基于振动超声复合信号的变压器套管及升高座故障监测方法

高树国,相晨萌,王丽丽,孟令明,田 源,杨欣颐,贾云飞,张 凡

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,石家庄 050000;2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安 710049)

0 引言

变压器是输变电系统中的关键设备,是构成变电站的基础设施之一[1-2]。套管是变压器上的引线装置,变压器的内部引线通过套管与外部电网相连接,因此,套管的安全正常工作对变压器乃至整个电力系统的可靠性都至关重要。

变压器套管的常见故障按性质可分为放电性故障、机械故障、过热性故障及油位异常几类[3]。其中,机械故障多为套管上的紧固件在长期承受电场力、机械应力、振动的复合作用下而发生松动所导致;放电性故障则可能由于套管内绝缘受潮或存在气泡、杂质等缺陷所导致。这些故障的产生在一定程度上会引起套管内部的油流涌动、压力变化等,严重时会影响套管的绝缘性能,从而导致变压器非计划停运。因此,套管故障的实时监测与诊断对保障变压器的安全稳定运行具有重大意义[4-5]。

近年来,随智能电网与物联网技术的不断发展,在线监测技术逐渐兴起。在线检测技术是通过传感设备对信号进行采集和获取,在不干扰设备正常运行的条件下实现设备状态检测,大大降低了故障检测所需的人力、物力成本[6-8]。振动信号分析法是常用的机械振动故障在线监测方法,近年来国内外学者广泛探究了振动分析法在变压器、电容器、电抗器、GIS等电力设备状态监测方面的应用[9-14]。西安交通大学的吴书煜等人研究了换流变压器不同运行状态下油箱表面振动的变化规律,根据绕组电流、电压的不同组合方式将换流变压器的振动规律分成了四个振动阶段,并实现了贴心、绕组的信号分离[15];上海交通大学的谢坡岸等人通过监测与分析变压器箱体振动随绕组预紧力的变化规律,实现了对变压器绕组的状态检测[16];河海大学的马宏忠等人通过建立考虑运行状态量影响的故障特征频率的变压器振动信号基频分量折算模型,提出了绕组变形故障诊断模型及诊断方法,并通过实验验证了模型结果的正确性[17]。可见,基于振动法的机械故障诊断方法目前已广泛应用于变压器电力设备的在线监测中,其对于变压器套管的监测诊断有待进一步研究。

常用的变压器套管局部放电故障的在线监测方法有脉冲电流法、特高频法、超声信号监测等[18-21]。其中,脉冲电流法基于罗氏线圈原理,通过磁耦合测量末屏接地线上的脉冲电流信号,但该方法易受运行现场干扰,难以在实际环境中实现在线监测[22];特高频法通过特高频天线阵列获取套管局部放电的特高频统计特征信息,目前已在GIS、变压器等设备的绝缘状态评估中取得了较好的效果[23-24]。而对于套管的局部放电检测,广州供电局的肖天为提出了一种基于特高频法的套管局部放电在线监测方法和缺陷类型识别方法[25-26]。超声信号监测方法是通过固定在变压器外壳上的超声传感器获取局部放电脉冲所产生的超声信号,当套管内部发生局部放电时,放电点周围区域短时间内受热而迅速膨胀和收缩,局部体积迅速变化并产生超声波。在同一监测点下,超声信号强弱与局部放电量是正相关的,因此可以通过监测套管内部产生的超声信号实现对局部放电的在线监测。超声信号检测法是一种非电监测法,具有抗干扰能力强、灵敏度高、安全和成本低等优点,适合于用用电设备的现场在线监测。

目前现有的变压器套管故障诊断方法大多只能反映单一故障缺陷,本文提出了通过监测套管上的振动超声复合信号,包括较低频率的振动信号(<20 kHz)和较高频率的超声信号(>20 kHz),可以实现对变压器套管及升高座部位的机械故障与局部放电故障的同步监测,对多种故障具有较高灵敏度,具有广泛发展前景与应用价值。

1 故障监测系统的研发

1.1 振动超声复合信号传感器

变压器套管振动的主要频率分量为50和100 Hz的倍频和分频,套管内油中局部放电所产生超声信号的主要频带为100 k-200 kHz。因此,为实现对低频振动信号和高频超声信号的同步测量,本研究中选用了日本富士所生产的HS-10A-11M2振动超声复合信号传感器,传感器实物图如下图1所示。

图1 HS-10A-11M2振动超声复合信号传感器Fig.1 HS-10A-11M2 vibration and ultrasonic composite signal sensor

