基于超聲技術(shù)的局部放電定位方法綜述

基于超聲技術(shù)的局部放電定位方法綜述

1局部放電的定位電力壓力器是能源系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其安全運行非常重要。在現(xiàn)場運行中,局部放電是導(dǎo)致電力變壓器絕緣劣化的重要原因之一。從20世紀(jì)中期開始,各個國家就對變壓器中局部放電的機理做了很多研究,并取得了很大進展[1~2]?，F(xiàn)有的檢測方法可以通過對一些局放物理量的檢測來發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部是否發(fā)生了局放。對于局部放電源的準(zhǔn)確定位是目前發(fā)展的一個方向。根據(jù)局部放電過程中所產(chǎn)生的諸如電磁波、聲波、光、熱和化學(xué)變化等現(xiàn)象,其定位方法有電氣定位、超聲定位、光定位、熱定位和DGA定位等。目前,國內(nèi)外研究較多也比較成熟的是超聲定位和電氣定位。但一些新的定位方法的出現(xiàn)也為進一步研究局部放電的定位提供了新的思路,如基于輻射電磁波的超高頻定位,基于相控陣?yán)碚摰木植糠烹娫炊ㄎ籟7~8]等。筆者擬對超聲波定位和電氣定位方法及目前的發(fā)展趨勢進行總結(jié),并對超高頻法和相控陣法進行了介紹。2壓力源的定位當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時,會產(chǎn)生電磁波、放電脈沖和超聲波等信號,超聲波在變壓器中的不同介質(zhì)中傳播(油紙、繞組和隔板等),到達固定在變壓器油箱壁上的超聲傳感器。通過多個超聲傳感器測量不同傳感器測量到信號的時間延時,經(jīng)過定位算法的計算,就能夠確定局放源的位置。根據(jù)基準(zhǔn)信號的不同,超聲檢測定位又可分為以下兩類。2.1波信號的比較該定位法是在變壓器油箱外壁上安裝多個超聲傳感器,以局部放電的電脈沖作為觸發(fā)基準(zhǔn)信號,同時記錄電脈沖信號和n路超聲波信號,并加以比較、以測得電信號與超聲波信號的時延t作為從局部放電點到達各傳感器的傳播時間;以等值聲速v乘以時延t而得到放電點到各傳感器的空間距離,以此來列方程求解。隨著特高頻(UHF)技術(shù)和射頻電流技術(shù)的應(yīng)用,電信號的選取不僅可以選擇IEC270方法推薦的脈沖電流信號,也可以使用UHF信號和射頻電流信號作為電信號基準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上進行計算。2.2定位方法分類該方法在耦合于變壓器油箱外壁上的多個超聲傳感器中選用一路聲信號觸發(fā)其余聲信號。定位時選擇某一傳感器為參考探頭,以此為基準(zhǔn)測量同一局部放電超聲信號傳播到其他傳感器時對應(yīng)于它的相對時差,將該組相對時差代入滿足該組傳感器幾何關(guān)系的一組方程求解,即可求出局部放電點的幾何位置坐標(biāo)。文獻通過計算、試驗比較了以上兩種方法在定位上的準(zhǔn)確程度。認為聲-聲定位方法中聲波的前沿不容易確定,所以聲-聲定位方法不如電-聲定位方法準(zhǔn)確。但電-聲定位方法需要提取電信號作為參考基準(zhǔn)信號,信號的取樣要麻煩些。聲-聲定位則比較方便,可以完全通過聲傳感器來進行信號的測量和判斷。在超聲定位中,定位算法是能否進行準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵,目前,常用的普遍算法有順序定位算法、球面定位法、雙曲面定位算法、模式識別定位法和遺傳算法等。雙曲面定位算法和球面定位法是目前應(yīng)用較為廣泛的針對聲-聲檢測和電-聲檢測的定位方法,兩種算法都是通過信號的時間差建立雙曲面方程或球面方程,然后通過最小二乘法進行求解。但這種算法是非線性算法,計算時間長,內(nèi)存占用量大,而且計算結(jié)果受初值、步長影響較大。