基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

陸云才，胡漢巧，蔚 超，李建生，吳 鵬（.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京03；.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京0）

基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

陸云才1，胡漢巧2，蔚 超1，李建生1，吳 鵬1
（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

變壓器局部放電超聲波檢測技術(shù)作為一種有效的絕緣診斷技術(shù)，目前已在超特高壓變電站變壓器故障診斷中廣泛應(yīng)用。借鑒重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域技術(shù)，研制了基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并應(yīng)用于存在故障隱患或危急停運(yùn)的變壓器設(shè)備上。該系統(tǒng)以變壓器局部放電超聲波信號(hào)特征量為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的在線或離線特征量，如油色譜在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）運(yùn)行負(fù)荷等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合的方法綜合分析，實(shí)時(shí)檢測并準(zhǔn)確定位局部放電源?，F(xiàn)場應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)能夠有效檢測變壓器內(nèi)部放電性故障，為變壓器狀態(tài)診斷及檢修策略的制定提供有效支撐。

變壓器；局部放電；超聲波；重癥監(jiān)護(hù)；定位

0 引言

借鑒重癥監(jiān)護(hù)專業(yè)技術(shù)，研制了基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種新型狀態(tài)監(jiān)測裝備，對存在疑似缺陷或危急停運(yùn)的變壓器，綜合運(yùn)用多種先進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)、長期監(jiān)測其缺陷發(fā)展過程，可防范故障的發(fā)生。

1 局部放電超聲波檢測技術(shù)

1.1局部放電超聲波原理

變壓器在局部放電過程中總是伴隨著聲、光、電、磁、熱等現(xiàn)象，其中聲波信號(hào)則可由油紙絕緣材料大分子激烈撞擊、油中烷烴氣體產(chǎn)生、絕緣油流以及油紙絕緣材料裂解等產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)與局部放電的程度和類型有一定的對應(yīng)關(guān)系。與其他檢測方法相比，局部放電超聲波檢測可對變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)監(jiān)測，同時(shí)可利用聲波在變壓器絕緣油、箱體鋼板等介質(zhì)中的傳播特性對局部放電源進(jìn)行精確定位。

1.2局部放電超聲波信號(hào)典型特征

變壓器局部放電超聲波信號(hào)幅值和視在放電量是局部放電的2種表征形式，兩者之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，通常較強(qiáng)局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)幅值較大且持續(xù)時(shí)間較長。超聲波信號(hào)傳播路徑不同或傳播介質(zhì)差異，導(dǎo)致各傳感器收到的超聲波信號(hào)幅值和時(shí)延存在差異。局部放電超聲波信號(hào)與電信號(hào)一樣，符合交流勵(lì)磁電壓的周期特性和相位特性，可結(jié)合電源周期特性和相位特性進(jìn)行分析［4，5］。當(dāng)現(xiàn)場檢測到超聲波信號(hào)時(shí)，應(yīng)與變壓器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件松動(dòng)導(dǎo)致的異常聲響、油箱外部結(jié)構(gòu)件振動(dòng)、分接開關(guān)動(dòng)作、風(fēng)扇和油泵運(yùn)行時(shí)噪聲、異常天氣狀況導(dǎo)致的油箱聲響等進(jìn)行區(qū)分。在變壓器油紙絕緣中，不同類型和位置放電產(chǎn)生的聲波頻譜是不同的，頻譜峰值通常在70～150 kHz范圍（屬于超聲波頻段），而變壓器各種振動(dòng)噪聲的頻譜一般小于65 kHz。變壓器局部放電超聲信號(hào)典型波形及頻譜如圖1所示。

