一种变压器套管末屏放电超声检测装置的研究

鲁改凤，侯鹏飞，范茜勉，王文飞，杜帅，张朋飞

(1.华北水利水电大学 电力学院,郑州450045; 2.河北省电力勘测设计研究院,石家庄050000)

0 引 言

近年来电网系统内发生多起因套管末屏接地不良而引起的变压器套管损坏事故[1-2]，为此须积极开展套管末屏带电检测技术的研究。目前常用的局部放电检测技术主要有超(特)高频(UHF)检测技术和暂态地电波(TEV)检测技术。超(特)高频检测技术通常须将天线预设在变压器内部，适用于在线监测；暂态地电波检测技术是通过在金属外箱壳上放置电容耦合式传感器，接收局部放电电磁波产生的电压脉冲，常用于开关柜局放的检测[3-8]。以上两种方法均不适于对套管末屏接地情况进行日常大范围的准确巡检[9-10]。尽管国内部分变压器局部放电在线监测装置采用高频CT监测的方法，但目前大多数的变压器并未安装局放在线监测设备，要在短期内将该技术覆盖所有变压器并不现实[11]。

基于目前的状况，按相关技术标准和规范研究了一种便携式套管末屏放电检测装置，实现对末屏放电这种特殊形式的缺陷进行快速有效的诊断，提高了设备故障预警的能力，为检修和评估提供了可靠数据，从而减少事故的发生。所以，本研究对增强电网安全稳定运行和设备工作可靠性具有重要意义。

1 装置的整体构成

文章研究的套管末屏放电检测装置主要由红外定位镜头、钳形高频CT、超声探头和主机四部分组成，实物装置如图1所示，红外定位镜头用于观察镜头中的红外光线定位探头所指目标，钳形高频CT信号频率段在50 Hz～100 kHz；为了屏蔽设备周围信号的干扰，超声探头采用外加喇叭状集波器的设计方式，其超声传感器选用中心频率为40 kHz的PZT型；主机外部是触控液晶屏、按键、信号输入BNC接口、数据传输USB接口，主机内部由电源管理、模拟采样电路、CPU及其外围电路构成。

图1 套管末屏放电检测装置实物图

与已有带电检测装置比较，该装置主要具备以下优势：

(1)便携性。装置采用高集成度设计，体积小，可脱离电源使用，总尺寸为29 mm×16 mm×35 mm，主机重1.3 kg，在进行变压器末屏套管巡检时不受时间和地点的限制，便携性较强;

(2)抗干扰性。装置外壳采用铝合金制作，对外界干扰有很好的屏蔽作用，同样，装置的传感器、电路和传输线也进行了屏蔽处理。信号进入主机后先进行模拟5 kHz～200 kHz带通滤波，然后将信号转换成数字量送入处理器，进行数字滤波;

(3)实时性。装置可工频同步，即时反映放电波形、幅值和相位。

2 装置的硬件设计

(1)电源系统。为保证装置自身供电的可靠性，本设计通过三种途径进行电源供给，按照供电优先级依次为：适配器电源、USB电源、内置电池。电源由优先级最高者供应，多种电源共存时仅由优先级最高的供电;

(2)处理器平台。整个系统采用一个嵌入式处理器进行人机交互和一个DSP处理器做数据处理，结合功率损耗、PCB面积和开发成本，最终采用包含Cortex A8+C64x的OMAP3530。MCU采用STM32F103C8T6，其主要作用是控制设备开启与关闭、管理 电源电池、控制ADC及FIFO的时钟和模拟电路增益调节等;

(3)显示与按键。为了提供舒适、方便的操作体验，本装置采用5.6寸640×480分辨率的26万色LCD，同时配备了稳定耐用电阻型触摸屏，按键的主要功能是开/关机以及与对触摸屏功能的补充和完善;

(4)输入输出接口。为了更好地输入输出数据，装置配置了两个USB接口，一个Device接口用于系统调试，一个Host用于接键盘、鼠标、U盘等外设。Device接口由OMAP的电源管理芯片TPS65930提供，Host接口采用高集成度的全功能高速收发器USB3320。

3 装置的软件设计

本装置软件总体结构如图2所示，软件开发实现的主要功能是观察波形和放电量，快速切换各种显示模式，设定报警阈值等。

图2 软件总体结构示意图

(1)数据处理流程。

数据处理流程分为读取数据、带通选频、计算频谱和数据显示四个阶段，首先从数据采集驱动程序提供的接口读取数据，每次读取20 ms数据，然后进行带通选频，根据设备使用的场景和抗干扰要求自行设定滤波器通带，如果信号频率范围在通带外则该信号被抑制，之后再计算频谱，对通过带通频率滤波器的信号进行快速傅里叶变换得到当前检测数据的频谱，最后进行数据显示，根据用户不同的显示设置，显示出二维普通波形、二维累积图形、三维滚动波形以及频谱图形；

(2)数字信号处理。

通过OMAP3530的C64x+ DSP来完成带通选频和频谱计算，软件对每段20 ms的数据(即每次读取的一个周波数据)进行带通选频，但考虑到DSP有限的运算资源，仅对部分数据进行频谱计算。用于计算频谱的数据段选择算法原理如下：

第一步，设定计数上限N。即每N段数据计算一次FFT。例如，N=10，那么每200 ms计算一次FFT；第二步，计算当前数据段的峰值。如果当前数据段峰值比此前数据段的峰值大，则缓存该数据段；第三步，当达到计数上限N时，用缓存的数据段来做FFT(缓存数据段为该N段数据中具有最大峰值的一段数据)。

