500kV增城變電站變壓器的聲發(fā)射檢測(cè)

摘要：介紹了聲發(fā)射（AE）檢測(cè)技術(shù)、PAC聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)及其在變壓器局部放電（PD）檢測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)在增城變電站對(duì)兩臺(tái)大型變壓器進(jìn)行局部放電聲發(fā)射檢測(cè)，取得了成功例子。
關(guān)鍵詞：變壓器；局部放電；聲發(fā)射；檢測(cè) 超聲波液位計(jì) 超聲波物位計(jì) 超聲波清洗機(jī) 超聲波測(cè)厚儀 洗片機(jī)
0 緒論
大型變壓器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，是變電站的心臟，它的狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。資料表明，大型電力變壓器的故障以絕緣故障為主，局部放電既是絕緣劣化的原因，又是絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式。局部放電的檢測(cè)能夠提前反映變壓器的絕緣狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的絕緣缺陷，預(yù)防潛伏性和突發(fā)性事故發(fā)生[1]。
利用聲發(fā)射（AE）技術(shù)對(duì)壓力容器進(jìn)行檢測(cè)目前在我國(guó)應(yīng)用得十分成功，八十年代中期勞動(dòng)部鍋爐壓力容器檢測(cè)研究中心率先從美國(guó)PAC公司引進(jìn)SPARTAN源定位聲發(fā)射檢測(cè)與信號(hào)處理分析系統(tǒng)，在全國(guó)石油化工系統(tǒng)開(kāi)展了大量球罐和臥罐的檢測(cè)。隨后，電力系統(tǒng)采用聲發(fā)射對(duì)鍋爐汽包、合成絕緣子芯棒、熱力管道、閥門(mén)進(jìn)行檢測(cè)或泄漏監(jiān)測(cè)，取得一定成效。但利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)變壓器局部放電（PD）進(jìn)行檢測(cè)，卻少有成功案例。
美國(guó)電力研究院（EPRI）聯(lián)合多家電力公司與PAC從1995年起開(kāi)始進(jìn)行變壓器局部放電聲發(fā)射檢測(cè)項(xiàng)目的合作，形成變壓器局部放電聲發(fā)射檢測(cè)專(zhuān)家系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，到2002年，已對(duì)幾十臺(tái)大型電力變壓器進(jìn)行了局部放電的測(cè)試[1]。廣東省電力試驗(yàn)研究院為國(guó)內(nèi)第一家引進(jìn)PAC聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)并應(yīng)用于變壓器局部放電檢測(cè)的單位，目前應(yīng)用為起步階段，發(fā)展趨勢(shì)良好。
本次檢測(cè)于2005年4月1日在增城變電站進(jìn)行，由廣東省電力試驗(yàn)研究院和美國(guó)PAC公司共同完成，廣州供電局及增城變電站的工作人員提供配合工作。
1 檢測(cè)原理及方法
聲發(fā)射是指物體在受到外界作用時(shí)，因迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)物體中有聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，由聲源發(fā)射出的每一個(gè)AE信號(hào)都包含了物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷性質(zhì)和狀態(tài)變化的豐富信息。電力變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，局部的絕緣薄弱點(diǎn)在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生高頻脈沖放電，放電電弧對(duì)油介質(zhì)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊產(chǎn)生爆裂狀的超聲波信號(hào)，即聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射信號(hào)以球面波的方式向四周傳播，通過(guò)油介質(zhì)于不同時(shí)間傳到安裝于變壓器外壁不同位置的AE傳感器，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)接收和處理這些AE信號(hào)，根據(jù)其波形及頻譜特征進(jìn)行定性和定量，并利用各傳感器接收到AE信號(hào)的時(shí)間差對(duì)局部放電源進(jìn)行定位，推斷出變壓器內(nèi)部局部放電的位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢(shì)。
