門金昭, 王昕

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 教學(xué)發(fā)展與學(xué)生創(chuàng)新中心,上海 200240)

0 引 言

變壓器作為電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備,其可靠運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行中的變壓器經(jīng)受的歷次大電流沖擊都會(huì)引起變壓器繞組微小的移位或形變[1］。這種微小形變累積到一定程度將導(dǎo)致變壓器繞組失穩(wěn)和性能下降,從而對(duì)變壓器的安全運(yùn)行造成威脅,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電力事故的發(fā)生[2-4］。因此,迫切需要一種針對(duì)變壓器繞組形變的帶電檢測(cè)方法,為狀態(tài)檢修提供依據(jù),進(jìn)而提升電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。

由于超聲波指向性強(qiáng)且無(wú)電離輻射,能夠穿透物體獲取反映其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超聲信號(hào),近年來(lái)在電力設(shè)備線檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[5］。其中變壓器繞組超聲檢測(cè)需要定位回波信號(hào)的時(shí)間點(diǎn),再結(jié)合變壓器油中的聲速,計(jì)算繞組形變量。為了更精確地獲取繞組形變信息,需要提高超聲回波信號(hào)在時(shí)間軸上的分辨率,簡(jiǎn)稱時(shí)間分辨率。而常規(guī)的單脈沖超聲激勵(lì)方法的檢測(cè)結(jié)果時(shí)間分辨率隨著穿透距離增加不斷變差。

為了解決上述問(wèn)題,本文提出了混合超聲激勵(lì)的方法——基于LFM-Barker-Nuttall超聲激勵(lì)方法檢測(cè)變壓器繞組形變。首先,根據(jù)超聲波在變壓器內(nèi)部的傳播規(guī)律,提出線性調(diào)頻和Bar-ker編碼復(fù)合激勵(lì)方法,減少超聲信號(hào)的能量泄漏,同時(shí)保持較高的時(shí)間分辨率。其次,設(shè)計(jì)基于Nuttall窗函數(shù)的幅度加權(quán)濾波器,抑制超聲激勵(lì)信號(hào)的旁瓣,以提高回波的信噪比和抗干擾能力。最后,開(kāi)發(fā)一套變壓器繞組形變超聲檢測(cè)系統(tǒng),在某35 kV變壓器上展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 混合超聲激勵(lì)信號(hào)設(shè)計(jì)

1.1 頻率調(diào)制和相位編碼

由于傳統(tǒng)的單脈沖激勵(lì)方式不僅對(duì)超聲換能器要求高,而且超聲波經(jīng)過(guò)變壓器油和外殼時(shí)會(huì)有較多的能量損失,導(dǎo)致回波信號(hào)微弱,易被噪聲淹沒(méi),難以辨別。因此,需要改進(jìn)超聲波換能器的激勵(lì)策略。

線性調(diào)頻是一種實(shí)用的頻率模擬調(diào)制方法[6］,可以生成瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變化的脈沖正弦信號(hào)c(t)表達(dá)式如(1)所示。

(1)

(2)

式中:ej(2πf0t)為載波分量。為獲得高峰值功率的窄脈沖信號(hào),需要進(jìn)行脈沖壓縮處理,但同時(shí)也伴隨著旁瓣的產(chǎn)生。理想情況下,LFM激勵(lì)脈沖壓縮結(jié)果為:

(3)

經(jīng)過(guò)演算推導(dǎo)可得:

(4)

采用線性調(diào)頻作為變壓器繞組檢測(cè)的激勵(lì)方法,雖然能提高時(shí)間分辨率和信噪比,但會(huì)出現(xiàn)較高的旁瓣,導(dǎo)致能量泄漏嚴(yán)重,使得超聲波難以穿透變壓器。

為此,本文提出線性調(diào)頻和相位編碼復(fù)合激勵(lì)的方法,以提高超聲波的穿透能力。與線性調(diào)頻信號(hào)不同,相位編碼信號(hào)是由按照特定相位序列排列的子脈沖組成,各個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)寬和頻率相同,其復(fù)數(shù)表示為:

u(t)=a(t)ejφ(t)ej(2πf0t)=μ(t)ej(2πf0t)

(5)

式中:μ(t)為復(fù)包絡(luò),μ(t)=a(t)ejφ(t);φ(t)為相位調(diào)制函數(shù)。其中,將φ(t)=0或π的相位編碼信號(hào)稱為二相編碼信號(hào)。

在二相編碼信號(hào)中,Barker編碼由于其自相關(guān)函數(shù)的主瓣和旁瓣幅值比最大,脈沖壓縮性能最好,更適用于變壓器繞組超聲檢測(cè)。在目前已知的Barker編碼序列中,13位Barker編碼長(zhǎng)度最大,旁瓣峰值最小,旁瓣抑制效果最好[7］。因此,本文采用13位Barker編碼,其包絡(luò)信號(hào)μ(t)為:

(6)

式中:P為Barker編碼長(zhǎng)度,k=0,1,2,…,P-1,P=13;T為信號(hào)持續(xù)時(shí)間;Bk為編碼序列,Bk={1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1};δ(·)為沖激函數(shù)。

采用相位編碼信號(hào)作為線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制載波,可以抑制線性調(diào)頻信號(hào)的旁瓣水平,減弱超聲波換能器頻譜帶寬對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,還能保持線性調(diào)頻信號(hào)較高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)。因此,LFM-Barker復(fù)合激勵(lì)信號(hào)s(t)可以表示為:

s(t)=c(t)×μ(t)

(7)

