发电厂变压器局部放电的识别和应用
2009/8/25 11:19:00
【摘要】变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。为保证电力系统的稳定，必须加强对电力变压器绝缘的监测和诊断。变压器绝缘内部局部放电被广泛认为是导致变压器绝缘劣化的重要因素，与变压器运行的安全性和可靠性具有密切联系。局部放电的识别和应用，能够及时发现绝缘内部局部缺陷及放电发展程度，防止事故发生。
【关键词】变压器，局部放电，老化
1前言
大型电力变压器在电力系统中的安全运行，其绝缘状态至关重要。许多学者认为，局部放电是有机绝缘逐渐老化并最终击穿的主要原因，设备的局放情况能够反映设备的绝缘状况。因此，局放监测已经成为评价绝缘老化程度的主要手段。但是目前精确定位局放源及确定放电对绝缘危害程度还有很大难度，需要进行大量研究。本文简单介绍了变压器局部放电的识别、定位和应用。
2绝缘材料的老化
2.1热老化
高压电气设备运行中产生的热量导致绝缘的温度升高。1930年V.M.Montsinger首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系，即10℃规则，认为温度每升高10℃则绝缘寿命约减半。但实际上，不同绝缘的老化速度应不同，因此10℃规则不能简单地应用于所有绝缘系统。1985年EPRI针对不同等级的电机绝缘得出的研究结果见下表：
半寿命对应温升 14.0K 11.0K 9.3K 8.0K 10.0K
1948年Dakin提出的新观点认为热老化实际为有聚合链分裂等作用的氧化效应，本质上为一种化学反应过程，因此应遵循化学反应速率方程lnL=lnA+B/T，其中，A、B分别是由特定老化反应所决定的常数，L为绝缘寿命，T为绝对温度。该方程的提出，为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据，弥补了Montsinger的10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点。
2.2电老化
绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无定量化描述的理论公式。通常普遍采用倒数幂关系的经验公式L=K/En来表示绝缘在外施电场下的老化规律，其中E为外加电场，K为试验确定的常数，与具体的绝缘系统或材料有关，n为电压耐受常数，须在一定的电压和温度下试验确定。
不少研究者认为，当外施电压低于绝缘的局部放电起始放电电压时，材料就不会发生由电场所引起的老化。通过建立热-电应力联合作用下的绝缘概率寿命模型，发现在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场阀值ET，当绝缘承受的外加电场低于或接近此阀值时，其寿命趋向于无穷。这一临界电场值可通过对击穿时间与外施电场大小的Weibull统计分析得出。通常认为电气击穿强度是评价绝缘老化的一个最根本的属性，当外施电场远低于材料的击穿强度时，相当于材料具有非常高的耐电强度，此时绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不出现击穿。
对于上述阀值电场的存在，也有持不同观点的。ArminBruning通过对气穴中空气从亚电晕（Sub-corona）到强烈电晕（intense-corona）过渡过程中非线性电导率的理论计算和实测数据表明，低电压下的微小亚电晕电流将引起气穴中气体和气穴表面温度升高。随着电压的提高，亚电晕放电形式向强烈电晕放电形式转化，放电源的温度将不断上升。以上现象说明绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阀值。通过测量气穴表面的温升有可能利用Arrhenius方程在气体空腔这样微小区域水平上评价绝缘的老化。该观点如被更多的实验证实，将因其物理过程清晰，测量方法明确，可能具有更大的说服力。但是这种观点似乎不好解释进行交流耐压等试验中电压升高到一定程度时，普遍观察到的电流急剧上升现象。相比之下，阀值寿命模型更能为经验所接受，且较能体现其对绝缘设计的指导作用。
3局部放电的识别和定位
3.1分型理论和关联维数
判断电气设备是否发生局部放电，常用“指纹”诊断法，即根据局部放电的放电量、放电发生时的工频电压相位及每秒内的放电次数，绘制出谱图，得到局部放电“指纹”，将其与样本“指纹”对比进行判断。用人工神经网络识别局部放电，可提高识别的可靠性，但对谱图提取的特征量少则十几个，多则几百个，使人工神经网络的输入较多，人工神经元较多。采用分形理论方法提取局部放电特征以减少特征量个数。
分形理论及关联维数分形几何是研究自然界中常见的、不规则的、支离破碎的形体表现及其内在规律的非线性科学。其研究对象主要是一类具有“自相似性”、“自仿射性”的分形体，其分形度量为维数。分形理论突破了传统几何中维数的限制，认为复杂体的几何可以是分数的（简称分维），以此描述研究对象表面的粗糙度。一个由个变量描述的复杂系统，在这个变量构成的相空间中，系统的瞬时状态为一个点，状态的变化为一条轨道。但对于复杂系统，通常不知道系统的独立变量情况，只能通过某一时间序列数据来观测。对测到的时间序列数据进行分维，常用G-P算法。
3.2利用G-P算法识别局部放电
不同局部放电信号所具有的统计自相似性，为分形理论提供了应用前提。当两个信号的分维数相同或相近时，即认为这两个信号属于同一类。
为使研究具有针对性，根据变压器一般常见的局部放电来源及形式，制作相应的实验模型。其中有的模拟气隙在绝缘内部局部放电，有的模拟气隙在电极表面局部放电，主要模拟变压器内部放电。也有模拟电晕放电的模型。将电极置于标准油杯中，然后加压采集信号。所加电压1022kV，局部放电数字测量装置采样频率为3MHz，模数转换位数为8位，对25个工频周期采集信号进行统计，得到φ-q谱图。下图为11kV时电晕放电的φ-q谱图：
因局部放电谱图的包络线对同种信号具有相似形，将谱图的包络线作为识别对象，提取的特征量是包络线的特征量。但局部放电信号常常是离散存在，即孤立出现的，如直接分形将有<
【关键词】变压器，局部放电，老化
1前言
