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超音波局部放電檢測方法研討
The
Study Of Partial Discharge Measurement By Acoustic Method
黃錠城Ting-Cheng Huang
林育勳Yu-Hsun Lin
楊正光Chen-Kuang Yang
何立仁Lie-Zen Ho
林昇村 hun-Chun Lin
鄭志賢Chih-Hsien Cheng
摘要：本文主要討論利用超音波非接觸檢測方式在高壓設備不斷電情況下檢測局部放電（Partial
Discharge, PD）。該檢測設備利用超音波檢知器將訊號接往電腦，透過A/D轉換後數據，利用MATLAB作數據分析而產生圖譜。此方法能有效及快速的察覺該檢測點所呈現的現象，進而在第一時間能有效得知設備初步狀況。本文中之案例包含實驗室的波形圖譜及現場檢測波形圖譜。
Abstract : The topic of this thesis is
mainly focused on the method of detecting partial discharge
by the acoustic method in the on-line system. The partial
discharge be detected by the acoustic detector, and then
the signal is transformed by A/D converter. The converted
data is analyzed by MATLAB and shown as graphic spectrum.
By this detection method we can get the rudimentary result
while the measurement is taken. Therefore, the efficiency
and accuracy are the main advantages of this brand new
detection method. The engineers can monitor the insulation
state of power equipment effectively and quickly.
關鍵字：acoustic emission、MATLAB、Partial
Discharge、高壓電纜、模鑄型變壓器、模鑄型比流器、模鑄型比壓器、超音波檢知器、超音波局部放電檢測
零•前言
局部放電（Partial
Discharge, PD）為運轉中電力設備內部絕緣破壞之重要評估依據。局部放電應用範圍非常廣泛，若依其放電路徑可初步區分為四大類[1]。其分類如圖1所示：
例如：
1.導體對導體間（接點氧化、GIS內部微粒放電）
2.導體對氣體間（導體尖端放電如電暈）
3.導體對絕緣體間（絕緣樹脂和導體接觸部空洞放電）
4.絕緣對絕緣間（絕緣樹脂內部空洞放電）。
樹脂為一良好絕緣介質，其有高耐燃性，在工安要求高的半導體廠及化學工廠中配電變壓器已大多採用模鑄型變壓器。但其絕緣介質無自我恢復特性。模鑄型變壓器由於製程中可能產生一些空洞，若系統發生電壓突波現象，則強大的電磁應力與過電壓將使絕緣介質發生空洞內碳化或樹的現象，而降低該處的絕緣耐力。與傳統油浸式變壓器相較，因絕緣油具流動性質，其絕緣能力具恢復效果；但對火災特別敏感的化學工廠及半導體廠，模鑄型變壓器在使用安全上有油浸式變壓器無法取代的優點。
模鑄型變壓器或變比器會隨著運轉時間增加，其絕緣耐力會逐漸降低。傳統絕緣耐力檢測只針對主絕緣耐力測試，該法不能檢出小部位的絕緣耐力；而針對該問題所發展的檢測方式多為電氣式離線檢測。也就是說必須把設備卸載拆除，移到實驗室進行檢測。但對於無法停機的化學工廠及半導體廠無法實現。
本文利用超音波檢知器以非接觸方式收集設備所溢散超音波聲響（acoustic emission），再經過電腦作運算，能夠得到放電圖譜，再利用圖譜的相角關係初步判別設備狀況。對於使用者而言能有效快速的得知設備狀況且不必更動受電設備設計。
一•檢測方式與超音波特性
檢測設備有超音波檢知器、電腦為主要設備組成檢測圖如圖2所示：
超音波檢知器將訊號接往電腦，透過A/D轉換後數據，利用MATLAB數據分析產生圖譜。由於訊號經由數位化處理後分析而成的圖譜相較於傳統上使用人耳判別，可減少因個人聽力、音感差異及疲勞因素下所產生的誤差。數位化數據分析的圖譜有更高的可信度與準確性。
1.1超音波的定位能力
