季宇豪，金涌濤，穆海寶，梁紅勝，楊 智，周晨輝，蔡廣生

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049;3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

換流變壓器(簡(jiǎn)稱換流變)是特高壓換流站中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在特高壓直流輸電系統(tǒng)中具有重要作用。在換流變運(yùn)行過程中，由于電、熱、機(jī)械及環(huán)境等因素的影響，絕緣可能會(huì)逐漸惡化，且隨著運(yùn)行年限增加，可能出現(xiàn)局部放電(簡(jiǎn)稱局放)甚至絕緣擊穿等情況[1]。局放不僅是換流變絕緣劣化的重要原因之一，也是評(píng)價(jià)設(shè)備絕緣狀態(tài)的有效手段[2]。因此，局放的檢測(cè)和精準(zhǔn)定位對(duì)于換流變來說至關(guān)重要：一方面可更好地識(shí)別放電類型和缺陷嚴(yán)重程度，另一方面可輔助換流變局部缺陷檢修的決策。

絕緣油色譜監(jiān)測(cè)是發(fā)現(xiàn)油浸式變壓器內(nèi)部故障、判斷故障類型的有效手段之一，絕大部分變壓器故障都可以通過色譜數(shù)據(jù)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到處理[3]。因此，提出一種綜合分布式油中溶解氣體分析和超聲波檢測(cè)的換流變局放優(yōu)化定位方法，以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)換流變局放缺陷，保障輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 研究現(xiàn)狀

目前，換流變局放缺陷主要采用超聲波法進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)換流變存在局放時(shí)，局放源會(huì)以聲波、電磁波等多種方式向周圍空間釋放能量，而產(chǎn)生的聲發(fā)射波信號(hào)將從局放源傳播到整個(gè)換流變空間，此時(shí)可通過超聲傳感器在變壓器的油箱壁上收集聲發(fā)射信號(hào)[4-5]，通過在不同位置布置多個(gè)傳感器，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)的時(shí)差、能量比來確定局放源位置[6]。由于超聲傳感器對(duì)于外界電磁噪聲有較好的抗干擾性以及安裝布置和固定更為方便[7-8]，被廣泛用于變壓器的局部放電定位。然而，由于換流變尺寸較大，如何合理地確定超聲波傳感器布置方案具有一定的挑戰(zhàn)性。

在早期實(shí)踐中一般通過不斷移動(dòng)調(diào)整多個(gè)傳感器的位置來定位局放源[9-10]，而當(dāng)前大多采用波達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival， TDOA)方法，將多個(gè)傳感器布置在變壓器箱壁外殼上，計(jì)算出各個(gè)聲發(fā)射傳感器的波達(dá)時(shí)間差，將定位問題轉(zhuǎn)化為三維直角坐標(biāo)系方程求解確定局放源坐標(biāo)。

對(duì)于超聲局放定位的算法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展諸多研究。

1) 第一類簡(jiǎn)單迭代算法[11]，如Newton-Raphson 法、最速下降法及Chan 算法等，這類算法容易因單一搜索路徑而出現(xiàn)局部不收斂問題。

2) 第二類智能優(yōu)化算法，如將遺傳算法、量子遺傳算法、粒子群優(yōu)化等應(yīng)用于變壓器超聲局放定位[12-14]。這兩類定位算法都是基于波達(dá)時(shí)間差方法，將超聲信號(hào)的傳播路徑默認(rèn)為直線。

3) 第三類算法主要考慮了非直達(dá)信號(hào)，如文獻(xiàn)[15]提出采用探索法來尋找局放源的位置，并指出當(dāng)超聲波穿過繞組時(shí)，波速應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的不同而變化來進(jìn)行計(jì)算；文獻(xiàn)[16]給出了變壓器局放超聲定位的球面及雙曲面定位方法。該類算法可提供更準(zhǔn)確結(jié)果，但需更多計(jì)算時(shí)間。

4) 第四類算法主要是基于超聲信號(hào)的其他特征(如時(shí)頻域特征等)進(jìn)行定位[17]。因此，大多數(shù)超聲定位算法都是基于TDOA 算法，如果波達(dá)時(shí)刻存在誤差，必然會(huì)影響到超聲定位結(jié)果的準(zhǔn)確度。

