超聲波與高頻脈沖電流聯(lián)合檢測法在變壓器局部放電檢測中的應(yīng)用

蔣建旭 張?jiān)票?/p>

（華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204）

1 現(xiàn)狀調(diào)查

高壓電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣介質(zhì)內(nèi)部電氣放電現(xiàn)象稱為局部放電。高壓設(shè)備的局部放電可以導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的局部損壞，如果局部放電行為無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，長期積累將導(dǎo)致絕緣劣化并最終導(dǎo)致絕緣擊穿。根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，絕緣故障導(dǎo)致的變壓器故障占總故障的67%以上。因?yàn)榧皶r(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行變壓器的絕緣情況尤為重要，所以電力變壓器局部放電在線檢測技術(shù)在這個(gè)背景下快速發(fā)展起來。

2 局部放電產(chǎn)生原因及其現(xiàn)象

在制造維修過程中，由于變壓器絕緣部件、金屬部件等部位常存在一些尖角、毛刺，使尖角、毛刺處常因電場強(qiáng)度的作用聚集有大量電荷。此外變壓器絕緣體中存在的空氣間隙以及變壓器油中的微量氣泡等原因都會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部局部放電。

局部放電過程中除造成電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗外，還伴隨電磁輻射、超聲波，發(fā)光、發(fā)熱以及出現(xiàn)新的生成物等，因此這些伴隨現(xiàn)象的不同使局部放電的測量方法分為電氣測量法和非電氣測量法[2]。

3 常規(guī)局部放電檢測方法

以變壓器局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象（超聲波、發(fā)熱、發(fā)光、電磁波信號等）為檢測依據(jù)，同時(shí)根據(jù)這些伴隨信號的強(qiáng)弱來判斷變壓器內(nèi)部局部放電的強(qiáng)弱以及定位。

3.1 高頻脈沖電流法

將高頻電流互感器（CT）套在變壓器接地線上，采集變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的高頻脈沖電流信號。該方法具有測量靈敏度較高、脈沖分辨率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但因其采集信息少，不能對變壓器局部放電位置明確定位[3]。

3.2 化學(xué)檢測法（氣相色譜法）

化學(xué)檢測法就是通過檢測變壓器絕緣油中各種生成物的濃度來判斷變壓器的局放程度。該方法具有抗電磁干擾較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但由于發(fā)生局部放電時(shí)，變壓器內(nèi)部絕緣油分解時(shí)間較長導(dǎo)致其檢測周期較長，只可用于初期故障檢測，無法用于突發(fā)性故障檢測；而且該方法只可用于大體分析，無法判斷故障位置及故障程度。此外由于氣體檢測儀檢測原理，無法區(qū)分氣體成分，在檢測過程中容易被非檢測氣體干擾。

3.3 光測法

局部放電過程中將伴隨大量的光，此時(shí)可以利用光電轉(zhuǎn)換，來達(dá)到檢測局部放電的目的。

3.4 超高頻法

當(dāng)變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)，可產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)Hz甚至數(shù)千MHz的超高頻電磁波信號，同時(shí)考慮到變電站現(xiàn)場的其他電磁干擾信號頻譜范圍普遍在160 MHz以下，且在傳播過程中會有較大的衰減。所以超高頻法具有避開電暈干擾的優(yōu)點(diǎn)，但仍具有無法明確定位放電部位的劣勢[4]。

3.5 紅外熱像法

在變壓器局部放電時(shí)，其產(chǎn)生的電熱能量將會造成放電局部位置溫度的變化，紅外熱像法正是利用檢查變壓器局部溫度的變化來判斷局部放電的發(fā)生及位置。因此紅外熱像法具有原理簡單，清晰直觀的優(yōu)點(diǎn)。但由于該方法只能檢測表明溫度，所以無法檢測變壓器內(nèi)部故障，不能確定故障位置。

3.6 超聲波法

當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電產(chǎn)生超聲波信號時(shí)，超聲波信號以球面波的形式以某一速度通過絕緣紙板、絕緣油等介質(zhì)向變壓器油箱外傳播。此時(shí)將超聲波傳感器安裝在變壓器適當(dāng)位置用于檢測局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號，以此來確定變壓器局部放電的位置和大小。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能對放電點(diǎn)所處的空間位置進(jìn)行確定，其主要局限性是由于聲波在傳播途徑中經(jīng)過絕緣介質(zhì)、金屬部件等后其衰弱、變形較為嚴(yán)重，所以聲測法基本不能反映放電量的大小，只能作為輔助測量[5]。

4 超聲波與高頻脈沖電流聯(lián)合檢測法

隨著變壓器局部放電檢測技術(shù)的發(fā)展以及要求的逐步提高。近年來超聲波與高頻脈沖電流聯(lián)合檢測法由于相較傳統(tǒng)檢測技術(shù)更加優(yōu)越而逐漸被推廣與應(yīng)用。

