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大型变压器现场局部放电故障定位的研究国网电力科学研究院聂德鑫目录一、现场局部放电超声波定位的意义；二、局部放电超声测量的基本特性；三、局部放电超声定位的基本方法；四、现场的运行中变压器的局部放电超声波定位；五、结论一、现场局部放电超声波定位的意义●随着电力系统电压等级的提高和高压电气设备结构的紧凑化，对大型变压器绝缘结构的考验日益严峻。●在大型电力变压器中，对局部放电量的测量是检验其绝缘特性行之有效的方法。通过测量局部放电量，可以帮助工程技术人员掌握该设备的绝缘水平的变化过程。●在现场的测试中，局部放电点的位置确定，有利于对某些特殊局部放电问题的正确判断。●局放定位对变压器内部缺陷的维修具有很大的帮助，同时还可以帮助改善变压器的设计。●可以在运行状态下的变压器进行测量二、局部放电超声测量的基本特性1.声波的特性●声波的产生声波是一种机械振动波。局部放电产生的声信息是很微小的。放电产生的声波的能量与总放电能量之比，一般小于1％，这种声能的转换率，在不同的媒质中和不同的放电状态下是不同的。●声波的频谱电线在空气中放电产生的声频谱矿物油中放电产生的声频谱a)模拟变压器中高压引线的放电b)模拟变压器中绝缘筒表面的放电c)模拟变压器线圈中的放电模拟变压器中放电产生的声频谱●声波的类型☆在气体和液体中传播的声波是纵波，即质点振动的方向是平行于泼的传播方向。☆在固体中传播的声波，除了纵彼之外还有横波，即质点运动的方向垂直于波的传播方向。☆在气体和液体中，测得的是纵波，在固体中测得的主要是横波液。当通过液体传播的纵波到达金属外壳时，横波将会出现在金属体中继续传播。2.声波的传播在20℃时纵波在几种媒质中传播的速度（m/s）媒质速度媒质速度媒质速度氢1280油纸1420铝6400空气330油纸板2300钢6000SF6140聚四氟乙烯1350铜4700矿物油1400聚乙烯2000铅2170水1483有机玻璃2640～2820铸铁3500～5600瓷料5600～6200聚苯乙烯2320不锈钢5660～7390天然橡胶1546环氧树脂2400～2900矿物油中声波传播速度与温度的关系矿物油中声波传播速度与频率的关系●传播中的衰减☆声波在媒质中传播时会产生衰减，如波的扩散、波的反射和热传导等。在气体和液体中，波的扩散是衰减的主要原因；在固体中，衰减的主要原因是分子的撞击，把声能转变为热能。☆局部放电产生的声波，可以看成点声源。在此情况下，声波的传播是以球面波的形式，从放电源发出向外传播，显然离开声源愈远，声的强度和声压就愈小。在理论上，若媒介本身是均匀而且无损耗，则声强度是与声源的距离d的平方成反比的，声压是与d成反比的。☆超声波在复合媒质中传播时，在不同媒质的介面上，会产生声反射，而使穿透过的声波强度变小。声波入射角与接收的信号的关系当探头的位置与放电源的夹角为14.6°时，测到的声波有明显的衰减，这是由于矿物油与铁壳之间，声传播的临界角为14.2，大于临界角，就会产生波的全反射。☆当声波是从一种媒质传播到另一种媒质时，由于两种媒质的声特性阻抗不匹配，也会造成很大的界面衰减。☆两种媒质的声特性阻抗相差愈大，造成的衰减就愈大。声波从空气传到钢板，要比从油中传到钢板造成的衰减大得多。☆声波在传播中的衰减，还与声波的频率有关，频率愈高衰减愈大。在空气中声波的衰减随频率的1~2次方增加；在液体中声波的衰减经常正比于频率的2次方，而在固体材料中声波的衰减大约正比于频率。22112211VVVVR☆在气体中，声波的衰减与气体中所含的水分、雾、烟、灰尘以及环境温度有很大的关系。各种不同的气体成分对声波的衰减也有明显差别，含有少量水蒸气的氧气，要比氮气大200倍，在40kHz下，SF6中声波衰减比空气大20多倍☆在MHz频率下，声波在软的材料中的衰减，要比在硬的材料中的衰减大得多。如氯丁橡胶是聚苯乙烯的10倍，是钢的约50倍☆由于超声波的衰减，使得被测量的超声波信号变小，这给声测法带来了两个难以解决的问题，即灵敏度何定量的问题，这有待于进一步的技术进行解决。3.声测法与电测法测量结果的比较基于声波的能量是局部放电能量中的一部分，从能量的转换关系中，可以推导出声压与视在放电电荷之间的定性关系。式中：q-视在放电电荷；K-常数；n=1~2；Qa-仪器读数；但在这里必须指出，这个用半经验公式它来估算声测法和电测法两种方法测得的结果，必须是用大量的试验结果统计分析来得出结论nAKQqnaKQq三、局部放电超声定位的基本方法1.局部放电超声波测量系统的构成2.局部放电超声波的信号识别在局部放电超声定位过程中，信号的识别和声波传播时间的准确确定，是提高定位精度，降低定位误差的重要环节●信号识别1）收到的声信号波形，一般表现出最开始较大，然而持续衰减振荡的三角形状，这种信号的中心频率范围在70kHz～120kHz之间。2）声信号的波形长度一般大于0.6ms，如果波形较短，则通常认为是电磁干扰的影响。