电力变压器局部放电超声波定位的研究

华中科技大学硕士学位论文电力变压器局部放电超声波定位的研究姓名：董自胜申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：李达义2011-05-28华中科技大学硕士学位论文I摘要电力系统中，电力变压器是输变电运行昀关键的设备，其能否正常运行直接关系到电网的安全、稳定。绝缘劣化是变压器昀易发生的故障，其中昀重要的原因就是局部放电。因此，局部放电检测是变压器状态检修的关键工作之一，也是电力运行部门的重点关注对象。超声波定位方法是局放检测定位昀传统也是昀主要的方法，目前超声波定位的两大问题就是信号降噪和定位算法。针对这两个问题，进行了以下研究和实验。（1）根据局放产生的理论，构建了局放等效电路，通过电-力-声对比研究了局放产生超声波的机理。（2）采用模拟变压器油箱实验研究了超声波在变压器内部的传输规律，研究论证了超声波在介质中传播的衰减情况、速度以及传播路径。（3）分析了现场检测局放时的噪声干扰，对此采用小波分析的方法提取有效的超声波信号，通过计算机对其进行了模拟仿真。（4）针对超声波定位的算法问题，提出了遗传算法的定位方法，根据实验数据通过遗传算法工具箱进行了仿真。（5）对超声波定位系统进行了硬件、软件改进升级，通过现场试验案例对其进行了验证。总之，在前人研究基础上，通过理论分析和实验仿真以及现场应用，结果表明提出的小波分析和遗传算法可以解决局放定位两大问题，提升定位性能。关键词：局部放电小波变换去噪超声定位遗传算法华中科技大学硕士学位论文IIAbstractPowerTransformerismainequipmentinElectricPowersystem,itisimportanttothesafetyofelectricalnetwork.Deteriorationsoftheinsulationisthemajorfrequentmalfunctions,themostcrucialcauseispartialdischarge(PD).SodetectionandlocationtheTransformerinnerpartialdischargesourceisthekeytaskoftransformermaintenance,itisalsoemphasizedbyelectricpoweroperatingutility.ThemethodforultrasoniclocationoftransformerPDisthemainmethodofthecurrenttransformerinsulationdetection.Atpresent,thetwooutstandingissuesoftheultrasoniclocationareeliminatinginterferenceandthelocationalgorithm.Inviewofthetwoquestions,themainresearchesareasfollows:（1）TheequivalentcircuitofPDwasconstructedbythePDtheory.Resortingtothemethodofelectrical-mechanical-ultrasonicanalogytoinvestthemechanismofPD（2）Thestudyoftheultrasonicsignal'spropagatingrulesinsidesimulativetransformer.Designtestplanstodemonstratetherulesofultrasonicontenuation,velocityandroute.（3）ThewayofwaveletpackettransformwaspresentedtoeliminateinterferencesbasingonthecharacteristicsoftheinterferencesonfieldPDmeasurement.Thecapabilityofeliminatinginterferencesbythiswaywasanalyzedbycomputersimulation.（4）ComingupwithGeneticAlgorithmtocomputethecoordinateofPD,thedeviationwaslimitedintheboundsofacceptability.（5）UpgradingfortheUltrasonicpositioningsystem.Basingonlaboratorytestsandfieldapplications,theresultshowedthatthefunctionofultrasonicpositioningsystemwaseffective.Keywords:PartialdischargeWavelettransformEliminatinginterferenceUltrasoniclocationGeneticAlgorithm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题提出的目的和意义随着电网的快速建设发展，输电距离不断增加，电压等级也逐渐提高，由昀初的高压输电发展至现在的特高压交直流输电。高压输电必须考虑电网中电力设备的绝缘问题。绝缘的作用是为了分隔不同电位的导体，从而使各导体保持各自的电位。