蔡禮　朱建武　帥一

摘要：變壓器油介質(zhì)放電為變壓器內(nèi)部常見(jiàn)的放電故障，其放電時(shí)會(huì)伴隨一定的聲信號(hào)?；诼晫W(xué)特征的變壓器故障診斷是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，在免受電磁干擾的情況下可以對(duì)變壓器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)或連續(xù)檢測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)聲信號(hào)進(jìn)行分析處理可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，同時(shí)利用聲波在變壓器油等介質(zhì)中的傳播特性可以對(duì)局部放電源進(jìn)行定位。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)特征；變壓器故障；故障診斷；應(yīng)用需求；放電故障 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM711 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0049-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.025

大型變壓器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，它的狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。大型電力變壓器的故障以絕緣故障為主，局部放電既是絕緣劣化的原因，又是絕緣劣化的先兆和表現(xiàn)形式。局部放電的檢測(cè)能夠提前反映變壓器的絕緣狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的絕緣缺陷，預(yù)防潛伏性和突發(fā)性事故發(fā)生。變壓器在局部放電過(guò)程中，總是伴隨著聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，局部放電產(chǎn)生的這些聲信號(hào)與局部放電的程度和類型有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 變壓器故障診斷方法的需求與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 電網(wǎng)設(shè)備老舊主變概況

根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料統(tǒng)計(jì)，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)4年的變壓器故障概率為2.5%（每200臺(tái)中有5臺(tái)故障）。不僅變壓器本體故障帶來(lái)?yè)p失，故障引起的間接經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重，變壓器作為輸變電傳輸網(wǎng)絡(luò)的上游設(shè)備，事故造成的電力中斷會(huì)嚴(yán)重影響人們的工作和生活。

本公司某站#1主變型號(hào)SFPSZ9-150000/220，河北保定變壓器廠生產(chǎn)，出廠日期1998-05-27，投運(yùn)日期1999-07-01，運(yùn)行已超過(guò)15年，屬老舊變壓器，冷卻方式強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷（ODAF）。2012年9月#1主變油化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油中出現(xiàn)微量乙炔（C2H2），2012年9月為0.3?L/L，2013年4月為0.42?L/L，2014年11月為0.29?L/L，2015年3月為0.25?L/L，近兩年來(lái)乙炔含量較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常增長(zhǎng)現(xiàn)象。其#2主變型號(hào)SFSZ9-150000/220，衡陽(yáng)變壓器有限公司生產(chǎn)，出廠日期2002-04-01，投運(yùn)日期2002-06-09，冷卻方式自然油循環(huán)風(fēng)冷（ONAF）。2012年9月#2主變油化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油中出現(xiàn)微量乙炔，2012年9月為0.16?L/L，2013年4月為0.22?L/L，2014年11月為0.19?L/L，2015年3月為0.18?L/L，近兩年來(lái)乙炔含量較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常增長(zhǎng)現(xiàn)象。#2主變經(jīng)制造廠校核發(fā)現(xiàn)中、低壓側(cè)抗短路能力不足，被列為隱患主變壓器。

本變電站除安裝有避雷器動(dòng)作次數(shù)及泄漏電流表外（不具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能），其他設(shè)備未安裝在線監(jiān)測(cè)裝置。由于本站#1、#2主變均存在微量乙炔，產(chǎn)氣原因至今未明確，但是由于本站為樞紐變電站，停電計(jì)劃安排十分困難，同時(shí)也需要保證密切監(jiān)控變壓器運(yùn)行情況，故有必要加裝在線監(jiān)測(cè)，以監(jiān)視、跟蹤分析。

