基于光纤超声传感器的油纸绝缘局部放电超声波信号特性试验研究

张春燕,张映月,滕 俊,盛 吉,商 超,王 伟

(1.扬州供电公司，江苏扬州 225000；2.华北电力大学，北京 102206)



基于光纤超声传感器的油纸绝缘局部放电超声波信号特性试验研究

张春燕1,张映月1,滕 俊1,盛 吉1,商 超2,王 伟2

(1.扬州供电公司，江苏扬州 225000；2.华北电力大学，北京 102206)

0 引 言

局部放电监测是变压器绝缘检测的主要方法之一，而超声波法又是局放监测的主要方法之一[1-3]。

超声波法主要分为两种，一种是采用常规压电陶瓷类传感器贴在电气设备的外壁上检测超声波信号[4-8]；另一种是采用光学传感器检测超声波信号，可内置到设备内部测量。本文所研制的是基于法布里-珀罗光学干涉原理来检测局部放电产生的超声波的光纤超声传感器[9-10]，光源发射出的光经过光环行器沿着光纤到达传感探头，入射光在F-P腔内发生2次折反射，干涉后的光强只和腔长有关，当外界超声波振动信号作用到膜片时将导致探头膜片发生形变，F-P腔腔长随之变化，法布里-珀罗干涉仪把相位变化转为光强变化，通过分析光强的分布即可得到待测超声波的强弱分布(即超声波信号波形)。光纤检测法测量波形良好，且灵敏度比压电陶瓷高出许多，可以检测较弱的局部放电，对于变压器绝缘早期故障监测有重要意义，与脉冲电流法有一定的对应性，传感器可伸入变压器内部在油中直接测量，不存在传播多路径问题，而目前压电陶瓷传感器是贴于变压器等设备的外壁上，存在超声波传播多路径问题，所以定位一直未取得突破性进展。与压电陶瓷传感器相比，光纤超声传感器最大优点是：抗干扰能力强，不受电磁波的影响；可内置，能有效避免变压器外壳对信号的衰减，灵敏度高。因此该种传感器有望成为一种有效的在线监测手段，具有较好的应用前景。

变压器油纸绝缘中如果发生局部放电，所产生的超声波会通过多种介质到达传感器，比如油层、线圈上的绝缘纸和围屏纸板等，同时受到线圈和铁芯的阻挡，超声波在传播过程中会发生反射、折射和绕射等现象，其传播过程比较复杂[11-14]。由于采用光纤超声传感器在油中直接测试局部放电产生的超声波是一种新的尝试，对局部放电超声波信号在油纸绝缘中的传播特性进行试验研究，掌握其传播特性非常有必要[15-17]。本文主要研究了局部放电产生的超声波在油中不同介质传播过程中和遭遇障碍物阻挡时信号衰减度、波形变化和传播速度等相关特性，为现场实际测量和故障诊断建立基础。

1 试验装置

试验系统如图1所示。

试验系统由试验油箱、25#变压器油、光学检测系统、示波器和放电源组成，油箱长宽高为2m×1m×1m，1cm厚钢板焊接而成，装有25#变压器油，深度为90cm，光学检测系统包含光源、环形器、光纤传感器、光电探测器和放大器几个部分。光纤EFPI传感器采用周边固定的圆形硅膜振动结构，膜片采用半径900μm、厚度30μm、固有频率101.5kHz的圆形硅膜，其中心压强灵敏度ηmax=60nm/kPa，放大器增益为60dB。障碍物包括油浸绝缘纸板、干燥绝缘纸版、钢板和铜线圈。其中绝缘纸板和钢板的长宽为50cm×40cm，绝缘纸板厚度为2mm，钢板厚度为3mm；铜线圈由4层铜导体组成，每层有27根铜导体，每根铜导体的横截面是1cm×0.8cm长方形，铜导体外面有绝缘纸缠绕，每根铜导体之间和每层之间均有缝隙。放电源由高压电源、调压器和放电模型组成，放电模型是针板电极，中间隔一层1mm厚油浸绝缘纸板。此外，检测到的信号波形信息由示波器显示出来。

2 实验结果与分析

2.1 超声波在油中的传播

为测试超声波在油中的衰减情况，用换能器产生的超声波替代局部放电产生的超声波，频率选择光纤超声传感器检测局部放电时的中心频率，幅值保持不变。将换能器探头放置在油箱靠左侧20cm、深度25cm处，正对光纤超声传感器并固定不动。光纤超声传感器分别放置距换能器10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm和110cm处，读取信号波形第一个脉冲值并记录。电压幅值与距离的关系如图2所示。

