變壓器超聲波局部放電測(cè)試在電網(wǎng)的應(yīng)用

變壓器超聲波局部放電測(cè)試在電網(wǎng)的應(yīng)用

文/屈剛 麻國(guó)棟，海洋石油工程股份有限公司檢測(cè)公司

目前檢測(cè)變壓器放電性故障的主要方法是進(jìn)行局部放電水平的測(cè)量，有脈沖電流局部放電量測(cè)量法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖電流法)和超聲波局部放電測(cè)量法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)超聲波法)。脈沖電流法需在設(shè)備停電條件時(shí)靠外施電壓進(jìn)行檢測(cè)，雖然能對(duì)放電量的大小進(jìn)行定量測(cè)量，以確定放電點(diǎn)的電氣位置，但是無(wú)法確定放電點(diǎn)的空間位置，且檢測(cè)時(shí)必須為停電情況。因此對(duì)變壓器實(shí)施及時(shí)、在線的超聲波局部放電檢測(cè)，并配合其它的絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目(如油色譜氣體分析、遠(yuǎn)紅外測(cè)溫等)，分析變壓器絕緣狀況，及時(shí)確定絕緣缺陷性質(zhì)就顯得越來(lái)越重要。

1 超聲波局部放電測(cè)試原理

絕緣介質(zhì)局部放電有2種類(lèi)型：氣泡內(nèi)放電；介質(zhì)在高場(chǎng)強(qiáng)下游離擊穿。一些澆注、擠壓的絕緣介質(zhì)容易夾雜著氣隙或氣泡，空氣的介電常數(shù)較固體介質(zhì)小，而場(chǎng)強(qiáng)與介電常數(shù)成反比。因此，介質(zhì)中的氣隙或氣泡是第一種局部放電的發(fā)源地；當(dāng)局部電場(chǎng)更高時(shí)，在絕緣薄弱環(huán)節(jié)處將引起介質(zhì)的游離擊穿。以上2種局部放電，在多數(shù)情況下往往同時(shí)發(fā)生或互相誘發(fā)。

變壓器在試驗(yàn)電壓(或工作電壓)下出現(xiàn)局部放電時(shí)，伴隨產(chǎn)生電脈沖、超聲波、光、熱和化學(xué)變化等物理現(xiàn)象。只要變壓器內(nèi)部存在局部放電，就一定會(huì)產(chǎn)生高頻的電氣擾動(dòng)，并將向所有與其有連接的電氣回路傳播。利用連接到設(shè)備端子上的測(cè)試裝置接到放電信號(hào)，可對(duì)變壓器局部放電進(jìn)行定量檢測(cè)。同時(shí)，只要存在局部放電，在放電過(guò)程中，隨著放電的發(fā)生，伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波，且很快向四周介質(zhì)傳播，通過(guò)安裝在變壓器油箱外壁上的超聲波傳感器，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就能對(duì)變壓器內(nèi)的局部放電水平進(jìn)行測(cè)量，此即為變壓器超聲波局部放電測(cè)量法。

在變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，伴隨有聲波能量的放出，超聲波通過(guò)不同介質(zhì)(油紙、隔板、繞組、油等)向外傳播。這種超聲波信號(hào)以某一速度通過(guò)絕緣紙板、絕緣油等介質(zhì)向變壓器油箱外傳播，以球面波的形式向四周傳播，超聲波穿過(guò)絕緣介質(zhì)到達(dá)變壓器箱壁上的傳感器有2條途徑：一條直接傳播，即超聲波的縱向波穿過(guò)絕緣介質(zhì)、變壓器油等到油箱內(nèi)壁，并透過(guò)鋼板到達(dá)傳感器；另一條是以縱向波傳到油箱內(nèi)壁，后沿鋼板按橫向波傳播到傳感器，此波為復(fù)合波。

超聲波具有很強(qiáng)的穿透能力，但是它在穿透各種介質(zhì)時(shí)都會(huì)使波形發(fā)生某種程度的畸變，而這種畸變主要表現(xiàn)為幅值的衰減，表1是超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度及其相對(duì)于變壓器油的相對(duì)衰減率。雖然超聲波在鋼板中的傳播速度比在變壓器油中的快得多，但是超聲波在鋼板中的衰減很大，所以到達(dá)傳感器的直接波的幅值比復(fù)合波大得多。

盡管電力變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但是經(jīng)絕緣油浸透的絕緣介質(zhì)和變壓器油的聲阻抗十分接近，它們構(gòu)成許多間隙聲通道。所以，產(chǎn)生在較外圍的電力變壓器局放故障，其超聲信號(hào)能夠較強(qiáng)地傳輸?shù)阶儔浩飨潴w上的傳感器。布置在油箱外壁上不同位置的超聲傳感器即檢測(cè)探頭相對(duì)于某一放電點(diǎn)之間的距離是不同的，放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)到達(dá)探頭的時(shí)間也不同。通過(guò)超聲接受傳感器，測(cè)量超聲波的大小及通過(guò)測(cè)量超聲波傳播的時(shí)延時(shí)間，即可確定局部放電源的空間位置。

