500kV增城变电站变压器的声发射检测

500kV增城变电站变压器的声发射检测

摘要：介绍了声发射（AE）检测技术、PAC声发射检测系统的特点及其在变压器局部放电（PD）检测中的应用。通过在增城变电站对两台大型变压器进行局部放电声发射检测，取得了成功例子。
关键词：变压器；局部放电；声发射；检测 超声波液位计 超声波物位计 超声波清洗机 超声波测厚仪 洗片机
0 绪论
大型变压器是电力系统的主要设备之一，是变电站的心脏，它的状况直接关系到电力系统的安全经济运行。资料表明，大型电力变压器的故障以绝缘故障为主，局部放电既是绝缘劣化的原因，又是绝缘劣化的先兆和表现形式。局部放电的检测能够提前反映变压器的绝缘状况，及时发现变压器内部的绝缘缺陷，预防潜伏性和突发性事故发生[1]。
利用声发射（AE）技术对压力容器进行检测目前在我国应用得十分成功，八十年代中期劳动部锅炉压力容器检测研究中心率先从美国PAC公司引进SPARTAN源定位声发射检测与信号处理分析系统，在全国石油化工系统开展了大量球罐和卧罐的检测。随后，电力系统采用声发射对锅炉汽包、合成绝缘子芯棒、热力管道、阀门进行检测或泄漏监测，取得一定成效。但利用声发射技术对变压器局部放电（PD）进行检测，却少有成功案例。
美国电力研究院（EPRI）联合多家电力公司与PAC从1995年起开始进行变压器局部放电声发射检测项目的合作，形成变压器局部放电声发射检测专家系统并推广应用，到2002年，已对几十台大型电力变压器进行了局部放电的测试[1]。广东省电力试验研究院为国内第一家引进PAC声发射检测系统并应用于变压器局部放电检测的单位，目前应用为起步阶段，发展趋势良好。
本次检测于2005年4月1日在增城变电站进行，由广东省电力试验研究院和美国PAC公司共同完成，广州供电局及增城变电站的工作人员提供配合工作。
1 检测原理及方法
声发射是指物体在受到外界作用时，因迅速释放能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。当物体中有声发射现象发生时，由声源发射出的每一个AE信号都包含了物体内部结构、缺陷性质和状态变化的丰富信息。电力变压器内部结构中，局部的绝缘薄弱点在电场的作用下产生高频脉冲放电，放电电弧对油介质产生瞬态冲击产生爆裂状的超声波信号，即声发射现象。声发射信号以球面波的方式向四周传播，通过油介质于不同时间传到安装于变压器外壁不同位置的AE传感器，声发射检测系统接收和处理这些AE信号，根据其波形及频谱特征进行定性和定量，并利用各传感器接收到AE信号的时间差对局部放电源进行定位，推断出变压器内部局部放电的位置、状态变化程度和发展趋势。
现场变压器局部放电声发射检测时难免会遇到外界噪声干扰，声发射检测系统通过设置PD检测阈值，分析波形的关键特性如幅度（Amplitude）、持续时间（Duration）、能量（Energy）、撞击数（Hits）、三维定位（3D Location）、事件数（Events）、特征指数（Character Index）、撞击谱（Hit Spectrum）、波形（Waveform）等，可确认声发射信号是由局部放电还是噪声干扰产生的。
变压器发生局部放电时，上述特征一般会集中于变压器某一特定的空间（经三维定位），显示出特定的模式。局部放电的声发射检测正是通过对上述特征信息分布范围的分析，并结合油色谱分析、常规的高压局放试验等历史资料，来判别变压器局放存在与否及严重程度。
２ 检测前准备
2.1 现场勘察
找出所有可能出现的噪声源，如电磁干扰、振动、摩擦和液体流动等，并设法对这些噪声源予以排除。
2.2 处理器校准
检测前按说明书要求对信号处理器进行校准，确保声发射检测系统的每个通道都处于正常工作状态。
2.3 传感器性能检查
使用直径0.5mm 、HB硬度的活动铅笔芯在距传感器中心约100mm～140mm处进行断铅试验，三次断铅信号的平均幅度值应高于75dB，且所有通道的平均值之差应在+/- 5dB内。另外采用自动传感器测试（AST）作为断铅试验的补充。
2.4 背景噪声检查
背景噪声检查试验在正式试验前10分钟进行。检测门槛值设置为35dB～40dB，以测试时没有背景噪声或仅有少量（如每分钟有几十个或上百个Hit撞击）噪声为准。
3 检测过程及数据分析
本试验采用了PAC与EPRI共同研发的变压器局部放电声发射检测技术与检测程序，并辅以PAC公司最新开发的辅助分析方法及软件对信号进行处理。根据PAC/EPRI提供的AE检测程序，变压器局部放电声发射检测需持续至少24小时，以包含一个完整的用电负载周期。由于客观条件限制，本次AE检测的时间远低于PAC/EPRI检测程序推荐的检测时间，这使得本次试验不能完整地反映一个负载周期（24小时）的局放状况。
