變壓器超聲波局部放電測試在電網(wǎng)的應(yīng)用

文/屈剛 麻國棟，海洋石油工程股份有限公司檢測公司

目前檢測變壓器放電性故障的主要方法是進(jìn)行局部放電水平的測量，有脈沖電流局部放電量測量法(以下簡稱脈沖電流法)和超聲波局部放電測量法(以下簡稱超聲波法)。脈沖電流法需在設(shè)備停電條件時靠外施電壓進(jìn)行檢測，雖然能對放電量的大小進(jìn)行定量測量，以確定放電點的電氣位置，但是無法確定放電點的空間位置，且檢測時必須為停電情況。因此對變壓器實施及時、在線的超聲波局部放電檢測，并配合其它的絕緣試驗項目(如油色譜氣體分析、遠(yuǎn)紅外測溫等)，分析變壓器絕緣狀況，及時確定絕緣缺陷性質(zhì)就顯得越來越重要。

1 超聲波局部放電測試原理

絕緣介質(zhì)局部放電有2種類型：氣泡內(nèi)放電；介質(zhì)在高場強(qiáng)下游離擊穿。一些澆注、擠壓的絕緣介質(zhì)容易夾雜著氣隙或氣泡，空氣的介電常數(shù)較固體介質(zhì)小，而場強(qiáng)與介電常數(shù)成反比。因此，介質(zhì)中的氣隙或氣泡是第一種局部放電的發(fā)源地；當(dāng)局部電場更高時，在絕緣薄弱環(huán)節(jié)處將引起介質(zhì)的游離擊穿。以上2種局部放電，在多數(shù)情況下往往同時發(fā)生或互相誘發(fā)。

變壓器在試驗電壓(或工作電壓)下出現(xiàn)局部放電時，伴隨產(chǎn)生電脈沖、超聲波、光、熱和化學(xué)變化等物理現(xiàn)象。只要變壓器內(nèi)部存在局部放電，就一定會產(chǎn)生高頻的電氣擾動，并將向所有與其有連接的電氣回路傳播。利用連接到設(shè)備端子上的測試裝置接到放電信號，可對變壓器局部放電進(jìn)行定量檢測。同時，只要存在局部放電，在放電過程中，隨著放電的發(fā)生，伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波，且很快向四周介質(zhì)傳播，通過安裝在變壓器油箱外壁上的超聲波傳感器，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，就能對變壓器內(nèi)的局部放電水平進(jìn)行測量，此即為變壓器超聲波局部放電測量法。

在變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，伴隨有聲波能量的放出，超聲波通過不同介質(zhì)(油紙、隔板、繞組、油等)向外傳播。這種超聲波信號以某一速度通過絕緣紙板、絕緣油等介質(zhì)向變壓器油箱外傳播，以球面波的形式向四周傳播，超聲波穿過絕緣介質(zhì)到達(dá)變壓器箱壁上的傳感器有2條途徑：一條直接傳播，即超聲波的縱向波穿過絕緣介質(zhì)、變壓器油等到油箱內(nèi)壁，并透過鋼板到達(dá)傳感器；另一條是以縱向波傳到油箱內(nèi)壁，后沿鋼板按橫向波傳播到傳感器，此波為復(fù)合波。

超聲波具有很強(qiáng)的穿透能力，但是它在穿透各種介質(zhì)時都會使波形發(fā)生某種程度的畸變，而這種畸變主要表現(xiàn)為幅值的衰減，表1是超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度及其相對于變壓器油的相對衰減率。雖然超聲波在鋼板中的傳播速度比在變壓器油中的快得多，但是超聲波在鋼板中的衰減很大，所以到達(dá)傳感器的直接波的幅值比復(fù)合波大得多。

盡管電力變壓器內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但是經(jīng)絕緣油浸透的絕緣介質(zhì)和變壓器油的聲阻抗十分接近，它們構(gòu)成許多間隙聲通道。所以，產(chǎn)生在較外圍的電力變壓器局放故障，其超聲信號能夠較強(qiáng)地傳輸?shù)阶儔浩飨潴w上的傳感器。布置在油箱外壁上不同位置的超聲傳感器即檢測探頭相對于某一放電點之間的距離是不同的，放電產(chǎn)生的超聲信號到達(dá)探頭的時間也不同。通過超聲接受傳感器，測量超聲波的大小及通過測量超聲波傳播的時延時間，即可確定局部放電源的空間位置。

