王 超，許本茂，馮 藩，嚴(yán)敏超，李雨哲，張 勁

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)天府新區(qū)供電公司，四川 成都 610041；3.國(guó)網(wǎng)綿陽供電公司， 四川 綿陽 621000； 4.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

作為電力系統(tǒng)的“心臟”，變壓器類設(shè)備安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)可靠性起著舉足輕重的作用。變壓器和高壓電抗器等設(shè)備體積大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受著嚴(yán)苛的運(yùn)行條件。大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，隨著運(yùn)行年限的增加，變壓器和高壓電抗器等設(shè)備因絕緣老化、劣化或鐵芯、夾件松動(dòng)可能引起局部放電。局部放電持續(xù)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致絕緣水平進(jìn)一步下降，甚至發(fā)生設(shè)備故障。因此，及時(shí)掌握變壓器類設(shè)備內(nèi)部局部放電情況乃至進(jìn)行診斷定位，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛伏性缺陷，并指導(dǎo)消缺避免設(shè)備故障，對(duì)變壓器類設(shè)備安全運(yùn)行有很大意義[1-4]。

變壓器和高壓電抗器的局部放電檢測(cè)，一直是科研院所、高校和企業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。但就目前而言，能夠有效監(jiān)測(cè)其內(nèi)部局部放電情況的變壓器和高壓電抗器，均是在設(shè)備制造期間即在其內(nèi)部安裝了特高頻或超聲波局部放電傳感器。而對(duì)于未安裝內(nèi)置傳感器的設(shè)備，只能通過油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置開展在線監(jiān)測(cè)、利用儀器開展帶電檢測(cè)。前者靈敏度有所欠缺且無法對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行精確定位；后者目前除高頻法外尚未有成熟、系統(tǒng)的方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)，而高頻法在實(shí)際應(yīng)用中抗干擾性不足且無法進(jìn)行缺陷定位，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求[5-8]。

電力系統(tǒng)中在運(yùn)行的變壓器和高壓電抗器，絕大多數(shù)未安裝內(nèi)置特高頻和超聲波局部放電傳感器，無法有效實(shí)施相應(yīng)的局部放電在線監(jiān)測(cè)[9-12]。為此，基于大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，整合現(xiàn)有的多種帶電檢測(cè)手段，研究基于聲電聯(lián)合及振動(dòng)帶電檢測(cè)的變壓器類設(shè)備局部放電診斷與定位方法，提升變壓器類設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)水平。

1 變壓器類設(shè)備局部放電帶電檢測(cè)方法

1.1 特高頻法

變壓器內(nèi)部存在局部放電，單次放電持續(xù)時(shí)間非常短暫，往往不超過100 ns，而放電脈沖上升時(shí)間則為納秒級(jí)，由此產(chǎn)生寬頻帶電磁波頻率可達(dá)數(shù)百兆赫茲甚至更高。在實(shí)驗(yàn)室研究中，局部放電產(chǎn)生的電磁波向設(shè)備殼體以外傳播，可以被特高頻傳感器檢測(cè)到。根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)幅值、相位分布特征有助于分析放電類型及嚴(yán)重程度。而利用不同位置的多個(gè)特高頻傳感器采集的信號(hào)，將其脈沖信號(hào)第一個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)間作為到達(dá)時(shí)間，可計(jì)算出放電源到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，從而經(jīng)過計(jì)算定位放電源。

1.2 超聲波法

變壓器內(nèi)部存在局部放電，除了伴隨電荷轉(zhuǎn)移外，還會(huì)產(chǎn)生以球面波方式各向傳播的超聲波。在絕緣油中，局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)頻率通?？蛇_(dá)80 kHz以上，將相應(yīng)檢測(cè)頻帶的超聲波傳感器緊貼于設(shè)備殼體外表面，即可進(jìn)行超聲波信號(hào)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)幅值、相位分布特征有助于分析放電類型及嚴(yán)重程度。同樣利用不同位置的多個(gè)超聲波傳感器采集的信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)第一個(gè)波峰出現(xiàn)的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算出放電源到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，從而可進(jìn)行放電源定位。

