大型變壓器現(xiàn)場局部放電超聲波定位研究

國網(wǎng)電力科學(xué)研究院聶德鑫

目錄一、現(xiàn)場局部放電超聲波定位的意義；二、局部放電超聲測量的基本特性；三、局部放電超聲定位的基本方法；四、現(xiàn)場的運行中變壓器的局部放電超聲波定位；五、結(jié)論一、現(xiàn)場局部放電超聲波定位的意義

●隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高和高壓電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊湊化，對大型變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的考驗日益嚴(yán)峻。

●在大型電力變壓器中，對局部放電量的測量是檢驗其絕緣特性行之有效的方法。通過測量局部放電量，可以幫助工程技術(shù)人員掌握該設(shè)備的絕緣水平的變化過程?！裨诂F(xiàn)場的測試中，局部放電點的位置確定，有利于對某些特殊局部放電問題的正確判斷。

●局放定位對變壓器內(nèi)部缺陷的維修具有很大的幫助，同時還可以幫助改善變壓器的設(shè)計?！窨梢栽谶\行狀態(tài)下的變壓器進行測量二、局部放電超聲測量的基本特性1.聲波的特性

●聲波的產(chǎn)生聲波是一種機械振動波。局部放電產(chǎn)生的聲信息是很微小的。放電產(chǎn)生的聲波的能量與總放電能量之比，一般小于1％，這種聲能的轉(zhuǎn)換率，在不同的媒質(zhì)中和不同的放電狀態(tài)下是不同的。

●聲波的頻譜電線在空氣中放電產(chǎn)生的聲頻譜

礦物油中放電產(chǎn)生的聲頻譜a)模擬變壓器中高壓引線的放電b)模擬變壓器中絕緣筒表面的放電c)模擬變壓器線圈中的放電模擬變壓器中放電產(chǎn)生的聲頻譜

●聲波的類型

☆在氣體和液體中傳播的聲波是縱波，即質(zhì)點振動的方向是平行于潑的傳播方向。

☆在固體中傳播的聲波，除了縱彼之外還有橫波，即質(zhì)點運動的方向垂直于波的傳播方向。

☆在氣體和液體中，測得的是縱波，在固體中測得的主要是橫波液。當(dāng)通過液體傳播的縱波到達金屬外殼時，橫波將會出現(xiàn)在金屬體中繼續(xù)傳播。2.聲波的傳播在20℃時縱波在幾種媒質(zhì)中傳播的速度（m/s）媒質(zhì)速度媒質(zhì)速度媒質(zhì)速度氫1280油

紙1420鋁6400空

氣330油紙板2300鋼6000SF6140聚四氟乙烯1350銅4700礦物油1400聚乙烯2000鉛2170水1483有機玻璃2640～2820鑄

鐵3500～5600瓷

料5600～6200聚苯乙烯2320不銹鋼5660～7390天然橡膠1546環(huán)氧樹脂2400～2900礦物油中聲波傳播速度與溫度的關(guān)系礦物油中聲波傳播速度與頻率的關(guān)系

●傳播中的衰減

☆聲波在媒質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生衰減，如波的擴散、波的反射和熱傳導(dǎo)等。在氣體和液體中，波的擴散是衰減的主要原因；在固體中，衰減的主要原因是分子的撞擊，把聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

☆局部放電產(chǎn)生的聲波，可以看成點聲源。在此情況下，聲波的傳播是以球面波的形式，從放電源發(fā)出向外傳播，顯然離開聲源愈遠，聲的強度和聲壓就愈小。在理論上，若媒介本身是均勻而且無損耗，則聲強度是與聲源的距離d的平方成反比的，聲壓是與d成反比的。

☆超聲波在復(fù)合媒質(zhì)中傳播時，在不同媒質(zhì)的介面上，會產(chǎn)生聲反射，而使穿透過的聲波強度變小。聲波入射角與接收的信號的關(guān)系

