摘　要：介绍了近年来声发射（acoustic emission，AE）技术在变压器局部放电测量方面的发展及应用情况，详细说明了用声发射技术检测变压器局部放电的原理，对检测系统结构、定位测量方法及局部放电声发射信号的模式识别进行了概述，探讨了该方法的优缺点和今后的发展方向。
关键词：声发射技术；电力变压器；局部放电;检测；模式识别
高压电力变压器是电力系统的重要设备，其质量直接影响着电网的安全运行。随着电压等级的提高，要求变压器的绝缘结构更加紧凑，因而局部放电（partial discharge，PD）量成为控制变压器绝缘的重要指标，很多故障都可以从PD中得到反映，如PD放电量和放电模式的变化等。与其他绝缘试验相比，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的发生。
变压器在局部放电过程中，总是伴随着脉冲电流、电磁辐射以及声、光、热等现象。针对各种现象所采用的不同检测方法，均能从不同侧面反应局部放电的状况和程度。近年来，利用局部放电过程中产生的声发射（acoustic emission，AE）信号对其进行判断和定位的方法越来越引起人们的重视。与其他检测方法相比，它具有以下优点：a)可以对变压器进行在役实时和连续监测；b)可以免受电磁干扰的影响，因此可用于电磁干扰非常严重的场合；c)利用声波在变压器油等介质中的传播特性可以对局部放电源进行定位[1]。
1声发射检测设备
自1965年美国的Dunegan公司首次推出声发射商用仪器以来，声发射硬件技术经历了从参数式→参数型数字式→波形式三个阶段的更新发展。进入20世纪90年代，美国PAC公司、美国DW公司和中国北京鹏翔公司先后开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更轻的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除了能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可以直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。
随着声发射检测仪器的日趋完善，用于变压器局部放电测量的可靠性也越来越高。
1.1检测原理
变压器内部局部放电所产生的声发射信号由紧贴在变压器外壁上的声发射传感器（1，2，3，4，…）拾取，在将声信号转化为电脉冲信号后，经前置放大单元放大后传送到信号预处理单元，信号预处理单元完成对电信号的滤波及进一步放大，以便满足模数（analogue/digital，A/D）采样的要求。高速模数转换器将局部放电声发射模拟信号转化为数字信号，传送到计算机中并利用相关软件对数字信号进行分析处理，以判断放电模式和放电源位置。具体应用中，要设置PD检测阈值排除噪声，并通过计算变压器壁上多个AE传感器检测到的AE波信号相对到达时间来确定变压器内PD的位置。
在现代声发射仪器中，系统设计模块化，呈积木式并行结构，其基本单元是数字信号处理卡（DSP），每块卡上有自己的中央处理器和A/D变换器，前置放大单元集成在声发射传感器中，因此结构更加紧凑。标准的DISP?PD系统除了AE处理外，还可提供参数输入通道，以便记录压力、温度和湿度等参数，提高判断的准确度。
1.2声发射传感器
传感器是声发射检测中的一个重要部件，它将感受到的局部放电声发射信息以电信号的形式输出，在局部放电测量中，它的灵敏度和抗干扰能力直接影响着随后的测量结果。
在变压器局部放电的测量中，声发射传感器的谐振频率一般都选择在150 kHz。虽然局部放电及所产生的声发射信号具有一定的随机性，每次局部放电的声波信号频谱不同，但整个局部放电声波信号的频率分布范围却变化不大，基本处于50～300 kHz频段。大量研究表明，局部放电产生的声波信号的频谱大都集中在150 kHz左右，而变压器的噪声频谱分布在小于65 kHz频率范围，二者的频率分布明显不同。另外，传播媒质对声波吸收系数随频率的平方增长，即频率越高，吸收系数越大，声波在传播中的衰减越厉害，因此系统最好利用低频段的声波信号，以保证其灵敏度，同时避开变压器铁芯自身振动、噪声和其他电磁噪声等干扰。
在传感器的种类方面，以谐振式传感器最为多见。文献[2]中采用了光纤传感器，其具有体积小、重量轻、响应快、灵活度高、抗电磁干扰能力强和能进行非接触测量等优点，并且可以将传感器伸入到变压器油甚至绕组中进行测量，有效地减少声波传播途径和电磁干扰对局部放电信号测量的影响。?