该传感器可以实现对频率范围为10 Hz～200 kHz的振动超声复合信号的测量,其中,超声信号传感单元的频率范围为50 kHz～200 kHz,灵敏度约为80 dB,包含了油中局部放电产生超声信号的主要频段;振动信号传感单元是IEPE传感器,需要24 V恒流源供电,测量的振动信号频率范围为10 Hz～20 kHz,灵敏度约为100 mV/g,满足测量需求。传感器的频响曲线如下图2所示。

图2 振动超声复合信号传感器频响曲线Fig.2 Frequency response curve of vibration and ultrasonic composite signal sensor

该传感器能实现仅使用一个传感器采集套管表面的振动超声复合信号,包括振动和超声信号,简化了检测装置的体积与传感器的数量。

1.2 基于振动超声复合信号传感器的故障监测装置

振动超声复合信号传感器通过磁吸式夹具固定于套管升高座表面,用于测量传递至套管表面的振动和超声信号,通过恒流供电源向传感器供电。

横流供电源后连接低通滤波器和带通滤波器,通过低通滤波器得到振动超声复合信号的低频段,即振动信号,通过带通滤波器得到振动超声复合信号的中频段,即超声信号。带通滤波器后连接包络检波电路,得到超声信号的上包络线,以便后续可以使用较低采样率进行采集。通过两金属片构成电容,与变压器套管的高压端之间构成电容分压器,以获得套管的工频电压相位。

整体装置的示意图见图3。

图3 基于振动超声传感器的故障检测装置示意图Fig.3 Schematic diagram of fault detection device based on vibration-ultrasonic composite sensor

通过采集卡得到套管表面的振动信号、超声包络信号和电压相位信号后,对振动信号进行频谱分析,以实现对套管机械故障的诊断;同时利用超声信号的上包络线与电压相位信号绘制局部放电PRPD谱图,用于局部放电的诊断。

1.3至1.5节依次介绍了该系统中的信号处理电路、检波电路和电压传感器。

1.3 振动超声复合信号处理电路

对于振动超声复合信号传感器所测得的振动超声复合信号,通过0.3 Hz高通无源滤波模块去除输出信号中的直流分量。由于传感器自身产生的信号幅值较小、输出能力也较差,因此对去除直流分量后的输出信号采用电压跟随放大电路进行放大,并进行低通、带通滤波以实现不同频段信号的分离。

系统选择由两个二阶sallen-key低通滤波器构成四阶30 kHz低通滤波器,由二阶sallen-key低通滤波器和二阶sallen-key高通滤波器组合构成四阶50 kHz～200 kHz带通滤波器,以实现振动和超声信号的分离与滤波,具体滤波电路如图4所示。

图4 振动超声复合信号处理电路原理图Fig.4 Schematic diagram of vibration and ultrasonic composite signal l processing circuit

1.4 检波电路

基于超声信号的局部放电识别方法是通过绘制一段时间内局部放电的PRPD谱图以实现局部放电故障类型的判别,所需的数据信息为超声信号峰值与出现时刻的相位。因此,可以通过高频包络检波电路提取套管内局部放电所产生超声信号的包络曲线,去除输入信号中的高频载波分量,仅保留号最大值的幅值与出现时刻,大大降低了超声信号的采样率要求和数据量。

包络检波电路通过检波二极管的单向导电特性和电容电阻的充放电过程获得信号的局部峰值电压,即信号的包络曲线。通过选择合适的负载参数,检波回路中的负载电容、电阻能起到高频滤波的作用,也能通过负载电阻两端输出已恢复的调制电压信号[27-30]。检波电路的原理如图5所示。

图5 包络检波电路的原理图Fig.5 Schematic diagram of envelope detection circuit

实验中所采用的负载电容C大小为1nF,负载电阻RL大小为500 KΩ,可将原始超声信号检波成三角波信号,检波后信号的峰值误差小于为1%,可通过25 kHz采样率采样,若直接测量超声信号,需要约200 kHz的采样率,包络检波电路的应用可以大大降低对采集系统的要求,进一步可以实现无线采集和传输。

1.5 差分式电压传感器

在本研究的实验中,利用空间电容耦合法对变压器的电压相位进行测量。通过用两片尺寸不同的金属电极与套管顶部高压端构成电容分压器,两金属板间形成差分电极,以此获得变压器套管上的电压波形。

