摘 要：阐述了超声波测量变压器局部放电的机理，介绍了在目前国内设备容量、电压等级不断增大的情况下，超声波局部放电测试技术的必要性及应用情况。
关键词：变压器；超声波；局部放电；测量
Supersonic Measurement of Partial Discharge in Transformers in Power Network Abstract：This paper describes the work principle of supersonic method to measure partial discharge in transformers，and introduces the capacity of domestic equipment and degree of voltage are increasing incessantly，which explains the necessity and application status of this technology．
Key words：transformer；supersonic wave；partial discharge； measurement
目前检测变压器放电性故障的主要方法是进行局部放电水平的测量，有脉冲电流局部放电量测量法(以下简称脉冲电流法)和超声波局部放电测量法(以下简称超声波法)。脉冲电流法需在设备停电条件时靠外施电压进行检测，虽然能对放电量的大小进行定量测量，以确定放电点的电气位置，但是无法确定放电点的空间位置，且检测时必须为停电情况。因此对变压器实施及时、在线的超声波局部放电检测，并配合其它的绝缘试验项目(如油色谱气体分析、远红外测温等)，分析变压器绝缘状况，及时确定绝缘缺陷性质就显得越来越重要。
1 超声波局部放电测试原理
绝缘介质局部放电有2种类型：气泡内放电；介质在高场强下游离击穿。一些浇注、挤压的绝缘介质容易夹杂着气隙或气泡，空气的介电常数较固体介质小，而场强与介电常数成反比。因此，介质中的气隙或气泡是第一种局部放电的发源地；当局部电场更高时，在绝缘薄弱环节处将引起介质的游离击 穿。以上2种局部放电，在多数情况下往往同时发生或互相诱发。
变压器在试验电压(或工作电压)下出现局部放电时，伴随产生电脉冲、超声波、光、热和化学变化等物理现象。只要变压器内部存在局部放电，就一定会产生高频的电气扰动，并将向所有与其有连接的电气回路传播。利用连接到设备端子上的测试装置接到放电信号，可对变压器局部放电进行定量检测。同时，只要存在局部放电，在放电过程中，随着放电的发生，伴随着爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播，通过安装在变压器油箱外壁上的超声波传感器，将超声波信号转换为电信号，就能对变压器内的局部放电水平进行测量，此即为变压器超声波局部放电测量法。
在变压器内部发生局部放电时，伴随有声波能量的放出，超声波通过不同介质(油纸、隔板、绕组、油等)向外传播。这种超声波信号以某一速度通过绝缘纸板、绝缘油等介质向变压器油箱外传播，以球面波的形式向四周传播，超声波穿过绝缘介质到达变压器箱壁上的传感器有2条途径：一条直接传播，即超声波的纵向波穿过绝缘介质、变压器油等到油箱内壁，并透过钢板到达传感器；另一条是以纵向波传到油箱内壁，后沿钢板按横向波传播到传感器，此波为复合波。超声波传播途径见图1。放电源S产生超声波，SA为纵向波，SBA、SCA为复合波。
超声波具有很强的穿透能力，但是它在穿透各种介质时都会使波形发生某种程度的畸变，而这种畸变主要表现为幅值的衰减，表1是超声波在不同介质中的传播速度及其相对于变压器油的相对衰减率。
虽然超声波在钢板中的传播速度比在变压器油中的快得多，但是超声波在钢板中的衰减很大，所以到达传感器的直接波的幅值比复合波大得多。超声波的传播波形见图2。
尽管电力变压器内绝缘结构十分复杂，但是经绝缘油浸透的绝缘介质和变压器油的声阻抗十分接近，它们构成许多间隙声通道。所以，产生在较外围的电力变压器局放故障，其超声信号能够较强地传输到变压器箱体上的传感器。布置在油箱外壁上不同位置的超声传感器即检测探头相对于某一放电点之间的距离是不同的，放电产生的超声信号到达探头的时间也不同。通过超声接受传感器，测量超声波的大小及通过测量超声波传播的时延时间，即可确定局部放电源的空间位置。
2 检测频率的确定
当发生局部放电时，由于绝缘弱点中分子的激烈撞击、气泡的形成和发展，液体的流动以及固体材料的微小开裂都会发出声波，通常由于局部放电在气体中产生的声波频率约几kHz，而在液体、固体中产生的声波频率约在几十到几百kHz。变压器铁芯的噪声在低频领域，其噪声水平较高，机械振动的噪声大多在20kHz以下。超声波局部放电的检出，应避开干扰频率范围而以高频率为对象。但频率越高，声波在传送过程中的衰减很大，因此超声波局部放电检出的频率一般在数十到数百kHz。测试频带应选用40～300kHz。
3 超声波局部放电测试的必要性
超声波法是用置于油箱壁上的超声波传感器接 收信号，通过信号大小的比较分析，对变压器内的局部放电进行定性测量，还能对放电点所处的空间位置进行确定，并具有在不停电条件下对变压器内的局部放电进行检测等优点，它的检测结果可以给变压器的故障分析及处理提供更多的信息，同时这一方法可避免现场各种电气信号的干扰。因此超声波局部放电检测是变压器放电性故障测量及带电监测的一种较好的方法。
目前脉冲电流法在变压器离线试验条件下应用广泛，而在运行条件下应用还存在一些困难。特别是我国电气设备仍沿用基于时间的预防性试验，对于部分绝缘状况不佳的变压器设备，往往由于不能及时检出绝缘薄弱点而导致运行事故发生。因此随着电力系统不断发展，提高电气设备的安全运行水平，开展变压器超声局部放电检测就显得非常必要。通过在线超声波局部放电检测，可随时随地地监视变压器局部放电水平的变化状态。
4 应用方法
河北南网发电厂从2002年至今，已开展变压器超声波局部放电测量百余台次。首先在变压器本体建立固定的测试点，以第一次测量的超声波大小为基准值，建立超声波指纹，根据必要性定期进行检测，通过纵向波测量值比较，监视变压器内部局部放电水平的变化量，并结合变压器油色谱分析、远红外测温等试验项目的综合分析，判断变压器的绝缘状况，诊断变压器健康水平，确保变压器安全运行。
5 结束语
超声波法是电力变压器局部放电故障诊断的有效手段，它可将使局部放电测试技术向多元化方向发展。利用超声测试与局部放电相结合的测量方法能精确地测出变压器内部的局部放电故障点，并定性地测量局部放电的变化情况。对在网运行的变压器进行故障诊断时，应用超声波法与油色谱分析等试验相结合能够确定设备是否存在局部放电，并指出放电的大概位置。
但是，该方法也有一定的局限性。当放电源位于变压器线圈表层时测试是有效的；当放电源位于变压器绝缘深部时，信号将很难收到。对于同时出现的多点放电，如何判断超声信号的大小，如何区分其超声信号，仍需要做进一步的工作。