為了解決上述問題，提出一種綜合分布式油中溶解氣體分析和超聲波檢測(cè)的換流變局放優(yōu)化定位方法。首先利用分布式油色譜方法對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行粗定位；然后合理布置超聲波傳感器，使用優(yōu)化傳播路徑搜索算法進(jìn)行超聲局放精準(zhǔn)定位；最后通過實(shí)例和內(nèi)檢結(jié)果，驗(yàn)證該方法的有效性。

2 優(yōu)化定位方法

2.1 油色譜粗定位與超聲精準(zhǔn)定位

換流變?cè)诒倔w上中下部，網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)升高座等位置有多個(gè)取油口，當(dāng)換流變內(nèi)部發(fā)生局放時(shí)，缺陷部位會(huì)產(chǎn)生乙炔，因內(nèi)部油循環(huán)速度相對(duì)較慢，氣體擴(kuò)散不及時(shí)，可通過比較各部位乙炔含量對(duì)缺陷點(diǎn)進(jìn)行粗定位(含量最高處即為距離缺陷點(diǎn)最近處)。根據(jù)此粗定位結(jié)果，可輔助確定超聲波檢測(cè)傳感器布置方案，獲得各超聲傳感器有效信號(hào)順序及時(shí)延，搜索計(jì)算缺陷部位坐標(biāo)。

2.2 優(yōu)化傳播路徑搜索算法

在粗定位方法所確定的局放源初始搜索范圍內(nèi)，優(yōu)化傳播路徑搜索算法根據(jù)超聲傳感器實(shí)測(cè)時(shí)差，搜索出準(zhǔn)確的局放源坐標(biāo)。對(duì)于搜索范圍內(nèi)的任一節(jié)點(diǎn)，首先要找到在超聲傳感器平面內(nèi)的投影節(jié)點(diǎn)（見圖1）。聲信號(hào)的傳播路徑被分成兩個(gè)部分：第一部分位于變壓器油中，第二部分位于變壓器外殼中。使用最短路徑搜索算法確定出一條經(jīng)由投影節(jié)點(diǎn)到超聲傳感器的直線路徑，該路徑上任一節(jié)點(diǎn)均可視作為一條非直達(dá)波的斜入射點(diǎn)，因此該路徑上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一條傳播路徑，由投影節(jié)點(diǎn)到超聲傳感器每個(gè)位置節(jié)點(diǎn)逐一進(jìn)行計(jì)算。

圖1 投影節(jié)點(diǎn)示意

1) 傳播路徑的第一部分，對(duì)于任一斜入射節(jié)點(diǎn)，油中總傳播時(shí)間視為相鄰節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間之和來計(jì)算，每個(gè)區(qū)間波速均根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在位置而變化，計(jì)算公式如下。

其中：im，jm，km指代節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；dl代表上剖分間隔，l是這條路徑上所有節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；V聲(im，jm，km)指在節(jié)點(diǎn)(im，jm，km)處聲波的傳播速度，Tprop指聲波傳播時(shí)間。

當(dāng)確認(rèn)油中路徑上沒有障礙物時(shí)，為避免將簡(jiǎn)單的油中路徑離散化而引入誤差，油中傳播時(shí)間可按以下公式進(jìn)行計(jì)算。

其中：（i1，j1，k1)是搜索范圍內(nèi)起始節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，(iend，jend，kend)是入射節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。V聲，oil指的是聲波在油中的傳播速度。

2) 傳播路徑的第二部分是指從斜入射節(jié)點(diǎn)到超聲波傳感器的路徑，變壓器外殼的傳播時(shí)間計(jì)算方法與公式(2)相似，具體如下。

其中：(isen，jsen，ksen)是搜索范圍內(nèi)傳感器的坐標(biāo)，(iend，jend，kend)是入射節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。V聲，steel指的是聲波在變壓器外殼中的傳播速度。

