張春燕,張映月,滕 俊,盛 吉,商 超,王 偉

(1.揚州供電公司，江蘇揚州 225000；2.華北電力大學，北京 102206)

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基于光纖超聲傳感器的油紙絕緣局部放電超聲波信號特性試驗研究

張春燕1,張映月1,滕 俊1,盛 吉1,商 超2,王 偉2

(1.揚州供電公司，江蘇揚州 225000；2.華北電力大學，北京 102206)

0 引 言

局部放電監(jiān)測是變壓器絕緣檢測的主要方法之一，而超聲波法又是局放監(jiān)測的主要方法之一[1-3]。

超聲波法主要分為兩種，一種是采用常規(guī)壓電陶瓷類傳感器貼在電氣設備的外壁上檢測超聲波信號[4-8]；另一種是采用光學傳感器檢測超聲波信號，可內(nèi)置到設備內(nèi)部測量。本文所研制的是基于法布里-珀羅光學干涉原理來檢測局部放電產(chǎn)生的超聲波的光纖超聲傳感器[9-10]，光源發(fā)射出的光經(jīng)過光環(huán)行器沿著光纖到達傳感探頭，入射光在F-P腔內(nèi)發(fā)生2次折反射，干涉后的光強只和腔長有關(guān)，當外界超聲波振動信號作用到膜片時將導致探頭膜片發(fā)生形變，F(xiàn)-P腔腔長隨之變化，法布里-珀羅干涉儀把相位變化轉(zhuǎn)為光強變化，通過分析光強的分布即可得到待測超聲波的強弱分布(即超聲波信號波形)。光纖檢測法測量波形良好，且靈敏度比壓電陶瓷高出許多，可以檢測較弱的局部放電，對于變壓器絕緣早期故障監(jiān)測有重要意義，與脈沖電流法有一定的對應性，傳感器可伸入變壓器內(nèi)部在油中直接測量，不存在傳播多路徑問題，而目前壓電陶瓷傳感器是貼于變壓器等設備的外壁上，存在超聲波傳播多路徑問題，所以定位一直未取得突破性進展。與壓電陶瓷傳感器相比，光纖超聲傳感器最大優(yōu)點是：抗干擾能力強，不受電磁波的影響；可內(nèi)置，能有效避免變壓器外殼對信號的衰減，靈敏度高。因此該種傳感器有望成為一種有效的在線監(jiān)測手段，具有較好的應用前景。

變壓器油紙絕緣中如果發(fā)生局部放電，所產(chǎn)生的超聲波會通過多種介質(zhì)到達傳感器，比如油層、線圈上的絕緣紙和圍屏紙板等，同時受到線圈和鐵芯的阻擋，超聲波在傳播過程中會發(fā)生反射、折射和繞射等現(xiàn)象，其傳播過程比較復雜[11-14]。由于采用光纖超聲傳感器在油中直接測試局部放電產(chǎn)生的超聲波是一種新的嘗試，對局部放電超聲波信號在油紙絕緣中的傳播特性進行試驗研究，掌握其傳播特性非常有必要[15-17]。本文主要研究了局部放電產(chǎn)生的超聲波在油中不同介質(zhì)傳播過程中和遭遇障礙物阻擋時信號衰減度、波形變化和傳播速度等相關(guān)特性，為現(xiàn)場實際測量和故障診斷建立基礎。

1 試驗裝置

試驗系統(tǒng)如圖1所示。

試驗系統(tǒng)由試驗油箱、25#變壓器油、光學檢測系統(tǒng)、示波器和放電源組成，油箱長寬高為2m×1m×1m，1cm厚鋼板焊接而成，裝有25#變壓器油，深度為90cm，光學檢測系統(tǒng)包含光源、環(huán)形器、光纖傳感器、光電探測器和放大器幾個部分。光纖EFPI傳感器采用周邊固定的圓形硅膜振動結(jié)構(gòu)，膜片采用半徑900μm、厚度30μm、固有頻率101.5kHz的圓形硅膜，其中心壓強靈敏度ηmax=60nm/kPa，放大器增益為60dB。障礙物包括油浸絕緣紙板、干燥絕緣紙版、鋼板和銅線圈。其中絕緣紙板和鋼板的長寬為50cm×40cm，絕緣紙板厚度為2mm，鋼板厚度為3mm；銅線圈由4層銅導體組成，每層有27根銅導體，每根銅導體的橫截面是1cm×0.8cm長方形，銅導體外面有絕緣紙纏繞，每根銅導體之間和每層之間均有縫隙。放電源由高壓電源、調(diào)壓器和放電模型組成，放電模型是針板電極，中間隔一層1mm厚油浸絕緣紙板。此外，檢測到的信號波形信息由示波器顯示出來。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 超聲波在油中的傳播