當(dāng)探頭的位置與放電源的夾角為14.6°時，測到的聲波有明顯的衰減，這是由于礦物油與鐵殼之間，聲傳播的臨界角為14.2，大于臨界角，就會產(chǎn)生波的全反射?！町?dāng)聲波是從一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時，由于兩種媒質(zhì)的聲特性阻抗不匹配，也會造成很大的界面衰減?！顑煞N媒質(zhì)的聲特性阻抗相差愈大，造成的衰減就愈大。聲波從空氣傳到鋼板，要比從油中傳到鋼板造成的衰減大得多?！盥暡ㄔ趥鞑ブ械乃p，還與聲波的頻率有關(guān)，頻率愈高衰減愈大。在空氣中聲波的衰減隨頻率的1~2次方增加；在液體中聲波的衰減經(jīng)常正比于頻率的2次方，而在固體材料中聲波的衰減大約正比于頻率。

☆在氣體中，聲波的衰減與氣體中所含的水分、霧、煙、灰塵以及環(huán)境溫度有很大的關(guān)系。各種不同的氣體成分對聲波的衰減也有明顯差別，含有少量水蒸氣的氧氣，要比氮氣大200倍，在40kHz下，SF6中聲波衰減比空氣大20多倍☆在MHz頻率下，聲波在軟的材料中的衰減，要比在硬的材料中的衰減大得多。如氯丁橡膠是聚苯乙烯的10倍，是鋼的約50倍☆由于超聲波的衰減，使得被測量的超聲波信號變小，這給聲測法帶來了兩個難以解決的問題，即靈敏度何定量的問題，這有待于進一步的技術(shù)進行解決。3.聲測法與電測法測量結(jié)果的比較基于聲波的能量是局部放電能量中的一部分，從能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系中，可以推導(dǎo)出聲壓與視在放電電荷之間的定性關(guān)系。式中：q-視在放電電荷；K-常數(shù)；n=1~2；Qa-儀器讀數(shù)；但在這里必須指出，這個用半經(jīng)驗公式它來估算聲測法和電測法兩種方法測得的結(jié)果，必須是用大量的試驗結(jié)果統(tǒng)計分析來得出結(jié)論三、局部放電超聲定位的基本方法1.局部放電超聲波測量系統(tǒng)的構(gòu)成2.局部放電超聲波的信號識別在局部放電超聲定位過程中，信號的識別和聲波傳播時間的準(zhǔn)確確定，是提高定位精度，降低定位誤差的重要環(huán)節(jié)●信號識別

1）收到的聲信號波形，一般表現(xiàn)出最開始較大，然而持續(xù)衰減振蕩的三角形狀，這種信號的中心頻率范圍在70kHz～120kHz之間。2）聲信號的波形長度一般大于0.6ms，如果波形較短，則通常認為是電磁干擾的影響。3）不同位置的聲傳感器所收到的信號具有一定的時延關(guān)系。根據(jù)實際變壓器的尺寸和聲波在變壓器內(nèi)傳播的速度，時延的范圍應(yīng)在0～2ms以內(nèi)，如果所有收到以的聲信號都同步?jīng)]有時延關(guān)系，那么這組信號一定是由于某種電干擾的影響。4）如果用電信號來觸發(fā)，那么觀察到的電信號和聲信號在時差上有所不同，而且具有一定的重復(fù)性●信號時延的確定（1）油中直接傳播路徑（BC）（2）油中的復(fù)合路徑,如BDC臨界發(fā)生角:14°●變壓器中的等效波速

如果放電點發(fā)生在變壓器的線圈上時，聲波就會以不同的波形傳播穿過不同的介質(zhì)。由于線圈和紙板是一種固體介質(zhì)，因此，聲波的傳播時間比在油中傳播時間略短，為計算簡單，可以用一個等效波速來描述聲波在變壓器中的傳播過程。在變壓器中的等效波速在1300m/s～3000m/s范圍之間。通常取1400m/s3.局部放電超聲波自動定位原理

●球面定位技術(shù)

●雙曲面定位技術(shù)

