油浸式电力变压器及电抗器超声波法测量局部放电诊断应用规范

1、油浸式电力变压器及电抗器超声波法测量局部放电诊断应用规范由IEEE电机工程学会变压器专委会发起IEEE美国电机工程学会2004版权所有TREE PARk AvenueNew York,New York 10016-5997,USAAll rights reservedIEEE标准事务部Standards Licensing and ContractsPiscataway,NJ 08855-1331,USA摘要：本导则适用于就油浸式变压器及电抗器内局部放电及其他声发射源的探测及定位，其目的在于提供一种通过固定位置传感器探测的超声波信号与局部放电或其他声源间幅值及位置相关联的检测方法。关键字：声发

2、射(AE)、突发、油中气体分析、低能放电、局部放电（PD）、电力变压器、电抗器2004IEEE 版权所有本导则为IEEE导则草案，内容恕有变更摘要1.1 综述本导则适用于就油浸式电力变压器及电抗器内局部放电及其他声发射源的探测及定位。电气（局部放电）及机械故障信号源（如夹件、螺栓或绝缘件）均可产生超声波发射。同样，本导则也对于超声波检测仪器、测试方法及程序以及波形识别进行了响应描述。如将该导则应用于油浸式电抗器时，必须了解到由于电抗器结构的差异可导致信号及波形解读的不同。定位精度与故障类型、邮箱结构、检测仪器以及测试人员经验有关。1.2目的本导则力图提供一种通过采用固定位置传感器探测的超声波信

3、号与局部放电或其他声源间幅值及位置相关联的检测方法。使用者假设为该领域的专业人员，如电力工程师、顾问、研究人员以及设备生产商。1.3安全规定本导则中的安全规定仅适用于现场运行之变压器，不适用于变压器出厂测试。有关变压器出厂测试应参照相应的测试规程。进行局部放电定位的相关操作应由接收过高变压器试验培训的技术人员及工程师进行。警告变压器本体油箱通常直接接至低阻地网以避免高压导入地网或油箱（如油箱出现接地故障），如变压器油箱出现接地故障，则应注意人身安全。即使油箱接地正常，在瞬间故障发生时，通过不同路径接地的油箱电压也可致命。变压器带点或停电时，或存在其它系统电压时，现场所有人员应就带电设备保持足够

4、安全距离。建议使用的超声波传感器应与变压器油箱进行电气隔离以避免突发性故障时对设备及操作人员的危害，即可采用光电隔离或电气绝缘材料进行隔离。推荐在变压器停电条件下进行所有与变压器的链接，并应确保超声检测装置安装过程中变压器工作电压高于额定电压，检测过程中始终保持应确保人员保持安全距离。变压器带电时，其接地回路不应作变更（连接或断开）。即使变压器停电时，也可能在变电站地网存在电流回路，故应注意连接或断开接地回路的操作。2术语定义2.1声耦合剂：填充在换能器和试件接触处的一种材料，在声发射检测期间，可改善能穿过界面的传播。所有液体及多种凝胶可作为声耦合剂。多数用于超声波无损检测的声耦合剂均适用于此

5、，但胶化甘油、硅脂尤为适用。2.2声发射（AE）振荡：有冲击波对谐振压电晶片产生的振荡，冲击波可能由局部放电产生。2.3声发射（）振荡频率及计数率：某一时间段内声发射震荡中超过计数阀值的振荡数，通常时间间隔为1秒或1个周期，依据具体使用仪器而定。图1中显示了13各振荡的放大波形，图中放大不封的时间间隔尚未确定。2.4声阻抗：表示介质传播超声波能力的物理量，反映了超声波在不同介质中的反射及传播能力，声阻抗等于接至密度（r）与超声波在该介质中传播速度（v）的乘积，即Z=rv。2.5衰减：超声波幅值在单位长度上的减弱，通常以dB（分贝）/米作为单位。超声波在介质中传播时，由于扩散和界面上的反射与折射

6、等，均使声能在接至中随传播距离的增加而减弱，称之为衰减。2.6巴克豪森效应或磁制噪声：随变压器铁芯内磁场畸变而伴随的噪声。噪声出其频率为两倍电源频率，在电源正负半周噪声幅值相同。过励磁后便会产生显著的噪声，并伴随产生高频分量可致30-40KHz或更高的频率。当铁受到逐渐增强的磁场作用时，它的磁化强度不是平衡地而是以微笑跳跃的方式放大。发生跳跃时，有噪声伴随着出现。如果通过扩音器把他们放大，就会听到一连串的“咔哒”声。这就是“巴克豪森效应”。后来人们认识到铁是由一系列小区域组成，在每个小区域内，所有的微小原子磁体都是同乡排列的，巴克豪森效应最后得到说明，每个独立的小区域，都是一个很强的磁体，但由

7、于各个磁畴的磁性彼此抵消，所有普通的铁显示不出磁性。但是当这些磁畴受到一个强磁场作业时，它们会同向排列起来，预试铁便成为磁体。在通向排列的过程中，相邻的两个磁畴彼此摩擦并发生振动，噪声就是这样产生的。只有所谓“铁磁物质”具有这种磁畴结构；也就是说，这些物质具有形成强磁体的能力，其中以铁表现的最为显著。2.7临界角:声波能够进入较高传播速率介质的最大入射角，辨识为sin（）=V/V；对于油/钢铁界面，钢铁中横波的临界角约为25度。2.8分贝：分贝（dB）作为声压等级单位，对于数值，通常用来表示声压或声强等级，分贝等级换算公式为声压等级（dB）=20log(P/prel)，其中：参考压力prel为

