1、變壓器局部放電超聲信號特性及放電源定位R esearch on Characteristics of U ltrason ic Signal of Partial D ischarge and Partial discharge Sou rces L ocati on in T ran sfo r m er周力行1,何蕾1,李衛國2(11武漢大學電氣工程學院,武漢430072;21長沙電力學院電力系,長沙410077摘要探討了變壓器局部放電超聲波信號檢測及局部放電源點定位中的若干問題,提出了基于超聲波信號頻譜分析的放電源點定位算法。該算法考慮了變壓器內復雜的聲傳播環境及繞射對等值波速的影響且應

2、用了并行算法求解局放定位非線性方程組,具有可行性、好的準確度和可信度,并為仿真及實驗證明。AbstractIn th is paper,the series of p roblem of detecting partial discharge(PDultrasonic signal and locating PD sources in transfo r m er are system atically discussed.T he new algo ris m of locating PD sources based on the ultrasonic frequency spectrum

3、analysis is put fo r w ard.In the algo2 ris m,the comp lex circum stances of ultrasonic p ropagati on in pow er transfo r m er and the diffracti on influence on the e2 quivalent sonic velocity are full accounted.T he result of ex2 peri m ent show s that the algo ris m is accurate and p ractical.關鍵詞局

4、部放電超聲定位頻譜分析Key wordspartial dischargeultrasonic sources locatingfrequency spectrum analysis中圖分類號TM411;TM835.1文獻標識碼A0引言變壓器內部局部放電在線監測和定位對變壓器的狀態檢修十分重要。局部放電電脈沖信號由監測系統裝在高壓套管末屏引下線和中性點接地線上的羅果夫斯基線圈獲得,超聲波信號由固定在變壓器油箱外殼上的超聲傳感器獲取。通過超聲信號處理可定性判斷有無局部放電,運用電2聲時延或聲2聲時延可定位局放源點1。超聲定位法雖已廣泛應用,但現場強大的電磁干擾使監測系統的定位精度差、可信度低,其

5、主要原因有:變壓器內部結構十分復雜,聲波在介質中傳播的聲速、衰減等難以確定;超聲波檢測系統的帶寬不恰當,傳感器的抗干擾能力較差;現有的電聲定位、聲聲定位算法不完善2。本文從實驗和理論上分析變壓器局放超聲波傳播過程中的繞射、透射、衰減等現象對聲強、聲頻譜、等值聲速的影響,提出了局放源點的頻譜分析定位算法。1局放超聲波信號的頻譜分析變壓器局放超聲波信號頻率分布廣,各頻率信號所占分量也不相同。超聲波在線檢測中的噪聲主要有勵磁噪聲、散熱器風扇和油循環油泵噪聲、磁滯噪聲等,它們的強度超過局放信號,故必須分析、了解噪聲與超聲波信號的頻譜特征。111噪聲頻譜分析某500kV開關站變壓器的噪聲頻譜分析2表明,

6、變壓器兩側面噪聲最強的頻率115kH z,較次的4168kH z;散熱器側的噪聲強度高于非散熱器側,兩側面的噪聲頻率均<15kH z,屬于低頻可聽噪聲。變壓器鐵心磁噪聲頻率范圍為1065kH z。用截止頻率70kH z的高通濾波器濾波后的噪聲,強度弱,頻率分布范圍寬,且各頻率噪聲的頻譜幅值基本相當,類似于白噪聲頻譜。其它電壓等級變壓器的噪聲頻譜分布亦分布在<65kH z頻率范圍。112變壓器局部放電超聲波信號頻譜分析由于局部放電及其超聲波信號都有一定程度的隨機性,每次局部放電超聲波信號頻譜不同,主要表現為頻譜峰值頻率的變化,但整個局部放電超聲波信號的頻率分布范圍卻變化不大。局放產生