為測試超聲波在油中的衰減情況，用換能器產(chǎn)生的超聲波替代局部放電產(chǎn)生的超聲波，頻率選擇光纖超聲傳感器檢測局部放電時的中心頻率，幅值保持不變。將換能器探頭放置在油箱靠左側(cè)20cm、深度25cm處，正對光纖超聲傳感器并固定不動。光纖超聲傳感器分別放置距換能器10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm和110cm處，讀取信號波形第一個脈沖值并記錄。電壓幅值與距離的關(guān)系如圖2所示。

圖2 油中超聲信號的衰減度曲線

從圖中可以看到，隨著距離的增加，信號幅值是衰減的，在距離較短的范圍內(nèi)，電壓幅值衰減比較快；隨著距離增加，衰減程度減小。這說明超聲波在油中無障礙傳播時會發(fā)生衰減，當光纖超聲傳感器放置的位置距放電源較遠時，需要較高的靈敏度才能撲捉到較弱的信號。

測量超聲波在油中的傳播速度以及傳播過程中波形變化的試驗布置如圖3所示。由于局部放電信號強度以及產(chǎn)生的超聲波幅值大小具有分散性，為了保證能夠測到同一放電產(chǎn)生的超聲波在不同距離下的時延及波形變化，因而需要兩套響應頻率相同、靈敏度一致的光纖超聲傳感器。放電源置于油箱中間，1#和2#傳感器分別位于距放電源兩側(cè)30cm、深度25cm處，加壓至局部放電發(fā)生，分別記錄兩個傳感器的信號幅值，并記錄兩個波形第一個峰值的時間差，替代兩個波形起始點的時間差，測量20組數(shù)據(jù)并計算均值，結(jié)果如表1所示。

圖3 試驗布置圖

距離差/cm0203040時間差Δt/μs0140.7211.3279.6

表中第一列數(shù)據(jù)表示1#和2#傳感器分別位于放電源兩側(cè)30cm處，由于距放電源的距離相等，所以時延Δt1=0。兩個傳感器的波形如圖4(a)所示。對第二個時間差Δt2進行分析：這兩個點的水平距離差是Δs2=20cm，則傳播速度為

(1)

同理可求得

(2)

(3)

則：

(4)

油溫為18℃時，實驗測量到超聲波速度為1 424m/s。超聲標準中，溫度為20℃時，超聲波在油中速度為1 420m/s，測量結(jié)果與標準接近，相對誤差為

(5)

圖4(b)是兩個傳感器的相對距離差為20cm時的波形，其中1是距離放電源30cm處1#傳感器的波形，2是距離放電源50cm處2#傳感器的波形。其他不同距離的測試波形也符合這個規(guī)律，說明超聲波在傳播過程中只是幅值的衰減，波形基本上保持不變。

圖4 不同距離兩個傳感器的波形

2.2 超聲波在油紙絕緣中的傳播

在油中試驗基礎上，分別在2#探頭和放電源中間放置1層、2層、3層、4層和5層干燥后的絕緣紙板和經(jīng)過40h變壓器油浸泡的絕緣紙板，微調(diào)其中一個傳感器的位置，使得兩個傳感器與放電源距離相等；采用針板放電模型，加壓使其出現(xiàn)局放，分別記錄兩個傳感器的信號幅值；以無絕緣紙時2#與1#信號幅值比值作為不同層數(shù)絕緣紙的參考值，然后分別加入不同層數(shù)絕緣紙，測量20組數(shù)據(jù)并作平均，結(jié)果如表2所示。

表2 絕緣紙中兩個傳感器的幅值之比

根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)，可以得到超聲波在絕緣紙(紙板厚度<10mm)中傳播的衰減度，如圖5所示。