8、1帕斯卡，声强与声音接受面积成正比例关系，每分贝约合声强上升26%。意味着每增加3-dB，声强翻倍。2.9衍射：超声波波前接触到声场中的物体时，能绕到障碍背后改变原来的传播方向，在它的背后继续传播，这种现象称为声衍射。2.10超声波直接传播路径（油）：局部放电超声源产生超声信号在绝缘油内直接传播至吸附于变压器油箱外壁之传感器。2.11谐波：有时很难将各种噪声高频分量与局部放电进行区分。谐波通常重复出现，但能量低于显著的局部放电信号。2.12纵波或压力波：绝缘油在传播方向上受到周期性挤压及释放，故介质分子往返振动方向与传播轴向平行。通常仅存在于液体及气体介质内，通过介质分子间碰撞而传播。2.13

9、出平面波：在一平板或壳体内，一平面波产生垂直于板平面之运动。油中亚力波在常规入射条件下碰撞油箱内壁后通常会产生油箱的出平面波。该类波也称之为弯曲波。出平面波的传播速度与频率相关，故很难用于故障定位。2.14局部放电（）：介于绝缘及导体间的部分电气放电现象。.反射：由于超声波传播路径的阻挡或不连续而导致超声波发散，发射率的大小与不同介质的声阻抗差异有关，而反射角度与入射角度相关。.传感器：本导则中所讨论的应用中所采用的传感器均为阻尼型压电式声发射传感器，通常勇于将由弹性波产生的颗粒运动转换为电信号，该类传感器通常固定于变压器本体油箱外壁，或固定于绝缘油中的波导。不同研究者采用的传感器谐振频率范围

10、为20KHz500KHz，由于传感器输出通常与带宽呈反比，故一般用于局部放电探测的带宽较窄的传感器的中心响应频率多为60KHz或150KHz。需要注意的是，对压力波敏感的传感器检测到的信号可能并非来自局部放电声源。2.17油中超声波传播速度：温度20时油中速度为1413m/S;通常由于材料对超声波速度的影响更大，因而不对油温度及水分含量与超声波速度的更正。油中超声波速度也由因绝缘油性质而变化。2.18钢铁中超声波传播速度：（大体积）压力波约为5800m/s；（平板）约为5200 m/s；横波（大体积）约为3250 m/s；（平板）约为3200 m/s；2.19传播路径结构：局部放电产生的超声波

11、信号传播需通过变压器的内部结构。2.20横波：与传播方向呈垂直的颗粒运动与摇摆的绳索相似。其必要条件是颗粒间需有足够的作用力，以便各个颗粒可来回往复运动，并牵引与其相连的颗粒运动，而横波不出现于液体及气体的原因在于分子间作用力很弱。典型的横波速度为纵波速度的一半，波长相当或大于介质的厚度，横波逐渐转变为出平面波（见定义2.13）3超声波局部放电检测系统介绍局部放电（PD）的检测及定位可在变压器生产厂或现场进行，后者通常在变压器并由单独电源供电得套件下进行。目前有两类超声定位系统，即全超声监测系统及带有局部放电触发装置的超声检测系统。3.1全超声波检测系统第一类全超声检测系统包括一个或多个超声波

12、变换器，主要用于对局部放电产生的超声波检测。可通过在变压器油箱外壁移动一个或多个外置传感器则可实现探测及对一个或多个声源的粗糙定位。更为精确地局部放电源定位可通过测量超声波信号抵达各个超声波传感器的相对时间而定。该测试方式无需记录变压器电压或电流，因此使得全超声波检测系统适于现场投运之变压器的故障定位。超声波传感器可固定于变压器油箱外壁以探测抵达油箱壁之超声波信号，或油箱内以探测油中信号。外部传感器的优点在于可方便地进行传感器配置以便获得更清晰的超声波信号，并可将仪器方便地移至另一台变压器。3.2带有局部放电信号触发装置的超声波检测系统第二类是带有局部放电触发装置的超声波检测系统，除成对排列如

13、上述的超声波传感器外，系统另带有电流或电压检测装置以检测局部放电的感应电信号，而电信号则通常可看做可瞬间接收到信号。当采用该假设后，则可采用电信号的抵达时间作为局部放电发生的起始时间。因此，局部放电位置确定则可基于各个超声波传感器检测到超声信号的绝对时间。与之不同的是，全超声波检测系统则采用各个超声波传感器接受信号间的时间差值而确定局部放电故障源位置。如在套管测试抽头检测信号，则瞬时检测到局部放电电信号的假设正确。该时间延迟仅有几微妙，故可忽略不计。然而，带有局部放电触发装置的超声波检测系统首先处理电信号，因此需将该电信号处理时间考虑进来以便减少定位误差。下面的时间间隔是三类电测法局部放电检测

14、装置进行模拟信号的处理时间。检测装置类型至t0处时间间隔信号上升时间油中定位误差宽带带有源积分器0.2s1.2s可忽略（2mm）1MHz窄带，带宽9kHz16s35s22-70mm(1-3in.)1MHz窄带，带宽4.5kHz16s50s22-95mm(1-4in) 由于并无标准做明确规定，故上述提供的数据仅作参考，而不同生产厂商生产之检测仪可能有不同的处理时间，从上面的数据可看出若需要进行精确定位，则窄带检测仪的信号处理时间则需要加以考虑。 为从传感器计算局放源距离，下面列出了油中超声波传播速度，如传播路径存在其他介质（见定义2.17），则速度将有所变化。绝缘油温度超声波传播速度m/s501

15、3008012001101100 综合检测系统的一个优点是电信号检测也同时验证了超声波传感器确定的是局部放电信号，而非其他超声波噪声源。此外，电信号也为超声波传感器数据采集提供了便捷的触发条件。 而综合检测系统的主要缺点是在现场的电磁干扰条件下较难获取清晰的局部放电信号。3.3 在线（连续）式超声波检测系统 固定式在线超声波检测系统用于向远端用户提供变压器内早期故障信息，该系统通常有多个传感器，放大器以及数据采集/处理装置所构成。根据以往经验或故障发生可能性，传感器安装于故障可能存在部位，数据采集/处理装置则用于向远端传输采集的数据及/或报警信号。数据通常以局部放电活动水平而非明确的波形形式出

