传感器 ,这部分超声波都是纵向波 ;另一条是先以纵 向波传到油箱内壁 ,然后沿钢板按横向波传播到传 感器 ,此波为复合波 。因而 ,由波形读取时延的时间 也有两种读取法 。由于超声波在钢板中的传播速度 比在油中快得多 ,且在钢板中衰减很大 ,因此该波到 达传感器的直达波的幅值通常比复合波大得多 ,如 图 1 所示 。这样便可很容易地分辨出直达波 ,以该 波为准读取时延的时间 。
的时延 Ti 作为从放电点 P ( x , y , z) 到达各传感器 Si ( xi , yi , zi ) 的传播时间 ,以等值声速ν乘以时延 Ti 而得到放电点到传感器的空间距离νTi 。由此得到球
面方程 : ( x - xi ) 2 + ( y - yi ) 2 + ( z - zi ) 2 = (νTi ) 2
列 ,排成水平和垂直两个方向 ,每个方向至少取 8～
10 点 ,以沿油箱壁表面分隔的测量点距离数值为纵
坐标 ,相应的局放源到各点的时间 T 为横坐标 ,作
出 V 形曲线 。其顶点为油箱壁上对应于局放源的
最近点 ,该点时间即为局放源声波向油箱壁直射传
播时间 ,用直射波传播途径所经过的介质分层计算
与此时间相比较 ,就可求得局放源的位置 。该方法 简单直观 ,其最大特点是不计声速ν。但用这个方 法计算时 ,假定局放源到各传感器的声速ν相同 。
第
38 卷 第 2001 年 11
11 月
期
变压器 TRANSFORMER
Vol. 38
Nove m be r
No. 11 2001
电力变压器局部放电定位方法的现状和前景
王国利 ,郝艳捧 ,李彦明
(西安交通大学 , 陕西 西安 710049)
声源接收到信号的传感器个数越多 ,所得的子区域
越小 ,定位的准确度就越高 。将传感器阵列与计算机
构成定位系统 ,由图象显示或靠人为确定放电区域 ,
这两种方法都是非常简便易行的 。此定位法对声速
和传感器的位置不敏感 ,因而在现场中能取得较好
的结果 。
图 2 顺序定位法原理图
2. 5 模式识别定位法
该定位法基于声 —声触发的定位原理 ,以四个
传感器为限 ,给出了利用时延 τ定位的数学模型方
法 。其基本原理如下 :
设有标准模式矢量
f
0 i
和待判定模式矢量 fi
,取
其欧式相对距离 :
d ( i)
=
d(f
0 i
,fi)
=
∑N
L
0 ij
-
L ij
2
i =1
L
0 ij
(6)
若将 d ( i) 按顺序排列 , 则排在第一位的 f i 距离最
( i = 1 ,2 ,3 , …, m)
(3)
若测出 m 个时延 Ti ,同时已知各传感器坐标时 ,用
最小二乘法求出以上 m 个非线性超定方程组的最 优解 ,即 x 、y 、z 、ν,从而确定局放源的位置 。此定位 法最大特点是声速ν由计算取得而不取定值 。
基于声 —声触发的定位原理 ,若局放源 P ( x ,
信号作为触发信号 ,在可收到强烈超声信号的情况
下 ,触发信号本身就会引入较大的时延误差 ,因此定
位偏差较大 。文献[ 9 ]将电 —声法加以改进 ,可提高
电 —声法在线定位的可靠性和精度 。
以上几种超声波定位法各有其特点 :V 形曲线
定位法做图方便 ,且不计声速 ,但它只能估计放电源
的区域 ;双曲面定位法和球面定位法目前应用最广
现场中常用的超声波定位方法有 V 形曲线法 、 双曲面法和球面定位法[4～6] 。随着声波传播机理研 究的深入 ,又出现了顺序定位法[7] 和模式识别法[8] 。 2. 1 V 形曲线定位法
该定位法基于电 —声触发的定位原理 。在局放 源附近区域内 ,将传感器沿油箱表面按直线分隔排
第 11 期 王国利 、郝艳捧 、李彦明 :电力变压器局部放电定位方法的现状和前景 23
距离差为 :
ν( ti - t1 ) = ντi - 1 = 常数
(1)
局放源 P ( x , y , z) 到传感器 Si 的声传播时间 :
ti =
( x - xi ) 2 + ( y - yi ) 2 + ( z - zi ) 2 ν
(2)
式(1) 称为双曲面方程 ,满足该方程的点就是双曲 面上的点 。若测出 m - 1 个相对时差 τi- 1 ,同时已知 声速 ν(用优化处理方法求取[6] ) 及各传感器坐标
泛 ,借助计算机能精确地计算出放电源的几何坐标 ,
但变压器结构的复杂性 、现场的干扰和声波的衰减
等都对时延的获取及精确定位产生较大的影响 ;顺
序定位法和模式识别法 ,目前对其研究刚刚开始 ,且
它们的实用性仍需在现场中进一步去验证 ,但可以
预料这两种方法在局部放电定位 (特别是在线定位)
上的应用还是非常有希望的 。
图 3 变压器绕组的频率特性
由三部分组成 ,分别为 :行波分量 (0～0. 01MHz) ,即 以电 磁 波 的 形 式 传 播 的 分 量 ; 振 荡 分 量 ( 0. 01 ～ 0. 1MHz) ,即由绕组的共振引起的分量 ;电容性分量 (0. 1～10MHz) ,即通过电容梯形网络传输的分量 。
图 1 传感器接收到的直达波与复合波