如何選擇準(zhǔn)確的外殼聲速需要較為復(fù)雜的計(jì)算。變壓器外殼的波形轉(zhuǎn)換與聲信號(hào)的斜入射角度有關(guān)，而斜入射角度可通過求解傳感器平面法向量與從起始節(jié)點(diǎn)到斜入射節(jié)點(diǎn)向量之間的夾角得到。當(dāng)斜入射角度小于14°時(shí)，變壓器箱壁聲速應(yīng)使用鋼中的縱波聲速；當(dāng)斜入射角度處于14°與26°之間時(shí)，聲速應(yīng)為鋼中的橫波聲速；當(dāng)斜入射角度逐漸增大至大于26°時(shí)，超聲傳感器將不會(huì)接收到任何來自于直達(dá)波的信號(hào)，退出循環(huán)，當(dāng)出現(xiàn)這種情況或所有斜入射節(jié)點(diǎn)都遍歷過后，結(jié)束當(dāng)前循環(huán)并選擇傳播時(shí)間最短的路徑作為最快路徑。在該節(jié)點(diǎn)與不同傳感器間的最快路徑與傳播時(shí)間都求解出來后，可獲得該潛在局放點(diǎn)到各個(gè)傳感器間的到達(dá)估計(jì)時(shí)間差。

定位坐標(biāo)誤差的計(jì)算方法如下。

式中：(xact，yact，zact)代表局放源的實(shí)際坐標(biāo)，(xcal，ycal，zcal)是計(jì)算出的坐標(biāo)。

優(yōu)化傳播路徑搜索算法就是利用上述算法搜索區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)潛在局放節(jié)點(diǎn)，求解各節(jié)點(diǎn)到各個(gè)傳感器間的估計(jì)時(shí)差，選擇估計(jì)時(shí)差與超聲傳感器實(shí)際測(cè)量時(shí)差最接近的節(jié)點(diǎn)作為可疑局放源位置，整體流程如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化傳播路徑搜索算法流程

3 缺陷定位案例

某換流站的換流變?cè)诖筘?fù)荷試驗(yàn)過程中出現(xiàn)油色譜異常情況，乙炔含量升高，需對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位。

3.1 分布式油色譜粗定位

該換流變?cè)诖筘?fù)荷試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)到乙炔含量從0 增長(zhǎng)至5.56 μL/L，網(wǎng)側(cè)升高座氫氣從0 增長(zhǎng)至128 μL/L。換流變緊急停運(yùn)后，離線檢測(cè)到乙炔含量本體下部為7.97 μL/L、本體上部為15.98 μL/L。針對(duì)換流變本體上部、本體中部、本體下部、閥側(cè)上部、閥側(cè)下部、網(wǎng)側(cè)高壓套管升高座、中性點(diǎn)套管升高座共7 個(gè)取油口開展分布式油色譜粗定位，發(fā)現(xiàn)乙炔含量最大位置為網(wǎng)側(cè)套管升高座27.08 μL/L，初步確定缺陷位置為網(wǎng)側(cè)套管升高座附近，油色譜絕對(duì)量的三比值為202，對(duì)應(yīng)低能放電。同步開展換流變壓器局放定位試驗(yàn)前后分布式油色譜結(jié)果比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在停運(yùn)后局放定位試驗(yàn)前，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，油中溶解氣體逐漸擴(kuò)散均勻；局放定位試驗(yàn)后，監(jiān)測(cè)到油中溶解乙炔在網(wǎng)側(cè)升高座處的含量突增到60.41 μL/L、中性點(diǎn)升高座處增至24.28 μL/L。粗定位確認(rèn)缺陷位置位于網(wǎng)側(cè)升高座附近。

3.2 超聲局放檢測(cè)

局放定位試驗(yàn)同步裝設(shè)變壓器局放超聲波在線監(jiān)測(cè)裝置。根據(jù)油色譜粗定位結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)性布置了6 個(gè)超聲波傳感器，其中超聲波傳感器1、2、3、4 以平行四邊形布置在換流變壓器正面的右上方區(qū)域，超聲波傳感器5 布置在頂部中軸線下方靠近升高座位置，超聲波傳感器6 布置在高壓套管升高座底部。