如果選擇不當(dāng),會使方程組無解或誤差很大,且其計算公式中較為復(fù)雜的是等值聲速的計算。目前,一般將等值聲速取為常數(shù),但聲波信號在變壓器中傳播時,情況極其復(fù)雜,等值聲速不可能為一常數(shù)。針對以上問題,出現(xiàn)了線性算法和基于模式識別的定位算法及基于遺傳算法的定位算法[10~11]。線性算法是在非線性算法的基礎(chǔ)上,對非線性方程組進行變換,將其轉(zhuǎn)換為線性方程組求解;基于模式識別的定位算法是將變壓器分解為若干個模塊單元,分別計算這些模塊到各個傳感器之間的時間差,將這些時間差組成數(shù)組進行模式識別,計算與所測的超聲信號時間差數(shù)組的距離,選擇距離最小的模塊為放電點;基于遺產(chǎn)算法的定位算法則是在最小二乘法的基礎(chǔ)上采用了具有全局搜索特性的遺傳算法,解決了局部收斂問題,避免了迭代過程中的局部最優(yōu)點問題。同時綜合以上幾種方法來進行定位判斷也是目前的一個發(fā)展趨勢。如文獻采用的先使用順序定位法,然后使用基于廣義互相關(guān)的聲-聲定位方法來進行定位計算。隨著研究的深入,一些新的定位算法也在發(fā)展之中。文獻提出將超聲定位問題轉(zhuǎn)化為一個帶約束的非線性連續(xù)函數(shù)優(yōu)化問題,在最優(yōu)化框架內(nèi),應(yīng)用國際上最近提出的粒子群優(yōu)化(PSO)算法進行求解。文獻提出基于混沌遺傳算法的變壓器局部放電源點定位方法,將混沌理論和遺傳算法引入局放超聲波定位算法中,也取得了一些效果。目前的定位方法中,多是針對單一放電源進行的計算。但由于實際中變壓器內(nèi)部可能不僅僅存在單一的一個局部放電源,很可能同時存在多個放電點。針對多放電源的定位問題,目前研究的較少,但也有一些文章對此進行了介紹。文獻利用多個傳感器組成傳感器陣列來進行多個放電源的定位。首先對放電源個數(shù)進行估計,然后進行不同放電源的定位,并進行了仿真工作。3放電定位的測量當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時,所產(chǎn)生的放電脈沖沿繞組傳播到達測量端。該放電脈沖包含了放電特性和局部放電定位所需要的一些信息,通過對此脈沖進行分析,可確定局放源的具體位置。傳統(tǒng)的電氣定位方法很多,諸如起始電壓法、極性法、行波法、電容分量法等。隨著研究的逐漸深入和數(shù)字測量技術(shù)的進一步發(fā)展,改進電容分量法和端點電流脈沖頻譜分析法這兩種方法得到了更多的研究和應(yīng)用。3.1等效頻率范圍的確定根據(jù)繞組傳輸特性可知,對于某些變壓器繞組如糾結(jié)式繞組在0.1MHz~1MHz范圍內(nèi),可近似等效為一個容性梯形網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)變壓器內(nèi)部某點發(fā)生局部放電時,該點作為放電源產(chǎn)生一個陡脈沖向兩端傳播,其傳播規(guī)律滿足:式中UL,UN,CL,CN分別是線端和中性點處對應(yīng)的電壓和電容;x為放電點到中性點的繞組長度;l為變壓器繞組的總長度;CK;C,CK分別為繞組單位長度的并聯(lián)、串連電容。根據(jù)以上方程找到兩個電容分量和繞組位置上的一一對應(yīng)的關(guān)系,就可以進行準(zhǔn)確定位。變壓器只是在某一個頻率范圍內(nèi)等效為一個電容梯形網(wǎng)絡(luò),在改進的電容分量法中,該頻率范圍的確定就顯得尤為重要。一般而言,該頻率范圍的確定是由試驗獲得。將一個函數(shù)發(fā)生器接到繞組的一端,并提供頻率可變的電壓,另一端接地,同時測量輸入電壓和繞組電壓。當(dāng)在此等效頻率范圍時,會出現(xiàn)最小電壓相位移,即輸入波形和輸出波形相似。而后采用數(shù)字濾波將此頻率范圍以外的信號去掉,采用上述方程進行計算。