超聲波在變壓器局部放電中應用

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摘要：分析了超聲波在變電器局部放電檢測中的優點，闡述了其存在的不足問題。

關鍵詞：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。隨著電力系統的發展和電壓等級的提高，局部放電已經成為電力變壓器絕緣劣化的重要原因。發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，并最終導致絕緣擊穿。所以，局部放電是變壓器內部絕緣劣化的前兆，通過局部放電的在線監測，可及時發現變壓器內部絕緣存在的潛伏性缺陷，判斷變壓器內部絕緣劣化的程度，避免變壓器發生突發性絕緣故障。這對保證電力變壓器安全運行具有十分重要的意義。對于變壓器制造廠家和現場監護人員來說，在確定變壓器內部存在局部放電后，快速準確地對局放源定位可為變壓器的狀態維修提供科學的信息和指導，有利于迅速排除故障，避免惡性事故的發生，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局部放電過程中產生的電磁波、聲、光、熱和化學變化等現象，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，國內外研究最多、應用最廣泛的是超聲波定位法和電氣定位法。同傳統的檢測方法相比，超高頻檢測技術具有檢測頻率高、抗干擾性強和靈敏度高等優點，更適合在線監測。

超聲波定位法是根據局部放電產生的超聲波傳播的方向和時間來確定放電位置的。當變壓器內部發生局部放電時，會伴隨有超聲波能量的放出，超聲波在不同介質（油紙、隔板、繞組、油等）中向外傳播，到達固定在變壓器油箱壁上的超聲波傳感器。通過測量超聲波傳播的時間差，就能確定局放源的位置。油箱內部放電源產生的超聲波穿過變壓器油到達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壁，并透過鋼板到達傳感器，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壁，然后沿鋼板按橫向波傳播到傳感器，此波為復合波。因而，由波形時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，因此該波到達傳感器的直達波的幅值通常比復合波大得多。這樣便可很容易地分辨出直達波，以該波為準讀取時間差。

現場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。隨著聲波傳播機理研究的深入，又出現了順序定位法和模式識別法。而電氣定位法則是根據變壓器內部發生局部放電時，產生的放電脈沖沿繞組傳播到達測量端來定位的，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，通過對放電脈沖進行分析，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頻率特性范圍。在不同頻率范圍內，變壓器繞組的傳輸特性不同，具體為：在低頻范圍內（O～0.O1MHz）局部放電信號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，在測量端測得的局部放電信號通常由三部分組成，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），即通過電容梯形網絡傳輸的分量。

根據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，傳統的電氣定位法有起始電壓法、多端測量定位法、極性法、行波法、電容分量法等幾種。隨著對變壓器繞組傳輸特性研究的深入以及數字濾波技術的發展，又出現了改進的電容分量法（與數字濾波技術相結合）和端點電流脈沖頻譜分析法。

超高頻局放定位法是近幾年發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部局放產生超高頻電磁波，實現局放的檢測和定位。該方法最早應用于20世紀80年代英國GIS設備的局部放電檢測中。變壓器局部放電每一次都會發生電荷中和，伴隨一個陡的電流脈沖，并向周圍輻射電磁波。在電力變壓器內部局部放電的脈沖寬度為ns級，可激發頻率達1GHz以上的電磁波，為一種橫電磁波（TEM），超高頻法測量的頻率范圍為300MHz～3GHz，目前國內實驗室的實測值表明變壓器油中的局部放電發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1.5GHz。

2.超高頻法定位的優點

在工作現場，干擾源多且干擾信號幅值大，用于定位的局放信號難以提取，采用超高頻檢測局部放電主要有以下優點：（a）局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比，當只考慮檢測儀元件（如放大器等）的熱噪聲對靈敏度的影響時，用超寬頻帶（UWB）檢測有更高的靈敏度，例如對在半峰值處有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0.01pC。（b）大量研究表明，在變壓器使用現場，變電站的背景噪聲（通常小于200MHz）和空氣中電暈產生的電磁干擾（通常小于4001MHz）頻率一般均較低，可用寬頻帶超高頻法對其進行有效抑制；而對超高頻通信、廣播電視信號，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加以區別。由此可見，用合適的超高頻傳感器可以測量真實的局部放電脈沖，以便分析變壓器絕緣中局部放電的性質和物理過程。因此，用超高頻法能有效地抑制外部干擾和提高信噪比。

鑒于超高頻檢測技術有較強的優勢，該方法已經在實驗室和現場的研究中取得了豐碩成果，并正在走向工程應用。采用超高頻方法進行變壓器局放定位是當前在線檢測及故障診斷領域一個重要而前沿性的研究課題。

變壓器局放定位要求在數米空間內實現對厘米范圍的定位，與雷達無源定位的原理相同，變壓器局放電磁波定位方法依據的是多傳感器接收信號的時間差信息，因此時間差的準確測量是定位成功與否的關鍵。脈沖信號的時間差測量精度與脈沖信號上升沿時間的倒數成正比。脈沖寬度越小、前沿越陡，其時間分辨率越高，相應時間差的測量越準確。高精度雷達定位中通常采用的電磁波頻率從幾百MHz提高到了數十GHz，其定位精度從數米提高到數厘米。雷達定位精度與電磁波的頻率（波長）有關，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有：

（1）超高頻信號以近光速進行傳播，其上升沿為ns量級，必需用采樣頻率數GHz的儀器采集，故對設備要求非常高。

（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，國內外所作的工作絕大部分是在實驗室內部進行的，在運行現場的應用基本上處于探索階段。主要存在的問題有以下3點：

1）對局部放電超高頻電磁波的輻射特性和傳播機理缺乏深入系統的研究。由于變壓器內部絕緣結構的復雜性，電磁波從放電點到接收傳感器的傳播過程中可能會遇到變壓器油、油紙絕緣或者金屬導體，電磁波會發生多次的折返射及衰減，加大了超高頻法的檢測難度，也加大了基于超高頻法進行局部放電故障定位的準確程度。

2）基于超高頻法考核電力變壓器放電狀況即標定問題還沒有解決。傳統的局放檢測方法及標準是依據IEC60270實施的，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重程度。而對于超高頻法來說，由于放電點與傳感器距離、電磁波的傳播途徑的復雜性，得出的檢測結果無法與低頻的脈沖電流法相對應，大大阻礙了超高頻法在運行現場的應用。

3）現場干擾的抑制。干擾抑制問題一直是局部放電在線監測應用發展瓶頸，對于超高頻法檢測變壓器而言，目前現場信號檢測頻帶在300MHz--1000MHz之間，實驗室研究也不超過1.5GHz，管檢測頻帶非常寬，’可提高檢測靈敏度。但對于現場復雜的電氣環境，寬頻帶的電氣干擾有可能存在，而且目前也缺乏對干擾的寬頻帶范圍的分析研究，如何選取測量頻段是一個非常關鍵的問題。