基于分布油色谱和超声技术的换流变压器放电缺陷定位

时间：2024-07-28

季宇豪，金涌涛，穆海宝，梁红胜，杨智，周晨辉，蔡广生

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江杭州 310014；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049;3.国家电网有限公司，北京 100031；4.国网浙江省电力有限公司，浙江杭州 310000)

0 引言

换流变压器(简称换流变)是特高压换流站中的关键设备之一，在特高压直流输电系统中具有重要作用。在换流变运行过程中，由于电、热、机械及环境等因素的影响，绝缘可能会逐渐恶化，且随着运行年限增加，可能出现局部放电(简称局放)甚至绝缘击穿等情况[1]。局放不仅是换流变绝缘劣化的重要原因之一，也是评价设备绝缘状态的有效手段[2]。因此，局放的检测和精准定位对于换流变来说至关重要：一方面可更好地识别放电类型和缺陷严重程度，另一方面可辅助换流变局部缺陷检修的决策。

绝缘油色谱监测是发现油浸式变压器内部故障、判断故障类型的有效手段之一，绝大部分变压器故障都可以通过色谱数据分析及时发现并得到处理[3]。因此，提出一种综合分布式油中溶解气体分析和超声波检测的换流变局放优化定位方法，以及时准确地发现换流变局放缺陷，保障输电系统安全稳定运行。

1 研究现状

目前，换流变局放缺陷主要采用超声波法进行检测。当换流变存在局放时，局放源会以声波、电磁波等多种方式向周围空间释放能量，而产生的声发射波信号将从局放源传播到整个换流变空间，此时可通过超声传感器在变压器的油箱壁上收集声发射信号[4-5]，通过在不同位置布置多个传感器，根据声发射信号到达的时差、能量比来确定局放源位置[6]。由于超声传感器对于外界电磁噪声有较好的抗干扰性以及安装布置和固定更为方便[7-8]，被广泛用于变压器的局部放电定位。然而，由于换流变尺寸较大，如何合理地确定超声波传感器布置方案具有一定的挑战性。

在早期实践中一般通过不断移动调整多个传感器的位置来定位局放源[9-10]，而当前大多采用波达时间差(time difference of arrival， TDOA)方法，将多个传感器布置在变压器箱壁外壳上，计算出各个声发射传感器的波达时间差，将定位问题转化为三维直角坐标系方程求解确定局放源坐标。

对于超声局放定位的算法，国内外学者已开展诸多研究。

1) 第一类简单迭代算法[11]，如Newton-Raphson 法、最速下降法及Chan 算法等，这类算法容易因单一搜索路径而出现局部不收敛问题。

2) 第二类智能优化算法，如将遗传算法、量子遗传算法、粒子群优化等应用于变压器超声局放定位[12-14]。这两类定位算法都是基于波达时间差方法，将超声信号的传播路径默认为直线。

3) 第三类算法主要考虑了非直达信号，如文献[15]提出采用探索法来寻找局放源的位置，并指出当超声波穿过绕组时，波速应根据介质的不同而变化来进行计算；文献[16]给出了变压器局放超声定位的球面及双曲面定位方法。该类算法可提供更准确结果，但需更多计算时间。

4) 第四类算法主要是基于超声信号的其他特征(如时频域特征等)进行定位[17]。因此，大多数超声定位算法都是基于TDOA 算法，如果波达时刻存在误差，必然会影响到超声定位结果的准确度。

为了解决上述问题，提出一种综合分布式油中溶解气体分析和超声波检测的换流变局放优化定位方法。首先利用分布式油色谱方法对放电信号进行粗定位；然后合理布置超声波传感器，使用优化传播路径搜索算法进行超声局放精准定位；最后通过实例和内检结果，验证该方法的有效性。

2 优化定位方法

2.1 油色谱粗定位与超声精准定位

换流变在本体上中下部，网侧、阀侧升高座等位置有多个取油口，当换流变内部发生局放时，缺陷部位会产生乙炔，因内部油循环速度相对较慢，气体扩散不及时，可通过比较各部位乙炔含量对缺陷点进行粗定位(含量最高处即为距离缺陷点最近处)。根据此粗定位结果，可辅助确定超声波检测传感器布置方案，获得各超声传感器有效信号顺序及时延，搜索计算缺陷部位坐标。

2.2 优化传播路径搜索算法

在粗定位方法所确定的局放源初始搜索范围内，优化传播路径搜索算法根据超声传感器实测时差，搜索出准确的局放源坐标。对于搜索范围内的任一节点，首先要找到在超声传感器平面内的投影节点（见图1）。声信号的传播路径被分成两个部分：第一部分位于变压器油中，第二部分位于变压器外壳中。使用最短路径搜索算法确定出一条经由投影节点到超声传感器的直线路径，该路径上任一节点均可视作为一条非直达波的斜入射点，因此该路径上每一个节点都对应一条传播路径，由投影节点到超声传感器每个位置节点逐一进行计算。

图1 投影节点示意

1) 传播路径的第一部分，对于任一斜入射节点，油中总传播时间视为相邻节点之间的传播时间之和来计算，每个区间波速均根据节点所在位置而变化，计算公式如下。

其中：im，jm，km指代节点的三维坐标；dl代表上剖分间隔，l是这条路径上所有节点的个数；V声(im，jm，km)指在节点(im，jm，km)处声波的传播速度，Tprop指声波传播时间。