本研究设计的电极物理图如图6所示。

图6 金属电极实物图Fig.6 Physical drawing of metal electrode

两个金属电极分别位于PCB的正面和反面,PCB的厚度为1.2 mm。正面电极的尺寸为内径30 mm,外径80 mm;反面电极的尺寸为内径50 mm和外径80 mm。通过47 nF的陶瓷电容器作为Cm0对测量结果进行分压,最终输出结果为毫伏级电压信号。

由于两金属板上的电位都是大小未知的悬浮电位,因此需要通过差分信号处理电路将两电极间的电位差转换为相对于信号处理电路参考地点位的单端信号。实验所使用的差分信号处理电路如图7所示。

图7 差分信号处理电路图Fig.7 Differentialsignal processing circuit

差分电路中所使用的芯片是德州仪器公司所生产的INA111AU仪表放大器,其所需的供电电压为±15 V。该电路通过在两个输入端之间使用一个10 MΩ的电阻来提供输入阻抗,一个50 Ω的电阻接地以提供直流通路。

2 实验平台及缺陷设计

2.1 实验用变压器结构设计

本研究设计并使用了一台100 kVA 0.4/35 kV的单相试验变压器。根据大容量高电压等级的变压器结构,在变压器的油箱侧面设计有两个L型升高座,上方各有一个35 kV的电容屏套管,以模拟大容量高电压等级的变压器套管及升高座结构。此外,为方便设置绝缘缺陷,两个升高座的油室与变压器箱体的油室彼此分离,具体结构如下如图8所示。

图8 试验变压器结构图及实物图Fig.8 Structure and real product of the test transformer

2.2 紧固件松动缺陷

在正常工况下,变压器振动的主要频率是100 Hz,套管和升高座被迫发生振动。套管和升高座属于细长结构,在变压器振动的影响下,在升高座与油箱之间的连接处、套管与升高座之间的连接处的应力最集中,因此在正常运行时,这两处上的螺栓最有可能在长时间振动作用下发生松动。由于套管及升高座高度较高,套管顶部将军帽处的振动振幅最大,因此在长期振动作用下,将军帽上的螺栓发生松动的可能性也相对较大。此外,较大容量和较高电压等级变压器的L型升高座拐角处通常设置有手孔,其连接螺栓有可能因未完全拧紧或长期振动作用下发生松动。

因此,共设计四组紧固件松动缺陷故障,分别为升高座与油箱之间的连接处、套管与升高座之间的连接处、套管顶部将军帽处、升高座侧壁手孔处螺栓松动,具体缺陷设置及传感器测量点如图9所示。每组缺陷仅松动该处的一枚螺栓,测量其对振动信号的影响。

图9 套管上的缺陷设置及测量点位置Fig.9 Location of defects and measuring point on the casing

2.3 尖端放电缺陷

在变压器长期运行中,套管内部可能因设计缺陷、结构松动、油污积累等原因,高压导杆上出现带电尖端,导致升高座内电场均匀性被破坏,产生局部放电。为模拟故障发生时套管内的尖端放电现象,在试验变压器升高座的中间导杆上固定一截硬质金属线,金属线末端与升高座内壁间的距离约为20 cm,具体结构如图10所示。

图10 升高座内部尖端放电模型Fig.10 The point discharge model inside the riser

加压时,金属线末端的电位与高压导杆相同,尖端附近局部电场集中,稳定产生尖端放电。

3 实验结果及分析

利用振动超声复合信号传感器测量不同工况下套管表面的振动超声复合信号,并由1.3节的振动超声复合信号处理电路对信号进行分离、滤波和检波,在振动超声复合信号中分离得到能反映套管机械故障的低频段振动信号(<20 kHz)与反映套管局部放电故障的高频段超声信号(>20 kHz),分别进行故障分析与诊断。

3.1 振动信号频谱分析

对变压器套管在无螺栓松动情况下与4组不同位置螺栓松动情况下的振动超声复合信号分别做频谱分析,得到6组不同情况下的振动时域波形与振动频谱见图11。

(a)正常

对比分析6组振动信号,从时域上可以看出,当存在紧固件松动故障时,振动波形在波峰和波谷出的形状与正常情况下略有不同;从频域上,发现传感器所采集到的振动信号波形主要由100 Hz及其倍频构成,且100 Hz分量在无论是否存在紧固件松动故障的情况下都是最强的。为对比不同类型结构件松动的所造成的影响,对比振动的100 Hz及其倍频分量见表1。

表1 结构件松动故障下的频率分量Table 1 Frequency component under loose fault of structural partunit m·s-2

