涡流反射两种测量模式在探测线圈内部导体位移的应用

吴 鹏

（广州西门子变压器有限公司，广州 510530）

0 引言

随着变压器产品箔式绕组技术的广泛应用，相比传统圆导线绕组，箔绕式线圈在绝缘承受的电气应力、绕组层厚的耐压等级等有明显的优势。但与线绕组不同的是箔式绕组中的箔材材质、宽度、匝数等技术特性要求规定，会产生多个饼进行串联形成总匝数，多个饼之间会有标准的电气绝缘距离要求，发生饼移位就会直接影响绕组电气性能（如局部放电）。因此，如何去探测饼滑动量，使用什么方式方法、设施设备等是对箔式绕组饼间距的把关之重，避免变压器流出产生重大质量风险。国内外对饼间距移位也做了大量研究，方芳等[1]关于35 kV 环氧树脂浇注干式变压器局放的控制探讨；王晓磊等[2]自制外穿式涡流探头；蔚道祥等[3]接收线圈位置对脉冲涡流检测灵敏度的影响，上述文献虽然都提到饼移位对感应耐压与局放测量的影响，以及涡流探测的基本原理等相关信息，但没有涉及到如何探测箔式线圈的饼位移，因而在饼滑动探测手法上有一定的拓展研究空间。本文将从箔式绕组饼滑动对电气性能的影响展开，主要对涡流反射法如何有效探测饼滑动进行展开说明。基于历史统计数据，解剖有饼滑动的线圈进行实际测量饼间距，对比设计值得出测量方法的有效性，提出并建立两种测量方式方法的使用考量规则，最终验证其准确性与有效性[4]。

1 饼滑动对电气试验结果的影响

饼式线圈在引线装配过程、树脂浇注后均有可能会发生位移，引线过程如果发生饼滑动而没有及时测量探测发现，意味着两饼之间的电气绝缘距离发生改变，一侧变大则另一侧会变小，若距离变小的一侧比设计规定的电气距离标准值还要小时，浇注后成品做感应耐压试验时就会产生局部放电，严重时会发生内部短路击穿的风险。也有短时通过了感应耐压例行试验，但在某种复杂的运行环境中，变压器正式电网投电长时间运行后，电气距离偏小的地方就会发生放电，长时间放电就会影响产品的使用寿命，最终可能导致产品内部纵绝缘击穿短路，产品无法正常运行。所以，如果说线饼做为变压器结构上的“心脏”，那么饼滑动量就是影响“心脏”正常跳动的关键“血管”，饼滑动量的监控对变压器正常运行起着至关重要的作用[5]。

2 涡流反射探测法

对于树脂浇注式线圈浇注完毕后，树脂包裹整个线圈导体，量具根本无法对饼间距进行直观测量，就需要一种既能穿透绝缘且能探测到导体的设备，来对线饼合模浇注后的饼间距进行探测监控。涡流设备上的探头含内置线圈传感器，以此来推断饼滑动是否存在异常。当涡流仪器工作时，传感器会在其附近产生电磁场，生成的电磁场继而在导电试样表面感生出感生电流，材料的不连续性（例如裂纹、腐蚀、外表凸起等）将影响感生涡流的分布，这种变化将被探头捕捉并识别这种改变，紧接着电子系统以适当的方式评估这种变化，最终生成缺陷信号，这些信号将反馈回设备主机界面，直接转换成可识别的“波形图”和“点”。

涡流反射探测法有两种模式，分为快速测量模式和精准测量模式，对于两种模式通俗易懂的描述来讲，快速测量探测“宏观”饼滑动量，而精确测量探测“微观”饼滑动量，测量线饼一般先使用快速测量，若发现异常波形时才使用精确测量。快速测量无法计算滑动量大小，只能判定饼是否发生滑动；精确测量可直接测量饼滑动大小值，但测量耗费体力、时间成本较大，对控制测量误差的标准要求也高。总之，两者之间的作用是相辅相成，快速测量负责去发现异常，精确测量负责准确估算异常[6-7]。

2.1 快速测量模式

该模式测量原理是利用涡流设备探头内置线圈传感器产生电磁场并生成感生电流，然后捕捉缺陷信号，探头感应到导体就呈上升波形，感应到绝缘就呈下降波形，波形图高度代表着导体与导体之间的间距大小值，从波形图高度来直观判定是否存在异常。优点在于样件饼间距稳定的情况下，操作简单，测量效率高，可直接对比设计值观测结果，操作相对机械化。针对快速测量模式，反射信号回到主机界面形成波形图，有多种显示格式供选项，最佳的显示到选择底端显示，判断比较直观准确。另外，当线饼绝缘过厚时，也要适当调整总增益dB值大小（对于6 mm 厚度的绝缘，一般选择25～30 dB），最终目的是形成的波形方便观察判别。探测头在线饼从上到下均匀缓慢且垂直移动，设备屏幕上会显示出波形图，根据饼间距设计值与波形高度对应对比，正常波形如图1所示。当左右两侧波图高度不一致，可判定为不合格，异常波形如图2 所示。对于线饼发生饼滑动，“快速测量”探测到的信号总会发现异常，异常具体到多少数值，是否在偏差范围内，这就需要“精确测量”来完成估算探测，只有进行“精确测量”探测，才能得到近似于真实的饼间距，所以下面将会重点探讨“精确测量”两种探测手法，两种手法虽然大同小异且最终结果一致，但对于操作者的理解认知和操作便捷性有不同理解。