1.2 傳統(tǒng)測(cè)試方法應(yīng)用情況

為確保變壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)需滿足GB 1094標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定關(guān)于電、機(jī)、熱等方面的具體要求。變壓器故障包括外部和內(nèi)部故障，其中變壓器的外部故障主要是變壓器油箱及其附件焊接不良、密封性能不好，造成滲漏油故障；冷卻系統(tǒng)包括油泵、風(fēng)扇、控制設(shè)備等的故障，分接開(kāi)關(guān)傳動(dòng)裝置及其控制設(shè)備的故障；其他附件如套管、儲(chǔ)油柜、測(cè)溫元件、凈油器、吸濕器、油位計(jì)及氣體繼電器和壓力釋放閥等的故障。外部故障類型雖多，但通過(guò)巡視檢查是可以發(fā)現(xiàn)的。內(nèi)部故障主要包括鐵芯故障、繞組故障和放電故障，其中鐵芯故障包括鐵芯多點(diǎn)接地故障、鐵芯過(guò)熱等故障；繞組故障主要包括繞組變形、絕緣老化、繞組受潮及繞組層間、匝間、相間、高低壓繞組間發(fā)生接地、短路、斷路、擊穿或者燒毀故障。傳統(tǒng)的變壓器故障測(cè)試方法包括在線監(jiān)測(cè)和離線檢測(cè)兩種：（1）在線監(jiān)測(cè)主要有介損測(cè)量、油色譜監(jiān)測(cè)、超聲監(jiān)測(cè)等方法，這些方法具有很好的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，但由于反映絕緣缺陷的宏觀特征量太小，易受現(xiàn)場(chǎng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)等的干擾，或者由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都嚴(yán)重影響了測(cè)量的精度，使得這些方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度大打折扣；（2）離線檢測(cè)主要有油色譜檢測(cè)、空載損耗、短路損耗、耐壓等試驗(yàn)，這些方法能夠發(fā)現(xiàn)變壓器絕緣當(dāng)前的問(wèn)題，但每次檢測(cè)周期長(zhǎng)，考慮到絕緣老化非線性和加速性等特性，很難保證兩次檢測(cè)之間變壓器能運(yùn)行安全。因此，現(xiàn)有的測(cè)試方法存在的主要問(wèn)題歸納如下：（1）反映絕緣缺陷的宏觀特征量太小，測(cè)量信號(hào)易受干擾，導(dǎo)致現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)方法的測(cè)量結(jié)果存在可信度的問(wèn)題；（2）絕緣缺陷發(fā)展到一定程度具有加速性質(zhì)，因此預(yù)防性試驗(yàn)并不能保證變壓器能完全安全運(yùn)行。

2 基于聲學(xué)特征的變壓器故障測(cè)試方法

隨著狀態(tài)檢修的應(yīng)用與在線監(jiān)測(cè)手段的不斷豐富，現(xiàn)階段逐步拓展建立了以動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于振動(dòng)、聲信號(hào)、光、溫度、電磁等信號(hào)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展了光譜診斷技術(shù)、振動(dòng)診斷技術(shù)、聲學(xué)診斷技術(shù)、紅外和熱成像診斷、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、鐵譜診斷技術(shù)等。其中聲音是一種機(jī)械波，聲信號(hào)蘊(yùn)含著大量的振動(dòng)信息。設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，零件之間、零件本身、固件與機(jī)身之間均會(huì)產(chǎn)生聲信號(hào)，運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)聲信號(hào)也隨之變化。變壓器內(nèi)部繞組和鐵芯在高壓和強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下出現(xiàn)故障，產(chǎn)生的聲音也會(huì)發(fā)生變化，這種通過(guò)聲信號(hào)分析變壓器故障的診斷方法稱為聲學(xué)特征診斷技術(shù)。目前利用變壓器內(nèi)部聲學(xué)信號(hào)檢測(cè)變壓器內(nèi)部故障已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，其中較常用的方法為噪聲分析法、超聲波分析法和振動(dòng)分析法。噪聲分析法需要在噪聲比較小的環(huán)境中進(jìn)行，現(xiàn)階段實(shí)例僅應(yīng)用于電抗器；超聲檢測(cè)法主要是針對(duì)20kHz聲波信號(hào)，但超聲波傳播速度會(huì)隨著絕緣老化變化，數(shù)據(jù)一致性較差；振動(dòng)分析法中耦合在設(shè)備上的導(dǎo)體會(huì)對(duì)設(shè)備絕緣造成損壞。以上方法中，較少涉及可聽(tīng)聲段的變壓器內(nèi)部放電故障檢測(cè)，因此將可聽(tīng)聲段的聲波信號(hào)作為一種新的故障檢測(cè)手段。變壓器由于電磁力而引起機(jī)械震動(dòng)，從而產(chǎn)生聲信號(hào)，正常運(yùn)行情況下，變壓器的振動(dòng)大體上包括本體振動(dòng)、冷卻裝置振動(dòng)以及切換有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的振動(dòng)等。其中變壓器本體振動(dòng)、冷卻裝置振動(dòng)為穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，分接開(kāi)關(guān)切換振動(dòng)為瞬態(tài)產(chǎn)生的振動(dòng)。這些振動(dòng)信號(hào)中，本體振動(dòng)信號(hào)包含了變壓器運(yùn)行狀態(tài)的重要信息，且具有十分明顯的聲學(xué)特征，而其余振動(dòng)的聲學(xué)特征不能反映變壓器的絕緣特性。因此，在變壓器外殼安裝傳感器，通過(guò)將本體振動(dòng)的聲學(xué)特征辨識(shí)出來(lái)，對(duì)測(cè)量的聲波信號(hào)進(jìn)行消噪處理，再提取其概貌和頻譜特征，可以提升變壓器內(nèi)部放電模式的識(shí)別準(zhǔn)確度。變壓器油放電聲信號(hào)多為脈沖信號(hào)，信號(hào)的奇異點(diǎn)處能量占有相當(dāng)大比例，信號(hào)在突變點(diǎn)處的能量可有效表現(xiàn)波形的聲學(xué)特征。聲學(xué)特征量的診斷技術(shù)具有非接觸設(shè)備、信號(hào)獲取簡(jiǎn)單、傳感器安裝靈活、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

