一种适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法及装置

摘要

本发明公开一种适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法及装置，按数据流向连接顺序依次包括：DFB激光器、光纤起偏器集成模块、单相三柱并联结构传播电路、光纤检偏器集成模块、PIN光电探测器及处理模块、16通道局部放电同步检测系统、特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统；在单相三柱并联结构传播电路中内置16个光纤电流传感单元，获取局部放电信号比例关系，并分析与外接阀侧套管、网侧套管和铁心接地的局部放电信号的关联特征，实现换流变压器现场局部放电试验中干扰信号的辨识及多柱并联网侧及阀侧放电源的定位。可有效地判别设备绝缘状况，为专家综合评估特高压换流变性能提供依据。

说明书

技术领域

本发明属于输变电设备技术领域，特别涉及一种±1100kV大容量特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法及装置，适用于出厂或现场特高压换流变压器长时感应耐压和外施直流耐压带局部放电试验抗干扰和绕组内部放电源定位。

背景技术

随着1000kV 特高压交流输电工程的顺利开展和实施，更高电压等级直流输电技术的发展和应用成为电力新技术应用热点和电网规划的主要内容。利用±800 kV 直流研究成果，借鉴1000 kV交流特高压发展经验，直流输电系统可通过直流电压等级提高至±1100 kV来大规模增加输电容量，且选用±1100 kV特高压直流能减少建设直流工程数目、降低线路损耗、节约资金投入。

当前，准东～四川特高压直流输电工程规划2015年左右建成投产，输电电压等级为±1100kV，输电容量10000MW。直流工程送电线路起点为新疆换流站，途经新疆、甘肃、陕西、四川4省区，落点四川换流站，线路长度约2600km。特高压换流变压器是特高压换流站内最重要的设备之一，其功能是将500kV(或750kV 、1000kV)网侧交流电压通过变压器变为阀侧交流电压，经换流阀整流为±1100 kV直流传输，在运行中换流变压器阀侧绕组同时承受直流、交流、冲击、谐波等多种电压形式的叠加作用，对于绝缘耐受能力要求更高，在直流偏压情况下，设备绝缘内部空间电荷的积聚、迁移和消散特性导致换流变压器运行环境更为恶劣；在换相的瞬间或系统输送能量反相时，还要承受极性反转电压，容易造成出线装置局部电场集中，威胁设备安全。

超声波检测技术是近年来逐渐兴起的一种检测方法。在变压器中发生局部放电时，会伴随有声波能量的放出，声波在不同介质(油纸、隔板、绕组和油等)中向外传播，到达固定在变压器油箱壁上的声发射传感器，可以对局放源定位，然而放电源和传感器之间的传播路径复杂，等效传播速度难以确定，且在声发射信号在不同介质中传播会衰减等，对局放源定位造成一定困难，其中绕组内部放电无法进行定位。现场局部放电时，试品处于复杂的电磁干扰环境中，致使微弱的局部放电信号淹没在很强的各种干扰中，从而很难获得真正的有用信息，也就不能获得设备真实的绝缘状况，其可靠性、安全性得不到保证。

有鉴于此，有必要提供一种适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法及装置，实现换流变压器长时感应耐压或外施直流耐压带局部放电试验干扰识别和绕组内部放电定位功能，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是：针对特高压换流变压器现场局部放电抗干扰能力和放电定位技术的不足，本发明提供一种特高压换流变压器局部放电抗干扰和绕组内部放电定位方法及装置，通过内置于不同绕组出线端的光纤电流传感器获取局部放电信号比例关系，并分析与外接阀侧套管、网侧套管和铁心接地的局部放电信号的关联特征，实现换流变压器现场局部放电试验中干扰信号的辨识及多柱并联网侧及阀侧放电源的定位，可有效的判别设备绝缘状况，为专家综合评估特高压换流变性能提供依据。

