王志鵬，王天正，俞 華

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

基于超聲波原理的變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)二維成像研究

王志鵬，王天正，俞 華

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

針對(duì)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的現(xiàn)狀，根據(jù)高靈敏度超聲傳感器接收信號(hào)基礎(chǔ)研究，就超聲信號(hào)幅度調(diào)制信息與變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置、形狀之間的關(guān)系做出相關(guān)介紹。通過(guò)對(duì)超聲波在變壓器內(nèi)部不同介質(zhì)的折、反射規(guī)律的研究，找出超聲波信號(hào)的大小與變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的規(guī)律，初步顯示出變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影像圖。

超聲波；傳感器；變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)；繞組

0 引言

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，針對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)研究，已成為保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。面對(duì)工藝復(fù)雜的電力設(shè)備，如何能夠在設(shè)備運(yùn)行中，隨時(shí)了解其內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，是真正達(dá)到狀態(tài)維護(hù)的重要指標(biāo)，也是電力設(shè)備狀態(tài)維護(hù)研究的目標(biāo)。目前，狀態(tài)檢測(cè)的整體水平還處于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和波形曲線顯示的階段，其準(zhǔn)確性和可評(píng)估性還有待于提高。

成像檢測(cè)技術(shù)作為狀態(tài)檢修中的重要部分，現(xiàn)已得到廣泛研究。其中，紅外和紫外成像技術(shù)相對(duì)成熟，分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力設(shè)備的溫度和外部放電的可視化成像檢測(cè)，但是，經(jīng)常發(fā)生的設(shè)備內(nèi)部故障不能得到及時(shí)反饋，尤其是變壓器、電抗器等內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備[1]。

本文以超聲波檢測(cè)理論為基礎(chǔ)，針對(duì)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，闡述了變壓器內(nèi)部超聲可視化成像技術(shù)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容。通過(guò)傳感器收發(fā)機(jī)理、超聲成像技術(shù)和應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了基本的變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)二維平面成像，為實(shí)現(xiàn)可視化檢測(cè)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 超聲波故障診斷

超聲波的故障診斷技術(shù)可以分為回波掃描超聲探測(cè)技術(shù)和多普勒效應(yīng)超聲診斷技術(shù)?；夭⊕呙璩曁綔y(cè)技術(shù)的基本原理是利用超聲波在不同組織中產(chǎn)生的反射和散射回波形成的圖像或信號(hào)來(lái)鑒別和診斷。這種技術(shù)可以了解結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的問(wèn)題，主要是用于醫(yī)學(xué)、結(jié)構(gòu)成像學(xué)和設(shè)備探傷等領(lǐng)域。多普勒效應(yīng)超聲診斷技術(shù)的基本原理是利用運(yùn)動(dòng)物體散射或反射聲波時(shí)造成的頻率偏移現(xiàn)象，獲得人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)信息，這種技術(shù)主要是用于醫(yī)學(xué)影像學(xué)，可以了解組織器官的功能狀況和血流動(dòng)力學(xué)方面的生理病理狀況。

本文所涉及的高性能超聲波傳感器收發(fā)機(jī)理，是回波掃的超聲探測(cè)技術(shù)，通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置又稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波探頭既能發(fā)射超聲波信號(hào)，又能接收發(fā)射出去的超聲波的回波，并能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。產(chǎn)生超聲波的方法很多，目前，在超聲波探傷中應(yīng)用最普遍的是壓電法。

2 壓電法超聲波傳感器收發(fā)機(jī)理研究

本文主要采用單晶片探頭進(jìn)行了理論驗(yàn)證研究，該探頭可以直接發(fā)射和接收縱波，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，接收到的縱波能夠清晰地?cái)y帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置信息。

圖1 單晶片探頭整體結(jié)構(gòu)