改進電容分量法利用數(shù)字濾波技術(shù),能夠獲得沿變壓器繞組脈沖的電容傳輸分量;該方法對干擾信號完全抑制,頻帶選擇靈活,且頻率補償容易,與新的直線內(nèi)插法結(jié)合可以解決一些實際問題,能夠得到較高的定位精度。3.2局部放電電氣定位方法在0.01MHz~0.1MHz這個中間頻率范圍內(nèi),變壓器繞組的傳輸特性表現(xiàn)為振蕩傳播即發(fā)生在繞組中的局部放電脈沖以振蕩形式傳輸。此時,在變壓器測量端點所得到的局部放電電流脈沖因局放源位置不同,其頻譜有較大的差異。文獻對連續(xù)餅式繞組(以84餅為例),從不同位置注入放電脈沖,從而模擬了繞組中不同位置的局部放電,用繞組的簡化等效電路計算出相應(yīng)放電注入電流對應(yīng)的傳遞函數(shù),從而根據(jù)頻譜分析來確定放電點的位置。在此基礎(chǔ)上,文獻采用建立仿真模型并結(jié)合試驗的方法,研究了不同的局部放電脈沖傳播路徑的傳遞函數(shù),在分析傳遞函數(shù)頻譜特性的基礎(chǔ)上,提出了根據(jù)相應(yīng)信號高頻分量和能量的局部放電電氣定位方法。盡管人們對變壓器繞組特性的研究較多,相應(yīng)的也出現(xiàn)了一些電氣定位方法,但由于各種電氣定位法現(xiàn)場操作復(fù)雜,使用范圍限制較大,且由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜及放電部位的不同,使得放電脈沖的波過程也會出現(xiàn)不同程度的振蕩,而對放電信號的檢測卻只能在變壓器的測量端點進行,因而精度不高,所以目前在實際定位中很少采用。4.2單傳感器方程的安裝UHF檢測技術(shù)具有抗干擾能力強、靈敏度高的優(yōu)點,近年來已經(jīng)在試驗室中得到了大量研究并逐步在工程實際中得到應(yīng)用。西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)等都對其進行了深入研究并取得了豐富的成果[18~20]。采用UHF方法進行變壓器局部放電源定位則是目前的一個研究重點。國內(nèi)外的一些研究單位都對其進行了大量研究。利用UHF信號進行局放定位的基礎(chǔ)是電磁波繞射所遵循的費瑪最短光程原理即電磁波沿射線傳播,認為傳感器所接收到的信號是局放信號沿最短光程、歷經(jīng)最小傳播時間最先到達的子波的波前反映。示意圖如圖1。在變壓器油箱的不同位置耦合多個UHF傳感器,根據(jù)UHF信號到達不同傳感器的時間延時,建立方程即可求解。安裝方式有介質(zhì)窗方式,4陣元菱形傳感器陣列等。設(shè)局放源P(x,y,z)到達傳感器Si(xi,yi,zi)的傳播時間為ti,則有Si與參考傳感器S1的相對時差為τ1i=ti-t1(i=1,…,m;m≥4)。通過測量出m-1個相對時差τ1i、波速C及各傳感器的位置坐標(biāo),利用方程(1)即可求出局放源的具體位置。在使用UHF方法進行局放的定位中,各個傳感器相對與參考傳感器時延的確定至關(guān)重要。文獻采用累積能量曲線,功率曲線及自相關(guān)算法來確定時延時間。文獻使用4陣元菱形傳感器陣列的方法來進行信號的測量,并使用基于多樣本的互相關(guān)-移位-疊加-相關(guān)時延算法來確定時延時間。使用UHF方法來進行局放的定位具有抗干擾能力強,定位精確的優(yōu)點。但目前剛剛起步,諸如在線檢測中傳感器的安裝位置,變壓器內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響,定位算法的進一步優(yōu)化等問題都需要解決。5局部放電點的空間位置該方法是根據(jù)相控陣?yán)碚?采用一個N×N陣元的平面相控陣天線作為接收信號用傳感器。N×N個陣元對局部放電源的接收信號的空間相位差可表示成矩陣,對N×N個陣元接收信號的附加陣內(nèi)相位差也可表示成矩陣。改變陣內(nèi)相位矩陣,天線傳感器方向圖就按照β=kdsinθ,α=kdcosθsinφ對應(yīng)的θ,φ方向掃描。