为实现上述目的，本发明提供一种适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位装置，其特征在于，按数据流向连接顺序依次包括：DFB激光器、光纤起偏器集成模块、单相三柱并联结构传播电路、光纤检偏器集成模块、PIN光电探测器及处理模块、16通道局部放电同步检测系统、特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统；其中在单相三柱并联结构传播电路中，分别在铁心接地、阀侧套管、阀侧绕组、网侧套管、网侧绕组和调压绕组出线内置全光纤电流传感单元16个，并分别编号为1~16，各传感单元其具体位置如下：1为外接铁心接地光纤电流传感单元；2、3和4为三柱铁心接地出线内置光纤电流传感单元；5和6为外接阀侧套管末屏接地光纤电流传感单元；7、8和9为三柱阀侧绕组上端部出线内置光纤电流传感单元；10为外接网侧套管末屏接地光纤电流传感单元；11、12和13为三柱网侧绕组上端部出线内置光纤电流传感单元；14、15和16为三柱调压绕组上端部出线内置光纤电流传感单元；DFB激光器用于辐射出光束；光纤起偏器集成模块用于将光束变成偏振光，分别进入1至16路传感单元，其偏振态经局部放电脉冲电流产生磁场的调制后，经光纤检偏器集成模块形成与起偏器偏振方向同向和倾斜45^o夹角的两束光信号，通过PIN光电探测器及处理模块检测，并处理相应通道同向与异向光束转换的电信号，获取1~16路待测脉冲电流信号，经同轴屏蔽电缆传输至16通道局部放电同步检测系统，经初步分析并将诊断结果传输至特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统。

本发明提供的一种适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法，采用如上所述的适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位装置，其特征在于，采用全光纤电流传感器对各绕组传播的局部放电高频脉冲电流信号进行监测，即通过DFB激光器辐射出光束，经光纤起偏器集成模块后，成为偏振光，分别进入1至16路传感光纤，其偏振态经局部放电脉冲电流产生磁场的调制后，经光纤检偏器集成模块形成与起偏器偏振方向同向和倾斜45^o夹角的两束光信号，通过PIN光电探测器及处理模块检测，并处理相应通道同向与异向光束转换的电信号，获取1~16路待测脉冲电流信号，经同轴屏蔽电缆传输至16通道局部放电同步检测系统，经初步分析并将诊断结果传输至特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统；其中，16通道局部放电同步检测系统中脉冲信号幅值记为A₁-A₁₆，铁心接地监测点：A₁≈A₂+A₃+A₄，阀侧套管监测点：A₅+A₆≈A₇+A₈+A₉，网侧套管监测点：A₁₀≈A₁₁+A₁₂+A₁₃；初步对特高压换流变单相三柱并联结构的最大幅值局部放电源位置进行确定的方法是：

1）铁心接地监测点A₁存在明显脉冲信号，通过A₂、A₃和A₄脉冲幅值大小判别放电铁心柱：

若A₂≈A₁，则放电源位于第一铁心柱；

若A₃≈A₁，则放电源位于第二铁心柱；

若A₄≈A₁，则放电源位于第三铁心柱；

若A₂、A₃和A₄之和接近背景，则判定为外界干扰信号；

2）阀侧套管监测点A₅和A₆存在明显脉冲信号，通过A₇、A₈和A₉脉冲幅值大小判别放电铁心柱：

若A₇≈A₅+A₆，则放电源位于第一铁心柱；

若A₈≈A₅+A₆，则放电源位于第二铁心柱；

若A₉≈A₅+A₆，则放电源位于第三铁心柱；

若A₇、A₈和A₉之和接近背景，则判定为外界干扰信号；

3）网侧套管监测点A₁₀存在明显脉冲信号，通过A₁₁、A₁₂和A₁₃脉冲幅值大小判别放电铁心柱：

若A₁₁≈A₁₀，则放电源位于第一铁心柱；

若A₁₂≈A₁₀，则放电源位于第二铁心柱；

若A₁₃≈A₁₀，则放电源位于第三铁心柱；

若A₁₁、A₁₂和A₁₃之和接近背景，则判定为外界干扰信号。 

本发明的有益效果是：本发明在±1100 kV特高压换流变压器中单相三柱并联各阀侧绕组、网侧绕组和调压绕组上端部出线内置全光纤电流传感单元，可有效准确地辨识放电干扰及放电区域；本发明基于等效电容分布获取局部放电传输比例特征关系，结合局部放电校准方法，建立适用于现场试品的局部放电传输效率标定的特征值；在本发明中阀侧绕组、网侧绕组和调压绕组结构顺序可依据试品结构调整，长时感应耐压带局部放电和直流外施耐压带局部放电可通过选取不同通道全光纤电流传感单元进行监测。