通過超聲波傳感器檢測到的變壓器內(nèi)部放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)波形，一般表現(xiàn)出開始幅值較大然后呈指數(shù)衰減的振蕩波形。同一個(gè)局部放電源產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，傳播到變壓器油箱不同的部位具有固定的時(shí)間，因此安裝在變壓器油箱壁不同位置的超聲波傳感器所收到的同一放電源信號(hào)具有固定的時(shí)延關(guān)系。但是由于超聲波信號(hào)的衰減、超聲波傳輸路徑的差別以及各種干擾信號(hào)的影響，可能給準(zhǔn)確識(shí)別超聲波信號(hào)的起始時(shí)間帶來困難［6，7］。由于局部放電的周期特性，局部放電超聲波信號(hào)具有重復(fù)性。布置在變壓器油箱壁上一定區(qū)域的多個(gè)超聲波傳感器檢測到重復(fù)的、時(shí)延關(guān)系一致的超聲波信號(hào)，是判定設(shè)備可能存在局部放電的重要依據(jù)。

圖1 局部放電超聲波信號(hào)的典型波形及頻譜Fig.1 Typical waveform and spectrum of acoustic emissions from partial discharges

1.3局部放電聲源定位

通常變壓器局部放電聲源定位的方法分為電－聲定位法和聲－聲定位法。當(dāng)同時(shí)測量到局部放電的電信號(hào)和聲信號(hào)時(shí)，可采用電－聲定位法和聲－聲定位法進(jìn)行定位［8］。在局部放電電信號(hào)受到強(qiáng)烈干擾或難以獲取時(shí)，可采用聲－聲定位法。采用電－聲定位法時(shí)，需要至少3個(gè)超聲波傳感器均檢測到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，且局部放電電信號(hào)可分辨，檢測到的超聲波信號(hào)與電信號(hào)的絕對時(shí)延采用球面定位算法進(jìn)行定位。采用聲－聲定位法時(shí)，需至少4個(gè)超聲波傳感器檢測到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)之間的相對時(shí)延采用球面或雙曲面定位算法進(jìn)行定位。

2015年3月底，媽媽的病情突然惡化，癌細(xì)胞擴(kuò)散到了骨骼、肺還有腹膜。4月，媽媽開始劇痛。她的身上插著四五根管子，癌細(xì)胞吞噬了她所有的脂肪。一天24小時(shí)，有23小時(shí)她都在呻吟，直到嗓子嘶啞了。

在變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電的同時(shí)，伴隨有相應(yīng)頻率特征和波形特征的超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)由故障點(diǎn)傳播到油箱外側(cè)［9］。將超聲波傳感器貼于變壓器油箱外側(cè)，接收放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，并由檢測系統(tǒng)對超聲信號(hào)進(jìn)行記錄。超聲波傳感器布置一般以檢測到超聲波信號(hào)的油箱區(qū)域附近顯著的結(jié)構(gòu)點(diǎn)如外箱沿、加強(qiáng)筋等作為參考原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)模型，如圖2所示。測量各傳感器通道的絕對時(shí)延或相對時(shí)延，將絕對時(shí)延或相對時(shí)延代入一系列滿足放電點(diǎn)和傳感器幾何位置的方程，求取非線性方程解，就可得到放電點(diǎn)的位置。

然而，變壓器局部放電檢測及聲源定位受現(xiàn)場測試條件、間隙性放電以及信號(hào)在變壓器內(nèi)部傳遞途徑復(fù)雜等多因素的影響，現(xiàn)場往往比較難以準(zhǔn)確檢測及定位［10，11］，因此需研制一套具有全天候工作、遠(yuǎn)程診斷、綜合其他診斷方法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)收集變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)，判定變壓器是否存在突發(fā)性或緩慢性放電性故障，并確定放電類型及部位。

圖2 局部放電檢測超聲波傳感器布置Fig.2 Ultrasonic sensor placement in partial discharge detection

2 基于超聲波法變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研制

2.1重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

借鑒重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域技術(shù)，研制基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)用于存在故障隱患卻無法立即停運(yùn)的變壓器設(shè)備上［12，13］；也可用于變壓器疑似缺陷、非緊急缺陷的跟蹤監(jiān)測，實(shí)時(shí)跟蹤缺陷發(fā)展情況，為變壓器狀態(tài)評(píng)估及制定檢修決策提供重要依據(jù)。

與傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)不同的是，該系統(tǒng)無需依附于被監(jiān)護(hù)的變壓器本體，可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行安裝或拆卸，具有綜合、靈活及便捷等突出特點(diǎn)。同時(shí)，該系統(tǒng)還可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至輸變電狀態(tài)監(jiān)測中心，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)護(hù)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測。

基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以變壓器局部放電超聲波信號(hào)特征量為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的在線或離線特征量，如油色譜在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）運(yùn)行數(shù)據(jù)（溫度、負(fù)荷等）、歷史檢修試驗(yàn)等，采用數(shù)據(jù)融合方法對各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測及遠(yuǎn)程診斷［14，15］。系統(tǒng)功能及架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

該系統(tǒng)具有全天候工作的遠(yuǎn)程診斷能力，可實(shí)時(shí)收集變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)，判定變壓器是否存在突發(fā)性或緩慢性放電性故障，并確定放電類型及部位。系統(tǒng)集成局放超聲波法、高頻電流、油色譜等檢測技術(shù)手段，輔助外參數(shù)輸入SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)（溫度、負(fù)荷等）、歷史檢修試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)放電類型識(shí)別、絕緣狀態(tài)評(píng)估、缺陷危險(xiǎn)程度判斷、故障放電源定位等功能，具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)程控制等信息化技術(shù)，滿足快速化檢測要求。

圖3 變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)功能Fig.3 Function of transformer intensive care system

圖4 變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Structure of transformer intensive care system

2.2重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)裝置研制

變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以PAC公司SHII?SRM超聲局放檢測為主機(jī)，Calisto 9作為油色譜在線監(jiān)測裝置。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成16個(gè)超聲通道、16個(gè)外參數(shù)通道、1路油中溶解氣體分析（DGA）色譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集前端配置16個(gè)超聲波傳感器、16個(gè)低頻外接傳感器通道、1個(gè)高頻電流傳感器，配置獨(dú)立時(shí)鐘協(xié)調(diào)各通道同步信號(hào)，每個(gè)通道可連續(xù)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間可調(diào)，原始數(shù)據(jù)最高采樣率20 M／s。主機(jī)箱內(nèi)配置數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、無線4G網(wǎng)絡(luò)、Teamviewer遠(yuǎn)程控制軟件、SHII?MISTRAS局放分析軟件，采用數(shù)據(jù)融合方法對各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理分析。同時(shí)遠(yuǎn)程診斷提供了豐富的圖形化展示界面及實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警功能，部分分析結(jié)果可傳輸至輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中心，通過中心進(jìn)行進(jìn)一步處理或共享給其他應(yīng)用。

3 局部放電現(xiàn)場檢測實(shí)例

某500 kV變壓器在例行油色譜檢測中發(fā)現(xiàn)0.5 μL／L微量乙炔，且呈持續(xù)增長趨勢。針對此類變壓器色譜異常情況，立即對該變壓器現(xiàn)場安裝了重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)裝置，如圖5所示。利用該裝置，對局部放電超聲信號(hào)及油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了持續(xù)跟蹤，系統(tǒng)監(jiān)測如圖6所示，分析超聲信號(hào)變化與油色譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí)接入該變壓器SCADA系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)，建立超聲信號(hào)、油色譜信號(hào)與電壓、電流變化間的關(guān)系，最終確定該變壓器存在磁回路缺陷，非電回路缺陷。根據(jù)缺陷類型，結(jié)合變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)過變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場長達(dá)2個(gè)月的遠(yuǎn)程診斷，及時(shí)檢測到持續(xù)穩(wěn)定的局部放電信號(hào)，并精確定位。

圖5 變壓器重癥監(jiān)護(hù)裝置現(xiàn)場安裝及三維坐標(biāo)Fig.5 Installation of transformer intensive care device and three?dimensional indication