2 檢測(cè)頻率的確定

當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，由于絕緣弱點(diǎn)中分子的激烈撞擊、氣泡的形成和發(fā)展，液體的流動(dòng)以及固體材料的微小開(kāi)裂都會(huì)發(fā)出聲波，通常由于局部放電在氣體中產(chǎn)生的聲波頻率約幾kHz，而在液體、固體中產(chǎn)生的聲波頻率約在幾十到幾百kHz。變壓器鐵芯的噪聲在低頻領(lǐng)域，其噪聲水平較高，機(jī)械振動(dòng)的噪聲大多在20kHz以下。超聲波局部放電的檢出，應(yīng)避開(kāi)干擾頻率范圍而以高頻率為對(duì)象。但頻率越高，聲波在傳送過(guò)程中的衰減很大，因此超聲波局部放電檢出的頻率一般在數(shù)十到數(shù)百kHz。測(cè)試頻帶應(yīng)選用40～300kHz。

3 超聲波局部放電測(cè)試的必要性

超聲波法是用置于油箱壁上的超聲波傳感器接收信號(hào)，通過(guò)信號(hào)大小的比較分析，對(duì)變壓器內(nèi)的局部放電進(jìn)行定性測(cè)量，還能對(duì)放電點(diǎn)所處的空間位置進(jìn)行確定，并具有在不停電條件下對(duì)變壓器內(nèi)的局部放電進(jìn)行檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，它的檢測(cè)結(jié)果可以給變壓器的故障分析及處理提供更多的信息，同時(shí)這一方法可避免現(xiàn)場(chǎng)各種電氣信號(hào)的干擾。因此超聲波局部放電檢測(cè)是變壓器放電性故障測(cè)量及帶電監(jiān)測(cè)的一種較好的方法。

目前脈沖電流法在變壓器離線試驗(yàn)條件下應(yīng)用廣泛，而在運(yùn)行條件下應(yīng)用還存在一些困難。特別是我國(guó)電氣設(shè)備仍沿用基于時(shí)間的預(yù)防性試驗(yàn)，對(duì)于部分絕緣狀況不佳的變壓器設(shè)備，往往由于不能及時(shí)檢出絕緣薄弱點(diǎn)而導(dǎo)致運(yùn)行事故發(fā)生。因此隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，提高電氣設(shè)備的安全運(yùn)行水平，開(kāi)展變壓器超聲局部放電檢測(cè)就顯得非常必要。通過(guò)在線超聲波局部放電檢測(cè)，可隨時(shí)隨地地監(jiān)視變壓器局部放電水平的變化狀態(tài)。

4 應(yīng)用方法

某公司從2002年至今，已開(kāi)展變壓器超聲波局部放電測(cè)量百余臺(tái)次。首先在變壓器本體建立固定的測(cè)試點(diǎn)，以第一次測(cè)量的超聲波大小為基準(zhǔn)值，建立超聲波指紋，根據(jù)必要性定期進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)縱向波測(cè)量值比較，監(jiān)視變壓器內(nèi)部局部放電水平的變化量，并結(jié)合變壓器油色譜分析、遠(yuǎn)紅外測(cè)溫等試驗(yàn)項(xiàng)目的綜合分析，判斷變壓器的絕緣狀況，診斷變壓器健康水平，確保變壓器安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

超聲波法是電力變壓器局部放電故障診斷的有效手段，它可將使局部放電測(cè)試技術(shù)向多元化方向發(fā)展。利用超聲測(cè)試與局部放電相結(jié)合的測(cè)量方法能精確地測(cè)出變壓器內(nèi)部的局部放電故障點(diǎn)，并定性地測(cè)量局部放電的變化情況。對(duì)在網(wǎng)運(yùn)行的變壓器進(jìn)行故障診斷時(shí)，應(yīng)用超聲波法與油色譜分析等試驗(yàn)相結(jié)合能夠確定設(shè)備是否存在局部放電，并指出放電的大概位置。

但是，該方法也有一定的局限性。當(dāng)放電源位于變壓器線圈表層時(shí)測(cè)試是有效的；當(dāng)放電源位于變壓器絕緣深部時(shí)，信號(hào)將很難收到。對(duì)于同時(shí)出現(xiàn)的多點(diǎn)放電，如何判斷超聲信號(hào)的大小，如何區(qū)分其超聲信號(hào)，仍需要做進(jìn)一步的工作。