變壓器局放超聲檢測和定位技術現狀及發展

劉化龍

(武漢大學電氣工程學院，武漢 430072)

電力變壓器是電力系統中最為重要的設備之一，其工作狀態決定了電力系統能否安全穩定地運行。事故或者非計劃的變壓器停運能造成嚴重的后果和巨大的經濟損失。變壓器的安全穩定運行與其絕緣狀況有著直接聯系，而局部放電則是導致變壓器絕緣劣化或擊穿的主要原因之一［1-6］。局部放電通常是指絕緣介質多少可能會存在著某些絕緣弱點，當外施電壓超過閥值電壓時，它會首先發生放電，但并不隨即擴大至整個絕緣介質，這種僅限于弱點處的放電叫做局部放電。局部放電能夠暗示絕緣缺陷，所以局部放電的早期發現有助于合理安排的檢修，從而避免因絕緣擊穿造成的巨大經濟損失。

基于局部放電發生時的各種物理和化學現象，產生了各種對局部放電檢測和定位的方法。大體可分為電氣檢測與定位法和非電檢測與定位法。目前，超聲波檢測與定位法是國內外研究最多與應用最廣泛的檢測與定位方法之一。

相比其他定位法，超聲波法有很多獨有的優勢。本文系統地闡述了各種超聲波定位方法，并探討了超聲法在局部放電檢測和定位中存在的問題及其發展方向。

1 局部放電產生超聲波的原理與超聲波在變壓器中的傳播規律

1.1 局部放電產生超聲波的原理

目前，國內外已有相當多的文獻研究如何用超聲波信號定位變壓器內部的局部放電源。然而，對變壓器局部放電產生超聲波的機理和傳播規律的研究并不多。為了更好地運用超聲波來檢測和定位局部放電源，對局部放電產生超聲波的機理和傳播規律的研究顯得尤為重要。

在變壓器中，只要存在局部放電，隨著放電的發生，在放電過程中就會伴隨著崩裂狀的聲發射，產生超聲波，且很快向四周傳播［2，6-14］。

絕緣介質中產生局部放電的原因很多，放電形式也多種多樣，因此放電過程很復雜。然而，變壓器油中的氣泡或其固體絕緣介質中的氣隙是變壓器局部放電通常發生的場所。因此，本文主要闡述變壓器油中氣泡發生局部放電時產生超聲波的原理。

波起源于振動，具有彈性和慣性的力學系統都具有振動的能力。當變壓器內部的絕緣介質發生局部放電時，由于氣泡受到電場力或壓力的作用，會發生膨脹和收縮的過程，這將引起局部體積的變化。局部體積的變化將在外部產生超聲波。

當過電壓很低時，某些局部放電幾乎不向外輻射熱量;當過電壓很高時，另外一些局部放電則可能向外輻射很高的熱量。變壓器內部的絕緣介質發生局部放電時，氣泡處于一定的電場中，這時氣泡帶有一定的電荷，因此氣泡會受到電場力的作用。在局放向外輻射很高熱量的情況下，電弧電流會在放電通道中產生高溫，此高溫會使氣泡膨脹而受到一定的壓力。因此，氣泡產生超聲波主要受2個因素影響:其一為局放瞬時氣泡所承受的電場力;其二是局放產生后所發出的熱量使氣泡擴張，這樣氣泡將承受壓力的作用。

當過電壓較低時，承受電場力的氣泡會形成振幅慢慢減小的振蕩運動，進而超聲波會在周圍的絕緣介質中產生。當過電壓較高時，氣泡將發生放電，進而被擊穿，從而產生細微的線度參差不齊的放電路徑，放電路徑內的氣體受到強烈的電離與加熱，氣體的加熱引起放電路徑的膨脹，進而使氣泡受到壓力，從而在絕緣介質中產生超聲波。