它由阻尼塊、保護(hù)膜、壓電晶片等組成，其中在壓電晶片背面加上重負(fù)載阻尼塊的目的，是為了獲得狹窄的發(fā)射脈沖，它主要吸收振動(dòng)能量，使晶片的振動(dòng)在被發(fā)射脈沖激勵(lì)后很快停止，因此起到了對(duì)晶片振動(dòng)阻尼的作用，同時(shí)，可有效降低晶片Q值，把壓電晶片中的振動(dòng)能量傳輸給吸收塊，然后再把它消耗掉。上述過(guò)程中還需考慮吸收塊與晶片間的聲耦合達(dá)到匹配[2]。

吸收塊的作用是聲能進(jìn)行單面輻射，一般用吸收系數(shù)較大的材料，用其內(nèi)耗來(lái)耗損聲能，同時(shí)，考慮在吸收塊中加入一定大小的質(zhì)點(diǎn)，使聲波產(chǎn)生漫散射而損耗聲能。吸收塊減小了晶片的余振，對(duì)提高檢測(cè)儀近距離分辨率有好處。目前阻尼塊大多使用環(huán)氧樹脂與鎢粉混合后澆注在探頭壓電晶片背面，以達(dá)到阻尼作用，其配比量直接與制成后換能器的頻率響應(yīng)有關(guān)，要求不同頻譜寬度的換能器，其配比是不同的。

保護(hù)膜是為了使直探頭中的壓電晶片免予與工件直接接觸磨損而覆蓋在晶片上的保護(hù)層，它常用軟保護(hù)膜和硬保護(hù)膜兩種：軟性保護(hù)膜可用耐磨橡膠和塑料膜制成，它可使粗糙表面有較好的聲耦合；硬性保護(hù)膜一般用不銹鋼片、氯化鋁瓷片或環(huán)氧樹脂澆注而成，在選擇保護(hù)膜時(shí)盡可能考慮聲的穿透率。

如果把壓電晶片、保護(hù)膜、工件三者聲阻抗分別寫為ρ1c1、ρ2c2、ρ3c3，如能滿足下式：

就可達(dá)到聲的全透射，也就是說(shuō)直探頭的保護(hù)膜的聲阻抗選為壓電晶片與工件聲阻抗的乘積的平方根，且保護(hù)膜的厚度d又是λ/4的奇數(shù)倍時(shí)，這時(shí)全部聲能傳入變壓器內(nèi)部。

壓電晶片大多用壓電材料制成，常用的有偏鈮酸鉛、鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛3類。近來(lái)，新開發(fā)的鎢鈷鈦酸鉛材料，尤其適用于高頻、大面積壓電振子。壓電晶片兩面敷有銀層，作為電極有“+”、“-”之分，“+”極接發(fā)射端，“-”極接地。壓電晶片除了要求有高的電聲轉(zhuǎn)換效率之外，其品質(zhì)因素要求低，壓電晶片的平整度要求高。目前，多數(shù)探頭還在研究和制造的過(guò)程，由于在壓電晶片的兩邊銀層采用高溫反應(yīng)法涂膜工藝，因此，壓電晶片會(huì)有一定變形，頻率越高越明顯。

對(duì)于傳感器其性能參數(shù)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：頻率域響應(yīng)、時(shí)間域響應(yīng)、空間域響應(yīng)、靈敏度（機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、插入損耗）和電阻抗。其中頻率域響應(yīng)、時(shí)間域響應(yīng)、空間域響應(yīng)對(duì)分辨率有很大關(guān)系，需要達(dá)到分辨率高、頻響寬、脈沖時(shí)間短和較好的指向性能等要求。

3 單晶片超聲傳感器脈沖成像研究

在本文的研究中，將成像方案定義為手動(dòng)設(shè)定掃描變壓器內(nèi)部故障區(qū)域的檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部成像，如圖2所示，該方案主要由主控、發(fā)射、接收放大、檢波以及A/D轉(zhuǎn)換電路組成。

