电力变压器的声发射检测.doc

240MVA电力变压器局部放电的超声脉冲检测林介东（广东省电力科学研究院，广东 广州 510600）摘要：通过对一台240MVA电力变压器进行16通道的超声脉冲局部放电在线检测，阐述利用有效的信号分析处理方法及三维定位技术在很强的噪声干扰状况下对局部放电信号的识别与定位；论述了检测过程，信号分析处理方法与步骤，并给出了检测结论；得到了成功检测的一些启示，这些启示将有助于澄清以往对超声脉冲用于局部放电检测的一些模糊观念，并对如何有效地进行超声脉冲局部放电在线检测起到积极的参考作用。关键词：变压器；超声脉冲, 声发射；局部放电Ultrasound Impulse Detection of Partial Discharge on A 240MVA Power TransformerLIN Jie-dong (Guangdong Power Science Technology Institute, Guangdong Guangzhou 510600)Abstract：Through conducting an on-line ultrasound impulse detection for partial discharge on a 240MVA power transformer with 16 ultrasound impulse channels, this paper discusses how to identify the partial discharge signal and to realize 3-D location from a very noisy environment with effective signal processing and three-dimensional location techniques. It illustrates the testing process, signal processing methods and procedures. It also provides the test results. Upon successfully implementing the test, this paper discusses some specific issues and concludes some important suggestions that are related to how to conduct partial discharge detection with the ultrasound impulse technique effectively. These suggestions will be of help to clarify some previously established ambiguous concepts regarding the effectiveness of the ultrasound impulse technique for partial discharge detection and will be a valuable reference for future testing.Keywords：Power Transformer; Ultrasound Impulse, Acoustic Emission; Partial Discharge 及时、准确地检测出运行中大型电力变压器的局部放电对保证电力系统安全、经济运行具有重要意义。利用声发射（acoustic emission，AE）或从局部放电的角度来说应更准确地称之为超声脉冲进行变压器及其它电力设备的局部放电检测已有三、四十年的历史，然而，由于仪器设备、信号处理技术以及对局部放电与超声脉冲信号关系的认知等的局限，该技术在现场的应用进展相当缓慢。从二十世纪九十年代中期开始，由于计算机控制多通道数字化超声脉冲系统及数字信号处理技术的发展，超声脉冲局部放电检测的应用才相应得到了一个较快的发展。