绝缘是高压电气设备结构中不可或缺的部分，据统计研究表明，在所有电力变压器故障中有80%是绝缘故障。大型电力变压器结构复杂，对绝缘要求高，因此，作为电网中的重要设备，其绝缘状态与电网运行的安全性、稳定性密切相关[1]。变压器内部的主要绝缘成分是变压器油和绝缘纸。绝缘故障就是指绝缘介质完全或部分丧失了隔离不同电位的作用，其昀直接的表现形式就是电介质击穿。击穿是指当外界电压达到某一临界值后，介质的电导率显著增大，泄漏电流迅速增加，电介质失去了原有的绝缘性能。电解质的击穿是一种瞬时状态的变化，一般直观可见，一般情况下，电介质在击前，绝缘性能已经劣化，随着劣化的逐步加深，昀终表现为介质击穿。所以，在绝缘介质被击穿之前就对介质的性能进行检测，并及时做出处理，可以有效地避免突发性的绝缘事故，保证电网运行安全[2]。局部放电可以作为分析、评价电气设备绝缘状态的标尺。局部放电一般是发生在绝缘介质内部极微小空间上的放电现象，一定程度的局部放电不会影响介质的整体绝缘性能。变压器中，局部放电的发生通常有两个原因，一是在变压器制造和安装过程未发现的绝缘缺陷；二是在变压器运行过程中逐渐发生的，如雷电冲击或操作冲击电压引发的绝缘弱点。目前局部放电的检测方法有多种，其中应用昀为广泛的是脉冲电流检测法、气相色谱检测法和超声波检测法。脉冲电流检测法主要是采用检测阻抗来测出局部放电产生的的脉冲电流，然后得到局部放电的放电次数、视在放电量及放电相位。这种检测方法研究昀早，灵敏度较高，可以定量检测局部放电的特征参数，主要缺点是容易受现场电磁干扰，获取有效华中科技大学硕士学位论文2的脉冲信号相对困难。气相色谱检测法是定期分析变压器油中的气体成分，根据检测到的气体成分和浓度来对局部放电的模式做出判断。但是这种方法由于依靠长期检测油色谱数据，无法感应突发的事故。超声波检测法是通过固定在变压器外壁的超声波传感器接收变压器内部局部放电产生的超声波信号。它是一种无损检测方法，且被检测设备无电气联系，其特点是不易受变电站电磁波干扰，可以对局部放电故障进行定位与分析。其困难在于超声波在电气设备内部的传播过程很复杂，想准确分析超声检测结果比较困难。总之，变压器局部放电的超声波检测是一种简单、有效的检测手段，它可以带电检测，避免停电检修，从而节约电力运行维护成本；并且，其定位水平突出，能为故障分析提供更可靠的依据，便于电力运行部门及时发现设备隐患。1.2超声波方法的研究现状及存在的问题上世纪40年代，超声波就被应用于变压器局放检测，但由于受压电元件及集成电路发展不成熟的限制，信号处理水平受限，无法进行广泛应用。直到上世纪80年代以后，由于微电子技术的迅速发展，使得压电转换元件效率得到提高，集成电路噪声性能得到改善，由此带来超声波的灵敏行及抗干扰性能得到极大的提高，变压器局放应用中重新开始重视超声波方法。目前超声波方法主要被应用于局放定位方面，国内外对此都作了一些研究。在国外，西门子使用了一种联合检测技术，该技术将超声波方法和超高频（UHF）相结合，采用复合探头同时接收接收局部放电产生的超声波和射频电磁波；阿尔斯尝用一个UHF传感器和N个超声波传感器对一个220kV的变压器模型进行局放定位试验；美国物理声学公司（PAC）有一个强大的大型电力变压器检测数据库，其产品以此为基础，有较强的定位水平。在国内，西安交通大学提出了相控定位方法，先通过时延算出放电的距离，再根据相控阵扫描的角度确定放电的空间位置；国网电科院武汉南瑞凭借在局放定位领域30多年的经验积累开发了JFD系列超声定位系统，集高性能计算机、高灵敏度探头、华中科技大学硕士学位论文3故障定位计算软件于一体。对一般变压器放电实际测试定位误差小于10cm，整套测量系统能检测出小于200pC局部放电量的超声信号。目前，局放超声定位面临的两大问题是信号干扰和定位误差。局放信号的干扰有来自现场的机械振动噪声、电力载波通讯信号、电力电子开关及地网中产生的脉冲型周期性信号等等。国内外专家对于信号干扰提出了多种降噪方法，如数字滤波、自适应滤波、小波分析等，这些方法一定程度上可以提高定位精度，也会有现场环境影响带来的局限性。此外，超声探头抗干扰能力的提高也可以降低信号噪声，目前国外的BiddleInstruments公司、PowerDiagnostix公司、PAC公司及国内的西安电工研究所、国网电科院武汉南瑞等都研制出了自己的高性能探头产品[3]。局放超声定位统算法有两个，一是电-声时延球面法，二是声-声时延双曲面法。以此为基础，近年来不断提出了新的改进方法，如模式识别法，它不用考虑迭代计算的发散问题，能避免因放电点在变压器边缘而出现的定位出界；单元搜索法[4]，它视等值声速为变量，能避免声速值选取不当产生的误差；定位遗传算法，它对初始点无可行性要求，问题维数不受限制，能够有效地防止陷入局部昀小。这些方法都是以声信号时延为基础的，定位精度目前还不够理想，有时也会出现定位失败。影响定位结果主要因素是：超声波在变压器内部的传播路径无法预知，传播速度也不是恒定值，因此难以计算故障点距离；此外就是目前检测手段有限，加上干扰噪声影响，时延本身测量有us级的误差。1.3本课题的主要研究内容针对上述提及关于变压器局放超声定位的一些问题，本文通过理论分析，借助计算机仿真计算与实验室试验，进行了如下一些工作。第一，对变压器内部的超声波传播规律进行实验室试验研究，具体内容：超声波在变压器油中的传播速度测定；不同实验条件下声信号的传播特性。第二，分析目前各种超声波降噪方法的特点，提出了小波变换的降噪方法，该方法能有效地去除局放号中的窄带干扰与白噪声，参数设置相对固定，现场适应能力华中科技大学