變壓器局放超聲檢測(cè)和定位技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

劉化龍

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備之一，其工作狀態(tài)決定了電力系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定地運(yùn)行。事故或者非計(jì)劃的變壓器停運(yùn)能造成嚴(yán)重的后果和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行與其絕緣狀況有著直接聯(lián)系，而局部放電則是導(dǎo)致變壓器絕緣劣化或擊穿的主要原因之一［1-6］。局部放電通常是指絕緣介質(zhì)多少可能會(huì)存在著某些絕緣弱點(diǎn)，當(dāng)外施電壓超過(guò)閥值電壓時(shí)，它會(huì)首先發(fā)生放電，但并不隨即擴(kuò)大至整個(gè)絕緣介質(zhì)，這種僅限于弱點(diǎn)處的放電叫做局部放電。局部放電能夠暗示絕緣缺陷，所以局部放電的早期發(fā)現(xiàn)有助于合理安排的檢修，從而避免因絕緣擊穿造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

基于局部放電發(fā)生時(shí)的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象，產(chǎn)生了各種對(duì)局部放電檢測(cè)和定位的方法。大體可分為電氣檢測(cè)與定位法和非電檢測(cè)與定位法。目前，超聲波檢測(cè)與定位法是國(guó)內(nèi)外研究最多與應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)與定位方法之一。

相比其他定位法，超聲波法有很多獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。本文系統(tǒng)地闡述了各種超聲波定位方法，并探討了超聲法在局部放電檢測(cè)和定位中存在的問(wèn)題及其發(fā)展方向。

1 局部放電產(chǎn)生超聲波的原理與超聲波在變壓器中的傳播規(guī)律

1.1 局部放電產(chǎn)生超聲波的原理

目前，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的文獻(xiàn)研究如何用超聲波信號(hào)定位變壓器內(nèi)部的局部放電源。然而，對(duì)變壓器局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理和傳播規(guī)律的研究并不多。為了更好地運(yùn)用超聲波來(lái)檢測(cè)和定位局部放電源，對(duì)局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理和傳播規(guī)律的研究顯得尤為重要。

在變壓器中，只要存在局部放電，隨著放電的發(fā)生，在放電過(guò)程中就會(huì)伴隨著崩裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波，且很快向四周傳播［2，6-14］。

絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生局部放電的原因很多，放電形式也多種多樣，因此放電過(guò)程很復(fù)雜。然而，變壓器油中的氣泡或其固體絕緣介質(zhì)中的氣隙是變壓器局部放電通常發(fā)生的場(chǎng)所。因此，本文主要闡述變壓器油中氣泡發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生超聲波的原理。

波起源于振動(dòng)，具有彈性和慣性的力學(xué)系統(tǒng)都具有振動(dòng)的能力。當(dāng)變壓器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)，由于氣泡受到電場(chǎng)力或壓力的作用，會(huì)發(fā)生膨脹和收縮的過(guò)程，這將引起局部體積的變化。局部體積的變化將在外部產(chǎn)生超聲波。

當(dāng)過(guò)電壓很低時(shí)，某些局部放電幾乎不向外輻射熱量;當(dāng)過(guò)電壓很高時(shí)，另外一些局部放電則可能向外輻射很高的熱量。變壓器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)，氣泡處于一定的電場(chǎng)中，這時(shí)氣泡帶有一定的電荷，因此氣泡會(huì)受到電場(chǎng)力的作用。在局放向外輻射很高熱量的情況下，電弧電流會(huì)在放電通道中產(chǎn)生高溫，此高溫會(huì)使氣泡膨脹而受到一定的壓力。因此，氣泡產(chǎn)生超聲波主要受2個(gè)因素影響:其一為局放瞬時(shí)氣泡所承受的電場(chǎng)力;其二是局放產(chǎn)生后所發(fā)出的熱量使氣泡擴(kuò)張，這樣氣泡將承受壓力的作用。

當(dāng)過(guò)電壓較低時(shí)，承受電場(chǎng)力的氣泡會(huì)形成振幅慢慢減小的振蕩運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而超聲波會(huì)在周?chē)慕^緣介質(zhì)中產(chǎn)生。當(dāng)過(guò)電壓較高時(shí)，氣泡將發(fā)生放電，進(jìn)而被擊穿，從而產(chǎn)生細(xì)微的線(xiàn)度參差不齊的放電路徑，放電路徑內(nèi)的氣體受到強(qiáng)烈的電離與加熱，氣體的加熱引起放電路徑的膨脹，進(jìn)而使氣泡受到壓力，從而在絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。

實(shí)際上，變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)的局部放電中超聲波的產(chǎn)生通常是上述兩種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。

1.2 局部放電聲發(fā)射的頻譜范圍

由于局部放電持續(xù)時(shí)間很短，故局部放電產(chǎn)生的聲波頻譜較寬，可達(dá)到數(shù)兆赫茲，甚至數(shù)十兆赫茲。

另外，變壓器噪聲和局放超聲信號(hào)的頻帶不同，這非常有利于區(qū)分噪聲和超聲信號(hào)。

1.3 超聲波在變壓器中的傳播規(guī)律

局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的變壓器中會(huì)通過(guò)不同的傳播路徑向外部傳播，通常要經(jīng)過(guò)多層介質(zhì)才能到達(dá)傳感器所在的位置。

聲波的強(qiáng)度與局放源所釋放的能量成正比，所以聲波的幅值與局放能量的平方根成正比，這表明聲波的幅值與放電的強(qiáng)度存在線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)聲波通過(guò)絕緣介質(zhì)傳播時(shí)，隨著與局放源距離的增加，波的強(qiáng)度逐步減小。特別是經(jīng)過(guò)多次界面折、反射和沿變壓器器壁鋼板的傳播，聲信號(hào)衰減更為嚴(yán)重。