圖5 超聲波在絕緣紙中傳播的衰減度

由圖5可知，超聲波在干燥絕緣紙板中傳播時衰減比較大，但在油浸絕緣紙中衰減比較小。這是因為干燥絕緣紙內(nèi)部存在一些氣泡，并且各層之間也有一定的空氣層，而空氣的聲阻抗比絕緣紙的聲阻抗小得多，絕緣紙的聲阻抗與油的聲阻抗比較接近，超聲波在油紙界面反射要小些，在油空氣界面由于聲阻抗相差比較大反射要大些，所以超聲波在干燥絕緣紙衰減會比較大。而絕緣紙經(jīng)過40h油浸過后，其中空氣基本上被排除，兩者的聲阻抗接近一樣，對超聲波的影響比較小，所以衰減比較小。

圖6 不同絕緣紙下超聲波波形

如圖6所示，兩者的時間差很小，加絕緣紙板后，傳播時間略微變短，這是由于超聲波在固體中的傳播速度大于液體，在絕緣紙中傳播稍快一點，區(qū)別不明顯，基本上可以認為油中速度和油浸絕緣紙組合中速度是相等的。同樣，超聲波傳播過程中經(jīng)過絕緣紙后波形基本上沒有變化，其中1是油中傳感器的波形，2是經(jīng)過絕緣紙后傳感器的波形。這也說明超聲波在絕緣紙中傳播波形不會發(fā)生畸變，經(jīng)過絕緣紙后波頭對應性較好，只發(fā)生幅值衰減。

2.3 超聲波受鋼板阻擋時的傳播

將絕緣紙試驗中的絕緣紙板換成鋼板，依次增加層數(shù)。測量20組數(shù)據(jù)，求出兩個傳感器的比值，平均后得到表3。

表3 鋼板中兩個傳感器的幅值之比及時間差

由以上數(shù)據(jù)可知，超聲波在鋼板中的衰減隨比較大，但比干燥絕緣紙衰減小，比油浸絕緣紙衰減大，超聲波穿過15mm厚的鋼板衰減60%。

圖7是超聲波在鋼板中傳播的衰減度。

圖7 超聲波在鋼板中傳播的衰減度

兩個傳感器的時間差在于超聲波在鋼板與油中的速度不同，利用表中時間差數(shù)據(jù)可以計算超聲波在鋼板中的傳播速度。根據(jù)公式：

(6)

式中：s為鋼板的厚度；v為油中波速，1 424m/s；v1為鋼板中速度。

則不同鋼板厚度的傳播速度如表4所示。

表4 超聲波在鋼板中的傳播速度

平均速度為5 545.51m/s，比理論值5 200m/s偏大一些，主要原因是在示波器上微秒級的時間讀數(shù)不是非常精確，會產(chǎn)生一定的誤差。

圖8所示是超聲波在油中和鋼板中的波形對比，從圖中可以看出，當超聲波經(jīng)過鋼板傳播時，波形并沒有發(fā)生嚴重的畸變，只發(fā)生衰減，衰減程度比絕緣紙更大，這說明變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號經(jīng)過鐵芯時，除去幅值衰減外，波形基本上保持不變。

圖8 超聲波在鋼板中傳播的波形

2.4 超聲波在組合介質(zhì)中的傳播

在上述實驗的基礎上將鋼板換成一層絕緣紙和一層鋼板的組合體，處理方法同上，得到表5。

表5 組合介質(zhì)中兩個傳感器的幅值比和時間差

從表3和表5可以看出，超聲波在絕緣紙和鋼板的組合體中衰減比單一的鋼板要大一點，一層鋼板的衰減度是73.3%，即衰減了26.7%，而組合體則是61.8%，即衰減了38.2%。

組合體中的傳播速度計算如下：

(7)