超音波具高指向性的特性，此特性能發揮一定程度的定位功用。
在圖3中的線圈代表模鑄型變壓器的高壓線圈；而局放點代表線圈中的淺層局部放電部位。圖中間為非接觸式超音波檢知器，位於左側波形為檢知器所接收到訊號。在圖3中我們可以注意到左側的波形的振幅大小和超音波檢知器距離局放點的相對位置有關；代表離放電點越接近振幅越大。所以找出振幅最大點所對應的線圈位置，該位置就極可能是局放點位置，達到初步定位的能力。
1.2靈敏度
因超音波進入空氣中衰減非常快，因此在超音波的接收上，檢測距離影響最大。如何得知最大接收距離更形重要。以下實驗在電磁屏蔽室中所進行，該室當時溫度為24℃、RH
72%。一組數位化電氣式局部放電檢測設備位於電磁屏蔽室，實驗中在礙子上製造尖端放電，實驗時間30分鐘，加壓到8KV，此時透過數位電氣式局部放電儀得知放電量為18~20
PC。
實驗的第二部份為距離放電點以60㎝、100㎝為半徑畫兩個同心圓；每個同心圓上以超音波檢知器正對放電點為90°，分成0°、45°、90°、135°、180°五個位置做檢測，現場實驗照片如下所示
下列圖譜中左方圖譜為距離60㎝、右方圖譜為距離100㎝，再依角度的不同作區分。
由上頁圖譜可知，在18 pC人造電暈下,超音波檢知器在100㎝就可檢知，越接近被測物下其幅值越高；雖然距離100㎝幅值已有差異，但其基本波形和60㎝相較仍保持一致。觀察圖5（c）~（h）中電暈相角能在270度確實被表現出來；然而在圖5（a）、（b）、（i）、（j）中因接收點位於尖端放電點水平的位置，產生相角270度無法被表現出來。利用此特性得知在現場檢測時調整不同的角度來推斷放電源位於何處。
1.3超音波圖譜與電氣局放圖譜比較
本文實驗中被試物是一15 KV級的模鑄型比流器，被測環境溫度為24℃、RH 72﹪。加壓到13KV，此時透過數位電氣式局部放電儀得知放電量為112
pC，超音波檢測距離100㎝。圖7（a）為電氣式圖譜、圖7（b）為超音波圖譜。
這兩張圖比對可知超音波相較電氣式圖譜其基本波形是相同的。而且模鑄型比流器的樹脂厚度相較於模鑄型變壓器厚許多，因此模鑄型變壓器在相同環境下將比模鑄型比流器更易檢知。
二•現場實測案例
2.1
MCSG箱內的高壓電纜
這個案例中，該裝置位於北部某一D/S變電所內的BUS-PT盤，電壓大小為22.8Kv級，來源為容量60MVA的主變壓器，下游接往10個饋線盤。若高壓電纜炸燬，該主變壓器跳脫，足以影響數以千計的用戶端。圖8（a）為現場檢測相片，圖8（b）為紅外線熱影像相片，圖8（c）為該高壓電纜的超音波圖譜，該高壓電纜現場判別為內部放電，因此現場台電主管向調度中心報備後立即執行轉供，將該設備離線；並於最短的時間內請製造廠進行修復更換動作，進行試驗完成後上線。
此案例最特殊處是該D/S變電所新建完工於今年1月正式運轉，5月份檢查發現此重大缺失，其傳統試驗方式全部通過；可知超音波局部放電檢測是補強傳統試驗方式的盲點，並且是活線檢測下最具簡便性與效果性的檢測方式。
2.2LOCB的BUS-CT(Current Transformer)
這個案例中，該裝置位於北部某一S/S變電所內LOCB的BUS-CT，電壓大小為69Kv級，屬於69Kv饋線設備，若該模鑄型比流器故障此饋線下游所接的69Kv級主變壓器將會跳脫。圖9（a）為現場檢測相片，設備相序為左起R-S-T。
圖9（b）（d）為R相；圖9（c）（e）為S相。經判別發現S相模鑄型比流器的接點有接觸不良現象，但其紅外線掃描是正常的，經追蹤得知，該模鑄型比流器在年度維修時因和BUS鎖接點位移，造成該鎖接螺絲鎖接不正[2]。
此案例中得知在高壓電力設備中，超音波局部放電檢測對於紅外線熱影像檢知接觸不良所造成的發熱現象，在時間點上有極早期檢知的功效，更能有效的預防因接點過熱造成週遭樹脂劣化形成局部放電的
現象。
2.3模鑄型變壓器
模鑄型變壓器優點已在前文所述，然而在鄰國日本是較早採用的，剛開始適用於住宅或商業大樓的變電站內；由於高層大樓會在中間設計一機電樓層，若是採用油浸式變壓器而因電氣事故造成大火，其火勢是大樓消防系統所無法負荷的。因此受日本大樓的密集度與樓層高度影響，進而對火災更趨敏感，於是開始大量採用模鑄型變壓器。另方面，模鑄型變壓器較油浸式變壓器減少日後維護成本，又沒有油浸式變壓器用久滲油與早期絕緣油含有多氯聯苯列管的問題，是個明星產品。
在我國，隨著環保與工安意識抬頭，高科技廠房的增設，模鑄型變壓器用量大幅上升；或許使用條件與氣候因素的不同，近年來模鑄型變壓器不論在半導體廠、化學工廠、電視台、捷運系統等都陸續傳出運轉事故。幸運的是這些事故都未對變電所或廠房引起大火，但卻有金額龐大的非預期停工損失。另方面傳統試驗方式並無法對線上的模鑄型變壓器作有效的鑑別設備良莠，因此在所接觸各產業領域廠務先進們，那些數量龐大的模鑄型變壓器大多是他們心頭的不定時炸彈。