4.1 工作原理

圖1為電力變壓器局部放電檢測系統(tǒng)的工作原理，該方法采用的是超聲波與高頻脈沖電流法相結(jié)合的工作原理。

該方法的采集系統(tǒng)由超聲波傳感器（AE）與高頻電流傳感器（HFCT）這2個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集工作現(xiàn)場的超聲波信號及高頻電流信號。具體方法為安裝在變壓器外壁上的AE傳感器用于檢測變壓器局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號。安裝在變壓器接地線上的HFCT傳感器用于檢測高頻脈沖電流。

為了使設(shè)備局放時(shí)產(chǎn)生的微弱信號不被電力變壓器四周的各干擾源干擾，該檢測系統(tǒng)配置有兩類高性能配置及信號處理能力強(qiáng)的傳感器，且該傳感器采用不同原理的信號處理技術(shù)，使其可在時(shí)域中同步分析交變場中的檢測信號。該系統(tǒng)中的主機(jī)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、前置放大器、數(shù)據(jù)圖譜顯示模塊以及中央處理器等，其主要功能為信號放大及信號處理（例如數(shù)字濾波、波形測量、脈沖記數(shù)、波形數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋Ｏ到y(tǒng)處理器可利用傳感器采集到的相關(guān)信息，經(jīng)專用軟件對增益、閾值及顯示圖譜類型、進(jìn)行信號分析，同時(shí)可對局放信號與典型圖譜進(jìn)行對比分析，判斷放電類型并存儲相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備的在線檢測[6]。

4.2 技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)同時(shí)采用超聲波與高頻脈沖電流檢測技術(shù)，使其將兩者單一檢測的優(yōu)勢結(jié)合，又避免了其自身檢測的局限性，具有2個(gè)優(yōu)勢。1）相較于超聲波檢測法傳播過程中衰減、畸變嚴(yán)重，聲測法無法反應(yīng)電氣量變化等檢測方法的局限性，高頻脈沖電流檢測法具有靈敏度較高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、脈沖分辨率高等優(yōu)勢，因此使用該方法檢測變壓器局放，具有極高的準(zhǔn)確性。2）利用雙超聲傳感器的球面分析定位法，在確定變壓器存在局放時(shí)可準(zhǔn)確定位其放電源。并通過繪制三維圖形，幫助技術(shù)人員有效分析判斷電力變壓器的安全狀況。彌補(bǔ)高頻脈沖電流法對于局部放電信號不能精確定位的局限性[7]。

5 超聲波與高頻脈沖電流法的應(yīng)用實(shí)例

某變電站220 kV #1主變局放測試儀采用具有超聲波與高頻脈沖電流聯(lián)合檢測技術(shù)，其現(xiàn)場檢測安裝如圖2、圖3所示。

在安裝后發(fā)現(xiàn)220kV #1主變有異常，現(xiàn)場檢測圖譜如圖4、圖5所示。

根據(jù)圖4、圖5分析，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)高頻脈沖信號的測量信號幅值和數(shù)量較大，信號團(tuán)集中在一、三象限，峰值出現(xiàn)在90°和270°附近，具備典型局部放電特征，由此可判斷為變壓器內(nèi)部的局部放電。

此外利用超聲波傳感器將局部放電源定位于變壓器B相中部，同時(shí)通過對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際測量分析，初步將局部放電源鎖定在高壓繞組處。

圖1 工作原理圖

圖2 高頻CT現(xiàn)場安裝情況

圖3 超聲波傳感器現(xiàn)場安裝情況

檢修部門根據(jù)局放在線檢測結(jié)果，通過油色譜分析等具體手段對故障變壓器進(jìn)行綜合分析，最終確定此臺主變確實(shí)存在絕緣缺陷，并將主變返廠維修。

通過該次局放在線檢測，證明了利用超聲波與高頻脈沖電流聯(lián)合檢測法的局放在線檢測裝置確實(shí)能夠在線檢測變壓器在正常運(yùn)行過程中的局部放電情況，且能及時(shí)判斷變壓器局部放電問題，并且其測量位置與實(shí)際放電位置相符，證明了將聲電聯(lián)合檢測技術(shù)運(yùn)用于變壓器局部放電帶電檢測具有重要的實(shí)用價(jià)值[8]。

6 結(jié)語

通過對現(xiàn)在主要投入使用的變壓器局部放電檢測手段的分析論證，我們發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有各手段的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過背景調(diào)查及分析論證，最終提出了利用超聲波與高頻脈沖電流聯(lián)合檢測法對變壓器局部放電檢測的優(yōu)勢，該方法既可以充分發(fā)揮高頻脈沖電流法可以很好地獲取故障量的優(yōu)點(diǎn)，又可以充分發(fā)揮超聲波法抵抗外界干擾、定位清晰的優(yōu)點(diǎn)，有效避免了單一檢測方法的局限性，可以有效地對電力變壓器進(jìn)行檢測。最終通過現(xiàn)場實(shí)際安裝運(yùn)用，將采集的現(xiàn)場信息用于軟件，分析發(fā)現(xiàn)該方法在在線檢測、定位變壓器的局部放電具有極佳的現(xiàn)場運(yùn)用價(jià)值。

圖4 幅值大小分布

圖5超聲波局放定三維圖