220kV变电站局部放电检测中超声波检测技术的应用

220kV变电站局部放电检测中超声波检测技术的应用

刘学民

刘学民

国网西藏检修公司西藏850000

摘要：局放电对于电气设备的绝缘缺陷有很好的指示功能，局放电源的检测和定位技术的发展，对于及早发现设备绝缘故障，防止由于放电导致设备损坏具有重要作用。本文以变压器的局放电检测和定位为中心，以超声波检测法为例，详细说明了超声波检测及定位原理、存在的缺陷以及与其他方法的联合使用。

关键词：变压器；局放电；超声波；检测与定位

0引言

变压器是电力系统中较为重要的设备之一，其工作状态对电力系统安全稳定的运行具有极为重要的作用。变压器由于意外事故或非计划停运将给电力运输带来极为严重的后果和经济损失。变压器运行的安全性和稳定性与其绝缘性能关系密切，而局部放电是导致变压器绝缘劣化或击穿的主要原因之一。局部放电通常是指绝缘介质存在某些绝缘弱点，当外施电压超过阀值电压时，会在薄弱环节首先发生放电，但并不随即扩大至整个绝缘介质，这种仅限于弱点处的放电叫做局部放电。局部放电能够暗示绝缘缺陷，所以局部放电的早期发现有助于合理安排的检修，从而避免因绝缘击穿造成的巨大经济损失。

1局部放电检测技术现状

基于局部放电发生时的各种物理和化学现象，产生了各种对局部放电检测和定位的方法。大体可分为电气检测与定位法和非电量检测与定位法。电检测法包括脉冲直流法、无线电干扰电压法、超高频局部放电检测技术和介质损耗分析法；非电量检测则包括声测法、光测法和化学检测法等。本文将以超声波检测技术为例，说明该法在局放电检测定位中的应用。

2超声波检测在局放电中的应用

2.1局部放电产生超声波原理

在变压器中，只要存在局部放电，就会在放电过程中伴随有崩裂状的声音生成，产生超声波，并向四周快速传播。绝缘介质中产生局部放电的原因较为复杂，形式也多样化，但在变压器中，经常发生局部放电的场所是变压器油中气泡或其固体绝缘介质中的气隙。当变压器内部的绝缘介质发生局部放电时，气泡受到电场力或压力的作用，体积会发生膨胀或收缩等变化，这种微小的变化将在外部产生超声波。

气泡产生超声波主要受两方面因素的影响，一是局放时气泡所收到的电场力，二是局放产生后发出的热量导致气泡膨胀而承受的压力。过电压较低时，电场中的气泡会形成振幅逐渐减小的振荡运动，使绝缘介质周围产生超声波；当过电压较高时气泡放电被击穿，产生多种放电路径，并且放电路径受热膨胀并将作用力作用到气泡上，从而在绝缘介质中产生超声波。

2.2超声波的传播

变压器局部放电产生的超声波在油中传播时，超声波传播方向与质点振动方向平行，为纵波；当超声波在变压器器壁等固体中传播时，则同时存在纵波和横波。因此传感器所检测到的超声波信号波形受到局放源、波速、传播路径、介质以及传感器的影响。

2.3超声波定位原理

变压器局放电产生的超声波被变压器油箱外壁上的超声传感器接收，再通过超声传感器上的压电元件将超声波信号转换为电信号，滤波经过放大后，输出到计算机系统，经定位系统对信号进行处理、诊断和定位之后，对局放源的位置做出准确判断。由以上定位原理可知，超声定位相对于其他检测技术而言，具有抗干扰能力强、无破坏性、能实现同时检测和定位局放、稳定性高、连续监测、成本低等优点。

2.4定位方式

声波定位可分为电定位和声定位两大类，前者是根据电脉冲信号为零时间点获取声波到传感器的传播时间，然后根据球面定位法计算局放源的位置，在实际应用中需要用到四个传感器；而后者是根据各传感器收到声波信号的不同时长来定位局放源的位置，常用的算法有模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化算法等。

球面定位法和曲面定位法可适用于不同定位情况，现场电气干扰较大时、对运行中的变压器进行局部放电定位时，采用双曲面定位可获得较好定位结果；V型曲线法操作简单，不计声速，但测量结果的准确度不高。

2.5超声法的误差分析

超声法定位的研究工作较为系统，定位方案也比较成熟，但仍有定位效果不准确的时候。造成超声定位误差的主要原因有：

①时间测量存在误差。使用电-声法测量时，电磁干扰较为明显，会影响对电信号的判断精度，进而影响时间测量的准确度，使定位出现误差。

②传播途径造成的误差。当变压器局放电产生的超声波传播途径出现复合路径时，超声波传感器对此类信号的检测效率降低，影响局放源定位的精度。

③定位算法造成的误差。最小二乘法在求解曲面方程时，具有局部收敛的缺陷，极易造成无解的现象。

④传感器造成的误差。变压器器壁的超声传感器对信号的接收存在一定的局限性，应提高传感器的技术含量，进一步优化传感器的灵敏度。

⑤直达波确定的准确度不高造成的误差。直达波的确定在超声法中具有十分重要的地位，但目前对于超声直达波的研究工作较少，技术人员仅凭经验排除非直达波，势必会影响直达波确定的准确度。

2.6超声法的局限性

超声法对于单一局放源的定位较为理想；无法对局放的严重性做出准确的判断；只能用于油浸式变压器局放定位，在干式变压器局放定位中应用较少；在交流网络中变压器的局放定位应用较多，而输电网络中换流变压器的局放定位应用较少。

2.7超声法与其他方法的联合应用

2.7.1超声波+特高频（UHF）

特高频法是局放电检测中的一种新方法，是利用天线传感器接收局部放电过程中辐射的特高频电磁波，从而实现局放电检测与定位的一种方法。超声波与特高频的联合检测和定位，有效解决了现场难以获得电信号问题。联合法通过检测变压器内部绝缘介质发生局部放电时产生的特高频和超声波信号，并以特高频信号的产生时间为基准，计算超声波信号与特高频信号二者之间的时长差，从而对局放源做出准确的定位。

2.7.2超声波+射频

射频检测法的测量频率高达30MHz，属于甚高频范围。该法以射频信号取代电流脉冲信号，与超声波联合定位局放源的位置。超声波与射频联合检测法保留了超声法操作简单的优势，同时还具有射频检测法高灵敏度的优势，在提升检测系统的抗干扰能力和定位实时性方面也具有优势。

2.7.3超声波+光

超声波+光联合检测定位法利用光纤传感器及其外部敏感元件将超声波信号转化为光信号，然后通过光敏元件将光信号转化为电信号，最后对局放源进行空间定位。利用光线传感，可消除电磁、环境、噪声对测量的影响。

3结语

变压器是电力系统中重要的组成设备之一，变压器一旦发生故障，将影响电力系统的正常运行。局放电技术是检测和定位变压器绝缘故障的常用方法，其中常用的一种检测技术为超声波法，利用超声波可在短时间内对局放电源进行检测和定位，且操作简便。而超声波和其他检测技术的联合应用，更是弥补了超声波检测技术的不足，将局放电检测和定位精度提升到新的水平。

参考文献：

[1]周勇军，甘德刚.局部放电超声波检测技术在西藏首座220kV变电站的应用[J].四川电力技术，2011，03：69-72.

[2]刘蓉.基于超声技术的变压器内部局部放电定位研究[D].陕西师范大学，2009.

[3]李祖.变压器局部放电在线监测系统研究及应用[D].华北电力大学，2014.