作者：林介东等
摘　要: 介绍了运用声发射(AE) 检测技术进行变压器局部放电(PD) 检测的工作原理和基本方法, 以及美国物理声学公司( PAC) 声发射检测系统的特点。以增城变电站2 台大型变压器的局部放电声发射检测试验为实例, 介绍了变压器局部放电声发射检测的试验步骤和试验方法, 并分析了试验数据, 检测结果表明, AE 检测结果与油色谱分析及常规高压PD 试验的结果基本吻合, 且能够对PD 源进行区域定位和三维定位, 声发射检测系统可有效应用于大型变压器PD 的实时在线带电检测。
关键词: 变压器; 局部放电; 声发射检测技术

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。
目前, 利用声发射(acoustic emission , A E) 技术对压力容器进行检测在我国应用得十分成功, 20世纪80 年代中期, 原劳动部锅炉压力容器检测研究中心率先从美国物理声学公司( PAC) 引进SPA R TAN 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A E 技术对锅炉汽包、合成绝缘子芯棒、热力管道、阀门进行检测或泄漏
监测, 取得一定的成效, 但利用A E 技术对变压器进行局部放电(p a rtial discha rge , PD) 检测, 却少有成功案例。
美国电力研究院( EPRI) 联合PAC 及多家电力公司, 从1995 年开始合作研究变压器局部放电声发射检测项目, 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PD 测试[ 1 ] 。广东省电力试验研究所引进了PAC 声发射检测系统, 并应用于变压器PD 检测, 目前为应用起步阶段。
2005 年4 月1 日, 在广州供电局增城变电站分别对1 号主变压器W 相和3 号主变压器W 相进行了局部放电声发射检测, 由广东省电力试验研究所和PAC 共同完成, 广州供电局及增城变电站的工作人员提供协作。
1 　检测原理及方法
A E 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A E 现象发生时, 由声源发射出的每一个A E 信号都包含了物体内部结构、缺陷性质和状态变化等丰富信息。在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A E 现象。A E 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A E 传感器, 声发射检测系统接收和处理这些A E 信号, 根据其波形和频谱特征进行定性和定量分析, 并利用各传感器接收到A E 信号的时间差对PD 源进行定位, 推断出变压器内部PD的位置、状态变化程度和发展趋势。
现场进行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, 如振幅( amplit ude ) 、持续时间( duration ) 、能量( e ne rgy ) 、撞击数( hits ) 、三维定位( 3Dlocation) 、事件数( eve nts ) 、特征指数( cha racte ri ndex) 、撞击谱( hit sp ect rum) 和波形(wavef orm)等, 可确认A E 信号是由PD 还是噪声干扰产生的。
变压器发生PD 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。局部放电声发射检测正是通过分析上述特征信息的分布范围, 并结合油色谱分析、常规的高压PD 试验等历史资料, 来判别变压器PD 存在与否及严重程度。
2 　检测前准备
2.1 　现场勘察
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
使用硬度等级HB 、直径015 mm 的活动铅笔芯在距传感器中心100～140 mm 处进行断铅试验,3 次断铅信号的平均幅值应高于75 dB , 且所有通道的平均值之差应在±5 dB 内。另外采用自动传感器测试(AS T) 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 mi n 进行。检测阈值设置为35～40 dB , 以测试时没有背景噪声或仅有少量噪声(如1 mi n 有几十个或上百个撞击) 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及检测程序, 并辅以PAC 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A E 检测程序, 变压器局部放电声发射检测需至少持续24 h , 以包含一个完整的用电负载周期。由于客观条件限制,
本次A E 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用电负载周期(24 h) 变压器的PD 状况。
对增城变电站1 号主变压器W 相的PD 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, 发现变压器局部位置有明显的A E 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A E 发生的区域。A E 检测时间持续约1h , 期间天气经历了阴天、零星小雨直至大雨。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。增城变电站3 号主
变压器W 相局部放电声发射检测时, 安装了16 个传感器, A E 检测时间持续了约2 h 。
3.1 　仪器设备
增城变电站1 号主变压器W 相和3 号主变压器W 相局部放电声发射检测所采用的仪器设备包括: DiSP224 通道A E 检测系统、R15I 传感器及30 m 信号电缆、磁吸、耦合剂、模拟源(活动铅笔及硬度等级HB 、直径015 mm 的铅笔芯) 等。
3.2 　检测参数设置
增城变电站1 号主变压器W 相和3 号主变压器W 相局部放电声发射检测的参数设置见表1 。

