基于分布油色譜和超聲技術的換流變壓器放電缺陷定位

季宇豪，金涌濤，穆海寶，梁紅勝，楊 智，周晨輝，蔡廣生

(1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049;3.國家電網有限公司，北京 100031；4.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

換流變壓器(簡稱換流變)是特高壓換流站中的關鍵設備之一，在特高壓直流輸電系統中具有重要作用。在換流變運行過程中，由于電、熱、機械及環境等因素的影響，絕緣可能會逐漸惡化，且隨著運行年限增加，可能出現局部放電(簡稱局放)甚至絕緣擊穿等情況[1]。局放不僅是換流變絕緣劣化的重要原因之一，也是評價設備絕緣狀態的有效手段[2]。因此，局放的檢測和精準定位對于換流變來說至關重要：一方面可更好地識別放電類型和缺陷嚴重程度，另一方面可輔助換流變局部缺陷檢修的決策。

絕緣油色譜監測是發現油浸式變壓器內部故障、判斷故障類型的有效手段之一，絕大部分變壓器故障都可以通過色譜數據分析及時發現并得到處理[3]。因此，提出一種綜合分布式油中溶解氣體分析和超聲波檢測的換流變局放優化定位方法，以及時準確地發現換流變局放缺陷，保障輸電系統安全穩定運行。

1 研究現狀

目前，換流變局放缺陷主要采用超聲波法進行檢測。當換流變存在局放時，局放源會以聲波、電磁波等多種方式向周圍空間釋放能量，而產生的聲發射波信號將從局放源傳播到整個換流變空間，此時可通過超聲傳感器在變壓器的油箱壁上收集聲發射信號[4-5]，通過在不同位置布置多個傳感器，根據聲發射信號到達的時差、能量比來確定局放源位置[6]。由于超聲傳感器對于外界電磁噪聲有較好的抗干擾性以及安裝布置和固定更為方便[7-8]，被廣泛用于變壓器的局部放電定位。然而，由于換流變尺寸較大，如何合理地確定超聲波傳感器布置方案具有一定的挑戰性。

在早期實踐中一般通過不斷移動調整多個傳感器的位置來定位局放源[9-10]，而當前大多采用波達時間差(time difference of arrival， TDOA)方法，將多個傳感器布置在變壓器箱壁外殼上，計算出各個聲發射傳感器的波達時間差，將定位問題轉化為三維直角坐標系方程求解確定局放源坐標。

對于超聲局放定位的算法，國內外學者已開展諸多研究。

1) 第一類簡單迭代算法[11]，如Newton-Raphson 法、最速下降法及Chan 算法等，這類算法容易因單一搜索路徑而出現局部不收斂問題。

2) 第二類智能優化算法，如將遺傳算法、量子遺傳算法、粒子群優化等應用于變壓器超聲局放定位[12-14]。這兩類定位算法都是基于波達時間差方法，將超聲信號的傳播路徑默認為直線。

3) 第三類算法主要考慮了非直達信號，如文獻[15]提出采用探索法來尋找局放源的位置，并指出當超聲波穿過繞組時，波速應根據介質的不同而變化來進行計算；文獻[16]給出了變壓器局放超聲定位的球面及雙曲面定位方法。該類算法可提供更準確結果，但需更多計算時間。

4) 第四類算法主要是基于超聲信號的其他特征(如時頻域特征等)進行定位[17]。因此，大多數超聲定位算法都是基于TDOA 算法，如果波達時刻存在誤差，必然會影響到超聲定位結果的準確度。

為了解決上述問題，提出一種綜合分布式油中溶解氣體分析和超聲波檢測的換流變局放優化定位方法。首先利用分布式油色譜方法對放電信號進行粗定位；然后合理布置超聲波傳感器，使用優化傳播路徑搜索算法進行超聲局放精準定位；最后通過實例和內檢結果，驗證該方法的有效性。

2 優化定位方法

2.1 油色譜粗定位與超聲精準定位

換流變在本體上中下部，網側、閥側升高座等位置有多個取油口，當換流變內部發生局放時，缺陷部位會產生乙炔，因內部油循環速度相對較慢，氣體擴散不及時，可通過比較各部位乙炔含量對缺陷點進行粗定位(含量最高處即為距離缺陷點最近處)。根據此粗定位結果，可輔助確定超聲波檢測傳感器布置方案，獲得各超聲傳感器有效信號順序及時延，搜索計算缺陷部位坐標。