模鑄型變壓器和前述高壓設備相較，是項結構性與材料種類複雜所組成的產品，因此超音波PD檢測對其判斷是項高難度的工作，本文主要偏重實測案例討論，在此模鑄型變壓器結構與超音波判別的關係不在討論範圍中。以下案例為北部電視台內的模鑄型變壓器。
2.3.1
此台750KVA /22.8Kv/Irated=38A/Load=5~16A模鑄型變壓器初測（2002/04/12、Load=8A）圖譜為圖10（a）（c），改善後複測（2002/05/13、Load=7A）圖譜為圖10（b）（d）；可知從圖10（c）所示沿面洩漏轉變成圖10（d）所示接觸不良。
2.3.2
此台750KVA /22.8Kv/Irated=38A/Load=5~16A模鑄型變壓器初測（2002/04/12、Load=8A）圖譜為圖11（a）（c），改善後複測（2002/05/13、Load=7A）圖譜為圖11（b）（d）；可知從圖11（c）所示接觸不良轉變成圖11（d）所示正常。
2.3.3
此台750KVA /22.8Kv/Irated=38A/Load=2~10A模鑄型變壓器初測（2002/04/12、Load=3A）圖譜為圖12（a）（c），改善後複測（2002/05/13、Load=2A）圖譜為圖12（b）（d）；可知從圖12（c）所示內部放電與沿面洩漏轉變成圖12（d）所示內部放電。
2.3.4
此台750KVA /22.8Kv/Irated=38A/Load=5~16A模鑄型變壓器初測（2002/04/12、Load=8A）圖譜為圖13（a）（c），改善後複測（2002/05/13、Load=7A）圖譜為圖13（b）（d）；可知從圖13（c）所示內部放電轉變成圖13（d）所示內部放電成長。
三•結論
非接觸式超音波局部放電檢測未和待測高壓設備接觸，因此待測高壓設備設計上並不需要有所更動，經由本文探討研究發現檢測靈敏度在一公尺，符合大部分22.8KV變電站的檢測安全距離。因此適用於變電所內高壓設備如模鑄型變壓器、MCSG箱內的高壓電纜、模鑄型比流器、模鑄型比壓器等，應用的設備層面廣泛，相較光學檢測法例如紫外線與紅外線，非接觸式超音波局部放電檢測能輕易判別放電故障類型，程度，設備本身振動與基本定位能力。
超音波局部放電檢測的盲點大致分為下列兩點，可分為結構性與背景環境，以下就這兩點來說明。
1. 結構性盲點：
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模鑄式比流器由於絕緣樹脂層較厚，因此當內部空洞有Partial
Discharge，需要達到較大的放電能量時才會被超音波檢知出來；但模鑄式變壓器由於絕緣樹脂層較薄，因此較模鑄式比流器容易在初期放電時檢知。但模鑄式變壓器高壓線圈結構上分成許多層，若放電發生在較深的絕緣層時，可能會監測不到放電訊號。 |
2. 環境背景盲點：
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在近年的檢測中，發現環境背景是極嚴重的干擾源，嚴重的影響檢測時的準確度與結論的判斷。干擾源可分為兩大類型，有音頻干擾源與電磁干擾源兩類。音頻干擾源例如有存在於氣體廠中高壓氣體的微量洩漏、空壓機運轉噪音；半導體廠的UPS與PUMP的運轉噪音。電磁干擾源例如有訊號線離高架地板下高壓電纜槽太近等，此問題已能經由光纖訊號傳輸得到解決。 |
由上述討論可知超音波局部放電檢測是在不更動待測設備設計前提下簡易與快速的檢測方式並採非接觸式，可避免感電工安事故，適合於大部分線上高壓設備做全面性的普測。在第一時間能有效快速找出故障的高壓電纜、模鑄型比流器、模鑄型比壓器，對有問題而難判斷的模鑄型變壓器再進行更精密的試驗檢測，達到全面預防保養的目的。
四•參考文獻
[1] L. Niemeyer, “A Generalized Approach to Partial Discharge
Modeling”, IEEE transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation, Vol. 2, No. 4, pp. 510-528, August 1995
[2]邱乾政, 礙子絕緣特性診斷之研究, 國立台北科技大學, 90年。 |
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