3.3 　传感器布置
以1 号主变压器为例, 检测时传感器被均匀地布置在变压器的四周外壁上, 其安装位置的坐标见表2 。

3.4 　数据分析
3.4.1 　1 号主变压器W 相AE 检测数据分析
图1 为500 kV 增城变电站1 号主变压器W 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的振幅、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。

局部放电声发射检测参数图
由图1 可看出, 1 号主变压器W 相在正常工作负载状态下, 时常有突发性信号产生, 且振幅较高。AE 检测数据经过后续处理, 滤除一些低幅值噪声信号及干扰信号后, 可得到变压器PD 数据的三维定位及其于3 个平面的二维投影(如图2 所示) 。三维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 发生的频率很低, 几十秒至几百秒才出现一次。从图2 可见, 定位中心大约在x = 950 mm , y = 2 950 mm ,z = 2 600 mm 的位置, 由检测方向看去, 该位置是变压器的右上角。

查找相关的历史数据, 1 号主变压器W 相油
色谱分析结论为氢气的体积分数异常升高且超过注意值; 常规的高压PD 试验结果显示1 号主变压器W 相局部放电量偏大, 但该放电是非破坏性的,对变压器安全运行影响不大。
本次AE 检测结果与油色谱分析和常规高压PD 试验的结果基本吻合, 但更准确的AE 检测结果应经过整个用电负载周期(24 h) 的检测来获得。AE 检测结果给出了1 号主变压器W 相PD 的三维定位, 弥补了油色谱分析及常规高压PD 试验方法的不足。
3.4.2 　3 号主变压器W 相AE 检测数据分析
增城变电站3 号主变压器W 相的AE 检测时间相对较长, 约2 h , 背景噪声约30 dB , 在整个检测过程中未发现有明显的突发性、高振幅的AE信号。通过对数据进行特征指数和撞击谱分析, 表明除在第12 通道曾瞬间出现过振幅很低的疑似PD特征信号外, 整个检测过程显得相当平静。对所收集到的各种信号进行三维定位分析, 未发现有任何可定位的疑似特征信号 , 变压器没有PD 征兆。
2005 年3 月的常规PD 试验显示, 3 号主变压器W 相高、中压侧存在间歇性PD , 起始放电电压为1125Um/ 3 (Um 为变压器最高工作电压) , 放电熄灭电压为110Um/ 3 。反复降压、升压后, 起始放电电压有所降低, 在电压为110Um / 3下放电熄灭。在113Um / 3试验电压下, 中压侧局部放电量6 000 pC , 高压侧局部放电量4 000 pC。以上数据显示变压器在加压时存在PD 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PD 现象发生。
该主变压器以前的油色谱分析曾存在总烃超过注意值但无乙炔产生的情况, 表明变压器无PD 迹象, 与本次AE 检测结果相符。
4 　结论
a) 声发射检测系统可有效应用于大型变压器PD 的实时在线带电检测, 能够对一个或多个PD源进行区域定位和三维定位。
b) 经在线检测, 增城变电站1 号主变压器W相出现与AE 有关的特征信号(不过PD 发生的频率很低) , 说明该相在正常负荷状况下存在PD现象。
c) 增城变电站3 号主变压器W 相AE 检测未获得明显的信号, 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PD 现象。
d) 本次检测时间远短于AE 检测程序推荐的时间, 不能完整地反映一个用电负载周期变压器的PD 状况, 建议安排对增城变电站1 号主变压器W相进行连续24 h 的在线AE 检测。