圖6 變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測Fig.6 Monitoring chart of transformer intensive care system

停電內(nèi)檢發(fā)現(xiàn)，高壓側(cè)2塊磁屏蔽接地線螺栓松動(dòng)、懸浮放電是導(dǎo)致該變壓器產(chǎn)生微量乙炔的直接原因，如圖7、圖8所示。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，該變壓器在制造過程中曾重新設(shè)計(jì)加裝了磁分路和斜面磁屏蔽控制漏磁，磁屏蔽接地螺栓采用較為普通的彈簧墊圈緊固防松，在箱體長期振動(dòng)及磁屏蔽接地片振動(dòng)作用力下存在松動(dòng)的可能性［16，17］。另外，部分磁屏蔽接地線螺栓在安裝過程中存在緊固力不足、螺栓墊片順序錯(cuò)誤及螺栓規(guī)格不一致等普遍問題。

圖7 高壓側(cè)油箱磁屏蔽示意圖Fig.7 Magnetic shielding on the high voltage side

實(shí)踐證明，通過安裝變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可在不停電的情況下實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器內(nèi)部放電并可精確定位出局放位置，有效減少變壓器故障帶來的非計(jì)劃停運(yùn)，防止故障發(fā)生，提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠水平。目前該系統(tǒng)已在蘇州特高壓換流站、常州政平換流站等現(xiàn)場工作中，多次發(fā)揮重要作用，避免了超特高壓設(shè)備故障。

圖8 磁屏蔽接地線螺栓放電痕跡Fig.8 Discharge traces on magnetically shielded ground studs

4 結(jié)語

本文研制了一套基于超聲波法的變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)檢測并準(zhǔn)確定位局部放電源。該系統(tǒng)無需依附于被監(jiān)護(hù)的設(shè)備，可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行安裝或拆卸，具有綜合性、靈活性及便捷性等突出特點(diǎn)。同時(shí)，還可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)護(hù)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測，大幅提升了監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用便捷性。變壓器重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)徹底解決了“以跟蹤檢測方式應(yīng)對變壓器疑似缺陷”的傳統(tǒng)檢修模式所存在的工作量大、操作復(fù)雜、時(shí)效性差的不足，進(jìn)一步提高了檢修效率，保障了變壓器運(yùn)行安全。同時(shí)也為變壓器在線監(jiān)測及帶電檢測技術(shù)發(fā)展提出了新的思路。

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Development and Application of Transformer Intensive Care System Based on Ultrasonic Method

LU Yuncai1，HU Hanqiao2，WEI Chao1，LI Jiansheng1，WU Peng1
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch，Nanjing 211102，China）

Ultrasonic testing technology for transformer partial discharge as an effective insulation diagnosis technology，has been widely used in UHV substation.By reference to intensive care technology，the transformer intensive monitoring system based on ultrasonic method is developed and applied in the transformer equipment with hidden trouble or emergency shutdown. Based on the characteristic data of partial discharge ultrasonic signal，this system combines real?time data of on?line or off?line characteristic data，such as DGA and SCADA operation load.Data fusion method is adopted to detect and locate the partial discharge source in real time.The field application shows that the system can detect the internal discharge fault of the transformer，providing effective support for the diagnosis and maintenance strategy of transformers.

transformer；partial discharge；ultrasonic；intensive care；location

TM407

：A

：2096－3203（2017）02－0094－05

陸云才

陸云才（1982—），男，江蘇如皋人，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究工作；

胡漢巧（1980—），男，江蘇常州人，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)維管理、工程驗(yàn)收管理等工作；

蔚 超（1985—），男，山東萊蕪人，工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究工作；

李建生（1987—），男，山東濰坊人，工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究工作；

吳 鵬（1984—），男，河南洛河人，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究工作。

（編輯 劉曉燕）

2016－12－03；

2017－02－03