一種變壓器套管末屏放電超聲檢測(cè)裝置的研究

魯改鳳，侯鵬飛，范茜勉，王文飛，杜帥，張朋飛

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院,鄭州450045; 2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,石家莊050000)

0 引 言

近年來電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生多起因套管末屏接地不良而引起的變壓器套管損壞事故[1-2]，為此須積極開展套管末屏帶電檢測(cè)技術(shù)的研究。目前常用的局部放電檢測(cè)技術(shù)主要有超(特)高頻(UHF)檢測(cè)技術(shù)和暫態(tài)地電波(TEV)檢測(cè)技術(shù)。超(特)高頻檢測(cè)技術(shù)通常須將天線預(yù)設(shè)在變壓器內(nèi)部，適用于在線監(jiān)測(cè)；暫態(tài)地電波檢測(cè)技術(shù)是通過在金屬外箱殼上放置電容耦合式傳感器，接收局部放電電磁波產(chǎn)生的電壓脈沖，常用于開關(guān)柜局放的檢測(cè)[3-8]。以上兩種方法均不適于對(duì)套管末屏接地情況進(jìn)行日常大范圍的準(zhǔn)確巡檢[9-10]。盡管國內(nèi)部分變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置采用高頻CT監(jiān)測(cè)的方法，但目前大多數(shù)的變壓器并未安裝局放在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，要在短期內(nèi)將該技術(shù)覆蓋所有變壓器并不現(xiàn)實(shí)[11]。

基于目前的狀況，按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范研究了一種便攜式套管末屏放電檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)末屏放電這種特殊形式的缺陷進(jìn)行快速有效的診斷，提高了設(shè)備故障預(yù)警的能力，為檢修和評(píng)估提供了可靠數(shù)據(jù)，從而減少事故的發(fā)生。所以，本研究對(duì)增強(qiáng)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備工作可靠性具有重要意義。

1 裝置的整體構(gòu)成

文章研究的套管末屏放電檢測(cè)裝置主要由紅外定位鏡頭、鉗形高頻CT、超聲探頭和主機(jī)四部分組成，實(shí)物裝置如圖1所示，紅外定位鏡頭用于觀察鏡頭中的紅外光線定位探頭所指目標(biāo)，鉗形高頻CT信號(hào)頻率段在50 Hz～100 kHz；為了屏蔽設(shè)備周圍信號(hào)的干擾，超聲探頭采用外加喇叭狀集波器的設(shè)計(jì)方式，其超聲傳感器選用中心頻率為40 kHz的PZT型；主機(jī)外部是觸控液晶屏、按鍵、信號(hào)輸入BNC接口、數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB接口，主機(jī)內(nèi)部由電源管理、模擬采樣電路、CPU及其外圍電路構(gòu)成。

圖1 套管末屏放電檢測(cè)裝置實(shí)物圖

與已有帶電檢測(cè)裝置比較，該裝置主要具備以下優(yōu)勢(shì)：

(1)便攜性。裝置采用高集成度設(shè)計(jì)，體積小，可脫離電源使用，總尺寸為29 mm×16 mm×35 mm，主機(jī)重1.3 kg，在進(jìn)行變壓器末屏套管巡檢時(shí)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，便攜性較強(qiáng);

(2)抗干擾性。裝置外殼采用鋁合金制作，對(duì)外界干擾有很好的屏蔽作用，同樣，裝置的傳感器、電路和傳輸線也進(jìn)行了屏蔽處理。信號(hào)進(jìn)入主機(jī)后先進(jìn)行模擬5 kHz～200 kHz帶通濾波，然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入處理器，進(jìn)行數(shù)字濾波;

(3)實(shí)時(shí)性。裝置可工頻同步，即時(shí)反映放電波形、幅值和相位。

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

(1)電源系統(tǒng)。為保證裝置自身供電的可靠性，本設(shè)計(jì)通過三種途徑進(jìn)行電源供給，按照供電優(yōu)先級(jí)依次為：適配器電源、USB電源、內(nèi)置電池。電源由優(yōu)先級(jí)最高者供應(yīng)，多種電源共存時(shí)僅由優(yōu)先級(jí)最高的供電;

(2)處理器平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)采用一個(gè)嵌入式處理器進(jìn)行人機(jī)交互和一個(gè)DSP處理器做數(shù)據(jù)處理，結(jié)合功率損耗、PCB面積和開發(fā)成本，最終采用包含Cortex A8+C64x的OMAP3530。MCU采用STM32F103C8T6，其主要作用是控制設(shè)備開啟與關(guān)閉、管理 電源電池、控制ADC及FIFO的時(shí)鐘和模擬電路增益調(diào)節(jié)等;

(3)顯示與按鍵。為了提供舒適、方便的操作體驗(yàn)，本裝置采用5.6寸640×480分辨率的26萬色LCD，同時(shí)配備了穩(wěn)定耐用電阻型觸摸屏，按鍵的主要功能是開/關(guān)機(jī)以及與對(duì)觸摸屏功能的補(bǔ)充和完善;