則超聲波在組合體中的傳播速度為3 261.08m/s，介于鋼板和油紙絕緣之間。

圖9所示是超聲波通過組合絕緣(鋼板絕緣紙組合厚度<15mm)傳播的波形與油中波形的對比情況。超聲波通過組合體傳播的波形基本沒有發(fā)生變化。

圖9 超聲波在組合介質(zhì)中傳播的波形

2.5 超聲波通過銅線圈時的特性

表6是把鋼板換成銅線圈，測量20組數(shù)據(jù)平均后得到的，其中線圈為4層銅導體，厚度大于40mm，實物如圖10所示。由于銅線圈比較笨重，考慮到操作方便，銅線圈放置在1#傳感器與放電源之間，傳感器依然位于深度25cm處，放電源到傳感器的距離為35cm。

表6 銅線圈中兩個傳感器的幅值比和時間差

圖10 銅線圈實物圖

由于超聲波要通過4層銅導體，幅值衰減了64%，衰減比較大。波形如圖11所示。從圖中可以看到，超聲波經(jīng)過銅線圈后，不僅發(fā)生衰減，波形也發(fā)生了明顯的改變，先是衰減明顯的波形，而后出現(xiàn)較大的峰值是經(jīng)過油車鋼板壁反射過來的波。

圖11 超聲波在銅線圈中傳播的波形

銅線圈的寬度是10mm，超聲波傳播速度計算公式為

(8)

式中：s為銅線圈的厚度，0.01m；v為油中速度，1 424m/s；v1為銅線圈中速度；Δt為時間差，285.83-5.068=280.762μs。

則超聲波在銅線圈中的傳播速度為284.9m/s，這可能是由于銅線圈比較復雜，比較厚，因而導致傳播速度比較小。同時也說明，超聲波并不是通過線圈之間的縫隙傳播的。至于后面幅值比較大的波形，是通過油車右側(cè)的右內(nèi)壁反射過來與原來的波形疊加而成。

如圖12所示，放電源到右內(nèi)壁的距離為40cm，到左內(nèi)壁的距離為160cm，到下內(nèi)壁是75cm，通過三角形定理可知，放電源傳播至1#傳感器的路程為87.73cm，從圖11可知，反射波到達傳感器的時間大約是600μs，按照波在油中的波速計算，反射波的傳播路程為85.44cm，所以可以斷定圖11(b)1#傳感器測到的放電信號中后面峰值較高的波形應該是反射波。

圖12 銅線圈試驗布置圖

2.6 現(xiàn)場實體變壓器中的測試

圖13所示是在實際變壓器中進行局部放電的檢測試驗。這是一臺110kV三相油浸式變壓器，其尺寸為4.5m×2m×2.5m，變壓器頂端兩側(cè)分別有兩個法蘭孔，可將放電模型和傳感器深入到變壓器中。試驗布置如圖14所示。

圖13 現(xiàn)場變壓器

圖14 試驗布置圖

試驗過程如下：

① 放電模型從大法蘭孔1處深入變壓器內(nèi)部，距離油面30cm；從小法蘭孔2、3處置入傳感器，距離油面15cm，加壓至出現(xiàn)局部放電，記錄兩個傳感器的信號波形；

② 試驗布置同①，傳感器位置不變，將放電源往下伸，距離油面1.3m，加壓至出現(xiàn)局部放電，記錄兩個傳感器的信號波形；

③ 試驗布置同①，傳感器位置不變，放電源往下伸，距離油面2m，加壓至出現(xiàn)局部放電，記錄兩個傳感器的信號波形。

整個試驗，局部放電量控制在100pC左右，小蓋2處不同試驗步驟傳感器測試波形如圖15所示，小蓋3處傳感器只有步驟③測到波形如圖16所示。

圖15 不同試驗步驟2#傳感器測試波形

圖16 步驟3中法蘭孔3內(nèi)置傳感器測試波形

從圖15可以看出，即使與放電源的距離不同，波形也并沒有很大的變化，同側(cè)兩者距離為0.3m測到信號幅值為800mV左右，放電源在1.3m深處時測到信號幅值為500mV左右，放電源在2m深處時測到信號幅值為300mV左右，說明隨著深度的增加，超聲波在傳播過程中會衰減；特別是傳感器距放電源接近2m時傳感器仍可檢測到清晰的超聲波信號；同時從圖16可以看出，對面法蘭孔3中內(nèi)置的傳感器也測到了清晰的信號，說明信號可以從兩相繞組之間的縫隙中傳播過去，傳感器可以滿足實測要求。