大型电力变压器在电力系统中的安全运行，其绝缘状态至关重要。许多学者认为，局部放电是有机绝缘逐渐老化并最终击穿的主要原因，设备的局放情况能够反映设备的绝缘状况。因此，局放监测已经成为评价绝缘老化程度的主要手段。但是目前精确定位局放源及确定放电对绝缘危害程度还有很大难度，需要进行大量研究。本文简单介绍了变压器局部放电的识别、定位和应用。
2绝缘材料的老化
2.1热老化
高压电气设备运行中产生的热量导致绝缘的温度升高。1930年V.M.Montsinger首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系，即10℃规则，认为温度每升高10℃则绝缘寿命约减半。但实际上，不同绝缘的老化速度应不同，因此10℃规则不能简单地应用于所有绝缘系统。1985年EPRI针对不同等级的电机绝缘得出的研究结果见下表：
|
绝缘等级
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A
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B
|
F
|
H
|
C
|
|
允许工作温度
|
105℃
|
130℃
|
155℃
|
180℃
|
220℃
|
|
半寿命对应温升
|
14.0K
|
11.0K
|
9.3K
|
8.0K
|
10.0K
|
半寿命对应温升 14.0K 11.0K 9.3K 8.0K 10.0K
1948年Dakin提出的新观点认为热老化实际为有聚合链分裂等作用的氧化效应，本质上为一种化学反应过程，因此应遵循化学反应速率方程lnL=lnA+B/T，其中，A、B分别是由特定老化反应所决定的常数，L为绝缘寿命，T为绝对温度。该方程的提出，为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据，弥补了Montsinger的10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点。
2.2电老化
绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无定量化描述的理论公式。通常普遍采用倒数幂关系的经验公式L=K/En来表示绝缘在外施电场下的老化规律，其中E为外加电场，K为试验确定的常数，与具体的绝缘系统或材料有关，n为电压耐受常数，须在一定的电压和温度下试验确定。
不少研究者认为，当外施电压低于绝缘的局部放电起始放电电压时，材料就不会发生由电场所引起的老化。通过建立热-电应力联合作用下的绝缘概率寿命模型，发现在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场阀值ET，当绝缘承受的外加电场低于或接近此阀值时，其寿命趋向于无穷。这一临界电场值可通过对击穿时间与外施电场大小的Weibull统计分析得出。通常认为电气击穿强度是评价绝缘老化的一个最根本的属性，当外施电场远低于材料的击穿强度时，相当于材料具有非常高的耐电强度，此时绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不出现击穿。
对于上述阀值电场的存在，也有持不同观点的。ArminBruning通过对气穴中空气从亚电晕（Sub-corona）到强烈电晕（intense-corona）过渡过程中非线性电导率的理论计算和实测数据表明，低电压下的微小亚电晕电流将引起气穴中气体和气穴表面温度升高。随着电压的提高，亚电晕放电形式向强烈电晕放电形式转化，放电源的温度将不断上升。以上现象说明绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阀值。通过测量气穴表面的温升有可能利用Arrhenius方程在气体空腔这样微小区域水平上评价绝缘的老化。该观点如被更多的实验证实，将因其物理过程清晰，测量方法明确，可能具有更大的说服力。但是这种观点似乎不好解释进行交流耐压等试验中电压升高到一定程度时，普遍观察到的电流急剧上升现象。相比之下，阀值寿命模型更能为经验所接受，且较能体现其对绝缘设计的指导作用。
3局部放电的识别和定位
3.1分型理论和关联维数
判断电气设备是否发生局部放电，常用“指纹”诊断法，即根据局部放电的放电量、放电发生时的工频电压相位及每秒内的放电次数，绘制出谱图，得到局部放电“指纹”，将其与样本“指纹”对比进行判断。用人工神经网络识别局部放电，可提高识别的可靠性，但对谱图提取的特征量少则十几个，多则几百个，使人工神经网络的输入较多，人工神经元较多。采用分形理论方法提取局部放电特征以减少特征量个数。
分形理论及关联维数分形几何是研究自然界中常见的、不规则的、支离破碎的形体表现及其内在规律的非线性科学。其研究对象主要是一类具有“自相似性”、“自仿射性”的分形体，其分形度量为维数。分形理论突破了传统几何中维数的限制，认为复杂体的几何可以是分数的（简称分维），以此描述研究对象表面的粗糙度。一个由个变量描述的复杂系统，在这个变量构成的相空间中，系统的瞬时状态为一个点，状态的变化为一条轨道。但对于复杂系统，通常不知道系统的独立变量情况，只能通过某一时间序列数据来观测。对测到的时间序列数据进行分维，常用G-P算法。
3.2利用G-P算法识别局部放电
不同局部放电信号所具有的统计自相似性，为分形理论提供了应用前提。当两个信号的分维数相同或相近时，即认为这两个信号属于同一类。
为使研究具有针对性，根据变压器一般常见的局部放电来源及形式，制作相应的实验模型。其中有的模拟气隙在绝缘内部局部放电，有的模拟气隙在电极表面局部放电，主要模拟变压器内部放电。也有模拟电晕放电的模型。将电极置于标准油杯中，然后加压采集信号。所加电压1022kV，局部放电数字测量装置采样频率为3MHz，模数转换位数为8位，对25个工频周期采集信号进行统计，得到φ-q谱图。下图为11kV时电晕放电的φ-q谱图：
因局部放电谱图的包络线对同种信号具有相似形，将谱图的包络线作为识别对象，提取的特征量是包络线的特征量。但局部放电信号常常是离散存在，即孤立出现的，如直接分形将有<
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