變壓器局放超聲定位測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、變壓器局放超聲定位測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用3蔣煒華,馬臨超,齊山成(河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校,河南新鄉(xiāng)453002摘要:闡述了超聲波測(cè)量變壓器局部放電的機(jī)理及定位系統(tǒng)的組成、局放超聲波信號(hào)的頻譜分析、定位算法的實(shí)現(xiàn),最后指出超聲定位的注意事項(xiàng)及局限性。關(guān)鍵詞:變壓器;局部放電;超聲定位;頻譜分析中圖分類(lèi)號(hào):T M407文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-2093(200801-0010-03隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高,局部放電已經(jīng)成為電力變壓器絕緣劣化的重要原因,因而局部放電的檢測(cè)和評(píng)價(jià)也就成為絕緣狀況監(jiān)測(cè)的重要手段。局部放電的檢測(cè)都是以局放所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù),通過(guò)能表述該現(xiàn)象的物理量來(lái)表征

2、局放的狀態(tài)。電力變壓器局放過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電脈沖、電磁輻射、超聲波、光以及生成一些新的生成物,并引起局部過(guò)熱。因此,相應(yīng)地出現(xiàn)了電脈沖檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、光測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法等多種檢測(cè)方法1。目前檢測(cè)變壓器局部放電水平的主要測(cè)量方法有脈沖電流測(cè)量法和超聲波局部放電測(cè)量法。脈沖電流法需在設(shè)備停電條件下靠外施電壓進(jìn)行檢測(cè),雖然能對(duì)放電量的大小進(jìn)行定量測(cè)量,以確定放電點(diǎn)的電氣位置,但是無(wú)法確定放電點(diǎn)的空間位置,且檢測(cè)時(shí)必須為停電情況。而超聲波局部放電測(cè)量法對(duì)變壓器能實(shí)施及時(shí)、在線、定位檢測(cè),確定故障點(diǎn)的空間位置后,以便于不會(huì)盲目的起吊變壓器進(jìn)行檢測(cè)2,給檢修帶來(lái)很大的方便。1超聲波測(cè)量變壓器

3、局放的機(jī)理在電力變壓器內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí),不但會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電信號(hào),同時(shí)還會(huì)伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射,產(chǎn)生超聲波信號(hào)。產(chǎn)生的高頻電氣擾動(dòng),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(cè)試裝置接收到放電信號(hào),可對(duì)變壓器局部放電進(jìn)行定量檢測(cè)。產(chǎn)生的超聲波信號(hào)從局部放電源以球面波的方式向四周傳播,通過(guò)絕緣紙板、絕緣油等介質(zhì)向變壓器油箱外傳播并到達(dá)油箱壁。通過(guò)安裝在油箱壁上的超聲波傳感器將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),利用定位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)放電源進(jìn)行定位。超聲定位測(cè)量是采用一種特制的磁浮式探頭,裝在直徑20mm圓平面的裝置內(nèi),其磁力的大小需滿足該探頭可以牢固地吸附在鐵板平面上。當(dāng)進(jìn)行超聲定位測(cè)量時(shí),將探頭

4、吸附在被測(cè)變壓器油箱表面,然后按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的局部放電試驗(yàn)程序?qū)ψ儔浩魇┘釉囼?yàn)電壓,一旦變壓器內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時(shí),探頭和檢測(cè)阻抗均可測(cè)量到與局部放電有關(guān)的超聲波信號(hào)和 電信號(hào)。忽略電信號(hào)的傳播時(shí)間,以電信號(hào)觸發(fā)超聲定位系統(tǒng)工作3。在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生超聲波信號(hào)后,該超聲波信號(hào)穿過(guò)絕緣介質(zhì)到達(dá)變壓器箱壁的傳感器上有2條途徑:一條是直接傳播,即超聲波的縱向波穿過(guò)絕緣介質(zhì)、變壓器油等到油箱內(nèi)壁,并透過(guò)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。超聲波傳播途徑見(jiàn)圖1,超聲波的傳播速度和相對(duì)衰減率見(jiàn)表14。放電源S產(chǎn)生超聲波,S A為縱向波,S BA、SCA為復(fù)合波

5、,其中AB為鋼板圖1超聲波傳播路徑通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知超聲波在變壓器油中的傳播速度01第16卷第1期2008年01月河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)Journal of Henan Mechanical and Electrical Engineering CollegeVol.16.1Jan.20083收稿日期:2007-12-20作者簡(jiǎn)介:蔣煒華(1981-,男,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要從事電氣工程及其自動(dòng)化研究。為1.4mm/s,放電源到探頭的距離可以由S=V T來(lái)計(jì)算,如果要確定變壓器放電源的空間位置,我們一般是在變壓器油箱外安裝多個(gè)探頭檢測(cè)儀,放電源到各個(gè)探頭的距離不同,產(chǎn)生的時(shí)延也不同,我們利

