高频脉冲电流局部放电检测中干扰信号识别方法

马建涛，冯新岩，赵廷志，李承振

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250018）

0 引言

电力变压器是电力系统中的重要电气设备，其运行状况直接影响电网的可靠性。国际CIGRE工作组国际调查报告的统计数字表明，局部放电造成的绝缘故障占58.3%以上［1］。因此，开展变压器局部放电带电检测或在线监测，提前发现变压器内部局部放电隐患，对保证电力变压器的安全稳定运行非常重要。

变压器局部放电带电检测方法主要有绝缘油溶解气体分析法、超声波法、高频脉冲电流法、特高频法等检测方法，其中，高频脉冲电流法由于安装使用方便、检测灵敏度高等优点，已成为变压器局部放电带电检测或在线监测的主要技术手段［2-5］。

变压器发生局部放电时，通常会在其铁芯、夹件、套管末屏等接地引下线上产生高频脉冲电流。通过使用高频电流传感器检测接地引下线或其他地电位连接线上的高频脉冲电流信号，便可实现对变压器局部放电的带电检测。其检测原理如图1所示。

图1 脉冲电流法检测原理

在运行变电站中存在大量干扰信号，根据其时域特征的不同，主要分为：白噪声干扰、周期性信号干扰和脉冲型干扰3类［6-7］。白噪声干扰主要包括热噪声、地网噪声、配电线路中由于耦合而进入的各种随机噪声等，白噪声在整个频段是连续平缓的。周期性干扰信号主要来自电力系统载波通信、高频保护信号以及无线电干扰等。脉冲型干扰信号主要来自线路高压端的电晕放电、开关及晶闸管开断过程中的脉冲干扰、悬浮电位物体放电、接地不良引起的干扰等，脉冲型干扰信号是持续时间短的脉冲信号，在时域与频域上与局部放电信号非常相似，因此脉冲型干扰信号识别排除难度最大。目前，人们在信号数据处理及传感器方面对抑制干扰信号做了大量的工作，也取得一定成效［8-10］，然而现场总有些干扰无法彻底消除，这些干扰信号的产生给脉冲电流法检测的信号识别带来很大困难，因此现场对干扰信号的识别和排除显得尤为重要。

1 干扰信号识别方法

高频脉冲电流局部放电检测发现信号时，首先需要判定所测信号是否具有放电特征，对于没有放电特征的高频信号可直接判定为干扰信号。若所测高频信号存在放电特征，则需进一步分析信号特征，判定信号是否来自变压器内部，若局部放电源位于变压器外部则可定为外部放电干扰信号。

干扰信号的识别与判断主要依据信号的时域特征和频域特征进行分析辨别，包括信号的频段、高频电流波形的极性等；对于部分变压器外部的局部放电类干扰信号，可采用特高频信号与高频信号的对应关系将局部放电源定位，进而排除干扰信号。

1.1 频率识别法

利用高频脉冲电流法进行局部放电检测时，检测到一个信号波形，首先需要在10 ms时基范围内确认该信号是否存在工频周期相关性，如图2所示，若没有工频周期相关性，则说明检测到的波形不存在局部放电特征；如果信号存在周期性，则需要将信号波形展开，计算所测信号的等效频率。根据国家电网公司规程Q／GDW 11400—2015《电力设备高频局部放电带电检测技术现场应用导则》中的规定，高频电流局部放电脉冲的频段为3～30 MHz，但是实际中曾检测到信号频率为2.5 MHz左右的变压器内部局部放电的脉冲电流信号，故上述经验频率范围仅作为一个参考，在实际检测中可适当拓宽。当检测到信号频率在两个边界值周围的信号时均需要仔细分析信号特征，不能直接采用频率法将信号判为干扰信号而排除。

对于信号频率在1 MHz以下的低频信号，多来自接地网回路中耦合干扰，在变压器的不同接地部分均可检测到类似信号，可根据频率法直接判定此类信号为干扰信号。对于特高频干扰信号比较明显的环境，在进行高频电流检测时会检测到部分频率高达100 MHz的周期性信号，该部分信号多是直接耦合到高频电流检测回路的特高频信号，可以直接判为干扰信号。

图2 10 ms时基下脉冲电流波形

1.2 脉冲电流波形极性识别法

针对检测到的脉冲电流波形，如果呈现工频周期性，且信号频率在脉冲电流检测频率范围之内，则可通过信号波形极性法来判别信号源范围。一般变压器或换流变压器进行高频电流检测时，分别从铁芯和夹件接地下引线部位测取信号。如果发现铁芯夹件上二者信号极性相反（如图3所示，高频电流波形第一个脉冲的极性），则表示变压器内部存在异常放电现象，需要利用其他方法对该信号进行进一步定位。如图4所示，当换流变压器阀侧绕组或网侧绕组对铁芯之间的绝缘发生破坏产生局部放电时，能量流向局部放电点、局部放电电流从绕组流向铁芯，铁芯接地线中流过正向的局部放电电流，夹件中会有电流从接地网流回局部放电点。其他部位的接地引线中也会有电流回流到故障点，图4中红色箭头标识了具体电流流向（即极性）。当阀侧绕组或者网侧绕组对夹件之间的绝缘发生破坏以及铁芯与夹件之间绝缘发生破坏时，铁芯与夹件中的接地高频电流脉冲极性相反。