当确认油中路径上没有障碍物时，为避免将简单的油中路径离散化而引入误差，油中传播时间可按以下公式进行计算。

其中：（i1，j1，k1)是搜索范围内起始节点的坐标，(iend，jend，kend)是入射节点的坐标。V声，oil指的是声波在油中的传播速度。

2) 传播路径的第二部分是指从斜入射节点到超声波传感器的路径，变压器外壳的传播时间计算方法与公式(2)相似，具体如下。

其中：(isen，jsen，ksen)是搜索范围内传感器的坐标，(iend，jend，kend)是入射节点的坐标。V声，steel指的是声波在变压器外壳中的传播速度。

如何选择准确的外壳声速需要较为复杂的计算。变压器外壳的波形转换与声信号的斜入射角度有关，而斜入射角度可通过求解传感器平面法向量与从起始节点到斜入射节点向量之间的夹角得到。当斜入射角度小于14°时，变压器箱壁声速应使用钢中的纵波声速；当斜入射角度处于14°与26°之间时，声速应为钢中的横波声速；当斜入射角度逐渐增大至大于26°时，超声传感器将不会接收到任何来自于直达波的信号，退出循环，当出现这种情况或所有斜入射节点都遍历过后，结束当前循环并选择传播时间最短的路径作为最快路径。在该节点与不同传感器间的最快路径与传播时间都求解出来后，可获得该潜在局放点到各个传感器间的到达估计时间差。

定位坐标误差的计算方法如下。

式中：(xact，yact，zact)代表局放源的实际坐标，(xcal，ycal，zcal)是计算出的坐标。

优化传播路径搜索算法就是利用上述算法搜索区域内的每一个潜在局放节点，求解各节点到各个传感器间的估计时差，选择估计时差与超声传感器实际测量时差最接近的节点作为可疑局放源位置，整体流程如图2 所示。

图2 优化传播路径搜索算法流程

3 缺陷定位案例

某换流站的换流变在大负荷试验过程中出现油色谱异常情况，乙炔含量升高，需对缺陷位置进行定位。

3.1 分布式油色谱粗定位

该换流变在大负荷试验期间监测到乙炔含量从0 增长至5.56 μL/L，网侧升高座氢气从0 增长至128 μL/L。换流变紧急停运后，离线检测到乙炔含量本体下部为7.97 μL/L、本体上部为15.98 μL/L。针对换流变本体上部、本体中部、本体下部、阀侧上部、阀侧下部、网侧高压套管升高座、中性点套管升高座共7 个取油口开展分布式油色谱粗定位，发现乙炔含量最大位置为网侧套管升高座27.08 μL/L，初步确定缺陷位置为网侧套管升高座附近，油色谱绝对量的三比值为202，对应低能放电。同步开展换流变压器局放定位试验前后分布式油色谱结果比对，发现在停运后局放定位试验前，随着时间增长，油中溶解气体逐渐扩散均匀；局放定位试验后，监测到油中溶解乙炔在网侧升高座处的含量突增到60.41 μL/L、中性点升高座处增至24.28 μL/L。粗定位确认缺陷位置位于网侧升高座附近。

3.2 超声局放检测

局放定位试验同步装设变压器局放超声波在线监测装置。根据油色谱粗定位结果，现场针对性布置了6 个超声波传感器，其中超声波传感器1、2、3、4 以平行四边形布置在换流变压器正面的右上方区域，超声波传感器5 布置在顶部中轴线下方靠近升高座位置，超声波传感器6 布置在高压套管升高座底部。

新增两个超声波局放检测点，其中1 号检测点对应于网侧高压套管升高座底部，2 号检测点对应于网侧高压出线装置。录取新增点的超声局放波形，并将时间轴放大(见图3)后可知：2 号检测点率先接收到了超声异常信号，说明局放源离2 号检测点更近。同步查看变压器局放超声波在线监测装置采集的趋势：其中通道1、2、3、5 的信号为放电信号，通道4、6 的信号主要是噪声。采用累积能量算法计算各波达时间，通道1、2、3、5 的波达时间分别为12 422 μs、10 482 μs、10 630 μs 和10 446 μs，以通道5 为基准，计算各个通道的波达时间差，通道1 的波达时间差为1 976 μs，通道2 的波达时间差为36 μs，通道3 的波达时间差为184 μs，判断出局放源位于升高座附近，即通道5。

图3 放大时间轴后的超声检测信号

超声波局放检测和变压器局放超声波在线监测装置的检测结果均表明局放源位于网侧升高座附近，该结论与采用分布式油色谱方法得到的结果相吻合。

3.3 超声波局放定位

现场使用PAC2000 超声波检测仪对异常信号进行定位。该换流变X轴长度为10 230 mm，根据前述检测结果设置超声定位传感器测点，采用仪器8 通道开展超声波局放定位，其中9～12 号测点靠近网侧高压套管的一侧箱壁，12～16 号测点为对侧箱壁，测点布置如图4 所示(坐标原点为油箱右下侧)，定位结果如图5 所示。

图4 超声定位装置传感器布置图

图5 超声定位图

PAC2000 超声波检测仪定位结果为：放电点的空间坐标为(4 300±200，2 500，1 000±300) mm，位于网侧高压出线装置的连接区域(网侧升高座的下部)。

3.4 优化传播路径搜索算法定位

首先根据变压器外形图与内部结构示意图，建立换流变压器数值节点模型，如图6 所示。

图6 数值节点模型

图7 传播路径图

该定位结果与PAC2000 超声波定位结果相近，同时计算放电点到达通道1、2、3 超声传感器测点波达时间差分别为：通道1 的波达时间差为1 953 μs，通道2 的波达时间差为24 μs，通道3的波达时间差为97 μs，与变压器局放超声波在线监测装置实测信号的波达时间差基本一致，验证了优化传播路径搜索算法的有效性。