摘要
过去 10-15 年，电力行业正逐步向智能电网技术发展，对核心设备的稳定性和可靠性提出了更高要求。欧洲、美国和日本等成熟市场面临着老龄化设备，需要经济高效地运行至寿命终止。为了延长设备寿命，维修和翻新项目开始基于诊断与监测数据进行实施。
变压器是电力网络的关键设备之一，因此其监测参数，如局部放电（PD），越来越受到重视。传统的 PD 监测通常通过套管引出端进行，但难以准确判断放电源位置。近年来，基于超高频（UHF）方法的 PD 监测逐渐成为新标准。
UHF 方法利用快速放电脉冲产生的电磁信号，通过安装在变压器上的 UHF 传感器（如扁平圆盘）进行捕获。UHF 传感器的优点包括高抗噪声能力和高灵敏度。安装 4~6 个传感器还可以实现 PD 源定位。尽管 UHF 测量无法直接校准，但通过定位与灵敏度验证，仍可以估算 PD 强度范围（pC 级）。
1. 引言
随着能源市场的放开和电力设备私有化，电力生产、输配电的公司结构发生了重大变化。为降低成本，部分维护和技术服务外包，设备投资更趋谨慎。这导致部分设备长期运行甚至未及时更新，从而影响电网可靠性。
目前，随着投资增加，先进设备和高效运行方法不断发展，在线状态监测（Condition Monitoring, CM）成为延长关键设备寿命的重要手段。尤其对于老旧变压器，通过后装传感器（UHF 传感器、光纤温度传感器等）可以实现在线监测。
新能源和分布式电源的发展（如海上风电）使电力网络更加复杂，变压器等关键设备状态变化需实时监控。
2. UHF 局放检测原理
局部放电产生的电脉冲上升时间小于 100 ps，会产生 GHz 级 RF 信号。这些信号在变压器内部传播时会受到衰减和反射。UHF 传感器接收到这些电磁波后输出信号，供后续处理。
UHF 传感器类型：
- 平板金属传感器，可在制造阶段通过特殊法兰集成。
- 后装型传感器，可通过检修口或放油阀安装。
1): PD 脉冲产生 UHF 电磁波
2): UHF 传感器类型示意
3): 变压器传感器安装位置
4): 传感器后装示例
PD 信号特性：
- 越靠近传感器，输出信号越强（与 IEC 60270 传统方法不同）。
- 信号形状受内部多重反射影响，与原始脉冲不完全一致。
3. UHF 信号与 PD 电荷量（pC）换算
根据实验测量，可将 UHF 输出（mV/dBm/% scale）与传统 IEC 60270 表观电荷量进行对应，但存在非线性关系。估算 PD 强度需满足以下条件：
1. PD 源位置已知
2. 缺陷类型已知
3. 已进行灵敏度/幅值验证
4. 传播路径可评估
1）PD 测试单元
2）: 空腔测试与 UHF 测量脉冲分布
3） 四个传感器测量分布
4）: 带绕组和铁心的变压器模型
5）: IEC 60270 表观电荷 vs UHF 输出
4. PD 源定位
PD 源定位基于信号到达不同传感器的时间差。对于复杂变压器设计，反射路径和导电表面传播需考虑。
- 大型变压器通常需要 6 个 UHF 传感器，小型 4 个。
- 传感器尽量分布在最大间距位置，以提高定位精度。
- 通过三角定位法（Triangulation）结合软件，可实现 PD 源计算。
图示：
1）: 传感器布局示例
2）: 信号到达时间差示例
3）: PD 定位软件界面
4）: 工业变压器实际 PD 定位与验证
5. 结论
- UHF 技术可有效检测并定位变压器内部局部放电。
- 新变压器安装传感器简单，后装需要停机（可通过检修口安装）。
- 可估算 IEC PD 强度范围，但需源定位和灵敏度验证。
- 相关标准尚未统一，仍需进一步研究。
- UHF PD 监测为变压器健康评估提供了新的持续监测手段。