图1 快速测量正常波形

图2 快速测量异常波形

2.2 精确测量模式

该模式的测量原理是利用涡流设备探头内置线圈传感器产生电磁场并生成感生电流，然后捕捉缺陷信号，当探头在绝缘体上移动时，反射到主机界面上的“点”信号不会动，一旦探头内置传感器接触到导体点就会上升至某个稳定最高点，再次接触到绝缘体时信号点就会下降。优点在于能明确某两个饼之间的具体绝缘距离值，且有针对性的对异常的饼去探测。该模式可以分为两种探测手法，即上下法和顶点法。两种方法需要同样的工装工具（如垂直夹具、细笔、卷尺）。在辅助测量工装上，由于要精确采点并测量两点间距，所以点与点之间要垂直在一条线上才能保证准确性，工装就选择了现有的直压板和F 夹组合（图3），划点的细笔不能随意使用，打的点直径越小越好，意味着实际情况下笔头尽量细，卷尺测量误差就会缩小，测量值就会越接近真实值。

图3 测量辅助工装

2.2.1 上下法

上下法也称探测点从波谷突上、波峰突下的划点方法，也就是探头在线饼表面垂直上下移动，在经过导体和绝缘时反射信号到主机，从绝缘经过一旦探测到导体时，探点就会突然上升，这个上升前的瞬间点就是要捕捉的点，反之导体突然探测到绝缘，下降前的瞬间点也是需要捕捉的点（图4），利用细笔划点。选择适当的“显示模式”选项，根据绝缘厚度调节总增益dB 值大小（一般选择8～10 dB），探测头从端部绝缘开始由上到下均匀缓慢且垂直移动，设备屏幕上会对应显示出1 个移动点，点随着探测头移动而移动，抓取上升和下降瞬间对应的位置点，取点时确保抓取精确，探头一定要来回多次移动确认。偶尔也会在探头垂直移动过程中，点在最高点先稳定再往上移动的特例情况出现，只需抓取最先稳定的那个点，因为探测过程会受内部玻璃网格的干扰影响。若想测量两饼之间的间距是否产生变化，就需按要求连续探测4个点，从上到下依次将点命名为1、2、3、4，然后分别取位置1 与2、3 与4 的中心点，测量两个中心点的间距值X，再利用X减去导体宽度就能换算出两饼之间饼间距大小，最后对比设计值就能估算判定出饼滑动量的大小和方向（图5）。

图4 精确测量探测点

图5 探测取点、换算定点、测量估算

2.2.2 顶点法

顶点法也称探测点上升到波峰后稳定的点和突然从波峰下降的瞬间点，也就是探头在线饼表面垂直上下移动，在经过导体和绝缘时反射信号到主机，从绝缘经过一旦探测到导体时，探测点上升到波峰位置且探测点瞬间开始稳定，瞬间稳定的点就是要捕捉的点，反之导体突然探测到绝缘，从波峰突然要下降前的瞬间点也是需要捕捉的点，利用细笔头划点来减少测量误差。取点过程中偶尔会遇到因树脂绝缘厚度过厚，点跑出了主机界面，无法捕捉到波峰稳定点，这时除了调整降低总增益dB 值外（对于6 mm 厚度的绝缘，一般降低到10 dB 以下），前面已划的点也需要重新探测取点，因为该点与前面取的点不在同一个总增益条件下，探测取点位置会有偏差移位，测量尺寸值会有一定误差，总之，在测量取点时一定是所有探测点是在相同测量条件参数下所取，否则会产生较大测量误差，所以在探测前，先根据线圈实际情况提前设定适当的总增益值。另外，显示模式也得选择合适的，尽量选择底部显示，点滑动有足够的空间。探测头从端部绝缘开始由上到下均匀缓慢且垂直移动，设备屏幕上会显示出1个移动点，点随着探测头移动而移动，取点时用记号笔在线圈表面划点，即“点”在波峰稳定前瞬间和在波峰突然下降前的瞬间位置点。若需要测量两个饼之间的间距值，同“上下法”换算方式一致[8]。

2.3 测量验证

根据两种探测模式手法对所有箔式线饼进行检查，探测换算值与真实值对比产生测量误差范围。探测误差会受多方面因素影响，如取点是否垂直平行、记号笔的笔头大小、卷尺测量前的定位是否准确、读数误差等。对于使用快速测量发现异常波形后，至少需要2 人以上进行复测，对至少3 个探测值数据进行再确认来作为判定依据。通过近半年的探测数据搜集，凡是明确探测出饼滑动超过设计标准值的线饼，都对线饼进行了解剖，解剖后将涡流设备探测换算值与实际使用游标卡尺测量饼间距的真实值进行对比，发现探测误差在±1 mm 内。图6 中3 人复测探测值依次为6 mm、7.5 mm、6.5 mm，解剖后实测6.7 mm，探测误差在-0.7～+0.8 mm。所以，在探测过程中注意并遵守规范操作细节技巧，使用上述探测手法可行有效。

图6 解剖异常线饼实测饼间距

3 结束语

本文根据涡流设备探测信号反射原理，使用涡流设备探测饼的位移量，提出了快速测量和精确测量两种模式，同时也提出了精确测量的两种方法，即“上下法”和“顶点法”。两种模式手法均采用探头探测绝缘和导体的反射信号，将感应信号反馈到主机界面，直观评估探头所处位置是绝缘还是导体。对于快速测量，发现波形异常后，再使用精确测量探测具体饼滑动的大小。对于精确测量两种方式，也利用了以往异常线圈饼移位的历史数据收集，将真实值与探测换算值进行对比，同时通过实际解剖异常线圈直接测量饼间距的数据，对比设计值得出测量误差，误差均控制在±1 mm 范围内，测量误差在正常设计偏差范围内，同时证明了使用涡流设备探测导体位移量的方法可行有效，可供相关行业技术人员参考。