3 變壓器聲學(xué)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

變壓器聲學(xué)在線診斷保護(hù)系統(tǒng)是基于變壓器聲學(xué)特征辨識(shí)原理研制的電力變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由高精度聲學(xué)傳感器、聲學(xué)特征數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)組成。由于每種內(nèi)部故障所產(chǎn)生的聲音都有其固有的聲學(xué)特征，通過(guò)聲學(xué)信號(hào)奇異性的特征值能有效檢測(cè)變壓器內(nèi)部鐵芯多點(diǎn)接地與鐵芯過(guò)熱、繞組變形、火花放電與電弧放電等故障，解決了常規(guī)電力變壓器檢測(cè)中測(cè)量精度低、可信度低及實(shí)時(shí)性差等關(guān)鍵技術(shù)難題。其系統(tǒng)組成為：

傳感器：傳感器一般選用高精度1Hz～10kHz振動(dòng)傳感器，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)，采用雙層屏蔽殼封裝可有效抑制電磁場(chǎng)對(duì)傳感器信號(hào)的影響。抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體、現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單方便。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，然后通過(guò)高速ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其采集的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是建立特征數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

特征數(shù)據(jù)庫(kù)：在大量模擬試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，建立變壓器工作狀態(tài)聲學(xué)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含變壓器正常工作和不同故障狀態(tài)下的聲學(xué)特征，是專家診斷系統(tǒng)判斷的重要依據(jù)。

專家系統(tǒng)：對(duì)比分析數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與變壓器聲學(xué)特征庫(kù)，判斷出變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

報(bào)警及保護(hù)輸出：一旦判斷出故障，立即通過(guò)報(bào)警燈顯示，同時(shí)向控制室（有線或無(wú)線方式）發(fā)出故障信息和保護(hù)控制信號(hào)。

采用聲學(xué)特征診斷方法可預(yù)期實(shí)現(xiàn)的效果與相關(guān)技術(shù)參數(shù)：（1）絕緣故障漏報(bào)率小于0.5%；（2）故障率小于0.05次/（臺(tái)·年）；（3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到97%以上；（4）完全實(shí)現(xiàn)免維護(hù)；（5）檢測(cè)頻率0.5小時(shí)1次；（6）單臺(tái)平均無(wú)故障時(shí)間≥5年。

4 結(jié)語(yǔ)

基于可聽(tīng)聲頻段聲和振動(dòng)信號(hào)的診斷方法不會(huì)影響變壓器正常在線運(yùn)行，對(duì)變壓器機(jī)構(gòu)不構(gòu)成損害，操作簡(jiǎn)單成本低，可以方便地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的離線采集和在線監(jiān)測(cè)。變壓器一旦發(fā)生內(nèi)部絕緣故障，特別是發(fā)展到火花放電及電弧放電階段，如果不及時(shí)報(bào)警和處理，極有可能引起變壓器燒毀的嚴(yán)重故障。由于變壓器正常運(yùn)行有固有的聲學(xué)特征，每種故障有其固有的聲學(xué)特征，基于聲學(xué)特征變壓器監(jiān)測(cè)方法來(lái)測(cè)量變壓器運(yùn)行中的各種聲音，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析，并與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可有效實(shí)現(xiàn)變壓器故障在線智能診斷?；诼晫W(xué)特征的變壓器故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)明顯：一是測(cè)量信號(hào)完全不受電力系統(tǒng)電磁干擾的影響；二是監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)完全不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；三是由于不同種類的聲音都有其固有的聲學(xué)特征，使得監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)辨識(shí)精度高，具有完全的可信度。

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（責(zé)任編輯：陳 潔）