产的≥300kV变压器在制造厂的实验室里试验时，PD的视在放电量应小于300pC～500pC。一般认为现场大变压器的PD量在≥10000pC时，应引起严重关切。所以PD的监测灵敏度至少应达到5000pC。然而即使是这样一个要求，在进行在线测量时，也并非一定能够实现。

      图1－2 电力变压器PD的在线声电联合监测         图1－3 电力变压器PD的在线监测时获得的
      CD—电流脉冲检测器；MC—超声压力传感器；                 电流脉冲及超声信号          
        RC—罗戈夫斯基线圈；NP—中性点套管           (a)来自某RC；(b)来自MC2；(c) 来自MC5

 二、局部放电在线监测中的抗干扰措施简介
    局部放电在线监测系统主要采用脉冲电流法，但是，实际应用效果往往不够理想，因为现场环境中局部放电信号的提取较为困难，干扰有时比局部放电脉冲信号强2～3个数量级，而且局部放电测量中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干扰和宽带干扰，而按其时域波形特征可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪声3类，连续的周期性干扰包括：电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰、无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的频率和频带宽度。脉冲型干扰信号包括：供电线路或高压端的电晕放电、电网中的开关及晶闸管整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰、电力系统中其他非监测设备放电引起的干扰、试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰、浮动电位物体放电引起的干扰、设备的本机噪音和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域和频域特征。　　
    白噪声包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。因此，如何有效地识别和抑制干扰，获得可靠的局部放电信号就成为局放在线监测中需要解决的问题。
    局部放电在线监测抗干扰措施已有很多方法，有的已应用于监测系统，由于干扰是多样的，表现出的特性也不同，用一种方法来有效地抑制所有的干扰是不可能的，针对不同的干扰源，需采取不同的措施，综合运用，达到抗干扰的目的。抑制干扰的措施有消除干扰源、切断干扰途径和干扰的后处理三种方法。对于因系统设计不当引起的各种噪声，可以通过改进系统结构、合理设计电路、增强屏蔽等加以消除；保证测试回路各部分良好连接，可以消除接触不良带来的干扰；提供一点接地，消除现场的孤立导体，可以消除浮动电位物体带来的干扰；通过电源滤波可以抑制电源带来的干扰；屏蔽测试仪器，可以抑制因空间耦合造成的干扰。而对于其他的通过测量传感器进入监测系统的干扰，则需要通过各种硬件和软件的方法，进行干扰的后处理来抑制。这些措施主要包括频域开窗和时域开窗。频域开窗利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗利用脉冲干扰在时域上离散的特点来消除。对于这两种处理方法，应采用频域开窗在前、时域开窗在后的原则。近年来，小波分析的发展，又开辟了通过时—频分析来抑制干扰的新思路。
    三、存在的问题
    目前抑制干扰的方法和思路虽很多，但真正成功地用于监测系统的不多，有的效果并不理想。需要在理论和应用方面作进一步的研究，如噪声干扰的特性，特别是对排除了载波干扰和无线电干扰等已知的且较易排除的强大干扰后的其它干扰的特性、局部放电脉冲在电力设备中的传播规律等。
    近年来，局部放电监测已广泛用于评定电力设备的绝缘状态，但由于现场存在大量干扰信号，在线监测系统的灵敏度和监测的可靠性受到了严重的影响。因此干扰的消除和抑制是电力设备局部放电在线监测的一个关键技术问题。