6、用空間解析幾何方法可以找到放電源的位置。表1超聲波的傳播速度和相對(duì)衰減率介質(zhì)名稱(chēng)傳播速度/(mm/s相對(duì)衰減率/(d B/cm變壓器油1.400.00油浸紙1.420.60油浸紙板2.304.50銅3.689.00鋼板5.5013.002局放超聲波信號(hào)的頻譜分析及定位系統(tǒng)的組成2.1局放超聲波信號(hào)的頻譜分析變壓器局放超聲波信號(hào)產(chǎn)生的頻率范圍廣,并且各不相同,變壓器中的局放在氣體、液體、固體中產(chǎn)生的聲波頻率各不相同,并且在變壓器中經(jīng)常伴隨有噪聲干擾,為了能較好地區(qū)別出變壓器局放的聲波信號(hào),我們有必要先了解一下噪聲信號(hào)與超聲波頻譜特性。1噪聲頻譜分析變壓器中的噪聲5主要有勵(lì)磁噪聲,散熱器風(fēng)扇及油循

7、環(huán)油泵噪聲,磁滯噪聲等等。其噪聲一般都在低頻范圍內(nèi),變壓器鐵芯磁噪聲的范圍一般在10KHz 40KHz,機(jī)械振動(dòng)的頻率大多在20KHz以下,也即噪聲的頻率分布在低頻40KHz以下。2變壓器局放超聲波信號(hào)頻譜分析局放產(chǎn)生的超聲波分為兩類(lèi):一類(lèi)為氣泡或氣隙內(nèi)放電,特征為均勻密集,其擊穿聲頻率小于10KHz,另一類(lèi)是介質(zhì)在高場(chǎng)強(qiáng)下的游離擊穿,特征是間斷、大脈沖,其聲發(fā)射頻譜更寬,大致在50KHz300KHz,可見(jiàn)噪聲信號(hào)與超聲波信號(hào)頻率的分布有明顯的區(qū)別。超聲波局放信號(hào)的檢出應(yīng)避開(kāi)低頻干擾信號(hào)而以高頻信號(hào)為主,但是頻率越高,超聲波的衰減越大,因此超聲波局放的檢出頻率一般在幾十到幾百KHz,故超聲波定

8、位系統(tǒng)頻帶取40KHz300KHz。2.2局放超聲波定位系統(tǒng)的組成局放超聲波定位系統(tǒng)的組成一般有以下幾個(gè)部分:1傳感器:一般用壓電陶瓷晶片,要求靈敏度高,傳感器頻帶為40KHz180KHz,與局部放電超聲波頻帶大致相同。2前置放大器:將傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大,大約80dB的增益。3濾波器:其通頻帶大致在40KHz300KHz,將由勵(lì)磁噪聲,散熱器風(fēng)扇及油循環(huán)油泵,磁滯引起的噪聲濾去。4瞬態(tài)記錄儀:A/D轉(zhuǎn)換,前置或延時(shí)觸發(fā),波形打印,能迅速自動(dòng)地將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,顯示測(cè)量結(jié)果。5主機(jī):進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,波形繪制,顯示 ,打印。6開(kāi)發(fā)一套定位系統(tǒng)軟件:包括信號(hào)采集及處理,如雙曲面定

9、位、球面定位、延時(shí)自動(dòng)讀出和定位圖示等軟件。局放超聲波定位系統(tǒng)見(jiàn)圖2。圖2定位系統(tǒng)框圖2.3定位算法的實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的局部放電定位方法有:作圖法、基于最小二乘法、基于遺傳算法的處理方法。作圖法精度不高,但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性強(qiáng),基本概念清晰。我們采用基于最小二乘法的算法實(shí)現(xiàn)。采用局部放電超聲波測(cè)量一般在變壓器油箱外壁上安裝若干個(gè)超聲波傳感器,以局部放電脈沖電流法得到的信號(hào)為觸發(fā)信號(hào),作為觸發(fā)基準(zhǔn)時(shí)間。找到每個(gè)傳感器測(cè)得的局放時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間差和各個(gè)傳感器的坐標(biāo),測(cè)得的時(shí)延作為從放電點(diǎn)到傳感器的時(shí)間,以等值波速V乘以時(shí)延即得到放電點(diǎn)到各傳感器的空間位置,代入非線性超定方程,解之得到放電源的位置。從上面的條