图3 铁芯夹件极性相反的脉冲电流波形

如果铁芯与夹件部位的高频电流信号极性相同，如图5所示，则不能完全排除变压器内部无异常放电，这时需要结合其他手段对该信号进行排除和确认。如图6所示，阀侧绕组对地发生局部放电时，换流变压器铁芯夹件上的高频信号极性相同。

借助不同位置套管的末屏引下线，可检测不同位置的高频脉冲信号幅值大小及频率，结合变压器内部结构，可有效判断变压器内部局部放电的大体位置，如图4和图6所示，套管末屏接地部位亦可进行高频局部放电检测。而目前多数变压器套管在设计时并没有考虑末屏引下线，因此，若未对套管进行后期技术改造，脉冲电流极性识别法只能在铁芯夹件处检测，从而限制了其应用和发展。

1.3 结合特高频信号识别法

当检测到脉冲电流信号极性相同时，判断信号来自变压器内部还是外部较困难时，可同时结合特高频信号来进行判断。如图7所示，如果每次检测到的脉冲电流信号均有对应的特高频信号，则可采用多个特高频传感器进行检测，利用特高频信号时间领先法进行粗略判断局部放电源位置。可在变压器周围放置3个特高频传感器，1个放置在变压器周围命名为A，1个放置于变压器高压侧命名为B，1个放置于变压器低压侧命名为C，观察10 ms时基下脉冲电流信号和特高频信号在周期上是否对应，若不存在周期对应关系，可判断为干扰信号，若存在周期对应关系，将波形展开，比较3个特高频传感器的时间差，若传感器B最领先，则说明特高频信号来自变压器高压侧，若传感器C最领先，则说明特高频信号来自变压器低压侧，若传感器A领先于B和C，则说明特高频信号来自变压器周围。这时需要在变压器周围对信号进行再细分定位，判断信号来自变压器内部还是套管上的干扰，如表1所示。

图4 绕组对铁芯发生局部放电示意

图5 铁芯夹件极性相同的脉冲电流波形

图6 绕组对外壳发生局部放电示意

图7 脉冲电流信号与特高频信号的对应

表1 结合特高频信号识别法的判断

2 典型案例

2.1 脉冲电流极性法检测换流变内部局部放电

对某站换流变压器进行高频脉冲局部放电检测，在换流变压器铁芯夹件上检测到一个周期性高频脉冲信号，如图8所示，发现021 C相铁芯与夹件高频脉冲信号极性相反，而其余相换流变压器铁芯与夹件高频脉冲信号极性均相同，如图9所示。分析图9中信号，信号频率约为30 MHz，频率较高。不考虑放电类型因素的情况下，频率较高的信号距离检测部位较近，因此判断信号源距离铁芯与夹件引出部位距离较近。由于油色谱未出现异常，判断信号放电能量较少。

图8 021 C相铁芯夹件高频信号（极性相反）

图9 021 B相铁芯夹件高频信号（极性相同）

2.2 结合特高频信号识别法检测变压器内部局部放电

对某变电站进行高频脉冲局部放电检测，在变压器铁芯夹件上检测到一周期性高频脉冲信号。将信号展开后发现铁芯与夹件高频脉冲信号极性相同，如图10所示，分析其信号频率为18 MHz，频率在高频脉冲放电信号频率范围之内。外接2个特高频信号传感器，一个放置在变压器周围，另一个远离变压器周围移动，发现靠近变压器的特高频信号始终超前其外侧传感器信号，如图11所示。由此判断变压器内部存在局部放电。

图10 变压器检测脉冲电流法信号展开波形

图11 外接特高频传感器的时间领先法波形

3 结语

针对现场高频电流局部放电检测过程中存在干扰信号难以识别判定的难题，分析现场存在的干扰信号类型以及各自特征，提出采用计算高频电流脉冲信号频率的方法对变压器铁芯及夹件接地线中存在的低频干扰信号以及耦合在高频电流检测回路中特高频信号进行排除；分析了脉冲电流的极性鉴别法，铁芯夹件脉冲电流极性相反则必定存在局部放电，两者极性相同时需要进一步判定；特高频信号与高频电流信号一一对应时，可结合多路特高频信号识别法实现局部放电源的定位，进而区分变压器外部干扰信号。换流变压器局部放电案例验证了频率法、极性法以及特高频信号识别法的有效性。熟练掌握干扰信号的识别排除方法，可以明显提升现场高频电流局部放电检测的效率，让高频电流局部放电检测法发挥真正的作用。