實際上，變壓器內部絕緣介質的局部放電中超聲波的產生通常是上述兩種因素聯合作用的結果。

1.2 局部放電聲發射的頻譜范圍

由于局部放電持續時間很短，故局部放電產生的聲波頻譜較寬，可達到數兆赫茲，甚至數十兆赫茲。

另外，變壓器噪聲和局放超聲信號的頻帶不同，這非常有利于區分噪聲和超聲信號。

1.3 超聲波在變壓器中的傳播規律

局部放電產生的超聲波信號在內部結構非常復雜的變壓器中會通過不同的傳播路徑向外部傳播，通常要經過多層介質才能到達傳感器所在的位置。

聲波的強度與局放源所釋放的能量成正比，所以聲波的幅值與局放能量的平方根成正比，這表明聲波的幅值與放電的強度存在線性關系。當聲波通過絕緣介質傳播時，隨著與局放源距離的增加，波的強度逐步減小。特別是經過多次界面折、反射和沿變壓器器壁鋼板的傳播，聲信號衰減更為嚴重。

根據介質的聲特性阻抗，在不同介質的邊界表面會發生聲波的反射、折射、偏向以及衰減。通常聲波傳輸衰減的主要原因有3個:一是由聲束擴散所引起的衰減;二是由散射所引起的衰減;三是由介質的吸收所引起的衰減。對于超聲波來說，聲壓衰減規律可簡單地表示為

式(1)中:P0為超聲波剛入射到液體上時的聲壓;P為超聲波在液體中傳播一段距離后的聲壓;α為超聲波的衰減系數。

變壓器局部放電產生的超聲波在變壓器油中傳播時，由于質點的振動方向與超聲波的傳播方向平行，故為縱波。然而，當超聲波在變壓器器壁等固體中傳播時，則會存在質點的振動方向與超聲波傳播方向平行的縱波和質點的振動方向與超聲波傳播方向垂直的橫波。

超聲波的入射、反射及折射都遵循斯奈爾法則，即

式(2)中:θ1與v1分別為入射波形的角度與速度;θ2與v2分別為折射波形的角度與速度。當v1＜v2時，θ1＜ θ2;當 θ2=90°時，發生全發射，此時的 θ1稱為臨界角。局部放電源產生的超聲波在變壓器油中以縱波形式傳播，當遇到油箱鋼板界面時會折射出縱波和橫波。相應地，臨界角有2個，縱波臨界角θcp=arcsin(voilvp)，橫波臨界角θcs=arcsin(voilvs)，其中:voil為油中聲速;vp，vs分別為鋼板中縱波波速和橫波波速。常溫下，voil，vp和vs可分別取 1 415 m/s，5 900 m/s 和 3 200 m/s，則臨界角θcp≈13.88°，θcs≈26.24°。

在各向同性介質中，超聲波的傳播遵循標準偏微分方程，即

式(3)中:P是聲壓(Pa);t是時間(s);v是聲速(m/s)。

局部放電產生的超聲波通過周圍的油和絕緣介質傳播，并且能通過傳感器在變壓器外殼上檢測到［9，10，12，15-17］。傳感器所檢測到的超聲波信號波形不僅取決于局放源、波速、傳播路徑，而且取決于波傳播所經過的介質和所用的傳感器。典型的超聲波信號波形如圖1所示。

超聲波傳播過程中所發生的反射、折射和介質對波的吸收等都將導致波傳播路徑的改變。

圖1 典型的聲發射信號波形

變壓器內部的絕緣介質發生局部放電時產生的超聲波到達位于變壓器器壁的超聲傳感器有2條基本路徑:其一為直接傳播的直接路徑(SA);其二是超聲波先傳播到變壓器油箱內壁，然后沿鋼板傳播到超聲傳感器的復合路徑，如圖2所示。

圖2 變壓器內超聲波傳播路徑模型

由圖2可見:直接路徑只有一條，而復合路徑卻有多條，即B可以改變。在局放源S產生的超聲波中，SA為縱向波(直達波)，SBA，SCA與 SDA為復合波。

局放源產生的球面波可視為由該源產生并向各個方向傳播的無數個聲波，每一個聲波以不同的入射角θ到達油箱壁。由于鋼板中的聲速比油中的聲速更高，所以直接路徑并不一定是最快的路徑。由圖2中箭頭所示的路經可知，聲波傳播到傳感器所需的時間為