目前，利用声发射技术对压力容器进行检测在我国应用得十分成功，20世纪80年代中期，原劳动部锅炉压力容器检测研究中心率先从美国物理声学公司（PAC）引进SPARTAN源定位声发射检测与信号处理分析系统，在全国石油化工系统开展了大量球罐和卧罐的检测。随后，电力系统采用AE技术对锅炉汽包、压力容器、热力管道、阀门等进行检测或泄漏监测，取得一定的成效，但利用AE技术对变压器进行局部放电（partial discharge，PD）检测，在此前却少有成功的案例。美国电力研究院（EPRI）联合PAC及多家电力公司，从1995年开始合作研究变压器局部放电声发射检测项目，形成变压器局部放电超声脉冲检测专家系统并推广应用，到目前，已对百余台大型电力变压器进行了局部放电测试。广东省电力科学研究院引进了PAC的超声脉冲检测系统，并应用于变压器局部放电检测。受内蒙古电力科学研究院委托，在变压器正常运行条件下(未对变压器施加高电压)，对一台240kV变压器进行了16通道的超声脉冲局部放电在线检测。尽管检测过程中存在着较强的环境噪声干扰，但利用新的数字滤波与信号处理技术，仍取得了较为满意的结果。1 检测原理及方法在电力变压器内部结构中，局部的绝缘薄弱点在电场的作用下产生高频脉冲放电，放电电弧对油介质产生瞬态冲击产生爆裂状的超声脉冲信号。此超声信号以球面波的方式向四周传播，并通过油介质或变压器内部结构于不同时间传到安装于变压器外壁不同位置的超声脉冲传感器，检测系统接收和处理这些超声脉冲信号，根据其波形及频谱特征进行定性和定量分析，并利用各传感器接收到超声脉冲信号的时间差对局部放电源进行定位，推断出变压器内部局部放电的位置、状态变化程度和发展趋势。进行检测时现场难免存在噪声干扰，超声脉冲检测系统通过设置PD检测阈值，分析波形的关键特性如幅度（Amplitude）、持续时间（Duration）、能量（Energy）、撞击数（Hits）、三维定位（3D Location）、事件数（Events）、特征指数（Character Index）3、撞击谱（Hit Spectrum）3、波形（Waveform）等，可确认接收到的超声脉冲信号是由局部放电还是噪声干扰产生的。变压器发生局部放电时，上述特征一般会集中于变压器某一特定的空间（经三维定位），显示出特定的模式。局部放电的超声脉冲检测正是通过对上述特征信息分布范围的分析，特征模式的分析并结合油色谱分析、常规的高压局放试验等历史资料，来判别变压器局放存在与否及严重程度。2 检测前准备2.1 通道灵敏度校准在局部放电（PD）检测之前和结束之后对每一个通道进行模拟源超声脉冲幅度值响应校准。采用0.5mm，硬度为HB的铅笔芯折断信号作为模拟源。模拟源距换能器100mm内，每个通道响应的幅度值与所有通道的平均幅度值之差要求不大于4dB。2.2定位校准在被检测区域的任何部位，超声脉冲模拟源产生的信号至少能被该时差定位阵列收到，并得到唯一定位结果，区域定位时至少能被该区域的超声脉冲换能器接收到。2.3检测频率的确定超声脉冲局部放电的检出，应避开低频率干扰而以高频率为主。但频率越高，声波在传播过程中的衰减很大，因此超声脉冲局部放电检出的频率一般在数十到数百kHz，本次检测选用150kHz。3 现场检测情况被检测的变压器为240MVA的三相变压器，如图1所示。该变压器的主体尺寸（除风扇及冷却油管等附件尺寸外）为6.6米长2.3米宽3.6米高。变压器在正常使用中油色谱分析发现已炔(C2H2)成份在一段时间内有较显著的增长，但仅靠已炔(C2H2)成份的显著增长无法判断出变压器故障发生的部位、时间、频度与强度。图1. 被检测的240MVA三相变压器及传感器三维坐标位置图(单位：毫米)xzy原点本检测采用美国物理声学公司便携式24通道DiSP超声脉冲系统，检测过程基本遵循美国电力科学院（EPRI）推荐的超声脉冲局部放电检测程序3。根据变压器的实际尺寸，使用了16个超声脉冲通道和内置40分贝前放的150KHz共振频率的探头R15I，探头布置位置如图1的三维坐标图所示。检测过程前半段，现场受到了较强的风沙袭击，后半段检测时风沙停止，整个检测过程变压器的冷却风扇也一直处于工作状态，可能产生噪声干扰信号。4 检测结果分析本次检测所使用的16个超声脉冲通道编号为520，图2给出了所有通道的约四个小时的检测数据。