16、现，定位信息则主要依赖于对传感器检测信号的分析。发生频率高于阈值或活动趋势的报警通常需要结合气样，并可能需要进行更多细致的超声波或其他测试。4.超声波信号传播特性 油浸式电力变压器内活跃的局部放电源可产生超声波信号，并向四周传播。超声波信号穿过不同介质后到达变压器邮箱壁。超声波在某一介质中的传播距离取决于声波穿过该介质的整个时间。 传播距离=超声波传播速度*时间 相应的，通过将传感器放置于油箱的不同位置，即距故障不同距离，随之超声波信号的抵达时间也将不同。对于全超声检测系统，可比较超声波信号抵达各个传感器的时间差值，从而使得估算两条传播路径的差值成为可能。而对于声电联合式检测系统来说，声源及传

17、感器间的时延可被测定，因而可直接确定某一传感器与声源间的绝对路径长度。两类系统均需要略有不同的测试程序以确定故障位置，具体程序见操作手册中章节7.8部分。 局部放电超声波定位的基本原理假设超声波按声源与传感器间的直线路径传播，但实际中并非如此。由于变压器内的复杂结构而导致超声波在变压器内传播可能的反射、在各介质中的衍射等现象的存在，例如，若在声源与传感器间存在阻碍，超声波可沿障碍四周而继续传播，导致传播时间增加，以及声源与传感器间的实际距离大大增加，同样的，超声波也可以较油中传播速度更快的速度直接穿过障碍，而抵达传感器较早，故可能的路径较实际距离近，为避免这些判断的失误，重点在于通过采用几个传

18、感器位置重复计算以确定故障点。变压器油箱结构传播路径则提出了另一个技术挑战，超声波接触油箱后，虽然其频率特性保持一致，而其传播模式及传播速度则发生了变化，图2中的图例显示了传感器位于远端油箱壁时进行检测的情况。最初的反射波可在油箱界限内传播，其速度取决于超声波传播的不同介质。超声波接触到相邻的油箱壁后产生其他传播路径，如沿油箱壁至其他侧面之传感器。由于超声波在金属中速度大于油中速度，故以该结构路径传播之超声波可能沿油中直接传播路径更早抵达传感器。因此，如采用超声波在油中速度并根据超声波沿油箱结构路径抵达传感器的时间计算声源距离，其结果是不正确的，关键是距离计算应基于超声波直接传播路径。因此，采

19、用不用的传感器位置计算才能够确定声源位置。另一种区分以结构传播或油中超声波的方法是分析振动模式，液体，例如绝缘油，仅仅传播压力波；而固体，例如钢铁，则可有多种波动模式。油中声波抵达油箱后则产生压力波及横波。如图3所示，显示了两类波的传播。可通过振幅较大的特点而分析横波。使用对出平面波更为灵敏的传感器可减小沿结构传播之超声波的干扰。如将超声波传感器置于油箱内部，则以结构传播之超声波影响问题将有显著改善。5.超声波检测系统：技术指标5.1 简介不同的检测仪器客队超声波定位。这里介绍几种典型的检测系统证明对某些变压器结构有效，当然根据不同变压器的结构，外形尺寸以及局部放电位置，其他检测系统可能效果等

20、同或更好。5.2 外部传感器固定在变压器油箱外壁的外置传感器是一种压电型位移变换器，使用者通常选择传感器的谐振频率（纵波）为60150kHz的范围，相关研究B5显示150pC左右的局部放电主要超声波频率为60Hz，而更大的局部放电，其超声波主要频率降低。此外，高频信号的衰减较低频信号更大。这些因素更有利于传感器在低频段工作，但在现场条件下，由于低频段充斥着多种噪声及谐波干扰，故可导致数据偏差。因此，多数使用者更倾向于使用高频段检测。采用压电类检测装置，传感器同样对各类电磁场（如变电站现场充斥的各类电磁干扰）有所响应。为了减小这类影响，可采用由两块晶片构成的“差分”类型传感器（异相安装用于抗噪）

21、或屏蔽良好的单个压电晶片传感器并带有集成的内置前置放大电路。而由于相对检测信号幅值较大、输出阻抗较小的原因而使得后者的使用更为广泛，输出阻抗较小也避免了传感器同轴电缆接头处感应的各类噪声对信号的干扰。压电晶片的声阻抗与变压器油箱不同，因此若需保证信号充分地从油箱传播至压电晶片，一些使用者提出使用“匹配件”的概念。尽管有几类材料可供选择，但通常使用的材料是环氧树脂，在于不但使用方便同时提供了电气及热绝缘。但选择环氧树脂时需注意选择对超声波衰减较小的材料（通常也使用其他填料）以避免影响信号幅值的传输。此外，由于介于油箱及压电晶片间的环氧树脂的声阻抗并无较大变化，环氧树脂的厚度应等于与信号在其中传播

22、时波长的一半（这里所指的声波的纵波为60或150kHz）。在术语定义2.1中涉及的超声波耦合剂应在每次测试之前涂敷于传感器或环氧层表面。5.3 内置传感器内置型声发射传感器或波导采用了将传感器浸入油中的做法，因而直接耦合油中超声波信号，随后将信号传至外部传感器。举例来说，通常采用的波导为玻璃纤维棒，传感器附着于玻璃纤维棒的末端并随之由密封法兰插入变压器内，但应注意保持该玻璃纤维棒的绝缘特性并控制其外形尺寸。因此，该波导应满足（1）由于油箱阻抗影响较小，故需无需如油箱外置传感器般的方向性；（2）对外部噪声响应不敏感，如风暴或松动部件。目前正在开发的一项技术是采用光纤干涉测量进行检测。采用激光源激