現(xiàn)場(chǎng)變壓器局部放電聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)難免會(huì)遇到外界噪聲干擾，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置PD檢測(cè)閾值，分析波形的關(guān)鍵特性如幅度（Amplitude）、持續(xù)時(shí)間（Duration）、能量（Energy）、撞擊數(shù)（Hits）、三維定位（3D Location）、事件數(shù)（Events）、特征指數(shù)（Character Index）、撞擊譜（Hit Spectrum）、波形（Waveform）等，可確認(rèn)聲發(fā)射信號(hào)是由局部放電還是噪聲干擾產(chǎn)生的。
變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，上述特征一般會(huì)集中于變壓器某一特定的空間（經(jīng)三維定位），顯示出特定的模式。局部放電的聲發(fā)射檢測(cè)正是通過(guò)對(duì)上述特征信息分布范圍的分析，并結(jié)合油色譜分析、常規(guī)的高壓局放試驗(yàn)等歷史資料，來(lái)判別變壓器局放存在與否及嚴(yán)重程度。
２ 檢測(cè)前準(zhǔn)備
2.1 現(xiàn)場(chǎng)勘察
找出所有可能出現(xiàn)的噪聲源，如電磁干擾、振動(dòng)、摩擦和液體流動(dòng)等，并設(shè)法對(duì)這些噪聲源予以排除。
2.2 處理器校準(zhǔn)
檢測(cè)前按說(shuō)明書(shū)要求對(duì)信號(hào)處理器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的每個(gè)通道都處于正常工作狀態(tài)。
2.3 傳感器性能檢查
使用直徑0.5mm 、HB硬度的活動(dòng)鉛筆芯在距傳感器中心約100mm～140mm處進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，三次斷鉛信號(hào)的平均幅度值應(yīng)高于75dB，且所有通道的平均值之差應(yīng)在+/- 5dB內(nèi)。另外采用自動(dòng)傳感器測(cè)試（AST）作為斷鉛試驗(yàn)的補(bǔ)充。
2.4 背景噪聲檢查
背景噪聲檢查試驗(yàn)在正式試驗(yàn)前10分鐘進(jìn)行。檢測(cè)門(mén)檻值設(shè)置為35dB～40dB，以測(cè)試時(shí)沒(méi)有背景噪聲或僅有少量（如每分鐘有幾十個(gè)或上百個(gè)Hit撞擊）噪聲為準(zhǔn)。
3 檢測(cè)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析
本試驗(yàn)采用了PAC與EPRI共同研發(fā)的變壓器局部放電聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)與檢測(cè)程序，并輔以PAC公司最新開(kāi)發(fā)的輔助分析方法及軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)PAC/EPRI提供的AE檢測(cè)程序，變壓器局部放電聲發(fā)射檢測(cè)需持續(xù)至少24小時(shí)，以包含一個(gè)完整的用電負(fù)載周期。由于客觀條件限制，本次AE檢測(cè)的時(shí)間遠(yuǎn)低于PAC/EPRI檢測(cè)程序推薦的檢測(cè)時(shí)間，這使得本次試驗(yàn)不能完整地反映一個(gè)負(fù)載周期（24小時(shí)）的局放狀況。
增城1號(hào)主變C相的AE檢測(cè)，初步試驗(yàn)時(shí)僅安裝8個(gè)傳感器于變壓器油箱外壁的四周，經(jīng)過(guò)幾分鐘的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)變壓器局部位置有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，在正式試驗(yàn)時(shí)采用了10個(gè)探頭，并將它們重新布置于有明顯聲發(fā)射發(fā)生的區(qū)域。1號(hào)主變C相的AE檢測(cè)時(shí)間持續(xù)約1小時(shí)，期間天氣經(jīng)歷了陰天、零星小雨直至大雨[2]。因下雨后的信號(hào)可信度較低，本文僅對(duì)未下雨時(shí)所獲得的有效檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