7、的超聲波分兩類,一是氣泡或氣隙內放電,特征是均勻密集、如金屬板電極間的油放電。氣泡的尺度為幾至幾百m,其擊穿聲頻率為幾至幾百kH z;二是介質在高場強下游離擊穿,特征是間斷、大脈沖,如針對板放電,其聲發射頻譜更寬,接近典型的函數,且能量大都集中在50300kH z頻段。可見,變壓器的噪聲與局放超聲信號的頻率分布明顯不同。實驗和理論分析表明,傳播媒質對超聲吸收系數隨頻率的平方增長,即頻率愈高,吸收系數愈大,聲波在傳播中的衰減愈厲害。因此系統必須利用低頻段超聲信號,以保證其高靈敏度,同時避開變壓器鐵心自身振動、噪聲和其它電磁噪聲等干擾。故超聲定位系統通帶取70180kH z。考慮超聲定位算法需要分

8、析超聲波頻譜,帶寬應稍寬,故傳感器頻帶取70300kH z。總增益為80dB。2變壓器局放超聲特性分析211聲壓幅度與放電量的關系放電量較大時,聲壓幅度正比于放電量2,可據超聲信號幅值變化估計局放大小及絕緣劣化進程。變壓器內絕緣結構雖然復雜,但浸油絕緣介質聲阻抗與油相近,并構成許多間隙聲信道。油中或較外圍的變壓器局部放電故障時,其聲信號總能較強地傳播到油箱外殼耦合良好的傳感器上,故絕大多數局放超聲波信號能被檢測,僅繞組內部的較小局部放電(數百pC ,因繞組的衰減而難以檢測到。變壓器箱壁間多次來回反射的局放超聲波,因其衰減已非常微弱,不予考慮。212變壓器油中聲速與等值聲速變壓器內局放故障超聲波

9、經多介質路徑傳至耦合在壁外的超聲傳感器上。基本路徑一般如圖1。其圖1超聲波信號傳播基本路徑中為直達路徑,先傳至附近箱壁再沿箱壁傳至傳感器。鋼中傳播速度雖大,但衰減大;而油中縱波沿直傳路徑傳播時衰減相對較小,其檢測意義較大,然而捷徑往往是經由金屬繞組、絕緣板、油層及箱鋼板等不同介質傳至超聲換能器的。通常以最短路經計算的首波聲速稱等值聲速。油中聲速114km s ,鋼中聲速約515km s 。可以確定每路超聲波傳播速度在1143.0km s 間。213超聲波繞射現象對等值聲速及頻譜的影響油中針尖平板放電實驗中,放電源距超聲波傳感器51c m 。在超聲傳播路徑中插入鋁導線組成的圓柱形障礙物。當無障礙

10、時電聲時延為364s ,等值波速約114mm s ,有障礙電聲時延340s ,等值波速1149mm s ,顯然超聲波的傳播路徑中存在繞射現象時等值波速明顯增大,時延相對減小。頻譜上的明顯統計規律是超聲波繞射后低頻發量相對高頻分量衰減明顯較小,而高頻分量則有較大吸收和衰減(見圖2,與文2結果同。圖2無繞射(a 和有繞射(b 時的超聲波信號因檢測系統頻帶為70300kH z ,繞組柱的尺度遠大于超聲波長,波數k 與柱的半徑a 的乘積ka µ1。此時局放發現的球面超聲波入射到圓柱上滿足幾何繞射的要求,源點被繞組柱擋住時傳感器接收的超聲波主要為爬行波。爬行波沿繞組柱傳播的波速(取310mm

11、s 大于油中的波速(114mm s ,理論推導可以證明:超聲波傳播中存在繞射時電聲時延減小,等值波速相應增大。根據幾何繞射理論,傳感器接收的超聲波信號強度取決于繞射表面的繞射系數和衰減系數3,對軟聲學表面,(ka =(q p a e j 6(ka 213式中,q p 為艾里函數A i (z 的零點。顯然,衰減隨ka 增大而增大,因此,超聲波經圓柱繞射后,高頻分量相對低頻分量衰減大。3基于超聲頻譜分析的局部放電源點定位算法按一定的幾何規律貼裝在變壓器油箱外殼上的超聲波傳感器,檢測和相關處理變壓器內部局放產生的超聲波信號得出各路超聲信號的電聲時延,即可運用定位算法估算出局放源點位置,其中的關鍵是確

