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