3）不同位置的声传感器所收到的信号具有一定的时延关系。根据实际变压器的尺寸和声波在变压器内传播的速度，时延的范围应在0～2ms以内，如果所有收到以的声信号都同步没有时延关系，那么这组信号一定是由于某种电干扰的影响。4）如果用电信号来触发，那么观察到的电信号和声信号在时差上有所不同，而且具有一定的重复性●信号时延的确定（1）油中直接传播路径（BC）（2）油中的复合路径,如BDC临界发生角:14°●变压器中的等效波速如果放电点发生在变压器的线圈上时，声波就会以不同的波形传播穿过不同的介质。由于线圈和纸板是一种固体介质，因此，声波的传播时间比在油中传播时间略短，为计算简单，可以用一个等效波速来描述声波在变压器中的传播过程。在变压器中的等效波速在1300m/s～3000m/s范围之间。通常取1400m/s3.局部放电超声波自动定位原理●球面定位技术●双曲面定位技术●矩形平面定位技术●球面定位技术(声-电信号定位）声电信号图（1~5通道为声信号，6通道为电信号）电信号的传输速度为108m/s声波传播速度约为103m/s，这样电信号与声信号之间的时间差，就可以认为是声波在变压器中从放电点传播到传感器的时间如果假设吸附在变压器外壳上的传感器数目为m，声波在变压器中的传播程度为Ve，从放电点到第i个传感器时间为ti，那么，就可以通过Ve和ti的乘积，Ve·ti将声波的传播时间变换成传播距离。根据所测量的时延，就可以建立声波传感距离和时间的球面方程。如：0)()()()(),(2233222211ieiiiiitVxxxxxxTXyi=1，2，3，…，m这里，X=（x1，x2，x3，Ve），Ti=（xi1，xi2，xi3，ti）。其中，x1，x2，x3对应于放电点的位置坐标，xi1，xi2，xi3对应于第i个传感器的位置。其物理意义就是：放电点位于以第i个传感器为中心，以Ve·ti为半径的球面上，这样，多个球面相交于一点，这个点就是放电点。用球面技术进行局放定位，传感器的数目至少有三个（m≥3）。●双曲面定位技术(声-声信号定位）如果以收到第一个声信号的传感器作为参考点，这样第i个传感器相对参考传感器的声波传播时差就可以测得（ti-0），对各个传感器的相对声波传播时间就可以满足双曲面方程：这里：ti是从放电点到第i个传感器的声波传播时间，t0是放电点到参数传感器的声波传播时间，所以：0202020222)()()()()()(ieeiiitVzzyyxxVzzyyxx求上面非线性方程的解，就可以得到放电点的位置坐标，这个点是（m-1）双曲面的交点。这种方法不需用到局部放电的电信号，因此它不同于球面定位方法。对于双曲面的定位方法，至少需要四个传感器。同时利用更多的传感器能够得到更准确的定位结果。但放电点的定位在复合介质中时，如发生在线圈内部的放电，这时，则至少需要五个传感器来定位计算。四、现场运行中的变压器局部放电超声波定位●某大型变压器现场局放超声波定位超声波传感器编号X（mm）Y（mm）Z（mm）109203302081038031400127004115062005390142006250800局放定位位置730～780960～1020570～670●某750kV变压器现场定位传感器序号传感器坐标（单位：m）xyz12.4712.8520.28821.9012.8350.21332.0812.8740.26341.6402.8570.22151.4172.7550.15462.2092.7520.100定位点1.76,2.251.05●某高压电抗器局放电超声波现场定位定位情况背景在系统调试期间，高压电抗器进行油色谱分析时发现乙炔气体含量由0增长到0.10μL/L左右。系统调试期间进行了一次零起升压和五次冲击合闸。取样阶段与时间气体成分含量（μL/L）甲烷乙烯乙烷乙炔氢一氧化碳二氧化碳总烃注油后试验数据0.830.030.000.007.26.61180.86耐压试验后0.800.050.000.007.46.91200.85零起升压带电后0.250.050.060.032.7815.15142.090.39冲击合闸后上0.470.020.080.108.2020.8462.980.67中0.500.020.090.118.1820.3561.070.73下0.500.030.090.128.2719.2262.010.74电抗器振动产生的超声波信号电抗器内部局部放电超声信号波形●特高压HGIS超声局放检测定位定位背景：特高压HGIS在进行出厂试验时，在冲击试验过程中发生了多次击穿。GIS在雷电冲击下的波形放电与超声波之间的时差为102us，而声波在铝中的传播速度为6400m/s，根据公式：距离=速度*时间=102us*6400m/s=0.653mGIS内部隔离开关均压罩发生放电的缺陷五、结论●局部放电超声波检测可以在设备运行条件下测量；●局部放电超声波检测可以为设备检修提供准确的方向；●局部放电超声波检测可以监视设备绝缘缺陷的变化趋势谢谢！