1.3 振動(dòng)檢測(cè)法

變壓器和高壓電抗器因鐵芯、夾件松動(dòng)引起的懸浮放電，往往會(huì)伴隨異常的振動(dòng)。利用振動(dòng)傳感器在設(shè)備殼體外表面進(jìn)行檢測(cè)，比對(duì)相同運(yùn)行狀態(tài)下同類設(shè)備、同一設(shè)備不同相、同一設(shè)備不同位置的振動(dòng)加速度、信號(hào)波形畸變比和奇偶諧波能量比等參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)變壓器和高壓電抗器異常振動(dòng)。結(jié)合聲電聯(lián)合局部放電帶電檢測(cè)手段綜合分析，有助于診斷并定位設(shè)備內(nèi)部局部放電缺陷。

2 變壓器類設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

立足特高頻法、超聲波法和時(shí)頻振動(dòng)法等成熟帶電檢測(cè)手段，結(jié)合變壓器和高壓電抗器設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行工況，特別是運(yùn)行年限較長(zhǎng)、負(fù)荷較大的設(shè)備鐵芯夾件松動(dòng)、內(nèi)部存在局部放電和殼體法蘭接縫距離較大等現(xiàn)象較為突出的情況，研究基于聲電聯(lián)合及振動(dòng)帶電檢測(cè)的變壓器類設(shè)備診斷方法及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。下面以500 kV高壓電抗器為例，介紹聲、電、振動(dòng)等手段結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合檢測(cè)及診斷方法。

1)如圖1所示，在500 kV高壓電抗器開展特高頻局部放電檢測(cè)，至少配備2個(gè)特高頻傳感器，1個(gè)作為背景信號(hào)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)空氣中背景噪聲信號(hào)，1個(gè)沿著設(shè)備殼體法蘭接縫處進(jìn)行異常信號(hào)檢測(cè)。對(duì)于檢測(cè)到的異常信號(hào)，若殼體法蘭接縫處存在50 Hz或100 Hz頻率相關(guān)性信號(hào)，同時(shí)背景噪聲信號(hào)無異常，則可判定信號(hào)來自設(shè)備內(nèi)部。若僅背景噪聲和殼體法蘭接縫處均存在50 Hz或100 Hz頻率相關(guān)性信號(hào)，而殼體法蘭接縫處信號(hào)無異常，則可判定信號(hào)來自外部干擾。若背景噪聲和殼體法蘭接縫處均存在50 Hz或100 Hz頻率相關(guān)信號(hào)，則通過信號(hào)幅值大小和信號(hào)到達(dá)時(shí)間判斷信號(hào)是否來自設(shè)備內(nèi)部。以圖1所示500 kV某線路C相高壓電抗器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)(見圖2)為例，圖2中1通道為殼體法蘭接縫處特高頻檢波信號(hào)；2通道為背景噪聲特高頻檢波信號(hào)，可見，僅殼體法蘭接縫處存在100 Hz頻率相關(guān)性信號(hào)，同時(shí)背景噪聲無異常，表明異常信號(hào)來自高壓電抗器內(nèi)部。100 Hz頻率相關(guān)信異常信號(hào)的存在表明設(shè)備內(nèi)部可能存在固體絕緣放電或懸浮電位放電。

圖1 變壓器類設(shè)備特高頻檢測(cè)傳感器布置

圖2 500 kV某線路C相高壓電抗器雙通道特高頻檢波信號(hào)

2)對(duì)運(yùn)行中的500 kV高壓電抗器開展超聲波局部放電檢測(cè)，在保證足夠安全距離情況下，圍繞殼體一周布置超聲波局部放電測(cè)點(diǎn)，傳感器布置如圖3所示。逐一進(jìn)行檢測(cè)并記錄信號(hào)幅值及波形特征，用于分析設(shè)備內(nèi)部放電情況。測(cè)得的50 Hz或100 Hz頻率相關(guān)性的異常信號(hào)，一方面與同一運(yùn)行工況下同類設(shè)備、同一設(shè)備不同相進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合信號(hào)特征分析對(duì)應(yīng)的缺陷類型；另一方面通過幅值比較法確定設(shè)備殼體表面異常超聲波信號(hào)最大的位置。