12、定超聲波傳播的等值波速。變壓器內部結構復雜,超聲波信號傳播的多層介質路徑可能有透射、繞射、散射等現象,各路等值波速一般不相同且難以確定。因此難用一定值的等值波速作定位計算,現有的解球面方程定位算法將等值波速視為變量,用最小二乘法求解得到等值波速及局放源點位置。該法簡化認為各路超聲波信號的等值波速相同會產生很大誤差。本文針對繞射等對超聲信號等值波速及頻譜的影響,基于頻譜分析修正各路超聲信號的等值波速,再用優化算法定位局放點。311相關運算確定屬于同一源點的局放超聲脈沖電聲聯合在線監測系統同步采樣局放電脈沖及超聲信號,并互相關運算各路電、聲信號,兩脈沖間的互相關系數ij 接近±1則表明兩

13、脈沖波形相似,ij 接近0則表明兩脈沖基本無關。這樣可自適應分類,即把相似脈沖歸于一類,進而得到電聲時延。312頻譜分析寬頻帶傳感器及超高速數據采集系統檢測到的超聲波時域信號用FFT 做頻譜分析,將信號通帶寬內的頻譜分為5段,分別計算其頻譜分量的功率A i =f 2f 1Y (f 2d f 得到各路超聲信號頻譜分布的五段直方圖。比較各路的譜分量的分布,若高頻段衰減明顯大于低頻段,則可定性地確定該路超聲信號傳播中有較強的繞射存在,其電聲時延應做補償或等值波速應增大。313超聲波定位算法各超聲波探頭貼裝在變壓器油箱外殼上并確定其坐標。變壓器內部按空間等分成30×30×30個體元

14、,每個體元的尺度約012m(取決于變壓器的幾何尺度,還可以分得更細些。超聲波等值波速v(設定在1143.0km s 范圍作為變量用于定位算法中。單元模塊搜索即計算所有體元到各探頭的超聲波傳播所需時延范圍。設局部放電發生在第k個體元(x k,y k,z k內,則超聲波傳至第i個探頭T i(x i, y i,z i的時延范圍為(T k m inT k m ax,其中:T k m in=d k i v,T k m ax=d k i 114,d k=(x k-x i2+(y k-y i2+(z k-z i21 2。當探頭檢測到超聲波時延位于第k個體元的時延范圍內,則第k個體元選中。若第k個體元的時延范

15、圍與所有探頭檢測到的超聲時延相匹配,則該元就是可能的局放位置。v的初值設為310m m s,按一定步長不斷地減小v值,減小被選中的體元數,逐步縮小局放源點估計的范圍,若無體元被選中,則停止搜索,取上一步搜索到的多個體元的幾何中心作為局部放電源點,并記下等值波速v。大量模擬實驗表明,由于速度v是變量,此法十分有效,其準確度較高(誤差一般<10c m,即使其中一路超聲信號的電聲時延測量有較大誤差,仍能得到較精確的結果。定位算法修正。因算法中仍視各路超聲波的等值波速相同,如某路局放超聲波傳播路徑中存在較強的繞射過程,則路等值波速明顯增大,上述搜索方法誤差>10c m,等值聲速>1.

16、5m m s時,必須補償這路超聲時延,否則誤差將>30c m。按312節方法頻譜分析各路超聲信號,比較各路超聲信號相應頻段的功率譜分布,可確定哪一路(或兩路的高頻段衰減更嚴重,并調整其等值波速。設各傳感器接收超聲信號的電聲時延為t1,t2,t3,t4, t5,取上述搜索方法得出的可能局放點(x,y,z及等值波速作為修正算法的初始值,若T2、T5兩路信號的譜分布表明存在繞射,則修正v2、v5,建立的目標函數就只有5個變量x,y,z,v2,v5,時延與距離的誤差函數為:f i(x,y,z,v2,v5=(x-x i2+(y-y i2+(z-z i2-(v i t i2,i=1,2,3,4,5(

