海上平台变压器局部放电超声波检测分析

韩超

韩超

中海油能源发展装备技术有限公司天津市滨海高新区300450

摘要：对海上平台变压器进行局部放电监测是保证电气设备正常运行安全性的一项重要预防性监测措施。局部放电如果长期存在，会加速设备老化，甚至会造成绝缘破坏、影响设备的正常运行，更严重的会发生爆炸等，造成财产损失和人员伤亡。海上平台变压器进行局部放电在线监测是了解设备的绝缘状况，确定故障产生的部位及其原因的最有效手段之一，有利于及时发现并解决故障和问题。本文分析了海上平台变压器局部放电超声波检测。

关键词：超声波法检测；海上平台变压器；局部放电；

局部放电检测是把局部放电时产生的电光声等现象当作依据，通过阐述物理量来表现局部放电的状态，包括定位和放电的程度。目前，有很多检测局部放电的方法，例如超声波检测法、脉冲电流法、气相色谱法、光测法、超高频法、射频检测法等。超声波检测方法是局放检测定位最传统也是最主要的方法。

一、超声波检测方法

传统检测局部放电通常采用脉冲电流法。它是通过测量设备发生局部放电时产生的脉冲电流来确定视在放电量、局部放电脉冲等参数，技术成熟，可以对放电量进行估算，但抗干扰能力差，现场测试的精度受环境影响很大；化学检测法抗电磁干扰能力比较强，但受到设备内部吸附剂、干燥剂以及断路器开断时产生的电弧分解气体的影响较大，其灵敏性较差；光学检测法需多个传感器，成本较高，在现场应用很少，一般只在实验室作研究应用。另外，相位门极控制法、有限时域差分法还处于理论研究的阶段，没有成熟的仪器装置应用到现场。超声波检测技术对高压电气设备的检测具有易于实现带电检测、便于空间定位和抗干扰能力较强等特点。目前超声波检测技术测量局部放电信号是将超声波传感器贴在接地的高压电气设备外壳进行检测，对设备的运行和操作没有任何影响，从而减少了设备停电检查的时间，提高了设备的供电可靠性。高压电气设备局部放电产生的声波频率分布范围很广，包括了超声波频率，而现场的环境干扰（如运行中变压器的励磁噪声，散热器风扇、冷却器噪声、潜油泵噪声和循环油噪声等）的频率大多属于可听声音频段，因此，选择局部放电产生的超声频段进行检测容易避开背景噪声干扰的影响。海上平台变压器的局部放电在线监测是在设备带电情况下进行长时间持续监测，变压器发生局部放电时分子间发生剧烈碰撞并在宏观上瞬间形成一种压力，产生超声波脉冲，信号波长较短，方向性较强，因此它的能量较为集中，这样的特性更有利于辨别其方向和位置。将基于谐振原理的声发射传感器置于设备外壳上检测这一脉冲信号，然后经过前置放大、滤波等处理环节，进而通过信号分析以确定设备的绝缘状况。

二、海上平台变压器局部放电超声波检测分析

1.超声波局放检测原理及定位方法。在放电的区域中，产生局部放电时，分子间产生剧烈的撞击，宏观上的声波也就产生了，频率大于20kHz的被称之为超声波。把通过检测局部放电产生的超声波信号来判定局部放电的方法称为局部放电的超声波检测法。此时，可把局部放电源看作点脉冲声源，声波会形成球面波的形式，向四周传播，遵循机械波的传播规律，传播速度与介质有关，且介质交界处会产生反射和折射现象。声波在传送过程中频率越高，衰减就越大，所以超声波局部放电检测方法通常使用频率为数十到数百kHz。当电气设备内部放电产生的声波信号传送到其表面，被超声波传感器转换为电信号，然后通过放大器放大，最后传到采集系统。受电气设备干扰小是超声波检测法最大的优点，因而可实现远距离测量，对局放源进行准确定位。局放源发出的超声波信号向四周扩散，然后传达到超声波传感器，传感器将其接收。

2.局放定位算法。采用算法求解一个多元非线性方程组得到局放源坐标。算法是使用最广泛的非线性最小二乘算法，为了使用该算法，可将方程组转化为函数表达式：，其中T为观测的时间，P为放电源的坐标，S传感器坐标。由于传感器检测到超声信号所用的时间，存在各种干扰和误差，因而得到的值并不一定是距实际放电点最近的值，所以采用多传感器测量来降低因干扰而造成的误差。本文采用传感器来测量，将传感器按每4个传感器一组进行组合，将选取元素最多的类作为最佳解组，然后对该组求平均值，得到最终结果。实际测量实验是在空气中进行的，先通过无局放升压变压器进行升压，进行局部放电，此时放电点会同时产生电信号和超声信号，电流通过高频交流互感器传播到局部放电测试仪，此时测得的时间即为放电时间;超声波逐渐传播到每个传感器，当超声波到达传感器时，传感器产生电信号传播到局部放电测试仪，测得这个时间与电流传到局部放电测试仪的时间差即为超声波传播时间。由于这个电流能传播速度非常快，所以超声传感器检测到超声波的时间可以看做传感器产生电信号传播到局部放电测试仪的时间。

3.超声波传感器特性。超声波传感器按收发形式，通常分为收发一体和收发分体两类，按应用环境不同分为开放式和接触式。海上变压器在线监测根据应用需求和节省成本的原则，使用收发分体当中的超声波接收传感器，采用开放式。一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器组成的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当向由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，即双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

4.局部放电超声波信号预处理。由于变压器内结构和介质的复杂性,超声波在其内的传播途径很复杂,存在较强的声衰减,因而除了研究灵敏度很高的超声波传感器外,还必须研究高灵敏度的前置放大器。另外,对局部放电实施超声波检测时,现场的噪声和干扰非常强,如机械振动噪声、变压器铁心的磁致伸缩噪声及电磁波干扰等都存在,它们甚至会淹没局部放电的超声波信号,因而需要研究干扰的抑制技术。(1)利用小电容值的压电传感器接收局部放电辐射的声信号时,电荷放大器优于电压放大器。(2)对接收放大的信号采取高阶硬件滤波可有效抑制背景噪声和工频干扰,也可降低采集器的采样率。(3)对采集的信号应该分离出电磁波和超声波分量，对信号小波包分解后,以低频重构信号的峰值作为特征量来区分信号,并在重构时分离信号，此方法还应经过大量的数据和现场检验,从而增加判断的准确性。(4)对局部放电超声波检测信号的预处理应采取软硬件结合的措施来抑制干扰和噪声。

目前利用超声波法测量局部放电的主要局限性是不能进行定量分析，检测灵敏度不是很高。对于检测来自绝缘材料内部的缺陷，虽然绝缘体内部缺陷将使放电上升、产生电树枝，并可能引起击穿，但由于绝缘固体中超声波信号衰减很大，故超声波检测法很难检测到绝缘材料中的缺陷等。并且由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本上不能反映放电量的大小。为确认被测信号来源、彻底消除误判提供了保证。

参考文献：

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