渦流反射兩種測量模式在探測線圈內部導體位移的應用

吳 鵬

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

隨著變壓器產品箔式繞組技術的廣泛應用，相比傳統圓導線繞組，箔繞式線圈在絕緣承受的電氣應力、繞組層厚的耐壓等級等有明顯的優勢。但與線繞組不同的是箔式繞組中的箔材材質、寬度、匝數等技術特性要求規定，會產生多個餅進行串聯形成總匝數，多個餅之間會有標準的電氣絕緣距離要求，發生餅移位就會直接影響繞組電氣性能（如局部放電）。因此，如何去探測餅滑動量，使用什么方式方法、設施設備等是對箔式繞組餅間距的把關之重，避免變壓器流出產生重大質量風險。國內外對餅間距移位也做了大量研究，方芳等[1]關于35 kV 環氧樹脂澆注干式變壓器局放的控制探討；王曉磊等[2]自制外穿式渦流探頭；蔚道祥等[3]接收線圈位置對脈沖渦流檢測靈敏度的影響，上述文獻雖然都提到餅移位對感應耐壓與局放測量的影響，以及渦流探測的基本原理等相關信息，但沒有涉及到如何探測箔式線圈的餅位移，因而在餅滑動探測手法上有一定的拓展研究空間。本文將從箔式繞組餅滑動對電氣性能的影響展開，主要對渦流反射法如何有效探測餅滑動進行展開說明?；跉v史統計數據，解剖有餅滑動的線圈進行實際測量餅間距，對比設計值得出測量方法的有效性，提出并建立兩種測量方式方法的使用考量規則，最終驗證其準確性與有效性[4]。

1 餅滑動對電氣試驗結果的影響

餅式線圈在引線裝配過程、樹脂澆注后均有可能會發生位移，引線過程如果發生餅滑動而沒有及時測量探測發現，意味著兩餅之間的電氣絕緣距離發生改變，一側變大則另一側會變小，若距離變小的一側比設計規定的電氣距離標準值還要小時，澆注后成品做感應耐壓試驗時就會產生局部放電，嚴重時會發生內部短路擊穿的風險。也有短時通過了感應耐壓例行試驗，但在某種復雜的運行環境中，變壓器正式電網投電長時間運行后，電氣距離偏小的地方就會發生放電，長時間放電就會影響產品的使用壽命，最終可能導致產品內部縱絕緣擊穿短路，產品無法正常運行。所以，如果說線餅做為變壓器結構上的“心臟”，那么餅滑動量就是影響“心臟”正常跳動的關鍵“血管”，餅滑動量的監控對變壓器正常運行起著至關重要的作用[5]。

2 渦流反射探測法

對于樹脂澆注式線圈澆注完畢后，樹脂包裹整個線圈導體，量具根本無法對餅間距進行直觀測量，就需要一種既能穿透絕緣且能探測到導體的設備，來對線餅合模澆注后的餅間距進行探測監控。渦流設備上的探頭含內置線圈傳感器，以此來推斷餅滑動是否存在異常。當渦流儀器工作時，傳感器會在其附近產生電磁場，生成的電磁場繼而在導電試樣表面感生出感生電流，材料的不連續性（例如裂紋、腐蝕、外表凸起等）將影響感生渦流的分布，這種變化將被探頭捕捉并識別這種改變，緊接著電子系統以適當的方式評估這種變化，最終生成缺陷信號，這些信號將反饋回設備主機界面，直接轉換成可識別的“波形圖”和“點”。

渦流反射探測法有兩種模式，分為快速測量模式和精準測量模式，對于兩種模式通俗易懂的描述來講，快速測量探測“宏觀”餅滑動量，而精確測量探測“微觀”餅滑動量，測量線餅一般先使用快速測量，若發現異常波形時才使用精確測量。快速測量無法計算滑動量大小，只能判定餅是否發生滑動；精確測量可直接測量餅滑動大小值，但測量耗費體力、時間成本較大，對控制測量誤差的標準要求也高。總之，兩者之間的作用是相輔相成，快速測量負責去發現異常，精確測量負責準確估算異常[6-7]。