23、发光纤端部的传感器，传感器由一气隙和薄二氧化硅隔膜构成。光信号与气隙宽度呈函数关系，而声波可改变的气隙宽度，并且气隙宽度与超声波信号强度呈正比关系。故通过光信号可实现对声波信号及强度的检测。5.4 带通滤波器（可选）上述超声波检测系统多采用带通滤波器，并以低通（FL）、高通截止频率（FH）进行区分。低通、高通截止频率分别是一种正弦输入电压信号自最大值衰减3dB时的响应频率。当采用中心响应频率为150kHz的传感器，FL应为100kHz；而FH应为300kHz；滤波器的斜率要用频率和输出分贝共同表达。这里经常用“八度”作频率的单位。滤波器的截止特性应为高通部分最小48dB/八度，意味着相对于所感

24、兴趣的信号（150kHz），一个50kHz的信号可衰减48dB；而低通滤波器的特性应不小于24dB/八度，意味着一个600kHz的信号可衰减24dB。滤波器的作用在于尽可能消除与局部放电不相关的干扰信号，其中包括由铁芯磁滞导致的振动、油泵以及冷却风机的噪声等。大多数的干扰信号频率低于30kHz，但有时也可在50kHz频段发现铁锌磁滞噪声。因此，要求带通滤波器应有100kHz的高通滤波，并具有快速截止响应特性。因而相当多的通用型带通滤波器频率均在200kHz以内，故选用时需要考虑其中心响应频率。5.5 可记录单个时间的超声波检测系统一套典型的检测系统应包括以下部件。传感器：见5.2与5.3传感器

25、支撑：需满足现场传感器安装要求，且便于工作人员攀爬作业。传感器电缆及电源；传感器位置测量装置；数字检测系统，可由一或四个标准数字示波器组成，各通道采样率应大于1MHz/s，存储器容量大于5000个样本。满足上述要求的数据采集部件均可与计算机配套使用。此外，均值、幅值检测、图形缩放、自动测量及存储等系统功能也非常重要。5.5.1 各种超声波检测系统之区别灵敏度优化以及排除非局部放电信号是该检测系统设计的基本要求，此外仪器的设计应能够满足现场及工厂应用之要求。如条件允许，应允许采集局部放电电信号以用于降噪、信号增强及定位，并且仪器应尽可能操作简便。满足上述要求的检测系统需包括下属的基本部件：超声波

26、传感器支架可固定三个压电传感器，故可快速确定声源距支架的相对位置。一或四通道数字示波器用于数据采集，各超声波支架均配置一个示波器。采用数字示波器后，可选择多种触发模式、检测通道及信号幅值。此外，拥有较高刷新率的示波器则大大有助于却分干扰信号，其他被验证的重要功能是均值以及持续功能。计算机用于存储由示波器获取的检测信号。该系统设计由富有经验的技术人员奥做。寻找局部放电信号及其位置时，可在变压器油箱外壁移动传感器支架至指定位置。在每一位置均可通过示波器研究不同的触发模式及时间长度下的波形，而少量信号波形可存储于计算机。当发现定位信号后，计算机帮助计算并确定声源位置。5.6 可长时段记录波形的超声波

27、检测系统以下为各仪器生产商提供的可用于局部放电精确定位的代表性检测系统。数据采集系统采用通用型DSP（数字型号处理器）控制器并带有DSP卡，此外系统另需配备适当的CPU、RAM、硬盘、监视器、键盘、鼠标及高速缓冲存储器。专用软件用于数据采集、存储、二维、三维图形显示及回放功能、FFT分析或改良小波变换分析、波形记录、实时特征量提取以及适当的GUI（图形用户界面）用于计算机显示。两通道DSP数字式AE采集卡需最小为512kB RAM（可扩展），两个模拟量、一个数字输出硬件，同时采集暂态、传统超声波特征量，I/O接口、计算机界面、传感器前置放大器、BNC传感器自校验以及软件滤波器。如2.16以及5

28、.2及5.3中描述的超声波传感器；超声波传感器固定或绑定位置；带有明确知道、范例说明以及结果分析的使用手册；所有器件的运输箱。5.6.1 可选部件带有增益为40/60dB前置放大器、带通为100-300kHz的滤波器，滤波器具体描述见6.4；长度最小为15m的RG58同轴信号电缆（接头为BNC/BNC或SMB/BNC）；打印机，并配有相应的电缆及驱动软件；机架式工业计算机，可带有16个DSP PC卡；约1m长超声波测试杆。5.7 在线式（连续）超声波局部放电检测系统两类系统用于局部放电连续监测用于鉴别、验证并对局部放电源进行定位的便携式装置；用于探测并进行局部放电信号趋势分析的固定安装在线式监

29、测系统。该系统通常包括（1）多个传感器（可根据以往经验或故障发生概率放置于故障可能的发生位置附近）；（2）信号放大及数据采集/处理系统用于传输检测数据及/或报警信号。电源应由变电站直流屏或其他不间断电源提供。考虑到长期使用的要求，需对系统的输入、输出端子及接地端子进行保护。需在系统安装过程中进行建立变压器超声波信号基值的相关测试，该测试为固定在线监测提供了软硬件设置的相关信息。如果考虑检测信号可能为网络干扰所致，可在设置相同的条件下测试相邻变压器以便比较两者间的测试结果。传感器的长期固定用于长期检测的目的，此时需要采用适当的环氧树脂及/或机械式支撑物固定传感器。6.声发射测试6.1 现场测试与