以圖3所示500 kV某線路C相高壓電抗器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)為例，根據(jù)多點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果，均存在如圖4所示的具有100 Hz頻率相關(guān)性的異常超聲波信號(hào)。作為比對(duì)，對(duì)B相高壓電抗器殼體表面進(jìn)行超聲波局部放電帶電檢測(cè)，未測(cè)得異常超聲波信號(hào)。對(duì)圖4所示的C相高壓電抗器殼體表面測(cè)得的異常超聲波信號(hào)進(jìn)行分析，該振蕩脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，每個(gè)脈沖幅值都是先振蕩上升然后振蕩減小，其包絡(luò)線近似為正弦波形，具有異常振動(dòng)的信號(hào)特征。在圖3所示的測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3進(jìn)行超聲波局部放電帶電檢測(cè)，測(cè)得如圖5所示的夾雜沖擊脈沖的異常超聲波信號(hào)。該沖擊脈沖信號(hào)分析為設(shè)備內(nèi)部放電產(chǎn)生的放電信號(hào)。

圖3 變壓器類設(shè)備超聲波及振動(dòng)檢測(cè)傳感器布置

3)在對(duì)500 kV高壓電抗器開展振動(dòng)檢測(cè)時(shí)，同樣對(duì)運(yùn)行中的變壓器和高壓電抗器，在保證足夠安全距離情況下，圍繞殼體一周布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置方式和超聲波測(cè)點(diǎn)布置方式基本一致。逐一進(jìn)行檢測(cè)并記錄信號(hào)用于分析設(shè)備振動(dòng)情況。對(duì)于變壓器和高壓電抗器異常振動(dòng)分析而言，除了對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析外，對(duì)同一運(yùn)行工況下同類設(shè)備、對(duì)同一設(shè)備不同相進(jìn)行比較是非常必要的。

圖4 500 kV某線路C相高壓電抗器異常超聲波信號(hào)

圖5 500 kV某線路C相高壓電抗器夾雜沖擊脈沖的異常超聲波信號(hào)

以圖3所示500 kV某線路C相高壓電抗器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)為例，同時(shí)在該線路A、B相高壓電抗器相同位置進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)比對(duì)分析。如圖6所示，三相高壓電抗器7個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度分布在4.5～15 m/s2之間，B相高壓電抗器7個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度相比A相和C相均較小；C相高壓電抗器在測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)6處的振動(dòng)加速度最大，超過了12 m/s2；此外，A相高壓電抗器在測(cè)點(diǎn)6處的振動(dòng)加速度也較大，超過了12 m/s2。

如圖7所示，三相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)波形畸變比測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在C相高壓電抗器測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的區(qū)域，振動(dòng)信號(hào)波形畸變比最大；其次是A相高壓電抗器，而B相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)波形畸變比最小。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)B相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)主頻率分布在100 Hz；A相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)主頻率除了100 Hz以外，在200 Hz處也有較大分量；而與A相高壓電抗器相比，C相高壓電抗器在200 Hz處的分量更大。

如圖8所示，從三相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)奇偶諧波能量比測(cè)試數(shù)據(jù)看，C相高壓電抗器7個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)奇偶諧波能量比整體大于A相和B相高壓電抗器，其中B相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)奇偶諧波能量比最低。據(jù)此側(cè)面印證綜合分析，三相高壓電抗器中，B相高壓電抗器的鐵芯運(yùn)行狀態(tài)最好，無異常振動(dòng)情況；A相和C相高壓電抗器均存在異常振動(dòng)情況，其中C相高壓電抗器異常振動(dòng)情況最為嚴(yán)重，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)主頻率和奇偶諧波能量比等參數(shù)分析，存在因夾件松動(dòng)導(dǎo)致鐵芯異常振動(dòng)的缺陷。