10、件中得到如下球面方程: (X-X i2+(Y0-Y i2+(Z0-Z i2=(V t i2(i=1,2,3n式中X、Y、Z放電源的三維直角主標(biāo);X i、Y i、Z i第i個(gè)超聲傳感器的主標(biāo)位置;t i每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間;V等值波速。由于超聲波在變壓器內(nèi)部的傳播不是一個(gè)恒定值,而是有一定的范圍,所以把波速視為一個(gè)變量,即等值波速,再加上待求的局部放電源坐標(biāo)這三個(gè)變量,就是4個(gè)變量,用四個(gè)超聲波探頭才能得到放電點(diǎn)的主標(biāo)位置及等值波速。我們運(yùn)用最小二乘法來(lái)解球面方程。11蔣煒華等:變壓器局放超聲定位測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用設(shè)放電點(diǎn)到第i個(gè)傳感器真實(shí)距離為V ti,實(shí)測(cè)距離為:(X0-X i2+(Y

11、0-Y i2+(Z0-Z i21/2(1i為真實(shí)距離與實(shí)測(cè)距離之差,則有:i=V t i-(X0-X i2+(Y0-Y i2+(Z0-Z i21/2(2則目標(biāo)函數(shù)(X,Y0,Z0,V為誤差平方和:(X,Y0,Z0,V=2i(3由(3式得到的最小二乘解即為使最小的X、Y0、Z0、V值,要使最小,分別對(duì)X0、Y0、Z0、V求偏導(dǎo),并使之等于零,得到方程組解,然后利用牛頓迭代法進(jìn)行求解,找到X0、Y、Z值。3局放超聲定位法的注意事項(xiàng)及局限性1由于非電測(cè)法與電測(cè)法所測(cè)量局放信號(hào)無(wú)可比性,一般情況下都是先用電測(cè)法或氣相色譜法先確定放電源的大致放電部位,然后用局部放電超聲法定位測(cè)量。2超聲定位方程至少有4

12、個(gè)變量,超聲定位檢測(cè)時(shí)探頭盡可能多于4個(gè),若僅用4個(gè)探頭時(shí),如有一路探頭超聲信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤,很可能導(dǎo)致定位誤差過(guò)多或失敗。3應(yīng)注意探頭接收超聲波信號(hào)的入射角度,避免復(fù)合波引起定位誤差過(guò)大,讓最有效的縱波通過(guò)探頭。4應(yīng)定好一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo),以便各探頭坐標(biāo)測(cè)量準(zhǔn)確,避免由此造成較大的定位誤差。5超聲波定位對(duì)于變壓器本體表面的放電(放電量大于800pc時(shí),效果很明顯,放電源位于變壓器絕緣深部時(shí),信號(hào)很難收到,成功率較低。6同時(shí)出現(xiàn)的多點(diǎn)放電,如何判斷超聲信號(hào)的大小,如何區(qū)分其超聲信號(hào),仍需要做進(jìn)一步的工作。4結(jié)束語(yǔ)當(dāng)前用電測(cè)法測(cè)量變壓器局部放電故障,不能很好地定性找到故障點(diǎn),只能定量地測(cè)得故障范圍,如果沒(méi)

13、有準(zhǔn)確定性故障點(diǎn),變壓器即使起吊后也不容易檢修。采用超聲波檢測(cè)方法能準(zhǔn)確找到故障點(diǎn),可以彌補(bǔ)其他測(cè)試方法的缺陷。在采用超聲波測(cè)試方法中應(yīng)該注意探頭的安裝、探頭幾何位置的精確定位、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理等。(責(zé)任編輯呂春紅參考文獻(xiàn):1王國(guó)利,郝艷捧,李彥明.電力變壓器局部放電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展J.電工電能新技術(shù),2001,(2.2趙嘯谷.變壓器局部放電超聲定位J.變壓器,1995,(6.3張言蒼,張毅剛.變壓器局部放電在線檢測(cè)的現(xiàn)狀及發(fā)展J.繼電器,2004,(22.4陳志勇,閻春雨.變壓器超聲波局部放電測(cè)試在電網(wǎng)的應(yīng)用J.河北電力技術(shù),2004,(3.5周力行,何蕾.變壓器局部放電超聲信號(hào)特性及放電

14、源定位J.高電壓技術(shù),2003,(5.Study and Appli cati on of the Ultrason i cPositi on-setti n g Technology for the Transfor mer Parti a l D ischargeJ I A NG W ei-hua,et al(Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang453002,China Abstract:This paper intr oduced the work p rinci p le of U ltras onic t o measure partial discharge(P Din transf or m2 ers,and the compositi on of positi oning syste m.The ultras onic signal P Ds s pectrum,and the i m p le mentati on of posi2 ti oning algorith m has