30、出场测试之区别在变压器制造厂进行的超声波检测与现场测试间存在诸多差异，现将其列举如下：现场测试出场测试环境噪声源有限控制，例如冰雹、雨噪声。某些情况下，可采用信号处理或被动测试分析进行降噪或消噪。可控油泵可能由于系统运行要求而进行可关闭气候有限控制，例如冰雹、雨噪声。某些情况下，可采用信号处理或被动测试分析进行降噪或消噪。室内测试电源需隔离、滤波或UPS可提供干净电源接地被测物单点接地，仪器也需接地测试现场的可靠接地安全要求需注意在接近带电设备处工作变压器设计通常情况下对变压器内部结构了解有限可提供所有设计信息测试电压调整范围有限，除非现场备有试验电源试验电压可控充气保护（空气或氮气）传感器需

31、固定于油面以下，某些工况下可能存在气泡有关上述两类测试之更多信息可参考第8，9章节内容。6.2 应用传感器之基本考虑传感器放置位置与固定对于获得准确结果非常重要，此时应考虑下列因素：传感器与油箱的接触是非常重要的，如仅仅是简单地将传感器置于油箱外壁，则检测信号之效果较差。在安装传感器之前首先应清理接触表面上的灰尘、油、异物等，随后再用清洁干布擦净表面。超声耦合剂有助于增强传感器与油箱壁间机械及超声波信号耦合，安装前应均匀涂敷于传感器表面。若安装位置非铁磁性材料，则需采用环氧树脂作为耦合介质。固定于油箱外壁的传感器可检测直接沿路径以及油箱结构传播的信号，固定于法兰盖板或其他密封垫板处的传感器可接

32、收到更清晰的直接传播信号，而油箱结构传播信号则由于法兰或垫板处结构而发散。应避免将传感器置于铁磁或非铁磁性油箱屏蔽位置，以避免信号衰减。对于带有折板式加强筋的箱壁，传感器可置于焊接折板间以获得较强信号，折板与油箱壁间的气隙使得超声波信号发生衰减。避免将传感器置于充氮保护变压器油面以上的部位，超声波在气体传播路径将有更大的衰减。避免油箱加强筋处安装传感器。处于安全因素的考虑，应避免将传感器放置于高压区域。传感器间应保留足够的距离以确保信号的独立性，具体间距就传感器类型而定。应确保整套系统及各个传感器工作正常，并应对所有传感器的前置放大器进行设定。可采用超声波测试杆确定传感器最初的放置位置。避免在

33、单相三柱铁芯、三相五柱铁芯变压器铁芯端部油箱设置传感器。如油箱采用铝或不锈钢材质，则需要使用环氧树脂材料固定传感器。不应将传感器布置于控制箱。变压器分接调压开关（LTC）包括电动器械动作，产生的超声波通常在整个变压器内传播，因而在测试阶段就应确认调压开关的动作特性，并在随后的测试分析中加以区分。壳式变压器：传感器应置于顶端（铁芯上部）或底部（铁芯下部）。测试仪器/装置的输入端需做瞬态电压保护。外界静电及电磁干扰可影响检测结果并可能损坏仪器。7.超声波现场测试程序（典型）7.1 简介通常根据油中溶解气体检测结果而进行超声波测试，或发现可能的局部放电噪声而定。通常情况下，变压器在负荷条件下进行监测

34、。因此在放置传感器时需要符合相关安全规定，以确保满足最小安全距离。7.2 测试设置测试人员抵达现场后一般需要约2-3个小时做监测前的准备工作，主要由传感器数量、安装难易程度、电源等因素而定。若使用试验电源，则需要额外时间用于试验布置及检查工作。将测试仪器放置于便利的位置以便于变压器上传感器的安装工作及获取现场电源，变压器与测试仪器应采用相同的公共接地。传感器采用同轴电缆接至测试仪器，随后应进行功能性测试以确保所有传感器具有相同的灵敏度，通常的做法是采用在传感器附近折断一支铅笔产生的机械振动进行验证。传感器电缆的布置也应尽可能避免测试区域接地及架空线等处的噪声干扰。随后应验证监测系统是否工作正常

35、，通常采用敲击油箱以产生振荡信号的方法，信号被各个传感器记录下来，通过各传感器的信号比对检验仪器及传感器是否正常。7.3 初始化扫描后的传感器布置除采用在线式局部放电监测系统外，通常无法确定现场噪声源。因此，第一步应对整个变压器进行现场扫描。对于三相芯式变压器，首先在套管末端各安装一个传感器，随后在油箱上接近各相高低压线圈中部放置传感器，如有额外传感器，则放置于油箱底部。相类似地，对于单相芯式变压器来说，首先在套管末端各安装一个传感器，将其他传感器放置在油箱四侧面接近线圈的中部位置。如果为自耦变压器，应在自耦线圈部位放置一到两个传感器。如测试同类型变压器则应保持相同的传感器位置及软件设置以便建

36、立同类型变压器设计的基准参考数据，也需要移动传感器以获得较好信号。传感器表面应敷有足够的超声波耦合剂以确保超声波从油箱传播至传感器压电晶片，过多耦合剂对测试并无影响，而耦合剂太少则影响声波的耦合。电磁屏蔽阻碍传感器检测信号的传输，故可根据变压器生产商或以往测试经验确定屏蔽安装位置。如变压器内可能存在放电，则可将分裂铁心式高频CT或罗格夫斯基式线圈钳于变压器油箱接地线并作为直接检测信号输入，以便作为超声波传感器的触发信号并作为时间原点。初始扫描时间取决于信号发生频率，某些使用者在移动传感器前连续监测约4小时，基本需要确定检测波形连续且具有重复性，若信号发生频率较低且无规律，则可能需要全天连续监测

37、。传感器表面敷有超声波耦合剂，并通过施加一定压力附着于变压器油箱外壁。可通过磁吸、粘性绑扎代或环氧树脂传感器，目的是确保传感器牢固、稳定，以免传感器自身振动造成干扰。7.4 监测技术变压器并网后，由于电压等级相对稳定，使得超声波信号较难区分。用于帮助确定超声波声源的检测技术包括：改变变压器负荷并观察信号发生是否与负荷相关。阶跃升高或降低系统电压。调整有载分接调压开关以观察对于信号的影响。如变压器通过试验电源供电，可调整测试电压以确定信号活动情况及幅值。 不同超声波监测系统的信号灵敏度也不同，触发电平设置则需根据测试变压器通常的工作噪声水平（变压器结构、油泵、风机运行噪声等）而定。在信号定位过程