图2 油中超声信号的衰减度曲线

从图中可以看到，随着距离的增加，信号幅值是衰减的，在距离较短的范围内，电压幅值衰减比较快；随着距离增加，衰减程度减小。这说明超声波在油中无障碍传播时会发生衰减，当光纤超声传感器放置的位置距放电源较远时，需要较高的灵敏度才能扑捉到较弱的信号。

测量超声波在油中的传播速度以及传播过程中波形变化的试验布置如图3所示。由于局部放电信号强度以及产生的超声波幅值大小具有分散性，为了保证能够测到同一放电产生的超声波在不同距离下的时延及波形变化，因而需要两套响应频率相同、灵敏度一致的光纤超声传感器。放电源置于油箱中间，1#和2#传感器分别位于距放电源两侧30cm、深度25cm处，加压至局部放电发生，分别记录两个传感器的信号幅值，并记录两个波形第一个峰值的时间差，替代两个波形起始点的时间差，测量20组数据并计算均值，结果如表1所示。

图3 试验布置图

距离差/cm0203040时间差Δt/μs0140.7211.3279.6

表中第一列数据表示1#和2#传感器分别位于放电源两侧30cm处，由于距放电源的距离相等，所以时延Δt1=0。两个传感器的波形如图4(a)所示。对第二个时间差Δt2进行分析：这两个点的水平距离差是Δs2=20cm，则传播速度为

(1)

同理可求得

(2)

(3)

则：

(4)

油温为18℃时，实验测量到超声波速度为1 424m/s。超声标准中，温度为20℃时，超声波在油中速度为1 420m/s，测量结果与标准接近，相对误差为

(5)

图4(b)是两个传感器的相对距离差为20cm时的波形，其中1是距离放电源30cm处1#传感器的波形，2是距离放电源50cm处2#传感器的波形。其他不同距离的测试波形也符合这个规律，说明超声波在传播过程中只是幅值的衰减，波形基本上保持不变。

图4 不同距离两个传感器的波形

2.2 超声波在油纸绝缘中的传播

在油中试验基础上，分别在2#探头和放电源中间放置1层、2层、3层、4层和5层干燥后的绝缘纸板和经过40h变压器油浸泡的绝缘纸板，微调其中一个传感器的位置，使得两个传感器与放电源距离相等；采用针板放电模型，加压使其出现局放，分别记录两个传感器的信号幅值；以无绝缘纸时2#与1#信号幅值比值作为不同层数绝缘纸的参考值，然后分别加入不同层数绝缘纸，测量20组数据并作平均，结果如表2所示。

表2 绝缘纸中两个传感器的幅值之比

根据上表中的数据，可以得到超声波在绝缘纸(纸板厚度<10mm)中传播的衰减度，如图5所示。

图5 超声波在绝缘纸中传播的衰减度

由图5可知，超声波在干燥绝缘纸板中传播时衰减比较大，但在油浸绝缘纸中衰减比较小。这是因为干燥绝缘纸内部存在一些气泡，并且各层之间也有一定的空气层，而空气的声阻抗比绝缘纸的声阻抗小得多，绝缘纸的声阻抗与油的声阻抗比较接近，超声波在油纸界面反射要小些，在油空气界面由于声阻抗相差比较大反射要大些，所以超声波在干燥绝缘纸衰减会比较大。而绝缘纸经过40h油浸过后，其中空气基本上被排除，两者的声阻抗接近一样，对超声波的影响比较小，所以衰减比较小。

图6 不同绝缘纸下超声波波形

如图6所示，两者的时间差很小，加绝缘纸板后，传播时间略微变短，这是由于超声波在固体中的传播速度大于液体，在绝缘纸中传播稍快一点，区别不明显，基本上可以认为油中速度和油浸绝缘纸组合中速度是相等的。同样，超声波传播过程中经过绝缘纸后波形基本上没有变化，其中1是油中传感器的波形，2是经过绝缘纸后传感器的波形。这也说明超声波在绝缘纸中传播波形不会发生畸变，经过绝缘纸后波头对应性较好，只发生幅值衰减。

2.3 超声波受钢板阻挡时的传播

将绝缘纸试验中的绝缘纸板换成钢板，依次增加层数。测量20组数据，求出两个传感器的比值，平均后得到表3。

表3 钢板中两个传感器的幅值之比及时间差

由以上数据可知，超声波在钢板中的衰减随比较大，但比干燥绝缘纸衰减小，比油浸绝缘纸衰减大，超声波穿过15mm厚的钢板衰减60%。

图7是超声波在钢板中传播的衰减度。

图7 超声波在钢板中传播的衰减度

两个传感器的时间差在于超声波在钢板与油中的速度不同，利用表中时间差数据可以计算超声波在钢板中的传播速度。根据公式：

(6)