增城3號(hào)主變C相AE檢測(cè)時(shí)安裝了16個(gè)傳感器，AE檢測(cè)持續(xù)了兩個(gè)多小時(shí)[3]。
3.1 儀器設(shè)備
DiSP－24通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)、R15I傳感器及30m信號(hào)電纜、磁吸、耦合劑、模擬源（活動(dòng)鉛筆及0.5mm HB筆芯）等。
3.2 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置
增城1號(hào)主變C相和3號(hào)主變C相的聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。
3.3 傳感器布置
以1號(hào)主變?yōu)槔瑱z測(cè)時(shí)傳感器被均勻地布置在變壓器的四周外壁上，其安裝位置及坐標(biāo)示意圖見(jiàn)圖1及表2。
表1　增城1號(hào)主變C相和3號(hào)主變C相聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置
AE Channel Threshold Pre-Amp Analog Filter
Type dB FTBnd dB Lower Upper
1號(hào)主變參數(shù) 1 FIXED 35 6 40 100kHz 400 kHz
2 FIXED 35 6 40 100kHz 400 kHz
3 FIXED 35 6 40 100kHz 400 kHz
8 FIXED 35 6 40 100kHz 400 kHz
9 FIXED 35 6 40 100kHz 400 kHz
10 FIXED 35 6 40 100kHz 400 kHz
3號(hào)主變參數(shù) 1 FIXED 32 6 40 100kHz 400 kHz
2 FIXED 32 6 40 100kHz 400 kHz
3 FIXED 32 6 40 100kHz 400 kHz
14 FIXED 32 6 40 100kHz 400 kHz
15 FIXED 32 6 40 100kHz 400 kHz
16 FIXED 32 6 40 100kHz 400 kHz

Channel X(mm) Y(mm) Z(mm)
1 0000.000 1700.000 1820.000
2 0970.000 1720.000 3400.000
3 0660.000 3440.000 3400.000
4 0000.000 2750.000 1370.000
5 0720.000 3500.000 0000.000
6 0960.000 1730.000 0000.000
7 0000.000 2280.000 0500.000
8 0000.000 2420.000 3170.000
9 1630.000 2600.000 0000.000
10 1870.000 2470.000 3400.000

3.4 數(shù)據(jù)分析
3.4.1 增城站1號(hào)主變C相AE數(shù)據(jù)分析
圖2為500kV增城站1號(hào)主變C相AE檢測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)圖，圖中左上小圖為各個(gè)通道隨時(shí)間的變化歷程；左下小圖為所有通道幅值、能量、持續(xù)時(shí)間三者隨時(shí)間的變化圖；右上小圖為每一個(gè)通道的撞擊數(shù)；右下小圖為所有通道的能量與持續(xù)時(shí)間的特征關(guān)系圖。
由以上參數(shù)圖可看出，1號(hào)主變C相在正常工作負(fù)載狀態(tài)下，時(shí)常有突發(fā)性信號(hào)產(chǎn)生，且幅度較高。AE檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)后續(xù)處理，經(jīng)濾除一些低幅度噪聲信號(hào)及干擾信號(hào)后，可得到變壓器局放數(shù)據(jù)的3D定位及其于三個(gè)平面的2D投影（圖3）。3D定位顯示這段時(shí)間共檢測(cè)到21個(gè)定位，且基本聚集于變壓器的同一個(gè)角落，但PD發(fā)生的頻度很低，幾十秒至幾分鐘才產(chǎn)生一次。從2D投影圖可見(jiàn)定位中心大約在X＝950ｍｍ；Y＝2950ｍｍ；Z＝2600ｍｍ的位置，由檢測(cè)方向看去，該位置是變壓器的右上角[2]。
