500kV增城變電站變壓器的聲發(fā)射檢測

摘要：介紹了聲發(fā)射（AE）檢測技術(shù)、PAC聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的特點及其在變壓器局部放電（PD）檢測中的應(yīng)用。通過在增城變電站對兩臺大型變壓器進行局部放電聲發(fā)射檢測，取得了成功例子。
關(guān)鍵詞：變壓器；局部放電；聲發(fā)射；檢測 超聲波液位計 超聲波物位計 超聲波清洗機 超聲波測厚儀 洗片機
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)濟運行。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。局部放電的檢測能夠提前反映變壓器的絕緣狀況，及時發(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)對壓力容器進行檢測目前在我國應(yīng)用得十分成功，八十年代中期勞動部鍋爐壓力容器檢測研究中心率先從美國PAC公司引進SPARTAN源定位聲發(fā)射檢測與信號處理分析系統(tǒng)，在全國石油化工系統(tǒng)開展了大量球罐和臥罐的檢測。隨后，電力系統(tǒng)采用聲發(fā)射對鍋爐汽包、合成絕緣子芯棒、熱力管道、閥門進行檢測或泄漏監(jiān)測，取得一定成效。但利用聲發(fā)射技術(shù)對變壓器局部放電（PD）進行檢測，卻少有成功案例。
美國電力研究院（EPRI）聯(lián)合多家電力公司與PAC從1995年起開始進行變壓器局部放電聲發(fā)射檢測項目的合作，形成變壓器局部放電聲發(fā)射檢測專家系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，到2002年，已對幾十臺大型電力變壓器進行了局部放電的測試[1]。廣東省電力試驗研究院為國內(nèi)第一家引進PAC聲發(fā)射檢測系統(tǒng)并應(yīng)用于變壓器局部放電檢測的單位，目前應(yīng)用為起步階段，發(fā)展趨勢良好。
本次檢測于2005年4月1日在增城變電站進行，由廣東省電力試驗研究院和美國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 檢測原理及方法
聲發(fā)射是指物體在受到外界作用時，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，由聲源發(fā)射出的每一個AE信號都包含了物體內(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，局部的絕緣薄弱點在電場的作用下產(chǎn)生高頻脈沖放電，放電電弧對油介質(zhì)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊產(chǎn)生爆裂狀的超聲波信號，即聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射信號以球面波的方式向四周傳播，通過油介質(zhì)于不同時間傳到安裝于變壓器外壁不同位置的AE傳感器，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)接收和處理這些AE信號，根據(jù)其波形及頻譜特征進行定性和定量，并利用各傳感器接收到AE信號的時間差對局部放電源進行定位，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。
現(xiàn)場變壓器局部放電聲發(fā)射檢測時難免會遇到外界噪聲干擾，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)通過設(shè)置PD檢測閾值，分析波形的關(guān)鍵特性如幅度（Amplitude）、持續(xù)時間（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，可確認聲發(fā)射信號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，上述特征一般會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)射檢測正是通過對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)的高壓局放試驗等歷史資料，來判別變壓器局放存在與否及嚴重程度。
２ 檢測前準備
2.1 現(xiàn)場勘察
找出所有可能出現(xiàn)的噪聲源，如電磁干擾、振動、摩擦和液體流動等，并設(shè)法對這些噪聲源予以排除。
2.2 處理器校準
檢測前按說明書要求對信號處理器進行校準，確保聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的每個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硬度的活動鉛筆芯在距傳感器中心約100mm～140mm處進行斷鉛試驗，三次斷鉛信號的平均幅度值應(yīng)高于75dB，且所有通道的平均值之差應(yīng)在+/- 5dB內(nèi)。另外采用自動傳感器測試（AST）作為斷鉛試驗的補充。
2.4 背景噪聲檢查
背景噪聲檢查試驗在正式試驗前10分鐘進行。檢測門檻值設(shè)置為35dB～40dB，以測試時沒有背景噪聲或僅有少量（如每分鐘有幾十個或上百個Hit撞擊）噪聲為準。
3 檢測過程及數(shù)據(jù)分析
本試驗采用了PAC與EPRI共同研發(fā)的變壓器局部放電聲發(fā)射檢測技術(shù)與檢測程序，并輔以PAC公司最新開發(fā)的輔助分析方法及軟件對信號進行處理。根據(jù)PAC/EPRI提供的AE檢測程序，變壓器局部放電聲發(fā)射檢測需持續(xù)至少24小時，以包含一個完整的用電負載周期。由于客觀條件限制，本次AE檢測的時間遠低于PAC/EPRI檢測程序推薦的檢測時間，這使得本次試驗不能完整地反映一個負載周期（24小時）的局放狀況。