由于變壓器運(yùn)行環(huán)境和繞組表面狀況復(fù)雜,為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和分辨率,需要進(jìn)一步抑制LFM-Barker復(fù)合激勵(lì)信號(hào)的旁瓣水平。

1.2 幅度加權(quán)

變電站中存在的噪聲會(huì)與接收到的回波信號(hào)疊加,而且繞組表面嚴(yán)重形變處產(chǎn)生的強(qiáng)反射回波可能淹沒(méi)附近微弱信號(hào)的主瓣,這些現(xiàn)象會(huì)降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性。為解決上述問(wèn)題,需要采用旁瓣抑制技術(shù)對(duì)上節(jié)中的超聲激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行處理。

幅度加權(quán)法作為旁瓣抑制技術(shù)的重要手段,主要是利用窗函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行失配濾波處理,因此,窗函數(shù)的性能決定著失配濾波器旁瓣抑制的效果。九種窗函數(shù)的頻譜特性如圖1所示。

圖1 窗函數(shù)的頻譜特性

此外,可以計(jì)算出各個(gè)窗函數(shù)的旁瓣峰值和主瓣寬度(-3 dB),如表1所示。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn):①窗函數(shù)獲得旁瓣抑制的同時(shí)往往伴隨著主瓣寬度的增加;②Nuttall窗函數(shù)旁瓣峰值最小,說(shuō)明其旁瓣抑制效果最好。Nuttall窗函數(shù)表達(dá)式為:

表1 窗函數(shù)的相關(guān)指標(biāo)

(8)

式中:N為窗函數(shù)周期數(shù);n=0,1,2,…,N-1;a0、a1、a2、a3為系數(shù)。a0=0.363 581 9,a1=0.489 177 5,a2=0.136 599 5,a3=0.010 641 1。

因此,本文采用Nuttall窗函數(shù)對(duì)上節(jié)中復(fù)合激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)濾波處理,以進(jìn)一步抑制旁瓣水平,滿足變壓器繞組實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)的要求。LFM-Barker-Nuttall混合超聲激勵(lì)信號(hào)y(t)可以表示為:

y(t)=[w(n)·c(t)]×μ(t)

(9)

式中:c(t)為L(zhǎng)FM信號(hào);μ(t)為13位Barker編碼的包絡(luò)信號(hào)。

1.3 超聲激勵(lì)信號(hào)對(duì)比分析

為了便于分析和比較,本文以超聲回波信號(hào)脈沖壓縮輸出的旁瓣峰值和主瓣寬度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),在超聲波換能器頻譜寬度變化的情況下,獲取不同超聲激勵(lì)策略的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同超聲激勵(lì)策略的對(duì)比

從圖2可以看出:在超聲波換能器的頻譜帶寬相同的情況下,基于LFM-Barker-Nuttall混合超聲激勵(lì)信號(hào)的旁瓣峰值和主瓣寬度均最小,說(shuō)明該超聲信號(hào)不僅穿透能力強(qiáng),而且時(shí)間分辨率高,可以提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。此外,該方法在一定范圍內(nèi)基本不受超聲波換能器頻譜寬度影響,可以減少檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)超聲波換能器的限制。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本文應(yīng)用該變壓器繞組超聲檢測(cè)系統(tǒng),在上海某變電站35 kV變壓器展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。檢測(cè)過(guò)程中,上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)到的原始回波信號(hào)中混入了變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的干擾信號(hào)和周圍環(huán)境噪聲,如圖3(a)所示。從圖3(a)可以看出,在未經(jīng)過(guò)脈沖壓縮,原始回波信號(hào)中無(wú)法判斷出回波信號(hào)的位置和時(shí)間點(diǎn)。其經(jīng)過(guò)濾波放大電路后,脈沖壓縮輸出結(jié)果如圖3(b)所示。從圖3(b)可以清晰地發(fā)現(xiàn)回波信號(hào)位置,不但首次回波幅值較大,且歷次回波脈沖壓縮輸出結(jié)果均呈現(xiàn)尖峰脈沖的形式,具有較高的辨識(shí)度。

圖3 混合超聲激勵(lì)下系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

最后,為了直觀地呈現(xiàn)變壓器繞組形變情況,將該變壓器繞組超聲檢測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維成像,如圖4所示。圖4中:顏色深的區(qū)域表示繞組凹陷,顏色淺的區(qū)域表示繞組凸起。從圖4可以發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)能夠檢測(cè)出繞組形變位置和程度,甚至部分微小凸起也能清晰觀測(cè)到,分辨率較高。

圖4 35 kV變壓器繞組三維成像圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于LFM-Barker-Nuttall混合超聲激勵(lì)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器繞組狀態(tài)的帶電檢測(cè),有效避免了形變故障漏檢和誤檢的情況。

(1) 提出了線性調(diào)頻和Barker相位編碼復(fù)合激勵(lì)的方法,減少了超聲波在變壓器內(nèi)部的能量損耗,同時(shí)使回波信號(hào)具有較高的時(shí)間分辨率。

(2) 設(shè)計(jì)了基于Nuttall窗函數(shù)的幅度加權(quán)濾波器,提高了超聲回波信號(hào)的抗干擾能力和信噪比,減少了超聲波換能器頻譜帶寬對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

(3) 研制了變壓器繞組超聲檢測(cè)系統(tǒng),針對(duì)35 kV變壓器,能夠生成較高分辨率的繞組三維圖像,實(shí)現(xiàn)直觀、定量地繞組形變狀態(tài)檢測(cè)。