2 檢測頻率的確定

當(dāng)發(fā)生局部放電時，由于絕緣弱點中分子的激烈撞擊、氣泡的形成和發(fā)展，液體的流動以及固體材料的微小開裂都會發(fā)出聲波，通常由于局部放電在氣體中產(chǎn)生的聲波頻率約幾kHz，而在液體、固體中產(chǎn)生的聲波頻率約在幾十到幾百kHz。變壓器鐵芯的噪聲在低頻領(lǐng)域，其噪聲水平較高，機(jī)械振動的噪聲大多在20kHz以下。超聲波局部放電的檢出，應(yīng)避開干擾頻率范圍而以高頻率為對象。但頻率越高，聲波在傳送過程中的衰減很大，因此超聲波局部放電檢出的頻率一般在數(shù)十到數(shù)百kHz。測試頻帶應(yīng)選用40～300kHz。

3 超聲波局部放電測試的必要性

超聲波法是用置于油箱壁上的超聲波傳感器接收信號，通過信號大小的比較分析，對變壓器內(nèi)的局部放電進(jìn)行定性測量，還能對放電點所處的空間位置進(jìn)行確定，并具有在不停電條件下對變壓器內(nèi)的局部放電進(jìn)行檢測等優(yōu)點，它的檢測結(jié)果可以給變壓器的故障分析及處理提供更多的信息，同時這一方法可避免現(xiàn)場各種電氣信號的干擾。因此超聲波局部放電檢測是變壓器放電性故障測量及帶電監(jiān)測的一種較好的方法。

目前脈沖電流法在變壓器離線試驗條件下應(yīng)用廣泛，而在運行條件下應(yīng)用還存在一些困難。特別是我國電氣設(shè)備仍沿用基于時間的預(yù)防性試驗，對于部分絕緣狀況不佳的變壓器設(shè)備，往往由于不能及時檢出絕緣薄弱點而導(dǎo)致運行事故發(fā)生。因此隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，提高電氣設(shè)備的安全運行水平，開展變壓器超聲局部放電檢測就顯得非常必要。通過在線超聲波局部放電檢測，可隨時隨地地監(jiān)視變壓器局部放電水平的變化狀態(tài)。

4 應(yīng)用方法

某公司從2002年至今，已開展變壓器超聲波局部放電測量百余臺次。首先在變壓器本體建立固定的測試點，以第一次測量的超聲波大小為基準(zhǔn)值，建立超聲波指紋，根據(jù)必要性定期進(jìn)行檢測，通過縱向波測量值比較，監(jiān)視變壓器內(nèi)部局部放電水平的變化量，并結(jié)合變壓器油色譜分析、遠(yuǎn)紅外測溫等試驗項目的綜合分析，判斷變壓器的絕緣狀況，診斷變壓器健康水平，確保變壓器安全運行。

5 結(jié)束語

超聲波法是電力變壓器局部放電故障診斷的有效手段，它可將使局部放電測試技術(shù)向多元化方向發(fā)展。利用超聲測試與局部放電相結(jié)合的測量方法能精確地測出變壓器內(nèi)部的局部放電故障點，并定性地測量局部放電的變化情況。對在網(wǎng)運行的變壓器進(jìn)行故障診斷時，應(yīng)用超聲波法與油色譜分析等試驗相結(jié)合能夠確定設(shè)備是否存在局部放電，并指出放電的大概位置。

但是，該方法也有一定的局限性。當(dāng)放電源位于變壓器線圈表層時測試是有效的；當(dāng)放電源位于變壓器絕緣深部時，信號將很難收到。對于同時出現(xiàn)的多點放電，如何判斷超聲信號的大小，如何區(qū)分其超聲信號，仍需要做進(jìn)一步的工作。