17、2若x,y,z,v2,v5的值準確,則以上各式f i之值均應為零。用牛頓迭代法解得u=x,y,z,v2,v5T,如果u是(2式的解,則f(u=f(u(0+d f(u(0(u-u(0。若其JA COB I矩陣非奇異,則方程f(u(0+d f(u(0(u-u(0=0有唯一解:u(1=u(0-d f(u(0-1f(u(0。一般地,u(k+1=u(k-d f(u(k-1f(u(k。當 f(u k+1 <, u k+1-u k <,為給定的準確度要求,迭代結束,得到修正后的局放點位置。4計算機仿真和實驗結果411計算機仿真結果設局部放電點位置為(3,2,1,局部放電點到各傳感器的時間(按等值

18、波速114km s分別為2125、110、1175、1175、2125m s,設實測超聲波信號與電脈沖的時間差分別為2124、0185、1176、1175、210 m s,即第2、5路超聲信號傳播途徑中有繞射,應用單元模塊搜索法得到可能局部放電點位置為(31514,210,1144,在此基礎上應用誤差函數牛頓迭代法修正得到最終結果為(31003,1199,11002。412實驗結果在實驗室用油中針尖對平板放電模擬局部放電定位測量,實驗箱尺度為112m×0.8m×1.0m,兩電極位置可以移動,5個超聲探頭的位置分別設定為(016,010,015、(010,014,015、(0

19、16,014,110, (016,018,015,(112,014,015放電點位置約為(015,014,014。數據采樣頻率2M H z,可同步采集2路電脈沖信號5路超聲信號。在放電點與T1之間插入鋁導線組成的圓柱形障礙物,經數據采集及相關處理后得各路超聲信號的電聲時差t1t5分別為:01352、01300、01501、01305、01441m s 。圖3模擬實驗箱示意圖用本文方法頻譜分析各路超聲信號,準確判斷需調整T1路等值波速,用搜索法得到可能的局放點(01380、01450、01440,修正補償后為(01500, 01399,01410;多次模擬試驗結果均表明算法的準確度和穩健性好,已

20、用于變壓器絕緣在線監測。參考文獻1董旭柱1電力變壓器局部放電在線監測研究的現狀和趨勢J1變壓器,1996,(2:30382袁易全1局部放電超聲特性實驗研究J1電工技術學報,1992,(2:18233孫才新1變壓器局部放電源的電聲和聲聲定位法及(下轉第16頁處引入兩個PD 脈沖,放電幅值A =1,t r =011s,t w =018s,t d =112s,f c =200kH z ,幅頻特性見圖3(a 。背景干擾由4種頻率57、110、276、417kH z 的正弦波疊加而成,且加入均值為0、最大值為2110、最小值為-2113、方差為015的白噪聲,噪聲幅頻特性見圖3(b 。加入噪聲后看到,P

21、D 脈沖(圖4(a 完全淹沒在強烈的背景干擾中,見圖4(b 。圖4(c 是利用db 7小波提取結果,此時細節部分中信號表現明顯,連續周期性干擾和白噪基本上被抑制。變換前,信噪比為-3516dB ,經過db 7小波變換后信噪比上升為2211dB ,增大了5715dB 。重構后的PD 信號和原PD 信號的能量誤差僅為1512%,發生時刻與加入時刻完全對應,通過計算發現兩者間的相關系數達0187 。(a PD 脈沖(b 噪聲圖3 模擬信號的幅頻特性(a PD 脈沖(b 加入噪聲后 PD 脈沖(c db7小波提取結果(d db 2小波提取結果(e db 6小波提取結果(f db 3小波提取結果圖4不同小波提取DO P 效果圖采用db 2小波對原始信號進行小波變換,細節輸出見圖4(d 。其抑制噪聲的效果明顯不如db 7小波,信噪比提升為1918dB ,僅增大了5514dB ,能量誤差>20%,計算PD 脈沖和提取后的信號相關系數為0179。如果采用db 3和db 6小波對其進行變換,同樣可看到db 6比db 3小波的提取效果好。見圖4(e (f 。當采用D EP 作模擬信號時,由于信號的能量主要集中在低頻段,所以小波變換后平滑輸出部分提取信號的效果比較好,平滑逼近中PD 信號明顯。采用db 2小波變換比采用db 7小波變換效果要好,信噪比大