式中：s为钢板的厚度；v为油中波速，1 424m/s；v1为钢板中速度。

则不同钢板厚度的传播速度如表4所示。

表4 超声波在钢板中的传播速度

平均速度为5 545.51m/s，比理论值5 200m/s偏大一些，主要原因是在示波器上微秒级的时间读数不是非常精确，会产生一定的误差。

图8所示是超声波在油中和钢板中的波形对比，从图中可以看出，当超声波经过钢板传播时，波形并没有发生严重的畸变，只发生衰减，衰减程度比绝缘纸更大，这说明变压器局部放电产生的超声波信号经过铁芯时，除去幅值衰减外，波形基本上保持不变。

图8 超声波在钢板中传播的波形

2.4 超声波在组合介质中的传播

在上述实验的基础上将钢板换成一层绝缘纸和一层钢板的组合体，处理方法同上，得到表5。

表5 组合介质中两个传感器的幅值比和时间差

从表3和表5可以看出，超声波在绝缘纸和钢板的组合体中衰减比单一的钢板要大一点，一层钢板的衰减度是73.3%，即衰减了26.7%，而组合体则是61.8%，即衰减了38.2%。

组合体中的传播速度计算如下：

(7)

则超声波在组合体中的传播速度为3 261.08m/s，介于钢板和油纸绝缘之间。

图9所示是超声波通过组合绝缘(钢板绝缘纸组合厚度<15mm)传播的波形与油中波形的对比情况。超声波通过组合体传播的波形基本没有发生变化。

图9 超声波在组合介质中传播的波形

2.5 超声波通过铜线圈时的特性

表6是把钢板换成铜线圈，测量20组数据平均后得到的，其中线圈为4层铜导体，厚度大于40mm，实物如图10所示。由于铜线圈比较笨重，考虑到操作方便，铜线圈放置在1#传感器与放电源之间，传感器依然位于深度25cm处，放电源到传感器的距离为35cm。

表6 铜线圈中两个传感器的幅值比和时间差

图10 铜线圈实物图

由于超声波要通过4层铜导体，幅值衰减了64%，衰减比较大。波形如图11所示。从图中可以看到，超声波经过铜线圈后，不仅发生衰减，波形也发生了明显的改变，先是衰减明显的波形，而后出现较大的峰值是经过油车钢板壁反射过来的波。

图11 超声波在铜线圈中传播的波形

铜线圈的宽度是10mm，超声波传播速度计算公式为

(8)

式中：s为铜线圈的厚度，0.01m；v为油中速度，1 424m/s；v1为铜线圈中速度；Δt为时间差，285.83-5.068=280.762μs。

则超声波在铜线圈中的传播速度为284.9m/s，这可能是由于铜线圈比较复杂，比较厚，因而导致传播速度比较小。同时也说明，超声波并不是通过线圈之间的缝隙传播的。至于后面幅值比较大的波形，是通过油车右侧的右内壁反射过来与原来的波形叠加而成。

如图12所示，放电源到右内壁的距离为40cm，到左内壁的距离为160cm，到下内壁是75cm，通过三角形定理可知，放电源传播至1#传感器的路程为87.73cm，从图11可知，反射波到达传感器的时间大约是600μs，按照波在油中的波速计算，反射波的传播路程为85.44cm，所以可以断定图11(b)1#传感器测到的放电信号中后面峰值较高的波形应该是反射波。

图12 铜线圈试验布置图

2.6 现场实体变压器中的测试

图13所示是在实际变压器中进行局部放电的检测试验。这是一台110kV三相油浸式变压器，其尺寸为4.5m×2m×2.5m，变压器顶端两侧分别有两个法兰孔，可将放电模型和传感器深入到变压器中。试验布置如图14所示。