圖6 500 kV某線路三相高壓電抗器振動(dòng)加速度

圖7 500 kV某線路三相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)波形畸變比

圖8 500 kV某線路三相高壓電抗器振動(dòng)信號(hào)奇偶諧波能量比

3 基于聲、電、振動(dòng)檢測(cè)的設(shè)備缺陷診斷

通過聲電方法實(shí)現(xiàn)變壓器或高壓電抗器內(nèi)部缺陷定位后，根據(jù)缺陷所在部位的設(shè)備結(jié)構(gòu)，結(jié)合振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合診斷。若存在鐵芯、夾件松動(dòng)引發(fā)的懸浮電位放電，可激發(fā)出幅值較大的特高頻異常信號(hào)和超聲波異常信號(hào)。通常設(shè)備振動(dòng)信號(hào)也會(huì)呈現(xiàn)異常，結(jié)合缺陷定位結(jié)果和油色譜數(shù)據(jù)，可診斷缺陷類型、缺陷位置及嚴(yán)重程度。油紙絕緣存在局部放電，往往超聲波信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)不會(huì)呈現(xiàn)異常，特高頻信號(hào)幅值也相對(duì)較低甚至無法傳播到殼體表面被檢測(cè)到，在此基礎(chǔ)上可結(jié)合油色譜數(shù)據(jù)診斷缺陷類型、缺陷位置及嚴(yán)重程度。

對(duì)圖1和圖3所示500 kV某線路C相高壓電抗器異常聲、電、振動(dòng)等異常信號(hào)進(jìn)行綜合診斷。異常特高頻信號(hào)間歇性出現(xiàn)、幅值較小且具有100 Hz相關(guān)性的懸浮放電特征，僅在如圖1所示的測(cè)點(diǎn)能測(cè)得該信號(hào)，無法進(jìn)行精確定位，可據(jù)此分析缺陷靠近圖1所示測(cè)點(diǎn)位置。該高壓電抗器混合振動(dòng)信號(hào)和放電信號(hào)的異常超聲波信號(hào)幅值最大位置在如圖3所示測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3部位，據(jù)此分析缺陷靠近這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。該高壓電抗器異常振動(dòng)信號(hào)幅值最大位置在如圖3所示測(cè)點(diǎn)3部位，據(jù)此分析缺陷靠近該位置。根據(jù)運(yùn)行維護(hù)單位提供的油色譜檢測(cè)數(shù)據(jù)，局部放電帶電檢測(cè)期間該高壓電抗器C2H2含量為1.17 μL/L，總烴含量為38.48 μL/L。綜合特高頻/超聲波局部放電檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)和油色譜檢測(cè)結(jié)果，500 kV某線路C相高壓電抗器由于設(shè)備振動(dòng)過大，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部夾件松動(dòng)，造成間歇性懸浮放電發(fā)生，放電缺陷位置靠近如圖3所示測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3位置。

根據(jù)設(shè)備情況和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，該高壓電抗器自投運(yùn)以來均存在較大的異常振動(dòng)情況且運(yùn)行期間油中長(zhǎng)期存在不同程度的C2H2。目前運(yùn)行維護(hù)單位根據(jù)檢測(cè)及診斷結(jié)果得出的建議是，綜合該高壓電抗器長(zhǎng)期運(yùn)行情況對(duì)其監(jiān)視運(yùn)行，2周一次開展離線油色譜監(jiān)測(cè)，一旦C2H2含量超過2.0 μL/L，即進(jìn)行停電處理消除缺陷。

4 結(jié) 語

1)上面對(duì)基于聲電聯(lián)合及振動(dòng)帶電檢測(cè)的變壓器類設(shè)備局部放電現(xiàn)場(chǎng)診斷方法進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了特高頻法在殼體法蘭接縫處、超聲波法和振動(dòng)法在殼體外表面能夠測(cè)得局部放電信號(hào)用于缺陷診斷。

2)通過某500 kV高壓電抗器現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)案例，對(duì)特高頻法、超聲波法和振動(dòng)法對(duì)應(yīng)信號(hào)特征進(jìn)行了研究，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)聲電信號(hào)時(shí)域包絡(luò)特征、頻率相關(guān)性和振動(dòng)信號(hào)加速度、波形畸變比和奇偶諧波能量比進(jìn)行缺陷類型判斷。

3)總結(jié)了基于聲、電、振動(dòng)檢測(cè)變壓器類設(shè)備缺陷診斷方法，通過精確定位結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)，綜合分析各類信號(hào)特征和油色譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備缺陷的可靠診斷。