●矩形平面定位技術(shù)●球面定位技術(shù)(聲-電信號定位）

聲電信號圖（1~5通道為聲信號，6通道為電信號）

電信號的傳輸速度為108m/s聲波傳播速度約為103m/s，

這樣電信號與聲信號之間的時間差，就可以認為是聲波在變壓器中從放電點傳播到傳感器的時間如果假設(shè)吸附在變壓器外殼上的傳感器數(shù)目為m，聲波在變壓器中的傳播程度為Ve，從放電點到第i個傳感器時間為ti，那么，就可以通過Ve和ti的乘積，Ve·ti將聲波的傳播時間變換成傳播距離。根據(jù)所測量的時延，就可以建立聲波傳感距離和時間的球面方程。如：i=1，2，3，…，m

這里，

X=（x1，x2，x3，Ve），Ti=（xi1，xi2，xi3，ti）。其中，x1，x2，x3對應(yīng)于放電點的位置坐標(biāo)，xi1，xi2，xi3對應(yīng)于第i個傳感器的位置。其物理意義就是：放電點位于以第i個傳感器為中心，以Ve·ti為半徑的球面上，這樣，多個球面相交于一點，這個點就是放電點。用球面技術(shù)進行局放定位，傳感器的數(shù)目至少有三個（m≥3）。

●雙曲面定位技術(shù)(聲-聲信號定位）

如果以收到第一個聲信號的傳感器作為參考點，這樣第i個傳感器相對參考傳感器的聲波傳播時差就可以測得（ti-0），對各個傳感器的相對聲波傳播時間就可以滿足雙曲面方程：

這里：ti是從放電點到第i個傳感器的聲波傳播時間，t0是放電點到參數(shù)傳感器的聲波傳播時間，所以：求上面非線性方程的解，就可以得到放電點的位置坐標(biāo)，這個點是（m-1）雙曲面的交點。這種方法不需用到局部放電的電信號，因此它不同于球面定位方法。對于雙曲面的定位方法，至少需要四個傳感器。同時利用更多的傳感器能夠得到更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。但放電點的定位在復(fù)合介質(zhì)中時，如發(fā)生在線圈內(nèi)部的放電，這時，則至少需要五個傳感器來定位計算。四、現(xiàn)場運行中的變壓器局部放電超聲波定位●某大型變壓器現(xiàn)場局放超聲波定位超聲波傳感器編號X（mm）Y（mm）Z（mm）109203302081038031400127004115062005390142006250800局放定位位置730～780960～1020570～670●某750kV變壓器現(xiàn)場定位傳感器序號傳感器坐標(biāo)（單位：m）xyz12.4712.8520.28821.9012.8350.21332.0812.8740.26341.6402.8570.22151.4172.7550.15462.2092.7520.100定位點1.76,2.251.05●某高壓電抗器局放電超聲波現(xiàn)場定位定位情況背景在系統(tǒng)調(diào)試期間，高壓電抗器進行油色譜分析時發(fā)現(xiàn)乙炔氣體含量由0增長到0.10μL/L左右。系統(tǒng)調(diào)試期間進行了一次零起升壓和五次沖擊合閘。取樣階段與時間氣體成分含量（μL/L）甲烷乙烯乙烷乙炔氫一氧化碳二氧化碳總烴注油后試驗數(shù)據(jù)0.830.030.000.007.26.61180.86耐壓試驗后0.800.050.000.007.46.91200.85零起升壓帶電后0.250.050.060.032.7815.15142.090.39沖擊合閘后上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電抗器振動產(chǎn)生的超聲波信號

電抗器內(nèi)部局部放電超聲信號波形

●特高壓HGIS超聲局放檢測定位

定位背景：特高壓HGIS在進行出廠試驗時，在沖擊試驗過程中發(fā)生了多次擊穿。GIS在雷電沖擊下的波形放電與超聲波之間的時差為102us，而聲波在鋁中的傳播速度為6400m/s，根據(jù)公式：距離=速度*時間=102us*6400m/s=0.653m

GIS內(nèi)部隔離開關(guān)均壓罩發(fā)生放電的缺陷五、結(jié)論

●局部放電超聲波檢測可以在設(shè)備運行條件下測量；●局部放電超聲波檢測可以為設(shè)備檢修提供準(zhǔn)確的方向；●局部放電超聲波檢測可以監(jiān)視設(shè)備絕緣缺陷的變化趨勢謝謝！第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機的結(jié)構(gòu)和自動控制第三節(jié)活塞式空壓機的管理復(fù)習(xí)思考題單擊此處輸入你的副標(biāo)題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請盡量言簡意賅的闡述觀點。第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應(yīng)用：