2.2 優化傳播路徑搜索算法

在粗定位方法所確定的局放源初始搜索范圍內，優化傳播路徑搜索算法根據超聲傳感器實測時差，搜索出準確的局放源坐標。對于搜索范圍內的任一節點，首先要找到在超聲傳感器平面內的投影節點（見圖1）。聲信號的傳播路徑被分成兩個部分：第一部分位于變壓器油中，第二部分位于變壓器外殼中。使用最短路徑搜索算法確定出一條經由投影節點到超聲傳感器的直線路徑，該路徑上任一節點均可視作為一條非直達波的斜入射點，因此該路徑上每一個節點都對應一條傳播路徑，由投影節點到超聲傳感器每個位置節點逐一進行計算。

圖1 投影節點示意

1) 傳播路徑的第一部分，對于任一斜入射節點，油中總傳播時間視為相鄰節點之間的傳播時間之和來計算，每個區間波速均根據節點所在位置而變化，計算公式如下。

其中：im，jm，km指代節點的三維坐標；dl代表上剖分間隔，l是這條路徑上所有節點的個數；V聲(im，jm，km)指在節點(im，jm，km)處聲波的傳播速度，Tprop指聲波傳播時間。

當確認油中路徑上沒有障礙物時，為避免將簡單的油中路徑離散化而引入誤差，油中傳播時間可按以下公式進行計算。

其中：（i1，j1，k1)是搜索范圍內起始節點的坐標，(iend，jend，kend)是入射節點的坐標。V聲，oil指的是聲波在油中的傳播速度。

2) 傳播路徑的第二部分是指從斜入射節點到超聲波傳感器的路徑，變壓器外殼的傳播時間計算方法與公式(2)相似，具體如下。

其中：(isen，jsen，ksen)是搜索范圍內傳感器的坐標，(iend，jend，kend)是入射節點的坐標。V聲，steel指的是聲波在變壓器外殼中的傳播速度。

如何選擇準確的外殼聲速需要較為復雜的計算。變壓器外殼的波形轉換與聲信號的斜入射角度有關，而斜入射角度可通過求解傳感器平面法向量與從起始節點到斜入射節點向量之間的夾角得到。當斜入射角度小于14°時，變壓器箱壁聲速應使用鋼中的縱波聲速；當斜入射角度處于14°與26°之間時，聲速應為鋼中的橫波聲速；當斜入射角度逐漸增大至大于26°時，超聲傳感器將不會接收到任何來自于直達波的信號，退出循環，當出現這種情況或所有斜入射節點都遍歷過后，結束當前循環并選擇傳播時間最短的路徑作為最快路徑。在該節點與不同傳感器間的最快路徑與傳播時間都求解出來后，可獲得該潛在局放點到各個傳感器間的到達估計時間差。

定位坐標誤差的計算方法如下。

式中：(xact，yact，zact)代表局放源的實際坐標，(xcal，ycal，zcal)是計算出的坐標。

優化傳播路徑搜索算法就是利用上述算法搜索區域內的每一個潛在局放節點，求解各節點到各個傳感器間的估計時差，選擇估計時差與超聲傳感器實際測量時差最接近的節點作為可疑局放源位置，整體流程如圖2 所示。

圖2 優化傳播路徑搜索算法流程

3 缺陷定位案例

某換流站的換流變在大負荷試驗過程中出現油色譜異常情況，乙炔含量升高，需對缺陷位置進行定位。

3.1 分布式油色譜粗定位

該換流變在大負荷試驗期間監測到乙炔含量從0 增長至5.56 μL/L，網側升高座氫氣從0 增長至128 μL/L。換流變緊急停運后，離線檢測到乙炔含量本體下部為7.97 μL/L、本體上部為15.98 μL/L。針對換流變本體上部、本體中部、本體下部、閥側上部、閥側下部、網側高壓套管升高座、中性點套管升高座共7 個取油口開展分布式油色譜粗定位，發現乙炔含量最大位置為網側套管升高座27.08 μL/L，初步確定缺陷位置為網側套管升高座附近，油色譜絕對量的三比值為202，對應低能放電。同步開展換流變壓器局放定位試驗前后分布式油色譜結果比對，發現在停運后局放定位試驗前，隨著時間增長，油中溶解氣體逐漸擴散均勻；局放定位試驗后，監測到油中溶解乙炔在網側升高座處的含量突增到60.41 μL/L、中性點升高座處增至24.28 μL/L。粗定位確認缺陷位置位于網側升高座附近。