超声定位测量的关键参数是 ,放电点至传感器 之间声波的直接传播时间 T ,或放电点至两传感器 之间声波传播的时间差 τ。声波的直接传播时间 T 就是电 、声信号的时间差 ,该时间差是以局部放电的 电信号作为触发基准信号 。同时测量出放电的电信 号和声信号 。此为电 —声定位系统 。在耦合于变压 器油箱外壁上的多个超声波传感器中 ,选用一路声 信号触发其余声信号 。定位时选择某传感器为参考 传感器 ,以此为基准 ,测量同一局部放电超声信号传 播到其他传感器时对应于它的相对时差τ 。此为声 —声定位系统 。
位置 ,是目前局部放电定位中普遍采用的方法 ,对于
离线及在线状态的变压器均能找到局部放电的位
置 。其中 ,电 —声触发在目前离线试验条件下应用
广泛 ,而其在在线试验条件下应用还存在一些困难 。
局部放电的在线定位一般采用声 —声触发 ,但是由
于局部放电的超声信号不是一个脉冲信号 ,不象局
部放电的电信号一样有明显的起始位置 ,若使用声
传感器阵列放置在同一平面上 。当某一固定声源的
超声波到达这一平面时 ,传感器 1 首先接收到信号 ,
由传感器 1 与其周围传感器的平分线构成的区域称
为对固定声源定位的主区 。随后传感器 2 接收到信
号 ,按照平分线分隔原则 ,定出子区域 2 , 接着传感
器 3 接收到信号 ,定出子区域 3 …依次类推 ,对同一
)
,逐个
求解变压器中每一个子模块所对应的标准模式矢量
和待判定模式矢量的空间距离 ,两距离最小的子模
块所在的位置就可能是放电点 。借助计算机 ,该方法
实施简单 ,定位精度高 ,它克服了原有计算定位法中
存在的问题 ,具有实用价值 。但在实际定位中 ,对声
速的取值和放电时延的测量仍需进一步研究 。
总之 ,超声波定位法能够确定放电部位的几何
距离L k2 ,L k3 ,L k4 可由式 (5) 计算求解 ,定义它的待判
定模式矢量为 f k = ( L k2 ,L k3 ,L k4 ) 。利用以上计算所
得到的时间 T 和测量所得的时延τ21 ,τ31 ,τ41 , 由式
(4)
可得到标准模式矢量
f
0 k
=
(
L
0 k2
,
Hale Waihona Puke L0 k3,
L
0 k4
摘要 :概述了电力变压器局部放电定位的研究现状 ,探讨了其实用化中存在的主要问题及今后的发展趋势 。 关键词 :电力变压器 ;局部放电 ;定位 中图分类号 : TM403. 2 文献标识码 :B 文章编号 :1001 - 8425 (2001) 11 - 0022 - 06
1 前言
局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原 因 。自 20 世纪中期起 ,人们就开始对局部放电作了 较深入的研究[1 ,2] ,并取得了很大的进展 。目前 ,对 于变压器内部发生的局部放电 ,人们已基本能通过 采用多种检测手段检测到 。随着数字信号处理技术 的迅速发展 ,放电脉冲的提取[3] 也较容易做到 。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 ,快速准确地对局放源定 位 ,这对于迅速排除故障 、保障电力系统的正常运行 具有重要意义 。
近 ,为最接近模式 。同理 ,第二位为次接近模式 ,依此
类推 。
设变压器是由 m 个子模块组成的集合体 。对于 任一空间位置已知 (即 x , y , z 已知) 的子模块 k 来 说 ,它到达基准传感器的时间 T 及其余各传感器的
24 变压器 第 38 卷
根据变压器的以上各种电气传播特性原理建立
3 电气定位法
当变压器内部发生局部放电时 ,产生的放电脉 冲沿绕组传播到达测量端 ,该放电脉冲包含了放电 特性和局部放电定位所需的有用信息 ,通过对放电 脉冲进行分析 ,可以确定局放源的位置 。
早期的研究[10～12] 表明 ,通常情况下 ,变压器绕 组普遍存在三个频率特性范围 ,如图 3 所示 。在不同 频率范围内 ,变压器绕组的传输特性不同 ,具体为 : 在低频范围内 (0～0. 01MHz) 局部放电信号的传输 以电磁波形式为主 ;中频范围 (0. 01～0. 1MHz) 以振 荡形式为主 ;高频范围 (0. 1～10MHz) 以电容分量传 输为主 。因此 ,在测量端测得的局部放电信号通常
局部放电的定位是根据局部放电过程中产生的 电磁波 、声 、光 、热和化学变化等现象 ,其定位方法有 电气 定 位 、超 声 波 定 位 、光 定 位 、热 定 位 和 DGA (Dissolved Gas Analysis) 定位等 。目前 ,国内外研究 最多 、应用最广泛的是超声波定位法和电气定位法 。 超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播的 方向和时间来确定放电位置的 。而电气定位法则是 根据局部放电产生的脉冲传播到测量端的特性来确 定放电位置的 。本文拟对各种超声波定位法和电气 定位法给以总结 ,并就实用中存在的主要问题及今 后的发展趋势进行探讨 。