其中左上角的点图(a)为超声脉冲幅值随时间的变化情况；右上方的直方图(b)为每一通道在整个检测过程中探测到的超声脉冲数；左下角的点图(c)显示了每一通道在不同时间的活动特性；右下方的点图(d)则为每一超声脉冲的能量与持续时间之间的关系。由图2(a)与图2(c) 看出，检测过程当中，前半段时间各个通道都有较激烈的超声脉冲产生，而且有些超声脉冲的幅值还非常大，达到或接近100分贝；而后半段时间很多通道的超声脉冲信号显得相对平静而且幅值也较小。采用超声脉冲特征指数分析技术2,3对数据进行了处理。图3即为对应于图2相同数据的特征指数图，其中横坐标为检测时间（秒），纵坐标为特征指数（特征指数是指：对超声脉冲信号进行处理后对信号的特征定义的指数）。根据变压器局部放电的特性，与局部放电有关的特征指数应该随检测时间聚集在大于零的整数值附近，并呈现出规则分布的模式。而由噪声如风沙、雨、雪、电磁噪声等引起的特征指数则呈无规则、随机的分布或特征指数为零。据此，由图3可以看出，除第6通道外，各个通道的前半段测试时间内的特征指数几乎都显无规则随机分布的趋势。而在后半段的检测时间内，除通道6-8外其它的通道要么接收到很少的超声脉冲信号，要么特征指数无任何规律性。结合前述的在检测过程中风沙袭击，可以判断前半段测试的确受到的风沙影响，产生噪声干扰信号。而后半段大多数通道接收到很少的超声脉冲信号表明冷却泵的连续工作对检测几乎没有影响。(a) 超声脉冲幅值(dB)随时间(秒)的变化(b) 每一通道的超声脉冲数(c) 每一通道随时间(秒)的活动特性间的变化(d) 超声脉冲能量与持续时间(微秒)相关图图2. 所有通道的超声脉冲检测结果实现三维定位的局部信号实现三维定位的局部信号图3. 超声脉冲特征指数(横坐标边为检测时间-秒)仔细观察图3各个通道的特征指数，可以发现一个很有价值的信息。恰恰在风沙停止几分钟后即检测开始约8675秒(2小时25分钟)后，有几个通道(通道5-11与20)的特征指数在较短的时间内(约几分钟)同时呈现了规则的沿整数值分布（如图中箭头所示位置），这是一个典型的局部放电现象的特征。另外，由三维定位图4中的局部放电事件随时间变化图(图4(b)也可看出，恰巧在这段时间内探测到了大量的局部放电定位。因此，可以比较可靠地推论，在检测开始约8675秒后发生了短暂的、持续时间为数分钟的较激烈的局部放电现象，这个放电现象同时被多个通道探测到并获得了定位。由于现场检测中各种因素对局部放电信号的干扰，每一个独立的局部放电事件的定位都不一定是准确的，而有可能散布于真实的局部放电源附近。然而，当大量的定位被探测到时，与局部放电有关的定位将在真实的局部放电源附近产生聚类，而这个定位聚类的中心的位置则应是对真实放电源的更可靠的逼近。为此，通过三维定位在三个正交平面的投影(图4(c)-(e)可得定位聚类的中心为X：4120，Y：1840，Z：1570毫米。(a) 局部放电三维定位图(b) 三维定位随时间的变化(c) 三维定位在Y-Z平面投影(d) 三维定位在Z-X平面投影(e) 三维定位在Y-X平面投影图4. 局部放电三维定位及投影(单位: 毫米)从三维定位的角度来说，尽管有时噪声也能给出定位，但是由于噪声本身在时间及空间位置上的随机性，其定位一般具有分散性，几乎不可能得到象图4所示的较为集中的定位。由图3还可以看出，通道6-8，尤其是通道6的特征指数显得较复杂。除了在开始检测后2小时25分左右产生定位的局部放电信号外，在其后的检测时间内，通道6-8的特征值仍有集中于整数值并呈规则分布趋势。故局部放电现象在后半段的检测时间内（变压器的用电负载发生变化）仍然存在，但激烈程度及幅值均较2小时25分钟时为小，而且只有3个通道探测到局放信号，因而无法实现局部放电的定位。一般来说，必须有4个以上通道同时(实际相差一个极小的t时间)收到超声脉冲信号才可实现三维定位。仔细观察图3前半段测试时间的数据得知，这段时间通道6的特征指数有点复杂，局部放电的模式并不清晰。为了更进一步的区分噪声，以及对整个检测过程中各个通道的局部放电程度有一个总体评价，现对超声脉冲信号做进一步的数字滤波处理，并以一个规则化的参数“局部放电激烈系数(PD Intensity Coefficient，PDIC) 3”来表达各个通道的在不同时间内接收的局部放电信号状况（局部放电激烈系数是指：单位时间内，跟局部放电有关的超声脉冲数与总脉冲数之比）。