1.主機的啟動、換向；

2.輔機的啟動；

3.為氣動裝置提供氣源；

4.為氣動工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時間內(nèi)所排送的相當(dāng)?shù)谝患壩鼩鉅顟B(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor空壓機分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理容積式壓縮機按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式兩級活塞式壓縮機單級活塞壓縮機活塞式壓縮機膜片式壓縮機旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機最長的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動件少（軸承與滑片），潤滑油在機件間形成保護膜，防止磨損及泄漏，使空壓機能夠安靜有效運作；平時有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機，至今使用十萬小時以上，依然完好如初，按十萬小時相當(dāng)于每日以十小時運作計算，可長達33年之久。因此，將滑片式空壓機比喻為一部終身機器實不為過。滑(葉)片式空壓機可以365天連續(xù)運轉(zhuǎn)并保證60000小時以上安全運轉(zhuǎn)的空氣壓縮機1.進氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時，空氣由機體進氣端進入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時停止進氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達到額定的壓力后由排氣端排出進入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達到額定的壓力后由排氣端排出進入油氣分離器內(nèi)。1.進氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時，空氣由機體進氣端進入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時停止進氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機是世界上最先進、緊湊型、堅實、運行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機。螺桿式壓縮機氣路系統(tǒng)：

A

進氣過濾器

B

空氣進氣閥

C

壓縮機主機

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機渦旋式壓縮機

渦旋式壓縮機是20世紀(jì)90年代末期開發(fā)并問世的高科技壓縮機，由于結(jié)構(gòu)簡單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機，已經(jīng)得到壓縮機行業(yè)的關(guān)注和公認。被譽為“環(huán)保型壓縮機”。由于渦旋式壓縮機的獨特設(shè)計，使其成為當(dāng)今世界最節(jié)能壓縮機。渦旋式壓縮機主要運動件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長，被譽為免維修壓縮機。

由于渦旋式壓縮機運行平穩(wěn)、振動小、工作環(huán)境安靜，又被譽為“超靜壓縮機”。

渦旋式壓縮機零部件少，只有四個運動部件,壓縮機工作腔由相運動渦卷付形成多個相互封閉的鐮形工作腔，當(dāng)動渦卷作平動運動時，使鐮形工作腔由大變小而達到壓縮和排出壓縮空氣的目的?；钊娇諝鈮嚎s機的外形第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強對氣缸的冷卻，省功、對氣缸潤滑有益。二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）1.不存在假設(shè)條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—殘存的氣體在活塞回行時，發(fā)生膨脹，使實際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理2）進排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理3）吸氣預(yù)熱的影響由于壓縮過程中機件吸熱，所以在吸氣過程中，機件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預(yù)熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強對氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理4）漏泄的影響內(nèi)漏：排氣閥（回漏）；外漏：吸氣閥、活塞環(huán)、氣缸墊。漏泄損失用氣密系數(shù)λl來衡量（0.90-0.98）。保證措施：氣閥的嚴(yán)密閉合，氣缸與活塞、氣缸與缸蓋等部件的嚴(yán)密配合。5）氣體流動慣性的影響當(dāng)吸氣管中的氣流慣性方向與活塞吸氣行程相反時，造成氣缸壓力較低，氣體比容增大，吸氣量下降。保證措施：合理的設(shè)計進氣管長度，不得隨意增減進氣管的長度，保證濾器的清潔。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理上述五條原因使實際與理論循環(huán)不同。4）漏泄的影響5）氣體流動慣性的影響1）余隙容積Vc的影響2）進排氣閥及流道阻力的影響3）吸氣預(yù)熱的影響2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理3.排氣量和輸氣系數(shù)理論排氣量Vt----單位時間內(nèi)活塞所掃過的氣缸容積。實際排氣量Q：Q=Vt

λ輸氣系數(shù)λ

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