查找相關(guān)的歷史試驗(yàn)報(bào)告，1號(hào)主變C相油色譜分析報(bào)告結(jié)論為氫氣含量異常升高且超過(guò)"注意值"（見(jiàn)表3）。常規(guī)的高壓局部放電試驗(yàn)結(jié)果顯示1號(hào)主變C相局放量偏大，但該放電是非破壞性的[4]，對(duì)變壓器安全運(yùn)行影響不大。
本次聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果與油色譜分析及常規(guī)高壓局放試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合，但更準(zhǔn)確的聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果應(yīng)通過(guò)24小時(shí)的整個(gè)負(fù)載周期檢測(cè)來(lái)獲得。聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果給出了1號(hào)主變C相局部放電的三維定位，彌補(bǔ)了兩種常規(guī)試驗(yàn)方法的不足。
3.4.2 增城站３號(hào)主變C相AE數(shù)據(jù)分析
3號(hào)主變C相的聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（約2小時(shí)），背景噪聲約為30dB的水平，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)有明顯的突發(fā)性、高幅度AE信號(hào)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征指數(shù)與撞擊譜分析，表明除在第12通道曾瞬間出現(xiàn)過(guò)幅值很低的疑似PD特征信號(hào)外，整個(gè)2小時(shí)的檢測(cè)顯得相當(dāng)平靜。對(duì)所收集到的各種信號(hào)進(jìn)行3D定位分析，未發(fā)現(xiàn)有任何可定位的疑似特征信號(hào)[3]，變壓器沒(méi)有局部放電征兆。
表3　增城1號(hào)主變C相油色譜分析（μL/L）
日 期 氫H2 甲烷H4 乙烷C2H6 乙烯C2H4 乙炔C2H2 一氧化碳CO 二氧化碳CO2 總烴C1＋C2
20040210 810.0 62.8 4.8 0.3 0 103.0 994.0 67.9
20041013 1172.0 100.3 7.6 0.5 0 187.0 1617.0 108.4
20050331 1637.0 129.5 11.4 2.5 0 188.0 1343.0 143.4
2005年3月常規(guī)的局放試驗(yàn)顯示，3號(hào)主變C相高、中壓側(cè)存在間歇性局部放電，起始放電電壓為1.25Um/ ，放電熄滅電壓為1.0Um/ 。反復(fù)降壓、升壓后，起始放電電壓有所降低，在1.0Um/ 電壓下放電熄滅。在1.3Um/ 試驗(yàn)電壓下中壓側(cè)局放量6000pC、高壓側(cè)局放量4000pC[5]。以上數(shù)據(jù)顯示變壓器在加壓時(shí)存在局放現(xiàn)象，但放電的起始、熄滅電壓都高于其自身正常運(yùn)行電壓，說(shuō)明變壓器在正常運(yùn)行電壓下應(yīng)該沒(méi)有局部放電現(xiàn)象發(fā)生。
該主變以前油色譜分析曾存在總烴超"注意值"，但無(wú)乙炔產(chǎn)生，油色譜分析表明變壓器無(wú)局部放電跡象，與本次聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果相符。
4 結(jié)論
1）聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)可有效應(yīng)用于大型變壓器局部放電的實(shí)時(shí)在線帶電檢測(cè)，能夠?qū)σ粋€(gè)或多個(gè)局放源進(jìn)行區(qū)域定位與三維定位。
2）經(jīng)在線檢測(cè)，增城1號(hào)主變壓器C相出現(xiàn)與聲發(fā)射有關(guān)的特征信號(hào)（不過(guò)PD發(fā)生的頻度很低），說(shuō)明該相在正常負(fù)荷狀況下存在局部放電現(xiàn)象。
3）增城3號(hào)主變壓器C相AE檢測(cè)未獲得明顯的局放信號(hào)，也未出現(xiàn)可定位的任何特征信號(hào)。雖然常規(guī)PD試驗(yàn)顯示存在間歇性放電，但因放電電壓高于變壓器的正常運(yùn)行電壓，說(shuō)明該相在正常負(fù)荷狀況下不存在局部放電現(xiàn)象。
4）本次檢測(cè)時(shí)間遠(yuǎn)短于AE檢測(cè)程序推薦的時(shí)間，不能完整反映一個(gè)負(fù)載周期的局放狀況，建議安排對(duì)1號(hào)主變C相進(jìn)行連續(xù)24小時(shí)的在線AE檢測(cè)。