附图说明

图1为本发明的特高压换流变压器单相三柱并联结构脉冲电流传播电路图，图中：101.单相三柱并联结构传播电路；17.铁心接地，18.油箱壁接地，19.阀侧绕组，20.网侧绕组，21.调压绕组；

1为外接铁心接地光纤电流传感单元；

2、3和4为三柱铁心接地出线内置光纤电流传感单元；

5和6为外接阀侧套管末屏接地光纤电流传感单元；

7、8和9为三柱阀侧绕组上端部出线内置光纤电流传感单元；

10为外接网侧套管末屏接地光纤电流传感单元；

11、12和13为三柱网侧绕组上端部出线内置光纤电流传感单元；

14、15和16为三柱调压绕组上端部出线内置光纤电流传感单元；

C_F为阀侧绕组对铁心的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；

C_FW为阀侧绕组和网侧绕组之间的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；

C_WT为网侧绕组和调压绕组之间的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；

C_T为调压绕组对油箱箱壁的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；

C_BF为阀侧套管的电容量；C_BW为网侧高压套管的电容量。

图2为本发明的特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法及装置的结构图，图中：101.单相三柱并联结构传播电路，102.DFB激光器，103．光纤起偏器集成模块，104．光纤检偏器集成模块，105．PIN光电探测器及处理模块，106．16通道局部放电同步检测系统，107．特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统。

图3为特高压换流变压器电容分布示意图，图中：r₀-r₇为各部分的绝缘半径，H为绕组的电抗高度。

图4为绕组对铁心的电压分布。

图5为绕组之间的电压分布。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

如图1所示，为满足±1100kV特高压直流大容量输电工程，国内主要变压器设计单位将特高压换流变压器主体结构设计为单相三柱并联结构，其中C_F为阀侧绕组对铁心的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容，C_F1为对应第一柱绕组电容，C_F2为对应第二柱绕组电容，C_F3为对应第三柱绕组电容，下文与之相似；C_FW为阀侧绕组和网侧绕组之间的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；C_WT为网侧绕组和调压绕组之间的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；C_T为调压绕组对油箱箱壁的几何电容，计算得到各柱绕组对应等效电容；C_BF为阀侧套管的电容量；C_BW为网侧高压套管的电容量。

本发明中在±1100 kV特高压换流变压器中单相三柱并联各阀侧绕组、网侧绕组和调压绕组上端部出线内置全光纤电流传感单元（如图1中1~16所示），进行局部放电测量，可有效辨识绕组内部局部放电源区域位置。

如图2所示，是本发明提供的适用于特高压换流变压器绕组内部局部放电定位方法及装置结构原理图。本发明的特高压换流变压器绕组内部局部放电定位装置包括：DFB激光器102、光纤起偏器集成模块103、单相三柱并联结构传播电路101、光纤检偏器集成模块104、PIN光电探测器及处理模块105、16通道局部放电同步检测系统106、特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统107。

本发明采用适用于脉冲电流测量，且绝缘特性良好的全光纤电流传感器对各绕组传播的局部放电高频脉冲电流信号进行监测，即通过DFB激光器102辐射出光束，经光纤起偏器集成模块103后，成为偏振光，分别进入1、2……、16路传感光纤，其偏振态经局部放电脉冲电流产生磁场的调制后，经光纤检偏器集成模块104形成与起偏器偏振方向同向和倾斜45^o夹角的两束光信号，通过PIN光电探测器及处理模块105检测，并处理相应通道同向与异向光束转换的电信号，获取1~16路待测脉冲电流信号，经同轴屏蔽电缆传输至16通道局部放电同步检测系统106，初步分析局部放电特征信息，按照诊断结果选择传输至特高压换流变压器绕组内部局部放电定位系统107。