式(4)中:vtank為鋼板中橫波或縱波的速度。令dt/dx=0，便可求出傳播時間最短的路徑，此時θ剛好等于臨界角θc，且θc=arcsin( voil/vtank)。故最短的傳播時間為

式(5)中，僅當 φ＞θc時成立。若 φ≤θc，直接路徑(即SA)為傳播時間最短的路徑。直接路徑的傳播時間為

一般而言，聲波的傳播速度取決于周圍的介質。但溫度對油中的聲速有影響［12，18］。印度學者Shanker［12］等指出:局放產生的聲波在油中的傳播速度取決于溫度與油壓，同時給出了在大氣壓為685 mmHg，溫度從30℃到75℃時，速度隨溫度變化的經驗公式，即

式(7)中:t為油溫(℃);v為油中聲速(m/s)。根據式(7)及文獻［18］可知:當溫度從30℃到75℃時，變壓器油中的聲速降低。

2 超聲波定位法原理及分類

2.1 超聲波定位法原理

變壓器局部放電產生的超聲波傳播到固定在變壓器油箱外壁上的超聲傳感器時，通過超聲傳感器的壓電元件將超聲波信號變換為電信號，而后再通過放大濾波步驟后輸出到計算機定位系統中進行信號處理、診斷和定位，進而定位出局放源的位置，此即為超聲波定位法的原理，如圖 3所示。

圖3 超聲波定位法基本原理

超聲波定位較其他方法有很多優勢，主要表現在［3，7-10，19-21］:① 非破壞性且抗干擾能力強(對不檢測電信號的聲-聲定位法而言);② 可同時檢測和定位局放且定位能力強、精度高;③穩定性好且成本低;④可進行在役、實時、連續監測。

2.2 分類

根據不同的時間基準，超聲定位可分為兩大類:電-聲定位法與聲-聲定位法。它們的區別在于電-聲法以電脈沖信號為零時間點獲取至傳感器的超聲波傳播時間，進而基于球面定位(三角定位)法計算局放源的位置;聲-聲法則根據各傳感器接收到超聲波信號的相對時延來定位局部放電源的空間位置。

具體而言，超聲定位法有球面定位法(三角定位法)、V型曲線法(最小時延法)、雙曲面法、順序定位法和模式識別法等。

2.2.1 球面定位法(三角定位法)

為簡便起見，以變壓器的一個角為原點O(0，0，0)建立空間直角坐標系，局放源用 P(x，y，z)表示，各個傳感器分別用 S1(x1，y1，z1)，S2(x2，y2，z2)，S3(x3，y3，z3)和 Sn(xn，yn，zn)表示，如圖 4所示。

圖4 局放源和傳感器位置原理圖

1)基于電-聲的球面定位法

局放產生的電信號的傳播速度遠大于聲信號，因此可忽略電信號的傳播時間，認為它們之間的時差即為聲信號從局放源傳播到傳感器的時間。這樣，可以建立如下球面定位方程組［3，10，20-25］:

式(8)中:i=1，2，3，…，n，ve為等值聲速(通常以最短路徑計算的首波聲速稱等值聲速)。該式的物理意義為:局放源位于以各傳感器為球心，veti為半徑的球面上，因此各球面的交點就是放電源的位置。式(8)的物理意義在于為基于電-聲的球面定位法提供了一種作圖的算法。雖然該算法基本概念清晰、現場實用性強，但精度不高。

從理論上說，基于電-聲的球面定位法至少需要3個傳感器。但是由于超聲波的傳播路徑比較復雜，故各路徑的等值聲速一般不盡相同且不易獲得，所以在實際應用中一般以等值聲速為變量。因此，實際運用中至少需要4個傳感器。

2)基于聲-聲的球面定位法

若首先接收到超聲波信號的傳感器為1號傳感器，用τi1=ti-t1表示i號傳感器與1號接收超聲波信號的時差。則可建立n-1個定位方程組［10，19，21，23，26-29］:

3)最優解的求取方法

一般而言，式(8)和(9)為超定方程組，沒有精確解，只能求取其最優解。為求出局放電源，則可等效為最小，則局放超聲波定位變成一個約束性最優化的問題，即

式(10)中:xmax，ymax，zmax為變壓器的等效長、寬、高。等值聲速一般取1 200 m/s≤ve≤1 500 m/s。

方程組(10)有很多解法，最常用的是最小二乘法［4，20-21，23］，但其存在局部收斂等缺陷。

為了克服最小二乘法局部收斂的缺陷，出現了線性算法［30］、模糊聚類(fuzzy clustering)算法［3］、粒子群優化(PSO-Particle swarm optimization)算法［26-27］、混沌搜索的 PSO 算法［31］、模擬退火算法［27］和遺傳算法［2，27，29］等。其中，模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法屬于現代智能算法;相比于傳統算法，他們方便搜尋全局最優［27］。

遺傳算法的最大優勢是不需要估計初始值，且能防止結果陷入局部最小，結果優于最小二乘法。文獻［27］通過與傳統算法相比較，提出了線性策略粒子群的智能優化算法，并從算法上驗證了其是最優越的定位算法，且與實踐吻合較好。文獻［24］和［30］提出了線性非迭代的算法，該方法不存在收斂問題，且計算量小、速度快、不會得出遠離局放源的點或無解的情況。模糊聚類算法精度高、抗干擾且可操作性強，而且可用于多局放源的定位。

另外，也有把基于聲-聲的球面定位方程轉化為無約束條件下的最優化問題，即目標函數為［32-33］:

文獻［33］提出了一種處理無約束優化問題的自適應優化算法，該算法具有較好的自適應性和較高的精度。

2.2.2 V型曲線法(最小時延法)

這種定位法基于電-聲觸發的定位原理。其基本思想是:在局放源周圍臨近范圍內，在橫向和縱向2個相互垂直的方向上將超聲傳感器沿變壓器器壁分隔排列，每個方向取不少于9個點。把沿外殼分隔測量點的距離值作為縱坐標，而把局部放電源產生的超聲波到達各點的相應時間作為橫坐標，這樣可以作出相應的曲線，此曲線成V形。V型曲線的頂點就是距離局部放電源的最近點，此點對應的超聲波信號的傳播時間即局部放電源產生的超聲波通過直接路徑傳播到變壓器器壁此點的時間。將此時間與直達波傳播途徑所對應的時間相比較，即可得出局放源的位置。

V型曲線法的優點是簡單直觀、作圖方便且不計聲速［21，34］。

2.2.3 雙曲面法

該法基于聲-聲觸發的定位原理，其基本思想是:選取傳感器S1(x1，y1，z1)作為參考基準傳感器，并測量局部放電超聲信號傳播到其他傳感器所對應的相對時延。把這些相對時延代入特定的方程組中聯立求解，則可定位出局部放電源的空間位置。因此，若設傳感器Si(xi，yi，zi)與參考傳感器 S1(x1，y1，z1)的相對實測時間差為 τn(i=1，2，…，n;n≥4，這表明該法至少需要4個傳感器;但若放電點在復合介質中，如線圈內部，則至少需要5個傳感器)，則相應超聲波信號的傳播時間差為 τi1=ti-t1。

根據超聲信號到達傳感器Si(xi，yi，zi)與參考傳感器S1(x1，y1，z1)的傳播距離差，可得雙曲面方程如下［20，21，23，35］:

式(12)的幾何意義為:局放源 P(x，y，z)位于以Si，S1為焦點，以所測超聲波信號到達傳感器的相對時差為一定值的雙曲面上，這些雙曲面相交的交點就是局放源的空間位置。

假設ve為已知的定值(若假定ve為變量，則需要多用一個傳感器)，則局放源P(x，y，z)到傳感器 Si的聲傳播時間為［20-21，23，35］:

如果同時測出n-1個相對時間差，且已知等值聲速ve及各傳感器坐標，則聯立式(12)、(13)得局放源的空間位置。

2.2.4 順序定位法

如圖5所示，順序定位法基于局部放電源產生的超聲波到達不同超聲波傳感器的秩序(傳感器位置的差異性使得它們接收到局放源傳來的超聲波信號的秩序不一致)而定出大致的局部放電區域，但其不能提供準確的局部放電源的空間位置。該定位法的具體操作流程為:將一組超聲傳感器放置在變壓器器壁的一個面上，當局部放源產生的超聲波信號到達這一平面時，如果某超聲傳感器(不妨設為傳感器1)最先收到超聲波信號，由傳感器1與其周圍的超聲傳感器的垂直平分線所圍成的區域稱為主區;而后如果超聲傳感器2接收到超聲波信號，再根據以上的垂直平分線分割的原理，可確定出子區域2;隨后如果超聲傳感器3接收到超聲波信號，則可確定出子區域3，……。依此類推，則可大致斷定出局部放電源所在的區域。

2.2.5 模式識別法

該方法基于聲-聲觸發原理。假設變壓器安裝了n個傳感器(其中傳感器1為基準傳感器)，且設與 fi(k=1，2，…，m)分別為標準模式矢量與待判定模式矢量，則兩者的歐式相對距離為

若將d(k)從小到大依次排序，處于首位的與的距離最小。

不妨將變壓器模塊化，即設變壓器由m個子模塊組成。任何一個空間坐標(x，y，z)已知的子模塊k，其與傳感器i的距離為:

式(15)中，i=2，…，n，則子模塊 k 的待判斷模式矢量為 fk= ( Lk2，…，Lki，…，Lkn)。超聲波從子模塊k傳到基準傳感器1的時間T由球面方程易得，而通過設備可測得各延遲時間 τ21，τ31，…，τn1;又局放源與傳感器i的距離可由=ve( T +τi1)計算得到，其中ve為等值聲速。這樣便可求出標準模式矢量f= ( L，…，L，…，L)。再根據公式(14)可依次計算出d(1)，d(2)，…，d(m)，這些歐式相對距離的最小值所對應的變壓器的子模塊很有可能是局部放電源所在的空間位置。

該定位方法具有精確度高、通用、實現簡單等優點。

圖5 順序定位法原理圖

2.3 各種局部放電定位法的評述

球面定位和雙曲面定位兩種定位方法分別適用于不同的定位情況。當現場電氣干擾較大時，或對運行中的變壓器進行局部放電定位時，可采用雙曲面定位。V形曲線法的方法簡單，容易操作，且不計聲速，但僅能給出局放源距油箱壁參考點的大概距離。

3 與其他方法的聯合

3.1 超聲法的誤差分析

雖然研究者已經對超聲法做了大量的工作和研究，采用了多種定位方法，且定位方案成熟，但其定位效果有時仍不是非常精確。造成這種現象的主要原因包括:

1)時間(時延)測量的精確性不高

當采用電-聲法時，由于電磁干擾的影響，勢必造成電信號的難以確定，從而時間測量的精確性不高，進而影響定位精度。

2)傳播途徑影響

當變壓器內部產生的超聲波傳播路徑出現復合路徑時，則超聲波傳感器不容易檢測到此類超聲波信號，從而影響到局放源的精確定位。

3)定位算法問題

求解曲面方程通常所采用的最小二乘法具有局部收斂等缺陷，容易產生無解。

4)傳感器的影響

位于變壓器器壁的超聲傳感器不一定能準確地接收超聲信號，所以應加強對傳感器的研究，提高其靈敏度。

5)直達波確定的準確性

直達波的確定在超聲法中非常重要。但是目前對于超聲直達波的研究很少，技術人員主要憑經驗來排除非直達波，這樣必然會影響直達波確定的準確性。

3.2 超聲法的局限性

1)多用于單一源的定位

目前，超聲法主要用于單一局放源的定位。

2)不能判斷局放的嚴重性

變壓器局部放電的超聲波信號不足以評估局放的嚴重性。

3)主要用于油浸式變壓器

超聲法檢測和定位干式變壓器局放的應用和研究較少。

4)主要用于交流網絡中的變壓器

超聲法檢測和定位HVDC輸電網絡中換流變壓器局放的應用和研究較少。

3.3 超聲法與其他方法的聯合

由于超聲法的上述不足，同時為了增加最終診斷的可靠性，出現了超聲法與其他方法的聯合檢測。

3.3.1 超聲波與特高頻的聯合

特高頻(UHF)法是目前局部放電檢測的一種新方法。該方法通過天線傳感器接收局部放電過程中輻射的特高頻電磁波，從而實現局部放電的檢測與定位。

通過特高頻與超聲波聯合檢測和定位可以解決現場難以獲得電信號的問題。

基于特高頻和超聲波聯合的局部放電定位法與超聲波電-聲檢測法的原理相似，它以特高頻信號取代電流脈沖信號，檢測變壓器內部絕緣介質發生局部放電時產生的特高頻與超聲波信號;以局放產生的特高頻信號為時間基準，由此計算出超聲波信號相對于特高頻信號的相對時延，進而定位出局放源的空間位置。

3.3.2 超聲波與射頻的聯合

射頻檢測法屬于高頻局部放電測量，其檢測頻帶已達甚高頻(VHF)范圍，測量頻率達30 MHz。

基于射頻和超聲波的局部放電聯合檢測與定位法以射頻信號代替電流脈沖信號，進而基于射頻信號與超聲波信號來定位局放源的空間位置。該方法不僅傳承超聲波法便于定位的優勢，而且具有射頻檢測法能迅速檢測出局部放電的高靈敏度。同時，該聯合檢測與定位法還可簡化定位流程，提升檢測系統的抗干擾能力與定位的實時性。

超聲-射頻電流聯合檢測與定位法具有以下優點:①檢測和定位的靈敏度較高;② 抗噪聲的能力更好;③可以迅速和便利地對變壓器內部絕緣介質局部放電進行檢測和定位，流程相比超聲法更加簡便;④為非接觸檢測與定位法，可以實現在役、實時監測;⑤超聲波與射頻聯合檢測與定位法可以取代電-聲檢測與定位法。

3.3.3 超聲波與光的聯合

超聲波-光聯合檢測與定位法通過光纖傳感器，利用光纖自身或外部敏感元件將超聲波信號變換為光強度的變化，然后通過光敏元件把光強度的變化轉換成電信號;最后通過類似于超聲波檢測與定位法的原理來檢測和定位局放源的空間位置。

該方法可以克服超聲波檢測與定位法易受到電磁干擾等環境噪聲影響的缺陷。

另外，除了上述提及的聯合檢測和定位法，文獻［36］介紹了一種基于暫態對地電壓和超聲陣列信號的變壓器局放定位方法。

4 總結與展望

超聲法由于其獨有的優勢，特別是與其他方法聯合，必然會得到更加廣泛的運用。但為了克服超聲法的上述局限性，應重點加強以下幾方面的研究:

1)加強對變壓器超聲波產生機理、傳播規律(特別是當局放發生于絕緣深部隱蔽位置時)和信號的衰減及折射等方面的基礎研究。

2)加強對傳感器的研究，特別是變壓器內置傳感器和傳感器陣列，并對已有傳感器進行優化。在線監測通常在電磁干擾極其嚴重的環境下進行，只有抗干擾能力強、靈敏度高的傳感器才能夠探測到真實可信的信號，從而實現精確的定位。

3)加強局放所產生的電與聲信號處理的研究，深入地把數字信號處理技術及計算機技術引入到局放的超聲波檢測和定位中，進一步探索如何更好地去除噪聲，提高信噪比。

4)加強對直達波和復合波識別的研究。

5)加強超聲波法與其他定位法聯合的研究，進而博采眾長，提高定位精度。

6)加強對多局放源超聲波定位技術的研究。目前超聲波法主要用于單局放源的定位，而在生產實際中，往往多局放源并存，故研究多局放源定位非常有意義，有助于對變壓器狀態做出更準確的評價。

7)加強超聲波定位法及其聯合定位法現場應用的研究。

8)加強對干式變壓器和承受直流電壓的HVDC輸電網絡中換流變壓器局放的超聲波檢測和定位的研究。

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