同時通過近似連續(xù)改變平面陣的陣內(nèi)水平和垂直相位差,就可以實現(xiàn)空間坐標(biāo)上的電控掃描,獲取空間上的目標(biāo)信息。式中,β為相鄰陣元的陣內(nèi)相位差,即相位延遲,θ,φ分別為相控陣的仰角和方位角。將局部放電看作超高頻和超聲波的發(fā)射源,用檢測超高頻和超聲波信號的相控陣構(gòu)成平面?zhèn)鞲衅?以接收到的超高頻信號作為時間基準(zhǔn),進而得到同一方向的超聲波傳輸時延,這樣可先計算出局部放電點與傳感器的距離,然后根據(jù)相控陣掃描的方位角和仰角即可得出放電點的空間幾何位置。西安交通大學(xué)對此方法進行了較深入的研究,采用16×16陣元的平面相控陣,對單個和多個局部源進行了定位,定位準(zhǔn)確度達到了Δθ=0.930。雖此種方法然定位比較準(zhǔn)確,但對傳感器的分辨力和安裝位置要求較高。傳感器陣元數(shù)越多,其分辨力越強,但造價也就越昂貴,面積也越大,給安裝帶來一定的困難。同時相控陣天線需要與相面平行。如果不平行,則可能造成較大的誤差。在現(xiàn)場的實際變壓器中安裝具有一定的困難。6局部放電定位技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著對局部放電研究的深入,各種定位方法也不斷涌現(xiàn),一些方法已經(jīng)應(yīng)用于工程實際中,但總的來說效果并不理想。超聲波定位方法是目前研究最多,也是比較成熟的一種方法,并得到了廣泛的應(yīng)用。但由于變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致聲波的傳播規(guī)律復(fù)雜,等值聲速難以精確計算。通過傳感器接收的復(fù)合聲波前沿不能準(zhǔn)確確定,且超聲傳感器對現(xiàn)場電磁干擾的抗干擾能力不強,靈敏度也不夠高,定位算法也不夠完善,這些都導(dǎo)致了超聲波定位精度不高。目前,針對信號前沿的確定,提高傳感器抗干擾能力和靈敏度及定位算法的研究是目前超聲定位研究的熱點和發(fā)展方向。對于電氣定位,由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和放電點的多樣性,使得放電脈沖的波過程會出現(xiàn)振蕩和衰減,而對放電信號的檢測卻只能在變壓器的測量端進行,其精度難以保證,且電氣定位一般不能在線檢測,限制了其發(fā)展?；赨HF信號的局放定位方法和基于相控陣?yán)碚摰木址哦ㄎ环椒ㄗ鳛樾掳l(fā)展起來的兩種局部放電定位技術(shù),其定位精度高。但對其研究還不夠深入,實際應(yīng)用中的各種影響因素還都沒有完全得到解決,還需要進一步的研究和試驗。今后的研究中,應(yīng)加強如下方面的一些研究:(1)放電機理的研究。放電機理的研究是各種定位方法的基礎(chǔ),傳統(tǒng)的三電極模型已經(jīng)不能滿足實際研究的需要,加強對放電機理的研究,研究各種局放所產(chǎn)生的物理量中,哪種能夠最適用于定位,這是準(zhǔn)確獲得局部放電源準(zhǔn)確位置的保證。(2)信號傳播規(guī)律的研究。以上提到的各種定位方法中,所研究的對象都是發(fā)生局放時所產(chǎn)生的諸如聲波、電脈沖、UHF信號等物理量。由于變壓器內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致信號的傳播規(guī)律也很復(fù)雜,加強這些信號在變壓器內(nèi)的傳播規(guī)律的研究是提高定位精度的前提。(3)傳感器的研究。因為現(xiàn)場電磁干擾非常大,所以研究抗干擾能力強、靈敏度高的傳感器十分重要。只有能夠準(zhǔn)確測量到真實信號的傳感器,才能夠?qū)崿F(xiàn)真實的局放定位。(4)定位算法的研究。定位算法的研究是實現(xiàn)定位的關(guān)鍵,目前,對超聲定位的定位算法開展的研究較多,而超高頻方法和相控陣方法則剛剛起步,還需要進一步的研