3.1 主控

變壓器成像檢測(cè)裝置中，對(duì)于裝置同步設(shè)置的主控設(shè)備是核心，其作用是協(xié)調(diào)整機(jī)工作。具體的工作原理是：通過(guò)觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路發(fā)射脈沖信號(hào)，此時(shí)，激勵(lì)掃描電路進(jìn)行z軸的水平掃描。同時(shí)，它還能在門電路的作用下觸發(fā)報(bào)警電路，使報(bào)警器在超出閘值范圍的時(shí)間段進(jìn)行報(bào)警。

3.2 發(fā)射電路

本文所涉及發(fā)射電路為常用可控管發(fā)射電路，能產(chǎn)生很大瞬時(shí)功率的脈沖。

圖2 單晶片超聲傳感器脈沖成像方案框圖

它由限流電阻尺、可控管D、電容C、阻尼電阻R和匹配電感L及換能器組成。C兩端電壓為接近電源電壓，在R＜時(shí)，C在可控管觸發(fā)前能充滿電。電源電壓在500 V左右，R值可以控制功率和阻尼，從而減少換能器發(fā)射出信號(hào)后的余振，有利于近距離探測(cè)的目的。L為匹配電感：

其中，C為電容量；t為放電時(shí)間。

3.3 接收放大電器

如圖3所示，接收放大器由前放、高放、檢波、視放等電路組成。其主要性能要求包括：頻帶寬，由于檢測(cè)儀一般使用窄脈沖信號(hào)，因此要求放大器要有足夠?qū)挼念l帶；良好的抗阻塞性，在單探頭檢測(cè)時(shí)，收發(fā)電路連在一起，因此較高的發(fā)射電壓直接加在接收電路輸入端，這時(shí)電路阻塞一段時(shí)間，如果在阻塞期內(nèi)有信號(hào)，從而不能放大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把這阻塞時(shí)間減小到允許范圍；較大的動(dòng)態(tài)，對(duì)于整機(jī)，前放約有60 dB的動(dòng)態(tài)范圍；噪聲要小，一般檢測(cè)其最小檢測(cè)信號(hào)幅度約100μV，如果要求信噪比大于5，則前放噪聲峰值小于20μV。

圖3 接收放大器電路框圖

在接收放大器中，高頻放大（主放大）常采用調(diào)諧放大器，有的儀器調(diào)諧電路中無(wú)電容C，只有R、L。如圖4所示為對(duì)數(shù)放大電路，其中主放大器為了提高動(dòng)態(tài)范圍（從最小1 V信號(hào)輸出）。一般電源電壓為高壓，電路末級(jí)用高反壓管，或串聯(lián)晶體管電路組成，如果主放大器要進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)范圍，也可以采用對(duì)數(shù)放大器，可達(dá)到80 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

圖4 簡(jiǎn)單的對(duì)數(shù)放大電路

從圖4中看出當(dāng)放大器輸出信號(hào)幅度大于某一值時(shí)，二極管D1、D2導(dǎo)通，旁路的一部分信號(hào)使輸出阻抗降低，降低了放大倍數(shù)，如果多級(jí)放大器串在一起，就可獲得近似的對(duì)數(shù)放大。

經(jīng)過(guò)主放大的信號(hào)一般較大，為了進(jìn)一步放大這一信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示器，接收放大器最后還要經(jīng)過(guò)檢波和釋放，釋放同樣要求高阻塞、寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍。

4 基于超聲傳感器的成像系統(tǒng)

本文所研究的檢測(cè)系統(tǒng)采用超聲幅度調(diào)制模式，通過(guò)超聲的聲強(qiáng)信號(hào)得到變壓器繞組的位置形狀信息，在安裝及檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需與變壓器的電氣回路連接，可直接在變壓器的油箱壁上安裝，檢測(cè)過(guò)程對(duì)變壓器運(yùn)行無(wú)任何影響?？蓹z測(cè)出繞組的變形位置和變形量。

