变压器局放超声定位测量技术的研究与应用

1、变压器局放超声定位测量技术的研究与应用3蒋炜华,马临超,齐山成(河南机电高等专科学校,河南新乡453002摘要:阐述了超声波测量变压器局部放电的机理及定位系统的组成、局放超声波信号的频谱分析、定位算法的实现,最后指出超声定位的注意事项及局限性。关键词:变压器;局部放电;超声定位;频谱分析中图分类号:T M407文献标识码:A文章编号:1008-2093(200801-0010-03随着电力系统的发展和电压等级的提高,局部放电已经成为电力变压器绝缘劣化的重要原因,因而局部放电的检测和评价也就成为绝缘状况监测的重要手段。局部放电的检测都是以局放所产生的各种现象为依据,通过能表述该现象的物理量来表征

2、局放的状态。电力变压器局放过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及生成一些新的生成物,并引起局部过热。因此,相应地出现了电脉冲检测法、超声波检测法、光测法、化学检测法、红外检测法等多种检测方法1。目前检测变压器局部放电水平的主要测量方法有脉冲电流测量法和超声波局部放电测量法。脉冲电流法需在设备停电条件下靠外施电压进行检测,虽然能对放电量的大小进行定量测量,以确定放电点的电气位置,但是无法确定放电点的空间位置,且检测时必须为停电情况。而超声波局部放电测量法对变压器能实施及时、在线、定位检测,确定故障点的空间位置后,以便于不会盲目的起吊变压器进行检测2,给检修带来很大的方便。1超声波测量变压器

3、局放的机理在电力变压器内发生局部放电时,不但会产生高频脉冲电信号,同时还会伴随着爆裂状的声发射,产生超声波信号。产生的高频电气扰动,将向所有与其有连接的电气回路传播,利用连接到设备端子上的测试装置接收到放电信号,可对变压器局部放电进行定量检测。产生的超声波信号从局部放电源以球面波的方式向四周传播,通过绝缘纸板、绝缘油等介质向变压器油箱外传播并到达油箱壁。通过安装在油箱壁上的超声波传感器将超声波信号转换为电信号,利用定位测量系统对放电源进行定位。超声定位测量是采用一种特制的磁浮式探头,装在直径20mm圆平面的装置内,其磁力的大小需满足该探头可以牢固地吸附在铁板平面上。当进行超声定位测量时,将探头

4、吸附在被测变压器油箱表面,然后按国家标准的局部放电试验程序对变压器施加试验电压,一旦变压器内部产生局部放电时,探头和检测阻抗均可测量到与局部放电有关的超声波信号和 电信号。忽略电信号的传播时间,以电信号触发超声定位系统工作3。在变压器内部产生超声波信号后,该超声波信号穿过绝缘介质到达变压器箱壁的传感器上有2条途径:一条是直接传播,即超声波的纵向波穿过绝缘介质、变压器油等到油箱内壁,并透过钢板到达传感器;另一条是以纵向波传到油箱内壁,后沿钢板按横向波传播到传感器,此波为复合波。超声波传播途径见图1,超声波的传播速度和相对衰减率见表14。放电源S产生超声波,S A为纵向波,S BA、SCA为复合波

5、,其中AB为钢板图1超声波传播路径通过实验可知超声波在变压器油中的传播速度01第16卷第1期2008年01月河南机电高等专科学校学报Journal of Henan Mechanical and Electrical Engineering CollegeVol.16.1Jan.20083收稿日期:2007-12-20作者简介:蒋炜华(1981-,男,河南新乡人,硕士研究生,主要从事电气工程及其自动化研究。为1.4mm/s,放电源到探头的距离可以由S=V T来计算,如果要确定变压器放电源的空间位置,我们一般是在变压器油箱外安装多个探头检测仪,放电源到各个探头的距离不同,产生的时延也不同,我们利

6、用空间解析几何方法可以找到放电源的位置。表1超声波的传播速度和相对衰减率介质名称传播速度/(mm/s相对衰减率/(d B/cm2局放超声波信号的频谱分析及定位系统的组成2.1局放超声波信号的频谱分析变压器局放超声波信号产生的频率范围广,并且各不相同,变压器中的局放在气体、液体、固体中产生的声波频率各不相同,并且在变压器中经常伴随有噪声干扰,为了能较好地区别出变压器局放的声波信号,我们有必要先了解一下噪声信号与超声波频谱特性。1噪声频谱分析变压器中的噪声5主要有励磁噪声,散热器风扇及油循环油泵噪声,磁滞噪声等等。其噪声一般都在低频范围内,变压器铁芯磁噪声的范围一般在10KHz 40KHz,机械振

7、动的频率大多在20KHz以下,也即噪声的频率分布在低频40KHz以下。2变压器局放超声波信号频谱分析局放产生的超声波分为两类:一类为气泡或气隙内放电,特征为均匀密集,其击穿声频率小于10KHz,另一类是介质在高场强下的游离击穿,特征是间断、大脉冲,其声发射频谱更宽,大致在50KHz300KHz,可见噪声信号与超声波信号频率的分布有明显的区别。超声波局放信号的检出应避开低频干扰信号而以高频信号为主,但是频率越高,超声波的衰减越大,因此超声波局放的检出频率一般在几十到几百KHz,故超声波定位系统频带取40KHz300KHz。2.2局放超声波定位系统的组成局放超声波定位系统的组成一般有以下几个部分:

8、1传感器:一般用压电陶瓷晶片,要求灵敏度高,传感器频带为40KHz180KHz,与局部放电超声波频带大致相同。2前置放大器:将传感器接收到的信号进行放大,大约80dB的增益。3滤波器:其通频带大致在40KHz300KHz,将由励磁噪声,散热器风扇及油循环油泵,磁滞引起的噪声滤去。4瞬态记录仪:A/D转换,前置或延时触发,波形打印,能迅速自动地将测量得到的数据进行处理与分析,显示测量结果。5主机:进行数据记录,波形绘制,显示 ,打印。6开发一套定位系统软件:包括信号采集及处理,如双曲面定位、球面定位、延时自动读出和定位图示等软件。局放超声波定位系统见图2。图2定位系统框图2.3定位算法的实现常见

9、的局部放电定位方法有:作图法、基于最小二乘法、基于遗传算法的处理方法。作图法精度不高,但在现场实用性强,基本概念清晰。我们采用基于最小二乘法的算法实现。采用局部放电超声波测量一般在变压器油箱外壁上安装若干个超声波传感器,以局部放电脉冲电流法得到的信号为触发信号,作为触发基准时间。找到每个传感器测得的局放时间与基准时间的时间差和各个传感器的坐标,测得的时延作为从放电点到传感器的时间,以等值波速V乘以时延即得到放电点到各传感器的空间位置,代入非线性超定方程,解之得到放电源的位置。从上面的条件中得到如下球面方程: (X-X i2+(Y0-Y i2+(Z0-Z i2=(V t i2(i=1,2,3n式

10、中X、Y、Z放电源的三维直角主标;X i、Y i、Z i第i个超声传感器的主标位置;t i每个传感器对应的延迟时间;V等值波速。由于超声波在变压器内部的传播不是一个恒定值,而是有一定的范围,所以把波速视为一个变量,即等值波速,再加上待求的局部放电源坐标这三个变量,就是4个变量,用四个超声波探头才能得到放电点的主标位置及等值波速。我们运用最小二乘法来解球面方程。11蒋炜华等:变压器局放超声定位测量技术的研究与应用设放电点到第i个传感器真实距离为V ti,实测距离为:(X0-X i2+(Y0-Y i2+(Z0-Z i21/2(1i为真实距离与实测距离之差,则有:i=V t i-(X0-X i2+(

11、Y0-Y i2+(Z0-Z i21/2(2则目标函数(X,Y0,Z0,V为误差平方和:(X,Y0,Z0,V=2i(3由(3式得到的最小二乘解即为使最小的X、Y0、Z0、V值,要使最小,分别对X0、Y0、Z0、V求偏导,并使之等于零,得到方程组解,然后利用牛顿迭代法进行求解,找到X0、Y、Z值。3局放超声定位法的注意事项及局限性1由于非电测法与电测法所测量局放信号无可比性,一般情况下都是先用电测法或气相色谱法先确定放电源的大致放电部位,然后用局部放电超声法定位测量。2超声定位方程至少有4个变量,超声定位检测时探头尽可能多于4个,若仅用4个探头时,如有一路探头超声信号出现错误,很可能导致定位误差过

12、多或失败。3应注意探头接收超声波信号的入射角度,避免复合波引起定位误差过大,让最有效的纵波通过探头。4应定好一个基准坐标,以便各探头坐标测量准确,避免由此造成较大的定位误差。5超声波定位对于变压器本体表面的放电(放电量大于800pc时,效果很明显,放电源位于变压器绝缘深部时,信号很难收到,成功率较低。6同时出现的多点放电,如何判断超声信号的大小,如何区分其超声信号,仍需要做进一步的工作。4结束语当前用电测法测量变压器局部放电故障,不能很好地定性找到故障点,只能定量地测得故障范围,如果没有准确定性故障点,变压器即使起吊后也不容易检修。采用超声波检测方法能准确找到故障点,可以弥补其他测试方法的缺陷

13、。在采用超声波测试方法中应该注意探头的安装、探头几何位置的精确定位、测量数据的处理等。(责任编辑吕春红参考文献:1王国利,郝艳捧,李彦明.电力变压器局部放电检测技术的现状和发展J.电工电能新技术,2001,(2.2赵啸谷.变压器局部放电超声定位J.变压器,1995,(6.3张言苍,张毅刚.变压器局部放电在线检测的现状及发展J.继电器,2004,(22.4陈志勇,阎春雨.变压器超声波局部放电测试在电网的应用J.河北电力技术,2004,(3.5周力行,何蕾.变压器局部放电超声信号特性及放电源定位J.高电压技术,2003,(5.Study and Appli cati on of the Ultra

14、son i cPositi on-setti n g Technology for the Transfor mer Parti a l D ischargeJ I A NG W ei-hua,et al(Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang453002,China Abstract:This paper intr oduced the work p rinci p le of U ltras onic t o measure partial discharge(P Din transf or m2 ers,and the compositi on of positi oning syste m.The ultras onic signal P Ds s pectrum,and the i m p le mentati on of posi2 ti oning algorith m has be