2.1 快速測量模式

該模式測量原理是利用渦流設備探頭內置線圈傳感器產生電磁場并生成感生電流，然后捕捉缺陷信號，探頭感應到導體就呈上升波形，感應到絕緣就呈下降波形，波形圖高度代表著導體與導體之間的間距大小值，從波形圖高度來直觀判定是否存在異常。優點在于樣件餅間距穩定的情況下，操作簡單，測量效率高，可直接對比設計值觀測結果，操作相對機械化。針對快速測量模式，反射信號回到主機界面形成波形圖，有多種顯示格式供選項，最佳的顯示到選擇底端顯示，判斷比較直觀準確。另外，當線餅絕緣過厚時，也要適當調整總增益dB值大?。▽τ? mm 厚度的絕緣，一般選擇25～30 dB），最終目的是形成的波形方便觀察判別。探測頭在線餅從上到下均勻緩慢且垂直移動，設備屏幕上會顯示出波形圖，根據餅間距設計值與波形高度對應對比，正常波形如圖1所示。當左右兩側波圖高度不一致，可判定為不合格，異常波形如圖2 所示。對于線餅發生餅滑動，“快速測量”探測到的信號總會發現異常，異常具體到多少數值，是否在偏差范圍內，這就需要“精確測量”來完成估算探測，只有進行“精確測量”探測，才能得到近似于真實的餅間距，所以下面將會重點探討“精確測量”兩種探測手法，兩種手法雖然大同小異且最終結果一致，但對于操作者的理解認知和操作便捷性有不同理解。

圖1 快速測量正常波形

圖2 快速測量異常波形

2.2 精確測量模式

該模式的測量原理是利用渦流設備探頭內置線圈傳感器產生電磁場并生成感生電流，然后捕捉缺陷信號，當探頭在絕緣體上移動時，反射到主機界面上的“點”信號不會動，一旦探頭內置傳感器接觸到導體點就會上升至某個穩定最高點，再次接觸到絕緣體時信號點就會下降。優點在于能明確某兩個餅之間的具體絕緣距離值，且有針對性的對異常的餅去探測。該模式可以分為兩種探測手法，即上下法和頂點法。兩種方法需要同樣的工裝工具（如垂直夾具、細筆、卷尺）。在輔助測量工裝上，由于要精確采點并測量兩點間距，所以點與點之間要垂直在一條線上才能保證準確性，工裝就選擇了現有的直壓板和F 夾組合（圖3），劃點的細筆不能隨意使用，打的點直徑越小越好，意味著實際情況下筆頭盡量細，卷尺測量誤差就會縮小，測量值就會越接近真實值。

圖3 測量輔助工裝

2.2.1 上下法

上下法也稱探測點從波谷突上、波峰突下的劃點方法，也就是探頭在線餅表面垂直上下移動，在經過導體和絕緣時反射信號到主機，從絕緣經過一旦探測到導體時，探點就會突然上升，這個上升前的瞬間點就是要捕捉的點，反之導體突然探測到絕緣，下降前的瞬間點也是需要捕捉的點（圖4），利用細筆劃點。選擇適當的“顯示模式”選項，根據絕緣厚度調節總增益dB 值大小（一般選擇8～10 dB），探測頭從端部絕緣開始由上到下均勻緩慢且垂直移動，設備屏幕上會對應顯示出1 個移動點，點隨著探測頭移動而移動，抓取上升和下降瞬間對應的位置點，取點時確保抓取精確，探頭一定要來回多次移動確認。偶爾也會在探頭垂直移動過程中，點在最高點先穩定再往上移動的特例情況出現，只需抓取最先穩定的那個點，因為探測過程會受內部玻璃網格的干擾影響。若想測量兩餅之間的間距是否產生變化，就需按要求連續探測4個點，從上到下依次將點命名為1、2、3、4，然后分別取位置1 與2、3 與4 的中心點，測量兩個中心點的間距值X，再利用X減去導體寬度就能換算出兩餅之間餅間距大小，最后對比設計值就能估算判定出餅滑動量的大小和方向（圖5）。