当套管上不同位置出现螺栓松动时,传感器所采集到的振动信号中高次谐波的含量会发生变化,其中,400 Hz分量的大小变化最明显。对比如图12所示。

图12 结构件松动故障下的振动信号特性Fig.12 Vibration signal characteristics of structural parts under loose fault

图13 超声信号的包络检波Fig.13 Ultrasonic signal envelope detection

取正常状态下的400 Hz分量为参考,不同故障情况下400 Hz分量的相对大小对比如下表2所示。

表2 结构件松动故障下的400 Hz分量Table 2 400 Hz component under loose fault of structural parts

根据表2可知,相比于正常状态下,当套管顶部螺栓发生松动后,由于此处的振动较大,所产生振动的400 Hz分量也较大;当套管底部螺栓发生松动时,由于套管较重,此连接处的应力也较大,此处的松动对振型有较大程度的影响,因为400 Hz分量也较大;当升高座发生松动时,此处应力较大,与套管底部类似的原因,导致了400 Hz振动分量较大;当盖板发生松动时,由于盖板处的振动相对较小且对振型的影响不大,其振动的400 Hz分量变化较小;当多处松动时,400 Hz振动分量是相对最大的。

因此,可以以振动信号频谱中400 Hz分量的变化情况作为判断套管上是否出现了紧固件松动故障的判据之一。

3.2 局部放电PRPD谱图

1.4小节所述的检波电路的检波效果如下图所示,可以看出,该检波电路很好地反应超声的最大幅值和出现的时刻。

通过结合超声信号的上包络线和电压相位信号,得到超声信号最大值的幅值与所对应的电压相位,记录十秒内产生的所有超声信号幅值和所处的相位并绘制PRPD图,其中,坐标轴横轴是电压相位,纵轴是超声信号的幅值及施加电压的相对幅值。

得到套管内局部放电的PRPD谱图,结果如图14所示。

图14 尖端放电下的PRPD谱图Fig.14 The PRPDspectrum of points discharge

超声信号的幅值大小跟套管内局部放电的大小、放电产生位置与传感器之间的距离有关,当保持传感器位置不变时,超声信号的幅值越大,说明此时局部放电的放电量越大。但由于超声信号在传播过程中会不断衰减,因此无法由超声信号幅值推断出局部放电的放电量,只能由超声信号幅值表征相同条件下套管内部局放的相对大小。

如图14所示,尖端放电主要发生在电压正、负半周的上升沿及峰值上,放电分散性较大,正半周的放电强度高于负半周,但负半周的放电密度大于正半周。整体谱图形状不连续,呈“双三角形”状。

尖端放电的PRPD谱图具有极性效应,这是由于正电晕放电的机理与正流注放电类似,尖端头部积聚的电荷会加强其前方的电场,使放电通道易于发展,因此放电幅值较大;而负电晕放电主要是靠阴极的二次电子发射维持的,在电场作用下电子的运动速率较快,使得带负电得金属尖端附近积聚了很多正电荷,均匀了前方电场,因此负电晕放电密度较高,但放电幅值相对较小。

4 结论

本研究以套管的振动超声复合信号为载体,利用振动超声复合信号传感器研究了当套管存在紧固件松动、局部放电等故障时升高座表面测得的振动超声复合信号的规律,通过提取其中能反映套管缺陷和故障的特征量,实现了对变压器套管及升高座的机械故障与局部放电故障的同步监测。

主要结论如下:

1)由振动超声复合信号传感器、振动超声复合信号处理电路、包络检波电路、差分式电压传感器构成基于振动超声复合信号传感器的变压器套管故障检测装置,通过对套管表面的振动超声复合信号、施加电压进行同步测量、分离、滤波、检波和分析,即可实现变压器套管状态的在线监测与诊断。

2)在变压器的正常工况下,机械应力在升高座与油箱之间的连接处、套管与升高座之间的连接处最集中,套管顶部将军帽处振动的振幅最大,因此,在长期作用下这些位置的螺栓最可能发生松动。

3)当套管及升高座上存在螺栓松动故障时,由于固有频率和振型发生变化,振动频谱中400 Hz分量的大小变化最显著,因此,可以以振动信号频谱中400 Hz分量的变化情况作为判断套管上是否出现了紧固件松动故障的判据。

4)当套管内存在局部放电故障时,可通过局部放电产生超声信号的幅值与所对应的电压相位绘制PRPD谱图,发现尖端放电的PRPD谱图具有极性效应,正半周的放电强度高,负半周的放电密度大,整体谱图呈“双三角形”状。