(4)輸入輸出接口。為了更好地輸入輸出數(shù)據(jù)，裝置配置了兩個(gè)USB接口，一個(gè)Device接口用于系統(tǒng)調(diào)試，一個(gè)Host用于接鍵盤、鼠標(biāo)、U盤等外設(shè)。Device接口由OMAP的電源管理芯片TPS65930提供，Host接口采用高集成度的全功能高速收發(fā)器USB3320。

3 裝置的軟件設(shè)計(jì)

本裝置軟件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)的主要功能是觀察波形和放電量，快速切換各種顯示模式，設(shè)定報(bào)警閾值等。

圖2 軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖

(1)數(shù)據(jù)處理流程。

數(shù)據(jù)處理流程分為讀取數(shù)據(jù)、帶通選頻、計(jì)算頻譜和數(shù)據(jù)顯示四個(gè)階段，首先從數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序提供的接口讀取數(shù)據(jù)，每次讀取20 ms數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行帶通選頻，根據(jù)設(shè)備使用的場(chǎng)景和抗干擾要求自行設(shè)定濾波器通帶，如果信號(hào)頻率范圍在通帶外則該信號(hào)被抑制，之后再計(jì)算頻譜，對(duì)通過帶通頻率濾波器的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到當(dāng)前檢測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，根據(jù)用戶不同的顯示設(shè)置，顯示出二維普通波形、二維累積圖形、三維滾動(dòng)波形以及頻譜圖形；

(2)數(shù)字信號(hào)處理。

通過OMAP3530的C64x+ DSP來完成帶通選頻和頻譜計(jì)算，軟件對(duì)每段20 ms的數(shù)據(jù)(即每次讀取的一個(gè)周波數(shù)據(jù))進(jìn)行帶通選頻，但考慮到DSP有限的運(yùn)算資源，僅對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜計(jì)算。用于計(jì)算頻譜的數(shù)據(jù)段選擇算法原理如下：

第一步，設(shè)定計(jì)數(shù)上限N。即每N段數(shù)據(jù)計(jì)算一次FFT。例如，N=10，那么每200 ms計(jì)算一次FFT；第二步，計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)段的峰值。如果當(dāng)前數(shù)據(jù)段峰值比此前數(shù)據(jù)段的峰值大，則緩存該數(shù)據(jù)段；第三步，當(dāng)達(dá)到計(jì)數(shù)上限N時(shí)，用緩存的數(shù)據(jù)段來做FFT(緩存數(shù)據(jù)段為該N段數(shù)據(jù)中具有最大峰值的一段數(shù)據(jù))。

(3)線性度處理。

在進(jìn)行線性度處理前，需要計(jì)算出每個(gè)通道在每種靈敏度下的基準(zhǔn)值和線性變換參數(shù)。對(duì)于每個(gè)通道的每個(gè)靈敏度，收集一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，并求取平均值，將該平均值作為當(dāng)前通道當(dāng)前靈敏度的基準(zhǔn)值。用AD采樣值與基準(zhǔn)值的差值和實(shí)際電壓值均呈分段線性關(guān)系。本裝置中差值范圍為0～16 384，將該范圍分為若干子范圍，每個(gè)子范圍求得一個(gè)從差值到電壓值的線性映射關(guān)系。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí)，即可利用實(shí)現(xiàn)計(jì)算好的基準(zhǔn)值和線性度變換參數(shù)，計(jì)算AD采樣值到電壓值的映射關(guān)系。

(4)同步處理。

本裝置采用16位AD，用最高位表示同步信號(hào)。首先用戶設(shè)置好參數(shù)，然后系統(tǒng)執(zhí)行同步參數(shù)，根據(jù)同步信號(hào)上升沿變化，確定同步信號(hào)的頻率，然后按照最高位的變化查尋當(dāng)前數(shù)據(jù)段中同步信號(hào)的上升沿，由該段數(shù)據(jù)同步信號(hào)的上升沿點(diǎn)，結(jié)合同步信號(hào)的相位以及相位偏移，確定數(shù)段中0°的位置，從而完成同步。

4 實(shí)際研究

因?yàn)樵趯?duì)末屏放電故障檢測(cè)時(shí)，外界因素會(huì)對(duì)裝置的測(cè)試造成影響和干擾[12]，為能夠準(zhǔn)確判斷，通過實(shí)驗(yàn)研究這些因素對(duì)檢測(cè)的影響規(guī)律，以形成規(guī)范的檢測(cè)診斷方法。

4.1 實(shí)驗(yàn)室研究

在華北電網(wǎng)有限公司沙河試驗(yàn)站模擬套管末屏放電的發(fā)生對(duì)末屏放電帶電檢測(cè)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了不同因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

(1)末屏接地間隙距離影響

將超聲檢測(cè)儀探頭檢測(cè)角度穩(wěn)定為0°，檢測(cè)距離設(shè)定為1 m，接地間隙為3 mm，此時(shí)測(cè)得的波形如圖3所示，可以看出，測(cè)得的放電信號(hào)約為25 000 μV，隨間隙距離縮小而逐漸減?。槐３謾z測(cè)角度和距離不變，當(dāng)接地間隙從5 mm逐漸調(diào)整至0 mm，得到如圖4所示的規(guī)律。