38、中也可对设置进行优化。 也可采用三维图形显示传感器整体布置，举例来说可利用油箱的一角作为坐标原点。对于弧形边角的油箱来说，可考虑采用其延长线作为参考坐标原点。传感器位置标定后，各个传感器检测信号的时间差可用于故障源定位，增加传感器数量可提高检测精度。7.5 信号源定位确定超声波在绝缘油中的传播速度后，信号源的大致定位可通过不同传感器获得信号的相对时间差而得。由于超声波传播路径上的不同介质（绝缘纸、铜导线、绝缘油、油箱等）及不同传感器的因素，故该定位方法并不十分准确。此外，变压器内也可能存在多于一个信号源。重新布置传感器以便在怀疑存在局部放电源并需做进一步探测的区域做集中检测。只要各传感器间的时

39、间差值能够测量，原则上传感器可非常靠近信号源，有时甚至将传感器重新布置于怀疑区域，也可能仅有一个传感器检测到相应信号，则可能由于信号源强度很低或信号衰减严重甚至仪器故障所致。此时需注意不要将该信号源作为噪声而放弃。信号源的位置可通过一系列一致信号的计时而定。清晰一致的信号特征也可帮助鉴别故障类型。7.6 报告及后续工作 将实际故障与通过超声波检测系统的检测结果进行比较后，可建立基于某种监测系统上对变压器整体情况的了解。这就大大加强了超声波检测系统作为一种诊断工具的作用。 调查报告应包括测试设置，测试程序、检测波形（如可提供）以及根据经验预测的信号源，内部电气连接线图及/或测试变压器照片。 后续

40、的报告包括实际问题及故障分析间的比对，相关的帮助信息包括：有何发现发现位置预测与实际位置间的差异问题如何更正变压器检修后进行超声波检测可比较检修前后的超声波波形，进而建立变压器检修后新的评估基准数据。8. 采用电信号触发系统的工厂测试程序8.1 introduction简介工厂测试较现场测试的主要区别在于工厂测试可采用局部放电电信号作为超声波数据采集的触发信号，并可将电信号视作与局部放电同时发生，因而可将检测到电信号的时间作为“时间原点”并得出超声波信号的传播时间，进而计算出超声波传感器与局部放电源间的距离。采用电测法局部放电探测仪的输入信号通常由套管电容式测试抽头处取得，输出则可作为超声波定

41、位系统的一个输入通道。由于视在电荷检测器的频率范围更接近超声波，故推荐采用而非无线电干扰电压仪。当然，耦合电信号或超声波信号均可作为系统触发信号。超声波传感器置于油箱外壁，传感器输出信号则输入超声波定位系统用于波形显示及时延分析。8.2 传感器初始布置 超声波传感器在油箱上的初始布置直接影响局部放电的定位工作效率，最初传感器的大致布置位置可参照感应电压试验结果。大多数情况下，感应电压试验均可反映出变压器的那一相含有局放源。若已确定，则可将传感器置于存在故障的一相。但也需注意的是也有感应电压试验与超声波定位测试结果在不同相的报道，而通过验证超声波定位测试结果正确的典型例子及时三角形接线，其中套管

42、均与两相相连。另一个信息来源是检查变压器内部结构图纸及可能的照片，其中显示了可能的局放放电部位，并显示故障是否在低压或高压侧，油箱内壁或油箱的上部、中部抑或下部。图4中显示了以简化的变压器侧示意图。检查局部放电故障点的操作部位包括整个线圈，有载分接开关部位以及/或由高压线圈至套管高压引线。理想的传感器初始布置一般如图5a、5b或5c中显示的布置方式。图5a、5b用于已知故障相的检测，图5c则用于对是否存在故障并无信息的情况。上述图中，分别对所怀疑存在局部放电相的顶部、中部及底部进行检测以获得对各相的整体了解。但在实际操作中通常理想的放置位置却由于诸如散热器、油箱加强筋、有载分接开关及控制柜等阻

43、碍而无法固定传感器。此时就需要些许的创造性，而实际的传感器布置也将于前述的布置方式有显著的不同。举例来说，由于散热器或内部接线等障碍，较其他两相而言，某一相上设置的传感器则可置于对面的油箱壁上。如将传感器固定于检修孔或其他法兰处则可能获得的超声波信号与变压器本体无关，故变压器油需与盖板内表面相接触以确保传感器的有效检测。壳式变压器外传感器的布置需要做特别注意油箱的内部屏蔽，因此只能将传感器置于油箱顶部或无屏蔽区域进行检测。测量及变更传感器布置将传感置于适当的位置后，应进行简单的检验以确保系统工作正常。采用较低的信号放大设置，并在一传感器附近用手指轻轻敲击油箱产生超声波信号，而所有传感器均应检测

44、到信号并于主机示波器显示。用同样方法依次检验每个传感器。此时，准备工作已经就绪并可开始超声波检测。与常规感应电压测试相同，将变压器缓缓升压直至视在电量检测器可测量到连续的局部放电信号，或完全升至测试电压后测量连续的局部放电信号（注意：不应升压过高以免对变压器绝缘造成破坏）。在该电压等级下，并将超声波信号放大设置置于中等放大后，示波器的触发精度需做校准以应对定量的电气局部放点检测器信号。因此，对每半个电源周波，示波器均会被触发并且开始自超声波传感器及电信号传感器进行数据采集。数据开始采集的时间作为“时间原点”，并且示波器应允许多个传感器信号立即显示，从而将用于分析的数据“固定”于屏幕并作相应存储