法蘭孔4中也內(nèi)置了傳感器進行測試，但沒有測到信號，說明線圈和鐵芯阻擋對傳感器的檢測是有影響的。只需在變壓器內(nèi)不同位置安裝多個傳感器，便可以達到檢測的要求。

3 結(jié)束語

通過上述采用內(nèi)置光纖超聲傳感器進行局部放電超聲波檢測的試驗，我們得到如下結(jié)論：

①超聲波信號在油中、油紙絕緣阻擋(紙板厚度<10mm)、油與鋼板阻擋(鋼板厚度<15mm)以及絕緣紙-鋼板組合介質(zhì)(鋼板絕緣紙組合厚度<15mm)中傳播會衰減，但波形不會發(fā)生畸變，只要傳感器有足夠的靈敏度，就可以檢測到局放信號。

②超聲波信號通過銅線圈(線圈為4層銅導體，厚度>40mm)時幅值衰減比較大，波形也會發(fā)生較大畸變，這給檢測繞組內(nèi)部的局部放電帶來一定難度，超聲波不是通過線圈之間的縫隙傳播的，沒有檢測到直達波，而且檢測到的器壁反射波形會發(fā)生畸變。傳感器能否檢測到局放信號，要視傳感器的安裝位置和信號的傳播路徑而定。

③在實體變壓器中進行局部放電檢測，100pC的直達局部放電信號距傳感器2m處可檢測到300mV的信號。因此只需在變壓器不同位置安裝多個傳感器，即可解決線圈和鐵芯的阻擋問題，達到檢測的要求。

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(責任編輯：楊秋霞)

Test on Ultrasonic Characteristics of Partial Discharge in Oil-paper Insulation for Transformers Based on Fiber-optic Ultrasonic Sensor

ZHANG Chunyan1, ZHANG Yingyue1, TENG Jun1, SHENG Ji1, SHANG Chao2, WANG Wei2

(1. Yangzhou Power Supply Company,Yangzhou 225000, China; 2. North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

對變壓器絕緣進行有效的局部放電在線監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)變壓器的絕緣缺陷，確保整個電力系統(tǒng)的安全運行。本文采用光纖超聲傳感器對油中局部放電超聲信號在油、絕緣紙板、鋼板、絕緣紙-鋼板組合介質(zhì)以及銅線圈中傳播時，超聲波衰減情況、傳播速度和波形變化進行了試驗研究，結(jié)果表明：超聲波在油、絕緣紙、鋼板以及組合介質(zhì)中傳播時信號強度會衰減，但波形不會變化；銅線圈對超聲波影響最大，不僅衰減嚴重，速度減小，而且波形也會發(fā)生畸變。最后在實體變壓器中進行了實際測量，取得較好的檢測效果。

變壓器；超聲波；油紙絕緣；光纖超聲傳感器

It is of great value to detect Partial Discharge (PD) in transformer insulation sensitively on-line, to discover insulation defect in time, and to ensure the safety of the whole power system. In this paper, the ultrasonic attenuation, propagation velocity and waveform changes of PD is tested in oil-paper insulation through oil, insulation paper, steel, paper-steel composite medium and copper wire by using fiber-optic ultrasonic sensor. The results show that signal intensity of ultrasonic wave in oil, insulation paper, steel and composite medium can be attenuated, while the wave shape doesn’t change. It also can be seen from results that the influence of copper wire is the most serious, which can not only decrease the intensity and speed of ultrasonic wave, but also distort the ultrasonic wave. In the end, the actual measurement is carried out in the solid transformer, which obtains better detection effect.

transformer; ultrasonic wave; oil-paper insulation; fiber-optic ultrasonic sensor

1007-2322(2016)06-0056-08

A

TM938

國家自然科學基金項目(51577063)

2015-09-12

張春燕(1976—)，女，高級工程師，從事高電壓管理工作；

張映月(1963—)，男，高級工程師，從事電力生產(chǎn)管理工作；

滕 俊(1979—)，男，高級工程師，從事繼電保護檢修及管理工作；

盛 吉(1985—)，男，工程師，從事變電檢修工作；

商 超(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷研究，E-mail:1520414715@qq.com；

王 偉(1960—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷以及高電壓絕緣研究。