圖3 檢測(cè)到的放電波形

圖4 末屏放電超聲檢測(cè)量與末屏接地間隙距離的關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)末屏接地間隙距離超過3 mm時(shí)，得到的超聲檢測(cè)量超過1 100 μV，隨著測(cè)量間隙距離的減小，測(cè)量值逐漸變小。因此，末屏接地各種斷開缺陷都可以通過超聲方法有效探測(cè)。

(2)超聲檢測(cè)距離影響

考慮到帶電檢測(cè)的安全因素，實(shí)驗(yàn)中最小檢測(cè)距離選為0.5 m；由于距離過遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)幾乎完全衰減，因此實(shí)驗(yàn)中最大的檢測(cè)距離選為10 m；以1 m為間隔，得到如圖5所示的規(guī)律。

圖5 末屏放電超聲檢測(cè)量與檢測(cè)距離的關(guān)系

可以看出，當(dāng)檢測(cè)距離為0.5 m時(shí)得到的超聲測(cè)量值為1 100 μV；隨著檢測(cè)距離的增大，超聲測(cè)量值衰減，當(dāng)檢測(cè)距離增大到2 m以上時(shí)，測(cè)量信號(hào)已衰減至500 μV以下，到4 m以上已基本衰減至50 μV。

(3)空氣濕度影響

超聲檢測(cè)除了受檢測(cè)距離影響外，環(huán)境濕度對(duì)其也有較大影響。在高濕度環(huán)境下的檢測(cè)結(jié)果與在普遍濕度環(huán)境下相比發(fā)生了明顯的變化，如圖6和圖7所示。

圖6 不同濕度下末屏放電超聲檢測(cè)量與末屏接地間隙距離的關(guān)系

圖7 不同濕度下末屏放電超聲檢測(cè)量與檢測(cè)距離的關(guān)系

由圖6和圖7可知，環(huán)境濕度越大超聲波傳播衰減越多。因此，應(yīng)盡量避免在雨后、起霧等空氣較潮濕時(shí)進(jìn)行巡檢。

4.2 變電站實(shí)際應(yīng)用研究

利用本裝置，在康仙220 kV變電站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲進(jìn)行了采集。表1給出了康仙220 kV站對(duì)母線電暈噪聲的測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可知，在未直對(duì)母線的情況下，噪聲在40 μV左右，與距離無關(guān)，站內(nèi)的環(huán)境噪聲圖如圖8所示；在瞄準(zhǔn)母線的情況下，在10 m距離時(shí)達(dá)到400 μV左右，圖形如圖9所示。

表1 康仙220 kV站母線電暈噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 未對(duì)準(zhǔn)母線時(shí)測(cè)到的站內(nèi)環(huán)境噪聲

圖9 對(duì)準(zhǔn)母線時(shí)測(cè)到的電暈干擾

可見超聲接收探頭軸向近處母線電暈產(chǎn)生的噪聲對(duì)測(cè)量有一定影響，在測(cè)量末屏放電時(shí)應(yīng)盡量避開軸向近處母線。

通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用得到的結(jié)果與正常運(yùn)行數(shù)據(jù)相比，得出末屏放電的診斷方法，綜合如下：

(1)檢測(cè)距離在5 m以內(nèi)有效，不宜在雨后、起霧等空氣較潮濕時(shí)進(jìn)行巡檢；在有效距離內(nèi)，若超聲檢測(cè)的放電量大于100 μV，則認(rèn)為存在末屏放電問題;

(2)變壓器出線端和母線的電暈對(duì)檢測(cè)有微弱干擾，出線端干擾最高可達(dá)200 μV，母線干擾最高可達(dá)400 μV，但都可通過改變測(cè)量角度予以避免，不影響測(cè)量;

(3)如果檢測(cè)到末屏放電故障，應(yīng)逐步調(diào)整檢測(cè)角度來獲得最大放電量，以便準(zhǔn)確定位放電位置。

5 結(jié)束語

研究了一種操作簡(jiǎn)便、適用于巡檢的便攜式套管末屏放電帶電檢測(cè)裝置，填補(bǔ)了變壓器套管末屏放電帶電檢測(cè)的技術(shù)空白，為在線監(jiān)測(cè)及狀態(tài)檢修工作提供了有力支持。該裝置能夠?qū)崟r(shí)非接觸地探測(cè)放電信號(hào)，顯示出測(cè)量波形和放電量多少，且方向性好，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行更高級(jí)分析。試驗(yàn)研究了非接觸超聲方法對(duì)末屏放電缺陷的檢測(cè)，結(jié)果表明不同接地?cái)嚅_程度、檢測(cè)距離和空氣濕度對(duì)放電的超聲測(cè)量值有不同的影響；在變電站的檢測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于出線端和母線的電暈干擾，可通過調(diào)整檢測(cè)角度而避開。本研究的實(shí)施，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)行中套管末屏缺陷和其放電他電容型設(shè)備末屏放電提供保障，有利于提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，具有很好的工程參考價(jià)值。