500kV增城變電站變壓器的聲發射檢測

摘要：介紹了聲發射（AE）檢測技術、PAC聲發射檢測系統的特點及其在變壓器局部放電（PD）檢測中的應用。通過在增城變電站對兩臺大型變壓器進行局部放電聲發射檢測，取得了成功例子。
關鍵詞：變壓器；局部放電；聲發射；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的主要設備之一，是變電站的心臟，它的狀況直接關系到電力系統的安全經濟運行。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，及時發現變壓器內部的絕緣缺陷，預防潛伏性和突發性事故發生[1]。
利用聲發射（AE）技術對壓力容器進行檢測目前在我國應用得十分成功，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源定位聲發射檢測與信號處理分析系統，在全國石油化工系統開展了大量球罐和臥罐的檢測。隨后，電力系統采用聲發射對鍋爐汽包、合成絕緣子芯棒、熱力管道、閥門進行檢測或泄漏監測，取得一定成效。但利用聲發射技術對變壓器局部放電（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射檢測項目的合作，形成變壓器局部放電聲發射檢測專家系統并推廣應用，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第一家引進PAC聲發射檢測系統并應用于變壓器局部放電檢測的單位，目前應用為起步階段，發展趨勢良好。
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
聲發射是指物體在受到外界作用時，因迅速釋放能量而產生瞬態應力波的一種物理現象。當物體中有聲發射現象發生時，由聲源發射出的每一個AE信號都包含了物體內部結構、缺陷性質和狀態變化的豐富信息。電力變壓器內部結構中，局部的絕緣薄弱點在電場的作用下產生高頻脈沖放電，放電電弧對油介質產生瞬態沖擊產生爆裂狀的超聲波信號，即聲發射現象。聲發射信號以球面波的方式向四周傳播，通過油介質于不同時間傳到安裝于變壓器外壁不同位置的AE傳感器，聲發射檢測系統接收和處理這些AE信號，根據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，推斷出變壓器內部局部放電的位置、狀態變化程度和發展趨勢。
現場變壓器局部放電聲發射檢測時難免會遇到外界噪聲干擾，聲發射檢測系統通過設置PD檢測閾值，分析波形的關鍵特性如幅度（Amplitude）、持續時間（Duration）、能量（Energy）、撞擊數（Hits）、三維定位（3D Location）、事件數（Events）、特征指數（Character Index）、撞擊譜（Hit Spectrum）、波形（Waveform）等，可確認聲發射信號是由局部放電還是噪聲干擾產生的。
變壓器發生局部放電時，上述特征一般會集中于變壓器某一特定的空間（經三維定位），顯示出特定的模式。局部放電的聲發射檢測正是通過對上述特征信息分布范圍的分析，并結合油色譜分析、常規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 現場勘察
找出所有可能出現的噪聲源，如電磁干擾、振動、摩擦和液體流動等，并設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，確保聲發射檢測系統的每個通道都處于正常工作狀態。
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高于75dB，且所有通道的平均值之差應在+/- 5dB內。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 檢測過程及數據分析
本試驗采用了PAC與EPRI共同研發的變壓器局部放電聲發射檢測技術與檢測程序，并輔以PAC公司最新開發的輔助分析方法及軟件對信號進行處理。根據PAC/EPRI提供的AE檢測程序，變壓器局部放電聲發射檢測需持續至少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，經過幾分鐘的測試，發現變壓器局部位置有明顯的聲發射現象，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射發生的區域。1號主變C相的AE檢測時間持續約1小時，期間天氣經歷了陰天、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據進行分析。
增城3號主變C相AE檢測時安裝了16個傳感器，AE檢測持續了兩個多小時[3]。
3.1 儀器設備
DiSP－24通道聲發射檢測系統、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 檢測參數設置
增城1號主變C相和3號主變C相的聲發射檢測參數設置見表1。
3.3 傳感器布置
以1號主變為例，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相聲發射檢測參數設置
AE Channel Threshold Pre-Amp Analog Filter
Type dB FTBnd dB Lower Upper
1號主變參數 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 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 數據分析
3.4.1 增城站1號主變C相AE數據分析
圖2為500kV增城站1號主變C相AE檢測數據參數圖，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；右下小圖為所有通道的能量與持續時間的特征關系圖。
由以上參數圖可看出，1號主變C相在正常工作負載狀態下，時常有突發性信號產生，且幅度較高。AE檢測數據經過后續處理，經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據的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發生的頻度很低，幾十秒至幾分鐘才產生一次。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]。
查找相關的歷史試驗報告，1號主變C相油色譜分析報告結論為氫氣含量異常升高且超過"注意值"（見表3）。常規的高壓局部放電試驗結果顯示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。
本次聲發射檢測結果與油色譜分析及常規高壓局放試驗的結果基本吻合，但更準確的聲發射檢測結果應通過24小時的整個負載周期檢測來獲得。聲發射檢測結果給出了1號主變C相局部放電的三維定位，彌補了兩種常規試驗方法的不足。
3.4.2 增城站３號主變C相AE數據分析
3號主變C相的聲發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現有明顯的突發性、高幅度AE信號。通過對數據進行特征指數與撞擊譜分析，表明除在第12通道曾瞬間出現過幅值很低的疑似PD特征信號外，整個2小時的檢測顯得相當平靜。對所收集到的各種信號進行3D定位分析，未發現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月常規的局放試驗顯示，3號主變C相高、中壓側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/ 試驗電壓下中壓側局放量6000pC、高壓側局放量4000pC[5]。以上數據顯示變壓器在加壓時存在局放現象，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該沒有局部放電現象發生。
該主變以前油色譜分析曾存在總烴超"注意值"，但無乙炔產生，油色譜分析表明變壓器無局部放電跡象，與本次聲發射檢測結果相符。
4 結論
1）聲發射檢測系統可有效應用于大型變壓器局部放電的實時在線帶電檢測，能夠對一個或多個局放源進行區域定位與三維定位。
2）經在線檢測，增城1號主變壓器C相出現與聲發射有關的特征信號（不過PD發生的頻度很低），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，也未出現可定位的任何特征信號。雖然常規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24小時的在線AE檢測。