其中，16通道局部放电同步检测系统106中脉冲信号幅值记为A₁-A₁₆，铁心接地监测点：A₁≈A₂+A₃+A₄，阀侧套管监测点：A₅+A₆≈A₇+A₈+A₉，网侧套管监测点：A₁₀≈A₁₁+A₁₂+A₁₃。

初步对特高压换流变单相三柱并联结构的最大幅值局部放电源位置进行确定：

1）铁心接地监测点A₁存在明显脉冲信号，通过A₂、A₃和A₄脉冲幅值大小判别放电铁心柱：

若A₂≈A₁，则放电源位于第一铁心柱；

若A₃≈A₁，则放电源位于第二铁心柱；

若A₄≈A₁，则放电源位于第三铁心柱；

若A₂、A₃和A₄之和接近背景，则判定为外界干扰信号。

2）阀侧套管监测点A₅和A₆存在明显脉冲信号，通过A₇、A₈和A₉脉冲幅值大小判别放电铁心柱：

若A₇≈A₅+A₆，则放电源位于第一铁心柱；

若A₈≈A₅+A₆，则放电源位于第二铁心柱；

若A₉≈A₅+A₆，则放电源位于第三铁心柱；

若A₇、A₈和A₉之和接近背景，则判定为外界干扰信号。

3）网侧套管监测点A₁₀存在明显脉冲信号，通过A₁₁、A₁₂和A₁₃脉冲幅值大小判别放电铁心柱：

若A₁₁≈A₁₀，则放电源位于第一铁心柱；

若A₁₂≈A₁₀，则放电源位于第二铁心柱；

若A₁₃≈A₁₀，则放电源位于第三铁心柱；

若A₁₁、A₁₂和A₁₃之和接近背景，则判定为外界干扰信号。 

1、等效电容计算。

特高压换流变压器长时感应耐压带局部放电试验中，试品电流呈容性。由于各绕组之间感应电压不同，同一绕组电压(对地)按匝数分配，绕组之间及绕组对地电容呈分布参数，电容电流分布较复杂，可以用一个集中参数来表示绕组之间或绕组对地的等值电容，其数值与各绕组之间及绕组对地的几何电容、变压器励磁时各绕组之间及绕组对地的电压有关。

1) 变压器几何电容计算。

如图3所示，各电容几何电容计算公式如下：

                             

                            

                          (1)

                           

式中，1.15—边缘效应增大电容系数；Φ—折合系数（油箱和调压绕组之间按同轴圆柱体计算电容，需乘以Φ），Φ=0.75；εr、εr′—介电系数；r₀-r₇为各部分的绝缘半径；H为绕组的电抗高度。

2）变压器绕组与铁心(油箱)之间的电容储能公式。

如图4所示，阀侧绕组对铁心的总电容为 (即为C_F或C_T)，并沿 均匀分布；绕组两端对铁心的电压分别为和，且绕组电压沿均匀分布。

在轴上取一点，；取宽度，对应的电容量为，，设电容的充电功率为，则：

              (2)

电容C中总的充电功率为：

         (3)

3）变压器绕组之间的电容储能公式。

将公式(3)中的和分别代之以电容两极板端部间的电压和，公式(3)即变成绕组之间电容(即为C_FW或C_WT)的储能公式。如图4所示，设右侧绕组两端电压分别为和，左侧绕组两端电压分别为和，在点处电压为：

                    (4)

设，，上式变为。

电容C中总的充电功率为：

                     (5)

4）等效电容计算。

以绕组的最高电压为基准对和取标幺值，将公式（5）转换成充电功率与的关系式，以求得在下的等值电容。公式（5）可写成：

设为等值电容，则：

设；，上式可简化成以下形式：

                         (6)

通过该方法可计算出各柱阀侧对铁心等值电容，，，各柱阀侧绕组和网侧绕组之间等值电容，，，各柱网侧绕组和调压绕组之间等值电容，，，各柱调压绕组对油箱壁等值电容，，。根据现场试品技术资料清单获取网侧高压端套管和阀侧套管的电容，，。

2、局部放电传输效率特征值

1)阀侧绕组局放传输效率特征值。

将阀侧绕组出线套管短接，通过JFD-301校准脉冲发生器向阀侧绕组分别打入500pC、1000pC和2000pC校准电荷，将16通道接收视在放电量峰值分别记为-，-，-，信号幅值为背景噪声则记为零。而在校准时，未施加电压，各校准电荷量下等效电容采用几何电容代替。