图13 现场变压器

图14 试验布置图

试验过程如下：

① 放电模型从大法兰孔1处深入变压器内部，距离油面30cm；从小法兰孔2、3处置入传感器，距离油面15cm，加压至出现局部放电，记录两个传感器的信号波形；

② 试验布置同①，传感器位置不变，将放电源往下伸，距离油面1.3m，加压至出现局部放电，记录两个传感器的信号波形；

③ 试验布置同①，传感器位置不变，放电源往下伸，距离油面2m，加压至出现局部放电，记录两个传感器的信号波形。

整个试验，局部放电量控制在100pC左右，小盖2处不同试验步骤传感器测试波形如图15所示，小盖3处传感器只有步骤③测到波形如图16所示。

图15 不同试验步骤2#传感器测试波形

图16 步骤3中法兰孔3内置传感器测试波形

从图15可以看出，即使与放电源的距离不同，波形也并没有很大的变化，同侧两者距离为0.3m测到信号幅值为800mV左右，放电源在1.3m深处时测到信号幅值为500mV左右，放电源在2m深处时测到信号幅值为300mV左右，说明随着深度的增加，超声波在传播过程中会衰减；特别是传感器距放电源接近2m时传感器仍可检测到清晰的超声波信号；同时从图16可以看出，对面法兰孔3中内置的传感器也测到了清晰的信号，说明信号可以从两相绕组之间的缝隙中传播过去，传感器可以满足实测要求。

法兰孔4中也内置了传感器进行测试，但没有测到信号，说明线圈和铁芯阻挡对传感器的检测是有影响的。只需在变压器内不同位置安装多个传感器，便可以达到检测的要求。

3 结束语

通过上述采用内置光纤超声传感器进行局部放电超声波检测的试验，我们得到如下结论：

①超声波信号在油中、油纸绝缘阻挡(纸板厚度<10mm)、油与钢板阻挡(钢板厚度<15mm)以及绝缘纸-钢板组合介质(钢板绝缘纸组合厚度<15mm)中传播会衰减，但波形不会发生畸变，只要传感器有足够的灵敏度，就可以检测到局放信号。

②超声波信号通过铜线圈(线圈为4层铜导体，厚度>40mm)时幅值衰减比较大，波形也会发生较大畸变，这给检测绕组内部的局部放电带来一定难度，超声波不是通过线圈之间的缝隙传播的，没有检测到直达波，而且检测到的器壁反射波形会发生畸变。传感器能否检测到局放信号，要视传感器的安装位置和信号的传播路径而定。

③在实体变压器中进行局部放电检测，100pC的直达局部放电信号距传感器2m处可检测到300mV的信号。因此只需在变压器不同位置安装多个传感器，即可解决线圈和铁芯的阻挡问题，达到检测的要求。

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(责任编辑：杨秋霞)

Test on Ultrasonic Characteristics of Partial Discharge in Oil-paper Insulation for Transformers Based on Fiber-optic Ultrasonic Sensor

ZHANG Chunyan1, ZHANG Yingyue1, TENG Jun1, SHENG Ji1, SHANG Chao2, WANG Wei2

(1. Yangzhou Power Supply Company,Yangzhou 225000, China; 2. North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

对变压器绝缘进行有效的局部放电在线监测，可及时发现变压器的绝缘缺陷，确保整个电力系统的安全运行。本文采用光纤超声传感器对油中局部放电超声信号在油、绝缘纸板、钢板、绝缘纸-钢板组合介质以及铜线圈中传播时，超声波衰减情况、传播速度和波形变化进行了试验研究，结果表明：超声波在油、绝缘纸、钢板以及组合介质中传播时信号强度会衰减，但波形不会变化；铜线圈对超声波影响最大，不仅衰减严重，速度减小，而且波形也会发生畸变。最后在实体变压器中进行了实际测量，取得较好的检测效果。

变压器；超声波；油纸绝缘；光纤超声传感器

It is of great value to detect Partial Discharge (PD) in transformer insulation sensitively on-line, to discover insulation defect in time, and to ensure the safety of the whole power system. In this paper, the ultrasonic attenuation, propagation velocity and waveform changes of PD is tested in oil-paper insulation through oil, insulation paper, steel, paper-steel composite medium and copper wire by using fiber-optic ultrasonic sensor. The results show that signal intensity of ultrasonic wave in oil, insulation paper, steel and composite medium can be attenuated, while the wave shape doesn’t change. It also can be seen from results that the influence of copper wire is the most serious, which can not only decrease the intensity and speed of ultrasonic wave, but also distort the ultrasonic wave. In the end, the actual measurement is carried out in the solid transformer, which obtains better detection effect.

transformer; ultrasonic wave; oil-paper insulation; fiber-optic ultrasonic sensor

1007-2322(2016)06-0056-08

A

TM938

国家自然科学基金项目(51577063)

2015-09-12

张春燕(1976—)，女，高级工程师，从事高电压管理工作；

张映月(1963—)，男，高级工程师，从事电力生产管理工作；

滕 俊(1979—)，男，高级工程师，从事继电保护检修及管理工作；

盛 吉(1985—)，男，工程师，从事变电检修工作；

商 超(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断研究，E-mail:1520414715@qq.com；

王 伟(1960—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断以及高电压绝缘研究。