45、。根据10.1章节的内容进行对超声波信号的分析。若没有传感器显示局部放电信号，可增大信号增益。采用该传感器布置以及超声波检测时，局部放电源的定位精度可达25cm或更小。9 超声波信号特征9.1 概要-交变电流检测系统通常来说，检测均会获得两类结果，一类是获得的连续信号，另一类则是间断型信号。所谓连续型信号指虽然信号幅值可能有所变化，但信号一直存在，且信号的周期性与电源频率相关，这类信号通常由高能局部放电源或不因变压器内部结构而衰减的信号源而产生。间断型信号进而也可分为两种类型a.连续性局部放电源产生的间断超声波信号在大多数时间均存在，但也会遭遇短时消失的情况。通常由处于导体表面、接线、分接开关

46、磨损、异物或接地故障而产生该类信号。b.间断型局部放电的特征为在较长的平静期（可能数分钟）后伴随短时强信号，该类信号通常由悬浮的静电屏蔽、短时电弧放电所产生，这类故障在活跃阶段通常可产生高能超声波信号。如前所述，通常可通过移动传感器而确定油箱上最靠近局放源的位置，但无法提供局放源至油箱距离。而通过在示波器(推荐使用数字式瞬时波形记录器)上观察波形情况，则有助于得到有关局放源距离的信息。例如，图1中的信号仅有微小衰减，表现为脉冲波形包络线的前缘上升时延很短，呈现为波形头部区域较窄的特性。从传播路径看，传播路径基本为油中传播并基本不包括固体绝缘介质。若相同的信号需穿过多层固绝缘介质，信号衰减的结果

47、不仅影响信号的幅值，同样使得信号的前缘呈圆形。极端情况下，整个信号的包络线呈图7所示的“卵形”或“椭圆形”。利用这一现象，可大致判断声源是否靠近油箱抑或深入变压器绝缘内部。图7所显示的波形也可由与油箱上的传感器位置超过临界角，如果传感器的位置超过临界角，则超声波以横波方式在油箱内传播，而非直接穿过油箱。几类横波首先到达传感器（超声波在钢铁中的传播速度大于油），随后为压力波，故其波形则如超声波衰减后的波形（如图7）。使用者必须始终注意传感器的响应特性有时较局部放电信号特征则更为明显。除上述的特征外，局部放电通常与波形的激发频率相关。有时，在波形的某一固定位置则会存在轻微的“抖动”。9.2 记录单

48、个局部放电事件的超声波检测系统 超声波信号的频率范围通常介于50kHz350kHz，约150pC的局部放电产生信号的频率主要为100kHz，而更大的局部放电产生的信号的频率则降低。 信号随后的衰减是由于变压器铁芯、线圈结构的不同而造成的，而高频信号在油箱的衰减较低频更甚，信号的衰减同样影响到超声波信号与电信号间的相关性，下面则给出了若干的信号图例。图8显示时间段内的波形图中，横坐标为秒，而频率图中横坐标为赫兹。所使用的传感器的响应范围为20120kHz，上面的频谱图中也有清晰的显示，应注意波形中的起始脉冲幅值最大，随后的强度有所减弱，而0.7ms之后的信号则为反射脉冲。图9显示时间段内的信号为

49、典型的，传感器波形显示幅值较小的纵波先于横波约0.04ms。频率分量也与油箱壁厚度、油箱路径长度等因素有关，但对于直接传播信号则基本不发生改变。比较图10的两个图谱，局部放电信号中幅值较大的部分频率集中在50kHz左右，原因是信号源位于纸绝缘，而固体绝缘衰减成了高频分量。因此，局部放电信号仅稍大于系统噪声。如图11 所示，对信号进行平均值处理是一种有效降噪的方法，此时的触发值设定则根据信号中振幅较大的脉冲而定，均值处理则需要稳定的触发值和较高的采样频率，通常要进行几个独立的脉冲均值以避免偶然性，而实际检测中，均值处理也是最为有效的降噪方法。例如，对上面出现的-0.3ms信号的微弱特征，这类似特

50、征则有助于准确定位。图12中的波形不具有很短的上升时延，脉冲缓慢增长（注意时间范围），并在图中的1.5ms时左右开始增长，能谱则显示了在35Hz处较强的能量峰值，则显示出了信号穿过了多重介质使能量有较大衰减。9.3 在线超声波检测系统采用传统电测法获得的局部放电信号通常采用设置阈值的方法一显示局部放电的发展程度，通常的量纲为300500p C，由于传播距离及不同介质对超声波的影响，对超声波检测系统则无法给出阈值作为判别标准。而线圈内较强的信号源也可能在抵达传感器时变得很弱。此外，不同的增益设置也可导致信号幅度的差异。某些一起采用40220ms的信号时长作为区分局部放电脉冲的标准。对于超声波在线

51、监测系统来说，波形的两个最重要的信号特征分别有幅值-时间及能谱强度而得到。此外，其它相关特征包括： a） 信号能量计数：b） 单位时间内局部放电脉冲：c） 局部放电计数-幅值：d） 信号持续时间（ms）-幅值（d B）：e） 局部放电脉冲计数-相位：这类检测系统软件可利用如局部放电信号不同步的特征。图13中子传感器1、4及6的信号的重复频率与预测的平均频率不同，这类信号称之为“非同步”信号。图13中通道1（传感器1）的波形显示了椭圆形信号，而由局部放电信号的衰减所致。信号的衰减说明该信号在到达传感器之前通过了不同的介质或表明传感器位置不佳。由传感器4得到的波形则显示了直接传播的局部放电信号的箭