图5显示了与图2至图4数据对应的局部放电激烈系数。其中，横轴为检测时间，纵轴为局部放电激烈系数，其取值范围为0-1。激烈系数等于0表示在相应的时间区段内无局部放电发生。激烈系数等于1则表示该时间段内局部放电非常激烈。激烈系数落在0-1之间则表明或者没有局部放电发生（PDIC趋于0），或者有一定的局部放电（PDIC趋于1）。比较图3与图5可明显看出，由风沙引起的超声脉冲噪声(检测开始后的前两小时信号)在图5中已完全地滤掉了；通道11-19的局部放电激烈系数在整个检测过程中均非常小（PDIC 0.1），亦即这些通道未探测到与局部放电有关的信号；而另一方面，通道5-10及20均在8675秒左右出现较大的PDIC值，据此进一步表明在该段时间发生了较激烈的局部放电现象，这与图3及图4所表述的一致。此外，由第6通道的PDIC值也可看出，在检测的前半段时间，第6通道确实存在局部放电信号。但由于在这段时间仅有该单一通道探测到了局部放电，因此无法实现定位。另外，在检测的后半段时间，尽管6，7，8通道仍探测到局部放电信号，但除第七通道外，激烈程度均很小，故亦不能获得定位。图5. 局部放电激烈系数(横坐标为检测时间-秒)文献报道4 超声脉冲可以探测到10pC的局部放电量，但是现场测试时发现，变压器铁心噪声、油泵噪声和环境噪声都会对超声脉冲传感器的灵敏度与检测效果产生影响。统计分析表明环境噪声通常为低频波，没有明显的时延现象，铁心和油泵噪声为窄带宽峰值波。当局部放电声脉冲的频率高于100kHz时，其波形与上述几种干扰波形有明显不同，易于识别，但当其频率低于100kHz时，铁心噪声中的某些高频分量就会混杂在局部放电声脉冲中。另外，超声脉冲传感器油箱表面安装条件、局部放电部位及其相对于传感器的位置、油箱热膨胀、下雨、风沙等天气条件都会对超声脉冲传感器的灵敏度及检测产生影响。所以，按目前技术条件，还不能把超声脉冲局部放电检测的结果与实际局部放电的pC值直接地、定量地联系起来，亦即超声脉冲检测不能给出变压器的pC定量结果，但超声脉冲检测可以获得局放发生时间、持续时间、,剧烈程度、发生部位等信息, 并可与传统的变压器油色谱分析法结合起来，以求得到最全面的信息及最佳的检测效果。5 结论超声脉冲检测法是电力变压器局部放电故障诊断的有效手段，它可判断局部放电的大概位置、发生时间、持续时间与剧烈程度。但是，该方法也有一定的局限性，当放电源位于变压器线圈表层时检测是有效的，当放电源位于变压器绝缘深部时，只有在局放信号较强时才能获得较好的检测效果。对于同时出现的多点放电，也可实现多个局放源定位。但当多个局放源距离较近时，如何判断哪个超声信号属于哪个局放源仍需要做进一步的工作。1) 尽管局部放电产生的超声脉冲频率范围分布在一个较宽的频带，但考虑到超声脉冲随频率增长而急速衰减的特性，以及低频段易于受噪声干扰的特性，选用150千赫的共振型传感器比较合适。同时，实践证明内置前放的传感器有较好的抗电磁干扰能力，故检测时应尽量采用内置前放传感器。2) 本次检测，在局部放电较激烈的时刻有7个通道探测到了局部放电信号，而在局部放电不激烈的时候仅有3个通道探测到局部放电信号，并不是所有通道都探测到了局部放电信号。因此，应尽量选用多通道仪器进行超声脉冲检测。3) 检测结果看出，局部放电并不一定是随时随地地发生，而是间歇性地发生。所以，采用24小时（一个完整的用电负载周期）的连续检测是一个比较合理的检测方案。4) 采用超声脉冲特征指数分析技术，能有效地将风沙噪声、风扇的机械噪声等与局部放电信号区分开来，结合三维定位技术，可比较有效地诊断变压器局部放电的激烈程度及发生部位。根据不同的评估等级，则可对变压器的状况做出继续使用、观察使用、密切观察使用或立即停运检测等决策。5) 到目前为止尽管超声脉冲技术在许多场合下能有效地进行局部放电检测，但由于局放源的位置不同，传感器的安装位置不同，超声脉冲传播路径与传播介质的不同，故检测结果还无法与实际局部放电的pC值直接地、定量地联系起来，亦即超声脉冲检测尚不能给出定量的pC结果。