如圖5所示，其檢測(cè)原理是通過(guò)油箱壁向變壓器內(nèi)部發(fā)射高頻超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到不同的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，所以當(dāng)遇到繞組、夾件、磁屏蔽等不同介質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生反射，根據(jù)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間可以計(jì)算出繞組等部件的位置信息。

根據(jù)超聲的傳播速度和聲波發(fā)生反射到接收的時(shí)間可計(jì)算出繞組當(dāng)前位置距傳感器的距離：

式中，C為變壓器油中的聲速，t為超聲從發(fā)射到接收的時(shí)間。

圖5 繞組位置變形信息示意圖

在變壓器的油箱壁正對(duì)繞組的位置上安裝磁吸附是陣列傳感器，可以有效檢測(cè)整個(gè)繞組的位置和變形情況，并能夠檢測(cè)可覆蓋范圍內(nèi)的夾件松動(dòng)位移、磁屏蔽松動(dòng)等故障。

圖6 變壓器內(nèi)部繞組二維成像圖

將連續(xù)的多點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制、灰度處理可將變壓器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形成圖像顯示在屏幕上，可直觀地觀察分析變壓器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形變、損壞情況等問(wèn)題。如圖6所示為本系統(tǒng)所呈現(xiàn)的變壓器內(nèi)部繞組的二維圖像。

5 總結(jié)

變壓器在運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過(guò)程中不可避免要遭受各種震動(dòng)、沖擊、以及短路電流的沖擊，內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)緊固件松動(dòng)位移、繞組變形、磁屏蔽松動(dòng)等問(wèn)題，但是維護(hù)人員無(wú)法了解內(nèi)部發(fā)生的狀況，更不知道其嚴(yán)重程度，也沒(méi)有手段來(lái)檢測(cè)內(nèi)部的松動(dòng)和位移情況，在受到短路沖擊后，無(wú)法知道繞組的變形情況，是否還能繼續(xù)運(yùn)行，如停電檢測(cè)，目前也只能通過(guò)頻響法或短路阻抗法來(lái)估測(cè)，很難準(zhǔn)確判斷變形程度和變形部位。該系統(tǒng)研究成功后，可隨時(shí)以圖像的方式顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位移狀況和繞組的變形情況，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便易行、結(jié)果顯示直觀，對(duì)應(yīng)用人員的要求較低。其應(yīng)用前景非常廣闊，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯。

［1］ Sano Y,Yoshino T.Fast opticalwavelength interrogator employing arrayed wave guide grating for distributed fiber Bragg grating sensors.JournalofLightWaveTechnology，2003，21（1）：132-139.

［2］ 彭東林，熊強(qiáng)強(qiáng)，劉小康，等.基于超聲電機(jī)技術(shù)的新型時(shí)柵傳感器原理分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（7）：95-99.

Research on Two-dimensional Imaging for Internal Structure of Transformer Based on Ultrasonic W ave

WANG Zhipeng，WANG Tianzheng，YU Hua
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001）

In view of the complex internal structure of transformer,the amplitudemodulation of the ultrasonic signal,the location information of the transformer's internal structure and their shape relations were introduced based on the basic researches on ultrasonic sensor with high sensitivity.Through studying on the refraction law and reflection law of ultrasonic wave on different mediums of transformer's internal parts，the relationships between the signal value and the transformer's internal structure were identified，and the imagemap showing the internalstructureof the transformerwas formed initially.

ultrasonicwave；sensor；transformer's internalstructure；winding

TM403

A

1671-0320（2015）01-0009-04

2014-11-20，

2014-12-08

王志鵬（1987），男，山西太原人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師，從事電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督的相關(guān)工作；

王天正（1965），男，山西應(yīng)縣人，1987年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)工作；

俞 華（1980），男，江西東鄉(xiāng)人，2007年畢業(yè)于湖南大學(xué)電氣專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督和相關(guān)試驗(yàn)工作。