增城1号主变C相的AE检测，初步试验时仅安装8个传感器于变压器油箱外壁的四周，经过几分钟的测试，发现变压器局部位置有明显的声发射现象，在正式试验时采用了10个探头，并将它们重新布置于有明显声发射发生的区域。1号主变C相的AE检测时间持续约1小时，期间天气经历了阴天、零星小雨直至大雨[2]。因下雨后的信号可信度较低，本文仅对未下雨时所获得的有效检测数据进行分析。
增城3号主变C相AE检测时安装了16个传感器，AE检测持续了两个多小时[3]。
3.1 仪器设备
DiSP－24通道声发射检测系统、R15I传感器及30m信号电缆、磁吸、耦合剂、模拟源（活动铅笔及0.5mm HB笔芯）等。
3.2 检测参数设置
增城1号主变C相和3号主变C相的声发射检测参数设置见表1。
3.3 传感器布置
以1号主变为例，检测时传感器被均匀地布置在变压器的四周外壁上，其安装位置及坐标示意图见图1及表2。
表1　增城1号主变C相和3号主变C相声发射检测参数设置
AE Channel Threshold Pre-Amp Analog Filter
Type dB FTBnd dB Lower Upper
1号主变参数 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号主变参数 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 数据分析
3.4.1 增城站1号主变C相AE数据分析
图2为500kV增城站1号主变C相AE检测数据参数图，图中左上小图为各个通道随时间的变化历程；左下小图为所有通道幅值、能量、持续时间三者随时间的变化图；右上小图为每一个通道的撞击数；右下小图为所有通道的能量与持续时间的特征关系图。
由以上参数图可看出，1号主变C相在正常工作负载状态下，时常有突发性信号产生，且幅度较高。AE检测数据经过后续处理，经滤除一些低幅度噪声信号及干扰信号后，可得到变压器局放数据的3D定位及其于三个平面的2D投影（图3）。3D定位显示这段时间共检测到21个定位，且基本聚集于变压器的同一个角落，但PD发生的频度很低，几十秒至几分钟才产生一次。从2D投影图可见定位中心大约在X＝950ｍｍ；Y＝2950ｍｍ；Z＝2600ｍｍ的位置，由检测方向看去，该位置是变压器的右上角[2]。
查找相关的历史试验报告，1号主变C相油色谱分析报告结论为氢气含量异常升高且超过"注意值"（见表3）。常规的高压局部放电试验结果显示1号主变C相局放量偏大，但该放电是非破坏性的[4]，对变压器安全运行影响不大。
本次声发射检测结果与油色谱分析及常规高压局放试验的结果基本吻合，但更准确的声发射检测结果应通过24小时的整个负载周期检测来获得。声发射检测结果给出了1号主变C相局部放电的三维定位，弥补了两种常规试验方法的不足。
3.4.2 增城站３号主变C相AE数据分析
3号主变C相的声发射检测时间相对较长（约2小时），背景噪声约为30dB的水平，在整个检测过程中未发现有明显的突发性、高幅度AE信号。通过对数据进行特征指数与撞击谱分析，表明除在第12通道曾瞬间出现过幅值很低的疑似PD特征信号外，整个2小时的检测显得相当平静。对所收集到的各种信号进行3D定位分析，未发现有任何可定位的疑似特征信号[3]，变压器没有局部放电征兆。
表3　增城1号主变C相油色谱分析（μL/L）
日 期 氢H2 甲烷H4 乙烷C2H6 乙烯C2H4 乙炔C2H2 一氧化碳CO 二氧化碳CO2 总烃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月常规的局放试验显示，3号主变C相高、中压侧存在间歇性局部放电，起始放电电压为1.25Um/ ，放电熄灭电压为1.0Um/ 。反复降压、升压后，起始放电电压有所降低，在1.0Um/ 电压下放电熄灭。在1.3Um/ 试验电压下中压侧局放量6000pC、高压侧局放量4000pC[5]。以上数据显示变压器在加压时存在局放现象，但放电的起始、熄灭电压都高于其自身正常运行电压，说明变压器在正常运行电压下应该没有局部放电现象发生。
该主变以前油色谱分析曾存在总烃超"注意值"，但无乙炔产生，油色谱分析表明变压器无局部放电迹象，与本次声发射检测结果相符。
4 结论
1）声发射检测系统可有效应用于大型变压器局部放电的实时在线带电检测，能够对一个或多个局放源进行区域定位与三维定位。
2）经在线检测，增城1号主变压器C相出现与声发射有关的特征信号（不过PD发生的频度很低），说明该相在正常负荷状况下存在局部放电现象。
3）增城3号主变压器C相AE检测未获得明显的局放信号，也未出现可定位的任何特征信号。虽然常规PD试验显示存在间歇性放电，但因放电电压高于变压器的正常运行电压，说明该相在正常负荷状况下不存在局部放电现象。
4）本次检测时间远短于AE检测程序推荐的时间，不能完整反映一个负载周期的局放状况，建议安排对1号主变C相进行连续24小时的在线AE检测。