圖4 精確測量探測點

圖5 探測取點、換算定點、測量估算

2.2.2 頂點法

頂點法也稱探測點上升到波峰后穩定的點和突然從波峰下降的瞬間點，也就是探頭在線餅表面垂直上下移動，在經過導體和絕緣時反射信號到主機，從絕緣經過一旦探測到導體時，探測點上升到波峰位置且探測點瞬間開始穩定，瞬間穩定的點就是要捕捉的點，反之導體突然探測到絕緣，從波峰突然要下降前的瞬間點也是需要捕捉的點，利用細筆頭劃點來減少測量誤差。取點過程中偶爾會遇到因樹脂絕緣厚度過厚，點跑出了主機界面，無法捕捉到波峰穩定點，這時除了調整降低總增益dB 值外（對于6 mm 厚度的絕緣，一般降低到10 dB 以下），前面已劃的點也需要重新探測取點，因為該點與前面取的點不在同一個總增益條件下，探測取點位置會有偏差移位，測量尺寸值會有一定誤差，總之，在測量取點時一定是所有探測點是在相同測量條件參數下所取，否則會產生較大測量誤差，所以在探測前，先根據線圈實際情況提前設定適當的總增益值。另外，顯示模式也得選擇合適的，盡量選擇底部顯示，點滑動有足夠的空間。探測頭從端部絕緣開始由上到下均勻緩慢且垂直移動，設備屏幕上會顯示出1個移動點，點隨著探測頭移動而移動，取點時用記號筆在線圈表面劃點，即“點”在波峰穩定前瞬間和在波峰突然下降前的瞬間位置點。若需要測量兩個餅之間的間距值，同“上下法”換算方式一致[8]。

2.3 測量驗證

根據兩種探測模式手法對所有箔式線餅進行檢查，探測換算值與真實值對比產生測量誤差范圍。探測誤差會受多方面因素影響，如取點是否垂直平行、記號筆的筆頭大小、卷尺測量前的定位是否準確、讀數誤差等。對于使用快速測量發現異常波形后，至少需要2 人以上進行復測，對至少3 個探測值數據進行再確認來作為判定依據。通過近半年的探測數據搜集，凡是明確探測出餅滑動超過設計標準值的線餅，都對線餅進行了解剖，解剖后將渦流設備探測換算值與實際使用游標卡尺測量餅間距的真實值進行對比，發現探測誤差在±1 mm 內。圖6 中3 人復測探測值依次為6 mm、7.5 mm、6.5 mm，解剖后實測6.7 mm，探測誤差在-0.7～+0.8 mm。所以，在探測過程中注意并遵守規范操作細節技巧，使用上述探測手法可行有效。

圖6 解剖異常線餅實測餅間距

3 結束語

本文根據渦流設備探測信號反射原理，使用渦流設備探測餅的位移量，提出了快速測量和精確測量兩種模式，同時也提出了精確測量的兩種方法，即“上下法”和“頂點法”。兩種模式手法均采用探頭探測絕緣和導體的反射信號，將感應信號反饋到主機界面，直觀評估探頭所處位置是絕緣還是導體。對于快速測量，發現波形異常后，再使用精確測量探測具體餅滑動的大小。對于精確測量兩種方式，也利用了以往異常線圈餅移位的歷史數據收集，將真實值與探測換算值進行對比，同時通過實際解剖異常線圈直接測量餅間距的數據，對比設計值得出測量誤差，誤差均控制在±1 mm 范圍內，測量誤差在正常設計偏差范圍內，同時證明了使用渦流設備探測導體位移量的方法可行有效，可供相關行業技術人員參考。