增城1號主變C相的AE檢測，初步試驗時僅安裝8個傳感器于變壓器油箱外壁的四周，經(jīng)過幾分鐘的測試，發(fā)現(xiàn)變壓器局部位置有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，在正式試驗時采用了10個探頭，并將它們重新布置于有明顯聲發(fā)射發(fā)生的區(qū)域。1號主變C相的AE檢測時間持續(xù)約1小時，期間天氣經(jīng)歷了陰天、零星小雨直至大雨[2]。因下雨后的信號可信度較低，本文僅對未下雨時所獲得的有效檢測數(shù)據(jù)進行分析。
增城3號主變C相AE檢測時安裝了16個傳感器，AE檢測持續(xù)了兩個多小時[3]。
3.1 儀器設(shè)備
DiSP－24通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)、R15I傳感器及30m信號電纜、磁吸、耦合劑、模擬源（活動鉛筆及0.5mm HB筆芯）等。
3.2 檢測參數(shù)設(shè)置
增城1號主變C相和3號主變C相的聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置見表1。
3.3 傳感器布置
以1號主變?yōu)槔?，檢測時傳感器被均勻地布置在變壓器的四周外壁上，其安裝位置及坐標示意圖見圖1及表2。
表1　增城1號主變C相和3號主變C相聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置
AE Channel Threshold Pre-Amp Analog Filter
Type dB FTBnd dB Lower Upper
1號主變參數(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號主變C相AE數(shù)據(jù)分析
圖2為500kV增城站1號主變C相AE檢測數(shù)據(jù)參數(shù)圖，圖中左上小圖為各個通道隨時間的變化歷程；左下小圖為所有通道幅值、能量、持續(xù)時間三者隨時間的變化圖；右上小圖為每一個通道的撞擊數(shù)；右下小圖為所有通道的能量與持續(xù)時間的特征關(guān)系圖。
由以上參數(shù)圖可看出，1號主變C相在正常工作負載狀態(tài)下，時常有突發(fā)性信號產(chǎn)生，且幅度較高。AE檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過后續(xù)處理，經(jīng)濾除一些低幅度噪聲信號及干擾信號后，可得到變壓器局放數(shù)據(jù)的3D定位及其于三個平面的2D投影（圖3）。3D定位顯示這段時間共檢測到21個定位，且基本聚集于變壓器的同一個角落，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投影圖可見定位中心大約在X＝950ｍｍ；Y＝2950ｍｍ；Z＝2600ｍｍ的位置，由檢測方向看去，該位置是變壓器的右上角[2]。
查找相關(guān)的歷史試驗報告，1號主變C相油色譜分析報告結(jié)論為氫氣含量異常升高且超過"注意值"（見表3）。常規(guī)的高壓局部放電試驗結(jié)果顯示1號主變C相局放量偏大，但該放電是非破壞性的[4]，對變壓器安全運行影響不大。
本次聲發(fā)射檢測結(jié)果與油色譜分析及常規(guī)高壓局放試驗的結(jié)果基本吻合，但更準確的聲發(fā)射檢測結(jié)果應(yīng)通過24小時的整個負載周期檢測來獲得。聲發(fā)射檢測結(jié)果給出了1號主變C相局部放電的三維定位，彌補了兩種常規(guī)試驗方法的不足。
3.4.2 增城站３號主變C相AE數(shù)據(jù)分析
3號主變C相的聲發(fā)射檢測時間相對較長（約2小時），背景噪聲約為30dB的水平，在整個檢測過程中未發(fā)現(xiàn)有明顯的突發(fā)性、高幅度AE信號。通過對數(shù)據(jù)進行特征指數(shù)與撞擊譜分析，表明除在第12通道曾瞬間出現(xiàn)過幅值很低的疑似PD特征信號外，整個2小時的檢測顯得相當(dāng)平靜。對所收集到的各種信號進行3D定位分析，未發(fā)現(xiàn)有任何可定位的疑似特征信號[3]，變壓器沒有局部放電征兆。
表3　增城1號主變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)的局放試驗顯示，3號主變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行電壓，說明變壓器在正常運行電壓下應(yīng)該沒有局部放電現(xiàn)象發(fā)生。
該主變以前油色譜分析曾存在總烴超"注意值"，但無乙炔產(chǎn)生，油色譜分析表明變壓器無局部放電跡象，與本次聲發(fā)射檢測結(jié)果相符。
4 結(jié)論
1）聲發(fā)射檢測系統(tǒng)可有效應(yīng)用于大型變壓器局部放電的實時在線帶電檢測，能夠?qū)σ粋€或多個局放源進行區(qū)域定位與三維定位。
2）經(jīng)在線檢測，增城1號主變壓器C相出現(xiàn)與聲發(fā)射有關(guān)的特征信號（不過PD發(fā)生的頻度很低），說明該相在正常負荷狀況下存在局部放電現(xiàn)象。
3）增城3號主變壓器C相AE檢測未獲得明顯的局放信號，也未出現(xiàn)可定位的任何特征信號。雖然常規(guī)PD試驗顯示存在間歇性放電，但因放電電壓高于變壓器的正常運行電壓，說明該相在正常負荷狀況下不存在局部放電現(xiàn)象。
4）本次檢測時間遠短于AE檢測程序推薦的時間，不能完整反映一個負載周期的局放狀況，建議安排對1號主變C相進行連續(xù)24小時的在線AE檢測。