52、头波形（见图8）。传感器6得到的信号也呈现椭圆外观，但由于其时间延迟的特点，说明传感器6较传感器4距离局部放电源更远，通道6做出的触发条件是在时间原点处当信号超过一已知信号幅值而触发，对于采样A/D转换频率为1MH z的系统来说，预设的出发时间通常为20ms。该时长为120ms的波形截图显示的信号并未达到最大值，说明信号可能通过了多重介质或由于传感器位置导致通道6的信号传播较长。若为同步信号，则通常为噪声干扰。图13中来自传感器2、3、5的信号波形显示了这些信号具备重复性（周期性），其平均周期则与该传感器带宽的某些频率相关，而具有可能推断频率的信号通常称其具有同步性。具有局部放电源定位算法的软

53、件则采用了系统检测数据以及变压器的三维尺寸数据，以实现对局部放电定位的优化。该软件也采用了小波分析方法以评估局部放电电源的位置（见附录C）。9.4 概要-直接电流检测系统9.5 有静电起电产生的局部放电特性从多数大型电力变压器的故障来看，部分归咎于静电电荷积累及最后的闪络二导致的故障，当绝缘油温低于40且油速相对较快的条件下，现场测试也显示了静电电荷积累与局部放电活动水平增长的相关性。该现象称之为静电起电。现场测试过程中同时也进行的DGA（油中溶解气体分析），但结果显示并无氢气机其他气体的升高，可能由于时间较短且静电起电的间断性存在所致。外部传感器则主要集中在变压器顶部以避免内部对信号的屏蔽，

54、而提前静电起电引起的高能量放电均可由放置于非屏蔽区的传感器检测。有时技术人员在变压器附近也可听到放电声响。静电放电在造成故障之前可通过超声波检测，现场色是经验表明多数静电放电事故在变压器启动或冬季低负荷下运行时发生。随着油温的升高，由静电起电为伴随产生的超声波信号也逐渐减弱，并通常在油温至50后停止。9.6热故障、铁芯、机械噪声及其他超声源的信号活动情况通常在采用其他技术（通常为油中溶解气体分析）证实电力变压器内部存在故障的情况下，将超声波检测技术用于变压器内部局部放电或者电弧放电的探测及定位。但通过多年研究发现，没有气体异常或显示存在电气故障的变压器在采用超声波在线监测一段时间后，也会发现有

55、超声波信号。因此必须对这些信号与局部放电信号加以区别，以确保其结果的可靠性。下面列出了相关示例及其特征。铁芯磁致噪声（巴克豪森效应）此类噪声的谐波频率通常为30-40KHZ的范围；油泵噪声：潜油泵内的放电也会对放置于变压器油箱底部的传感器造成影响，但该信号通常与50或60HZ的波形频率不相关。铭牌松动，管路的相互碰撞，风机噪声等有时也会产生与局部放电信号相类似的重复性信号，但其信号长度通常更长与局部放电信号，而局部放电信号的时长则小于150us。变压器油箱内部屏蔽连接处的松动也可导致较大的局部放电，但对于变压器的运行并无影响。局放源位置的确定必须参考变压器的结构设计。自传感器到放大器的连接部分

56、，若屏蔽不良可感应外界局放信号，在明确变压器内部存在故障的结论之前应检查每一个可能的干扰源。卡车，环境噪声（雷暴天气、雨雪、冰雹、狂风等）以及变压器油箱附近的其他因素均可影响超声波传感器。这些随机信号通常超过1ms。开关或分接开关动作可产生随机信号。热故障也可产生随机信号【B15、B36】 通过研究超声波信号与变压器测试过程中的其他参数（电流电压、油泵；风机电流、油温、绕组热点温度、相角等）间的相关性，也有助于鉴别兵区分测试过程中的不同声源。条件允许时，可进行与局部放电电测法测试结果间的比对以帮组区分局部放电信号及噪声。9.7 电信号及超声波信号的比较与其他电气现象不同的是，局部放电表现为快速

57、暂态电脉冲并伴随声响。根据局部放电位置以及传播路径的不同，可采用电或超声信号用于局部放电检测。两类检测方法采用不同检测技术，故降噪能力也不相同。超声波局部放电检测主要的局限性在于仅能检测传感器响应区域内的局部放电信号，单个床阿奇的检测区域有限，而对干扰噪声也有相同效果。局部放电电测法覆盖区域广，包括例如套管、分接开关等组件。但电测法同时采集外部噪声，且难以去除。电测法仪器检测数据与实际放电脉冲幅值间关联性较超声波检测技术更好。目前的相关国际标准也对仪器响应也做出定义，即仪器读出与皮库（PC）或微库（mc）间的关系，以便在出厂测试与现场测试间进行更好的比较。以下表格列举的两类检测技术间的基本比较

58、：局部放电类型及位置电测法超声波检测备注变压器内局部放电线圈外局部放电可以可以最适于使用超声波检测仪，并进行三角定位线圈内局部放电可以困难超声波信号在线圈内衰减较强，RIV检测信号可收到LC回路的谐振影响线圈、铁芯间局部放电可以较困难绝缘油界面电弧/爬电可以可以油中套管表面电弧/爬电可以可以套管内局部放电可以可能3、无载分接开关内局部放电可以可以有载分接开关内局部放电可以可以4、传感器应位于有载分接开关部位噪声源变压器外部的局部放电（例如母线电晕、开关内局部放电）可以不可以1、较强的放电/先导放电可以可能1、2雷电冲击可以可能1、2、一般为非单一事件附近的汽车点火可以不可以1、与相位无关电子电源开关可以不可以无线电台、发射机可以不可以需要增加电信号噪声滤波器（带阻）或改变RIV测试频率环境（雷暴天气、雨雪、冰雹、狂风等）不可以可以其他绝缘油劣化/水分增高不可以不可以除局部放电外，需辅以其他手段（PF、DGA等）成功的局部放电探测需要进行噪声抑制（如采用外部噪声天线）以及局部放电相位图谱（指纹图谱）的