(3)线性度处理。

在进行线性度处理前，需要计算出每个通道在每种灵敏度下的基准值和线性变换参数。对于每个通道的每个灵敏度，收集一段时间内的数据，并求取平均值，将该平均值作为当前通道当前灵敏度的基准值。用AD采样值与基准值的差值和实际电压值均呈分段线性关系。本装置中差值范围为0～16 384，将该范围分为若干子范围，每个子范围求得一个从差值到电压值的线性映射关系。在实际数据处理时，即可利用实现计算好的基准值和线性度变换参数，计算AD采样值到电压值的映射关系。

(4)同步处理。

本装置采用16位AD，用最高位表示同步信号。首先用户设置好参数，然后系统执行同步参数，根据同步信号上升沿变化，确定同步信号的频率，然后按照最高位的变化查寻当前数据段中同步信号的上升沿，由该段数据同步信号的上升沿点，结合同步信号的相位以及相位偏移，确定数段中0°的位置，从而完成同步。

4 实际研究

因为在对末屏放电故障检测时，外界因素会对装置的测试造成影响和干扰[12]，为能够准确判断，通过实验研究这些因素对检测的影响规律，以形成规范的检测诊断方法。

4.1 实验室研究

在华北电网有限公司沙河试验站模拟套管末屏放电的发生对末屏放电带电检测装置进行了试验研究,分析了不同因素对检测结果的影响。

(1)末屏接地间隙距离影响

将超声检测仪探头检测角度稳定为0°，检测距离设定为1 m，接地间隙为3 mm，此时测得的波形如图3所示，可以看出，测得的放电信号约为25 000 μV，随间隙距离缩小而逐渐减小；保持检测角度和距离不变，当接地间隙从5 mm逐渐调整至0 mm，得到如图4所示的规律。

图3 检测到的放电波形

图4 末屏放电超声检测量与末屏接地间隙距离的关系

由图4可知，当末屏接地间隙距离超过3 mm时，得到的超声检测量超过1 100 μV，随着测量间隙距离的减小，测量值逐渐变小。因此，末屏接地各种断开缺陷都可以通过超声方法有效探测。

(2)超声检测距离影响

考虑到带电检测的安全因素，实验中最小检测距离选为0.5 m；由于距离过远时信号几乎完全衰减，因此实验中最大的检测距离选为10 m；以1 m为间隔，得到如图5所示的规律。

图5 末屏放电超声检测量与检测距离的关系

可以看出，当检测距离为0.5 m时得到的超声测量值为1 100 μV；随着检测距离的增大，超声测量值衰减，当检测距离增大到2 m以上时，测量信号已衰减至500 μV以下，到4 m以上已基本衰减至50 μV。

(3)空气湿度影响

超声检测除了受检测距离影响外，环境湿度对其也有较大影响。在高湿度环境下的检测结果与在普遍湿度环境下相比发生了明显的变化，如图6和图7所示。

图6 不同湿度下末屏放电超声检测量与末屏接地间隙距离的关系

图7 不同湿度下末屏放电超声检测量与检测距离的关系

由图6和图7可知，环境湿度越大超声波传播衰减越多。因此，应尽量避免在雨后、起雾等空气较潮湿时进行巡检。

4.2 变电站实际应用研究

利用本装置，在康仙220 kV变电站对现场的噪声进行了采集。表1给出了康仙220 kV站对母线电晕噪声的测试数据，根据数据可知，在未直对母线的情况下，噪声在40 μV左右，与距离无关，站内的环境噪声图如图8所示；在瞄准母线的情况下，在10 m距离时达到400 μV左右，图形如图9所示。

表1 康仙220 kV站母线电晕噪声测试数据

图8 未对准母线时测到的站内环境噪声

图9 对准母线时测到的电晕干扰

可见超声接收探头轴向近处母线电晕产生的噪声对测量有一定影响，在测量末屏放电时应尽量避开轴向近处母线。

通过实验和实际应用得到的结果与正常运行数据相比，得出末屏放电的诊断方法，综合如下：

(1)检测距离在5 m以内有效，不宜在雨后、起雾等空气较潮湿时进行巡检；在有效距离内，若超声检测的放电量大于100 μV，则认为存在末屏放电问题;

(2)变压器出线端和母线的电晕对检测有微弱干扰，出线端干扰最高可达200 μV，母线干扰最高可达400 μV，但都可通过改变测量角度予以避免，不影响测量;

(3)如果检测到末屏放电故障，应逐步调整检测角度来获得最大放电量，以便准确定位放电位置。

5 结束语

研究了一种操作简便、适用于巡检的便携式套管末屏放电带电检测装置，填补了变压器套管末屏放电带电检测的技术空白，为在线监测及状态检修工作提供了有力支持。该装置能够实时非接触地探测放电信号，显示出测量波形和放电量多少，且方向性好，并可将数据导出进行更高级分析。试验研究了非接触超声方法对末屏放电缺陷的检测，结果表明不同接地断开程度、检测距离和空气湿度对放电的超声测量值有不同的影响；在变电站的检测结果表明，对于出线端和母线的电晕干扰，可通过调整检测角度而避开。本研究的实施，为及时发现变压器运行中套管末屏缺陷和其放电他电容型设备末屏放电提供保障，有利于提高电网的安全稳定运行水平，具有很好的工程参考价值。