                   

                

               

               (7)

                

               

若校准电荷为500pC时，，且时，则将-设为标准校准特征参量；如不符合，而，且时，则将-设为标准校准特征参量，如不符合，则将-设为标准校准特征参量。

若换流变压器局部放电试验在阀侧套管和实际检测视在放电量共计为，且放电源定位在阀侧绕组区域，则实际总放电量不大于：

         (8)

2)网侧绕组局放传输效率特征值。

通过JFD-301校准脉冲发生器向网侧绕组高压端出线套管打入500pC、1000pC和2000pC校准电荷，将16通道接收视在放电量分别记为-，-，-，信号幅值为背景噪声则记为零。而在校准时，未施加电压，各校准电荷量下等效电容采用几何电容代替。

                    

                    

                   (9)

                    

                    

若校准电荷为500pC时，，且时，则将-设为标准校准特征参量；如不符合，而，且时，则将-设为标准校准特征参量，如不符合，则将-设为标准校准特征参量。

若换流变压器局部放电试验在网侧套管实际检测视在放电量为，且放电源定位在网侧绕组区域，则实际总放电量不大于：

            (10)

3)调压绕组局放传输效率特征值。

将调压绕组出线套管短接，通过JFD-301校准脉冲发生器向调压绕组分别打入500pC、1000pC和2000pC校准电荷，将16通道接收视在放电量分别记为-，-，-，信号幅值为背景噪声则记为零。而在校准时，未施加电压，各校准电荷量下等效电容采用几何电容代替。

         (11)

           

若校准电荷为500pC时，时，则将-设为标准校准特征参量；如不符合，时，则将-设为标准校准特征参量，如不符合，则将-设为标准校准特征参量。

3、绕组中局部放电抗干扰及区域定位

1）干扰识别。

在本检测系统中，通道1、5、6和10分别为铁心接地、阀侧套管末屏接地和网侧套管末屏接地脉冲电流信号监测点，容易接收到外部电磁回路的干扰信号，其余通道为内置传感单元，可有效屏蔽干扰，可通过如下方式鉴别：

(1)当1通道接收到脉冲信号，而2、3和4通道未接收到信号幅值之和大于1通道信号时，则为地网干扰信号；

(2)当5和6通道接收到脉冲信号，而7、8和9通道未接收到有效识别信号时，则改组信号为干扰信号；

(3)当10通道接收到脉冲信号时，而11、12和13通道未接收到有效识别信号时，则该组信号为干扰信号。

2）绕组内部放电源定位。

±1100 kV特高压换流变压器输电容量极大，单相换流变器身根据当前设计为三柱并联，两旁轭构成，其绕组体积庞大，根据现有超声波定位技术不能够有效定位绕组内部放电，本发明主要目的为该特高压换流变压器提供绕组内部放电区域定位技术，具体识别方法如下：

(1)通过外接传感单元1、5、6和10通道的脉冲幅值序列初步判别放电源的绕组位置，若5和6通道幅值远大于1和10通道幅值，则主要放电源初步定为阀侧绕组，以此类推，分别判断网侧绕组和铁心是否存在主要放电源；

(2)若初步判别主放电源在阀侧绕组，查看同组信号中，若7通道信号幅值远大于8和9通道，同时11通道和2通道存在校准比例的信号，则可判定放电源位于第一绕组柱的阀侧绕组附近区域，三柱阀侧和网侧绕组都可依次类推判别放电源所属位置；

(3)若1、2、3和4通道信号幅值远大于其它通道信号幅值可判定放电源和铁心关联较大；

(4)若14、15和16通道信号幅值较大，其余通道信号幅值相对较小，可初步判别为器身外围放电或与调压绕组有关，可采用超声波定位技术进行检测。

在本发明中阀侧绕组、网侧绕组和调压绕组结构顺序可依据试品结构调整，长时感应耐压带局部放电和直流外施耐压带局部放电可通过选取不同通道全光纤电流传感单元进行监测。