新增兩個(gè)超聲波局放檢測(cè)點(diǎn)，其中1 號(hào)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于網(wǎng)側(cè)高壓套管升高座底部，2 號(hào)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于網(wǎng)側(cè)高壓出線裝置。錄取新增點(diǎn)的超聲局放波形，并將時(shí)間軸放大(見圖3)后可知：2 號(hào)檢測(cè)點(diǎn)率先接收到了超聲異常信號(hào)，說明局放源離2 號(hào)檢測(cè)點(diǎn)更近。同步查看變壓器局放超聲波在線監(jiān)測(cè)裝置采集的趨勢(shì)：其中通道1、2、3、5 的信號(hào)為放電信號(hào)，通道4、6 的信號(hào)主要是噪聲。采用累積能量算法計(jì)算各波達(dá)時(shí)間，通道1、2、3、5 的波達(dá)時(shí)間分別為12 422 μs、10 482 μs、10 630 μs 和10 446 μs，以通道5 為基準(zhǔn)，計(jì)算各個(gè)通道的波達(dá)時(shí)間差，通道1 的波達(dá)時(shí)間差為1 976 μs，通道2 的波達(dá)時(shí)間差為36 μs，通道3 的波達(dá)時(shí)間差為184 μs，判斷出局放源位于升高座附近，即通道5。

圖3 放大時(shí)間軸后的超聲檢測(cè)信號(hào)

超聲波局放檢測(cè)和變壓器局放超聲波在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果均表明局放源位于網(wǎng)側(cè)升高座附近，該結(jié)論與采用分布式油色譜方法得到的結(jié)果相吻合。

3.3 超聲波局放定位

現(xiàn)場(chǎng)使用PAC2000 超聲波檢測(cè)儀對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行定位。該換流變X軸長(zhǎng)度為10 230 mm，根據(jù)前述檢測(cè)結(jié)果設(shè)置超聲定位傳感器測(cè)點(diǎn)，采用儀器8 通道開展超聲波局放定位，其中9～12 號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近網(wǎng)側(cè)高壓套管的一側(cè)箱壁，12～16 號(hào)測(cè)點(diǎn)為對(duì)側(cè)箱壁，測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示(坐標(biāo)原點(diǎn)為油箱右下側(cè))，定位結(jié)果如圖5 所示。

圖4 超聲定位裝置傳感器布置圖

圖5 超聲定位圖

PAC2000 超聲波檢測(cè)儀定位結(jié)果為：放電點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(4 300±200，2 500，1 000±300) mm，位于網(wǎng)側(cè)高壓出線裝置的連接區(qū)域(網(wǎng)側(cè)升高座的下部)。

3.4 優(yōu)化傳播路徑搜索算法定位

首先根據(jù)變壓器外形圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，建立換流變壓器數(shù)值節(jié)點(diǎn)模型，如圖6 所示。

圖6 數(shù)值節(jié)點(diǎn)模型

圖7 傳播路徑圖

該定位結(jié)果與PAC2000 超聲波定位結(jié)果相近，同時(shí)計(jì)算放電點(diǎn)到達(dá)通道1、2、3 超聲傳感器測(cè)點(diǎn)波達(dá)時(shí)間差分別為：通道1 的波達(dá)時(shí)間差為1 953 μs，通道2 的波達(dá)時(shí)間差為24 μs，通道3的波達(dá)時(shí)間差為97 μs，與變壓器局放超聲波在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)測(cè)信號(hào)的波達(dá)時(shí)間差基本一致，驗(yàn)證了優(yōu)化傳播路徑搜索算法的有效性。

4 現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)檢驗(yàn)證

對(duì)該換流變網(wǎng)側(cè)出線裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)檢，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)出線裝置下部屏蔽環(huán)接地螺栓座有明顯的放電痕跡，且接地螺栓支撐墊片表面也存在多處黑色放電痕跡。

超聲波定位結(jié)果、優(yōu)化傳播路徑搜索算法定位結(jié)果均與現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)檢結(jié)果相符合，放電點(diǎn)為網(wǎng)側(cè)升高座下部，實(shí)際空間坐標(biāo)與定位結(jié)果相近。此外，升高座內(nèi)部、器身本體、油箱內(nèi)部等其他部位均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

5 結(jié)束語

綜合故障換流變油色譜、超聲波局放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出在分布式油色譜粗定位基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化傳播路徑搜索算法開展超聲波精準(zhǔn)定位，快速準(zhǔn)確查找換流變放電缺陷點(diǎn)的方法。通過實(shí)際案例對(duì)比采取不同定位方法的結(jié)果，準(zhǔn)確查找到換流變網(wǎng)側(cè)出線裝置屏蔽環(huán)接地螺栓放電位置，驗(yàn)證了優(yōu)化傳播路徑搜索算法定位的實(shí)用性和有效性。