2局放信号的定位测量方法
早期的人工测量方法一般采用在变压器外壁布置数个声发射传感器，根据所接受到的声发射信号情况，在测量过程中调整传感器的位置，结合局部放电声脉冲到达不同传感器的时间差和声脉冲在介质中的传播速度计算出信号的传播路径长度之差，再利用相应的几何关系确定局部放电源在变压器中的位置。这种简单的方法一次只能对一个放电源进行探测和定位，而且要求放电信号是连续的，因此在具体应用中有着很大的局限性[3]。
随着声发射设备和信号处理技术的发展，已经可以实现对变压器局部放电的自动在线测量和定位。使用这种探测系统需要在变压器油箱表面布置20个以上的声发射传感器，以记录局部放电声脉冲信号，如果可能的话，还需同时记录负载、温度等外部参数作相关分析。
2.1定位方法
声波定位法的原理是通过测量声波传播的时延来确定局部放电源的位置，可分为电-声定位和声-声定位。电-声定位法基于电-声触发的定位原理，即同时测量出放电的电信号和声信号，以局部放电的电信号作为触发基准信号，放电点至传感器之间声波的直接传播时间近似为电、声信号的时间差，通常采用V形曲线法和球面法进行定位。声-声定位法基于声-声触发的定位原理，即选用一路声信号触发其余声信号，定位时选择某传感器为参考传感器，以此为基准，测量同一局部放电超声信号传播到其他传感器时对应于它的相对时差。通常采用双曲面法进行定位。
随着声波传播机理研究的深入，出现了顺序定位法和模式识别法等[4]。顺序定位法是基于在一个固定放电点上所产生的超声波到达不同传感器的顺序定出放电区域，并不提供一个确切的放电位置。此定位法对声速和传感器的位置不敏感，在现场中能取得较好的结果。模式识别定位法则是基于声-声触发的定位原理，以个传感器为限，把变压器分成若干个子模块，逐个求解变压器中每一个子模块所对应的标准模式矢量和待判定模式矢量的空间距离，两距离最小的子模块所在的位置就可能是放电点。借助计算机，该方法实施简单，定位精度高，它克服了原有计算定位法中存在的问题，具有实用价值。但在实际定位中，对声速的取值和放电时延的测量仍需进一步研究。
2.2影响定位精度的因素
实验室条件下，运用声波测量法可以探测到10 pC的局部放电，并且给出准确的定位，而在现场应用时，却远不能达到如此高的精度，主要原因分析如下[5]：
2.2.1现场测试条件的干扰
现场测试时，变压器铁心噪声、油泵噪声和环境噪声都会对声发射传感器的灵敏度产生影响。统计分析表明环境噪声通常为低平波，没有明显的时延现象；铁心和油泵噪声为窄带宽峰值波。当局部放电声脉冲的频率高于100 kHz时，其波形与上述几种干扰波形有明显不同，易于识别，但当其频率低于100 kHz时，铁心噪声中的某些高频分量就会混杂在局部放电声脉冲中。
另外，声发射传感器油箱表面安装条件、油箱热膨胀、下雨等天气条件都会对声传感器的灵敏度产生影响。
2.2.2信号传递路径对定位准确度的影响
变压器内部结构复杂，具有多种声传播介质，如绝缘件、变压器油和金属等，它们的介质声速差异很大，这样就会出现一个沿金属构件传播的局放声脉冲信号，虽然传播路径远远长于同一信号沿变压器油的传播路径，却先到达声传感器，造成该传感器距局部放电点更近的假象。因此，利用声波测量法判断变压器内部局部放电和确定局部放电源位置不能片面地依赖仪器的测量结果，应该把测量结果与变压器具体结构相结合，也可以与传统的变压器油色谱分析法结合起来，互相补充以求最佳的检测效果。?
3局部放电声发射信号的模式识别
20世纪90年代以来，模式识别方法开始用于局部放电识别，来代替放电谱图的目测法，显著提高了识别的科学性和有效性。模式识别的重点是特征提取（即放电指纹的获取）和特征空间的划分（即识别算法的选择）。在识别方法中，基于人工神经网络的模式识别是最为常用的方法之一。这种方法是将所提取的特征作为网络的输入，利用已知的放电样本来改变网络中各层神经元的权重来完成学习，最后固定权重，进行放电类型识别，常用的有P(back propagation)网络、自组织特征映射网络、LVQ(learning vector quantization)网络和AR(adaptive resonance theory)网络等[6]。
用人工神经网络识别局部放电时，由-q-n谱图提取的特征量少则十几个，多则几百个，使得神经网络的输入较多，神经元个数增多。文献[7]采用分形理论对局部放电声波信号的时域脉冲波形进行分析，应用分析参数提取局部放电特征，这可以有效减小特征量个数，再运用基于P法的神经网络来识别不同特征，从而对局部放电模式进行判别。
4总结
可以看到，用声发射测量变压器局部放电具有一些电气方法所没有的优点。近年来，声发射设备、电子技术和计算机技术的快速发展，为该方法的广泛应用提供了坚实的物质基础。但如前所述，在现场应用中，由于受到各种因素的干扰，检测灵敏度和定位的精确度都受到一定影响。在未来的发展中，不仅要对系统硬件进行完善，还要从定位理论、识别算法等方面作进一步研究。另外应更加深入地探讨局部放电的理论基础，对在不同的绝缘系统中，放电情况下老化的性质、形式和程度等有更清楚的认识，把它和检测信号之间的关系结合起来，从而提高诊断结论的科学性。