超聲波在變壓器局部放電中應(yīng)用

深圳供電局有限公司 518000

摘要：分析了超聲波在變電器局部放電檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)，闡述了其存在的不足問題。

關(guān)鍵詞：超聲波；局部放電；定位；

在電力變壓器故障中，絕緣故障一直占有較高的比重。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高，局部放電已經(jīng)成為電力變壓器絕緣劣化的重要原因。發(fā)生絕緣故障原因主要是絕緣薄弱處的局部放電所引起絕緣的老化和失效，并最終導(dǎo)致絕緣擊穿。所以，局部放電是變壓器內(nèi)部絕緣劣化的前兆，通過局部放電的在線監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣存在的潛伏性缺陷，判斷變壓器內(nèi)部絕緣劣化的程度，避免變壓器發(fā)生突發(fā)性絕緣故障。這對(duì)保證電力變壓器安全運(yùn)行具有十分重要的意義。對(duì)于變壓器制造廠家和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)人員來說，在確定變壓器內(nèi)部存在局部放電后，快速準(zhǔn)確地對(duì)局放源定位可為變壓器的狀態(tài)維修提供科學(xué)的信息和指導(dǎo)，有利于迅速排除故障，避免惡性事故的發(fā)生，減少停電所帶來的損失和降低維修成本，因而倍受電力部門重視。

1.變壓器局部放電定位方法

局部放電的定位是根據(jù)局部放電過程中產(chǎn)生的電磁波、聲、光、熱和化學(xué)變化等現(xiàn)象，其定位方法有電氣定位、超聲波定位、光定位、熱定位和DGA（Dissolved Gas Analysis）定位等。目前，國(guó)內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣泛的是超聲波定位法和電氣定位法。同傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，超高頻檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)頻率高、抗干擾性強(qiáng)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，更適合在線監(jiān)測(cè)。

超聲波定位法是根據(jù)局部放電產(chǎn)生的超聲波傳播的方向和時(shí)間來確定放電位置的。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)伴隨有超聲波能量的放出，超聲波在不同介質(zhì)（油紙、隔板、繞組、油等）中向外傳播，到達(dá)固定在變壓器油箱壁上的超聲波傳感器。通過測(cè)量超聲波傳播的時(shí)間差，就能確定局放源的位置。油箱內(nèi)部放電源產(chǎn)生的超聲波穿過變壓器油到達(dá)箱壁上的傳感器有兩條途徑，一條是直接傳播，即超聲波穿過變壓器油到油箱內(nèi)壁，并透過鋼板到達(dá)傳感器，這部分超聲波都是縱向波：另一條是先以縱向波傳到油箱內(nèi)壁，然后沿鋼板按橫向波傳播到傳感器，此波為復(fù)合波。因而，由波形時(shí)間差也有兩種讀取法。由于超聲波在鋼板中的傳播速度比在油中快得多，且在鋼板中衰減很大，因此該波到達(dá)傳感器的直達(dá)波的幅值通常比復(fù)合波大得多。這樣便可很容易地分辨出直達(dá)波，以該波為準(zhǔn)讀取時(shí)間差。

現(xiàn)場(chǎng)中常用的超聲波定位方法有形曲線法、雙曲面法和球面定位法。隨著聲波傳播機(jī)理研究的深入，又出現(xiàn)了順序定位法和模式識(shí)別法。而電氣定位法則是根據(jù)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，產(chǎn)生的放電脈沖沿繞組傳播到達(dá)測(cè)量端來定位的，該放電脈沖包含了放電特性和局部放電定位所需的有用信息，通過對(duì)放電脈沖進(jìn)行分析，可以確定局放源的位置。

通常情況下，變壓器繞組普遍存在三個(gè)頻率特性范圍。在不同頻率范圍內(nèi)，變壓器繞組的傳輸特性不同，具體為：在低頻范圍內(nèi)（O～0.O1MHz）局部放電信號(hào)的傳輸以電磁波形式為主；中頻范圍（O.01～O.1MHz）以振蕩形式為主；高頻范圍（0.1～10MHz）以電容分量傳輸為主。因此，在測(cè)量端測(cè)得的局部放電信號(hào)通常由三部分組成，分別為：行波分量（0～0.01MHz），即以電磁波的形式傳播的分量；振蕩分量（O.01～O.1MHz），即由繞組的共振引起的分量；電容性分量（0.01～10MHz），即通過電容梯形網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆至俊?/p>

根據(jù)變壓器的各種電氣傳播特性原理建立起來的定位方法有許多種，傳統(tǒng)的電氣定位法有起始電壓法、多端測(cè)量定位法、極性法、行波法、電容分量法等幾種。隨著對(duì)變壓器繞組傳輸特性研究的深入以及數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了改進(jìn)的電容分量法（與數(shù)字濾波技術(shù)相結(jié)合）和端點(diǎn)電流脈沖頻譜分析法。

超高頻局放定位法是近幾年發(fā)展起來的一種新方法，該方法通過超高傳感器接收變壓器內(nèi)部局放產(chǎn)生超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局放的檢測(cè)和定位。該方法最早應(yīng)用于20世紀(jì)80年代英國(guó)GIS設(shè)備的局部放電檢測(cè)中。變壓器局部放電每一次都會(huì)發(fā)生電荷中和，伴隨一個(gè)陡的電流脈沖，并向周圍輻射電磁波。在電力變壓器內(nèi)部局部放電的脈沖寬度為ns級(jí)，可激發(fā)頻率達(dá)1GHz以上的電磁波，為一種橫電磁波（TEM），超高頻法測(cè)量的頻率范圍為300MHz～3GHz，目前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測(cè)值表明變壓器油中的局部放電發(fā)射的超高頻電磁波的頻率范圍從低頻到高頻廣泛分布，上限截止頻率至少可達(dá)1.5GHz。