3.2 超聲局放檢測

局放定位試驗同步裝設變壓器局放超聲波在線監測裝置。根據油色譜粗定位結果，現場針對性布置了6 個超聲波傳感器，其中超聲波傳感器1、2、3、4 以平行四邊形布置在換流變壓器正面的右上方區域，超聲波傳感器5 布置在頂部中軸線下方靠近升高座位置，超聲波傳感器6 布置在高壓套管升高座底部。

新增兩個超聲波局放檢測點，其中1 號檢測點對應于網側高壓套管升高座底部，2 號檢測點對應于網側高壓出線裝置。錄取新增點的超聲局放波形，并將時間軸放大(見圖3)后可知：2 號檢測點率先接收到了超聲異常信號，說明局放源離2 號檢測點更近。同步查看變壓器局放超聲波在線監測裝置采集的趨勢：其中通道1、2、3、5 的信號為放電信號，通道4、6 的信號主要是噪聲。采用累積能量算法計算各波達時間，通道1、2、3、5 的波達時間分別為12 422 μs、10 482 μs、10 630 μs 和10 446 μs，以通道5 為基準，計算各個通道的波達時間差，通道1 的波達時間差為1 976 μs，通道2 的波達時間差為36 μs，通道3 的波達時間差為184 μs，判斷出局放源位于升高座附近，即通道5。

圖3 放大時間軸后的超聲檢測信號

超聲波局放檢測和變壓器局放超聲波在線監測裝置的檢測結果均表明局放源位于網側升高座附近，該結論與采用分布式油色譜方法得到的結果相吻合。

3.3 超聲波局放定位

現場使用PAC2000 超聲波檢測儀對異常信號進行定位。該換流變X軸長度為10 230 mm，根據前述檢測結果設置超聲定位傳感器測點，采用儀器8 通道開展超聲波局放定位，其中9～12 號測點靠近網側高壓套管的一側箱壁，12～16 號測點為對側箱壁，測點布置如圖4 所示(坐標原點為油箱右下側)，定位結果如圖5 所示。

圖4 超聲定位裝置傳感器布置圖

圖5 超聲定位圖

PAC2000 超聲波檢測儀定位結果為：放電點的空間坐標為(4 300±200，2 500，1 000±300) mm，位于網側高壓出線裝置的連接區域(網側升高座的下部)。

3.4 優化傳播路徑搜索算法定位

首先根據變壓器外形圖與內部結構示意圖，建立換流變壓器數值節點模型，如圖6 所示。

圖6 數值節點模型

圖7 傳播路徑圖

該定位結果與PAC2000 超聲波定位結果相近，同時計算放電點到達通道1、2、3 超聲傳感器測點波達時間差分別為：通道1 的波達時間差為1 953 μs，通道2 的波達時間差為24 μs，通道3的波達時間差為97 μs，與變壓器局放超聲波在線監測裝置實測信號的波達時間差基本一致，驗證了優化傳播路徑搜索算法的有效性。

4 現場內檢驗證

對該換流變網側出線裝置進行現場內檢，發現網側出線裝置下部屏蔽環接地螺栓座有明顯的放電痕跡，且接地螺栓支撐墊片表面也存在多處黑色放電痕跡。

超聲波定位結果、優化傳播路徑搜索算法定位結果均與現場內檢結果相符合，放電點為網側升高座下部，實際空間坐標與定位結果相近。此外，升高座內部、器身本體、油箱內部等其他部位均未發現明顯異常。

5 結束語

綜合故障換流變油色譜、超聲波局放監測數據，提出在分布式油色譜粗定位基礎上，通過優化傳播路徑搜索算法開展超聲波精準定位，快速準確查找換流變放電缺陷點的方法。通過實際案例對比采取不同定位方法的結果，準確查找到換流變網側出線裝置屏蔽環接地螺栓放電位置，驗證了優化傳播路徑搜索算法定位的實用性和有效性。