2.超高頻法定位的優(yōu)點(diǎn)

在工作現(xiàn)場(chǎng)，干擾源多且干擾信號(hào)幅值大，用于定位的局放信號(hào)難以提取，采用超高頻檢測(cè)局部放電主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（a）局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比，當(dāng)只考慮檢測(cè)儀元件（如放大器等）的熱噪聲對(duì)靈敏度的影響時(shí)，用超寬頻帶（UWB）檢測(cè)有更高的靈敏度，例如對(duì)在半峰值處有1.5ns寬度的局部放電脈沖，在IMHz帶寬的局放靈敏度為0.1pC，在350

MHz帶寬靈敏度達(dá)0.01pC。（b）大量研究表明，在變壓器使用現(xiàn)場(chǎng)，變電站的背景噪聲（通常小于200MHz）和空氣中電暈產(chǎn)生的電磁干擾（通常小于4001MHz）頻率一般均較低，可用寬頻帶超高頻法對(duì)其進(jìn)行有效抑制；而對(duì)超高頻通信、廣播電視信號(hào)，由于它們有固定的中心頻率，因而可用窄頻帶超高頻法將其與局放信號(hào)加以區(qū)別。由此可見，用合適的超高頻傳感器可以測(cè)量真實(shí)的局部放電脈沖，以便分析變壓器絕緣中局部放電的性質(zhì)和物理過程。因此，用超高頻法能有效地抑制外部干擾和提高信噪比。

鑒于超高頻檢測(cè)技術(shù)有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，該方法已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的研究中取得了豐碩成果，并正在走向工程應(yīng)用。采用超高頻方法進(jìn)行變壓器局放定位是當(dāng)前在線檢測(cè)及故障診斷領(lǐng)域一個(gè)重要而前沿性的研究課題。

變壓器局放定位要求在數(shù)米空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)厘米范圍的定位，與雷達(dá)無源定位的原理相同，變壓器局放電磁波定位方法依據(jù)的是多傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差信息，因此時(shí)間差的準(zhǔn)確測(cè)量是定位成功與否的關(guān)鍵。脈沖信號(hào)的時(shí)間差測(cè)量精度與脈沖信號(hào)上升沿時(shí)間的倒數(shù)成正比。脈沖寬度越小、前沿越陡，其時(shí)間分辨率越高，相應(yīng)時(shí)間差的測(cè)量越準(zhǔn)確。高精度雷達(dá)定位中通常采用的電磁波頻率從幾百M(fèi)Hz提高到了數(shù)十GHz，其定位精度從數(shù)米提高到數(shù)厘米。雷達(dá)定位精度與電磁波的頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)，頻率越高，定位精度越高。

3.超高頻法定位存在的主要問題

采用超高頻方法定位的主要特點(diǎn)有：

（1）超高頻信號(hào)以近光速進(jìn)行傳播，其上升沿為ns量級(jí)，必需用采樣頻率數(shù)GHz的儀器采集，故對(duì)設(shè)備要求非常高。

（2）超高頻電磁波不能穿透金屬障礙物傳播，而以反射和繞射為主且遵循幾何繞射理論；

（3）超高頻寬帶檢測(cè)的靈敏度很高，其起始波頭的衰減特性是決定其定位能力的關(guān)鍵因素。超高頻法定位電力變壓器局部放電目前還很不成熟，國(guó)內(nèi)外所作的工作絕大部分是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部進(jìn)行的，在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用基本上處于探索階段。主要存在的問題有以下3點(diǎn)：

1）對(duì)局部放電超高頻電磁波的輻射特性和傳播機(jī)理缺乏深入系統(tǒng)的研究。由于變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電磁波從放電點(diǎn)到接收傳感器的傳播過程中可能會(huì)遇到變壓器油、油紙絕緣或者金屬導(dǎo)體，電磁波會(huì)發(fā)生多次的折返射及衰減，加大了超高頻法的檢測(cè)難度，也加大了基于超高頻法進(jìn)行局部放電故障定位的準(zhǔn)確程度。

2）基于超高頻法考核電力變壓器放電狀況即標(biāo)定問題還沒有解決。傳統(tǒng)的局放檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)IEC60270實(shí)施的，即通過脈沖電流法得出的視在放電量來判定變壓器的放電嚴(yán)重程度。而對(duì)于超高頻法來說，由于放電點(diǎn)與傳感器距離、電磁波的傳播途徑的復(fù)雜性，得出的檢測(cè)結(jié)果無法與低頻的脈沖電流法相對(duì)應(yīng)，大大阻礙了超高頻法在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

3）現(xiàn)場(chǎng)干擾的抑制。干擾抑制問題一直是局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用發(fā)展瓶頸，對(duì)于超高頻法檢測(cè)變壓器而言，目前現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)頻帶在300MHz--1000MHz之間，實(shí)驗(yàn)室研究也不超過1.5GHz，管檢測(cè)頻帶非常寬，’可提高檢測(cè)靈敏度。但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電氣環(huán)境，寬頻帶的電氣干擾有可能存在，而且目前也缺乏對(duì)干擾的寬頻帶范圍的分析研究，如何選取測(cè)量頻段是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。