根據(jù)介質(zhì)的聲特性阻抗，在不同介質(zhì)的邊界表面會(huì)發(fā)生聲波的反射、折射、偏向以及衰減。通常聲波傳輸衰減的主要原因有3個(gè):一是由聲束擴(kuò)散所引起的衰減;二是由散射所引起的衰減;三是由介質(zhì)的吸收所引起的衰減。對(duì)于超聲波來(lái)說(shuō)，聲壓衰減規(guī)律可簡(jiǎn)單地表示為

式(1)中:P0為超聲波剛?cè)肷涞揭后w上時(shí)的聲壓;P為超聲波在液體中傳播一段距離后的聲壓;α為超聲波的衰減系數(shù)。

變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波在變壓器油中傳播時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向平行，故為縱波。然而，當(dāng)超聲波在變壓器器壁等固體中傳播時(shí)，則會(huì)存在質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波傳播方向平行的縱波和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波傳播方向垂直的橫波。

超聲波的入射、反射及折射都遵循斯奈爾法則，即

式(2)中:θ1與v1分別為入射波形的角度與速度;θ2與v2分別為折射波形的角度與速度。當(dāng)v1＜v2時(shí)，θ1＜ θ2;當(dāng) θ2=90°時(shí)，發(fā)生全發(fā)射，此時(shí)的 θ1稱(chēng)為臨界角。局部放電源產(chǎn)生的超聲波在變壓器油中以縱波形式傳播，當(dāng)遇到油箱鋼板界面時(shí)會(huì)折射出縱波和橫波。相應(yīng)地，臨界角有2個(gè)，縱波臨界角θcp=arcsin(voilvp)，橫波臨界角θcs=arcsin(voilvs)，其中:voil為油中聲速;vp，vs分別為鋼板中縱波波速和橫波波速。常溫下，voil，vp和vs可分別取 1 415 m/s，5 900 m/s 和 3 200 m/s，則臨界角θcp≈13.88°，θcs≈26.24°。

在各向同性介質(zhì)中，超聲波的傳播遵循標(biāo)準(zhǔn)偏微分方程，即

式(3)中:P是聲壓(Pa);t是時(shí)間(s);v是聲速(m/s)。

局部放電產(chǎn)生的超聲波通過(guò)周?chē)挠秃徒^緣介質(zhì)傳播，并且能通過(guò)傳感器在變壓器外殼上檢測(cè)到［9，10，12，15-17］。傳感器所檢測(cè)到的超聲波信號(hào)波形不僅取決于局放源、波速、傳播路徑，而且取決于波傳播所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)和所用的傳感器。典型的超聲波信號(hào)波形如圖1所示。

超聲波傳播過(guò)程中所發(fā)生的反射、折射和介質(zhì)對(duì)波的吸收等都將導(dǎo)致波傳播路徑的改變。

圖1 典型的聲發(fā)射信號(hào)波形

變壓器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波到達(dá)位于變壓器器壁的超聲傳感器有2條基本路徑:其一為直接傳播的直接路徑(SA);其二是超聲波先傳播到變壓器油箱內(nèi)壁，然后沿鋼板傳播到超聲傳感器的復(fù)合路徑，如圖2所示。

圖2 變壓器內(nèi)超聲波傳播路徑模型

由圖2可見(jiàn):直接路徑只有一條，而復(fù)合路徑卻有多條，即B可以改變。在局放源S產(chǎn)生的超聲波中，SA為縱向波(直達(dá)波)，SBA，SCA與 SDA為復(fù)合波。

局放源產(chǎn)生的球面波可視為由該源產(chǎn)生并向各個(gè)方向傳播的無(wú)數(shù)個(gè)聲波，每一個(gè)聲波以不同的入射角θ到達(dá)油箱壁。由于鋼板中的聲速比油中的聲速更高，所以直接路徑并不一定是最快的路徑。由圖2中箭頭所示的路經(jīng)可知，聲波傳播到傳感器所需的時(shí)間為

式(4)中:vtank為鋼板中橫波或縱波的速度。令dt/dx=0，便可求出傳播時(shí)間最短的路徑，此時(shí)θ剛好等于臨界角θc，且θc=arcsin( voil/vtank)。故最短的傳播時(shí)間為

式(5)中，僅當(dāng) φ＞θc時(shí)成立。若 φ≤θc，直接路徑(即SA)為傳播時(shí)間最短的路徑。直接路徑的傳播時(shí)間為

一般而言，聲波的傳播速度取決于周?chē)慕橘|(zhì)。但溫度對(duì)油中的聲速有影響［12，18］。印度學(xué)者Shanker［12］等指出:局放產(chǎn)生的聲波在油中的傳播速度取決于溫度與油壓，同時(shí)給出了在大氣壓為685 mmHg，溫度從30℃到75℃時(shí)，速度隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式，即

式(7)中:t為油溫(℃);v為油中聲速(m/s)。根據(jù)式(7)及文獻(xiàn)［18］可知:當(dāng)溫度從30℃到75℃時(shí)，變壓器油中的聲速降低。

2 超聲波定位法原理及分類(lèi)

2.1 超聲波定位法原理

變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波傳播到固定在變壓器油箱外壁上的超聲傳感器時(shí)，通過(guò)超聲傳感器的壓電元件將超聲波信號(hào)變換為電信號(hào)，而后再通過(guò)放大濾波步驟后輸出到計(jì)算機(jī)定位系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)處理、診斷和定位，進(jìn)而定位出局放源的位置，此即為超聲波定位法的原理，如圖 3所示。

圖3 超聲波定位法基本原理

超聲波定位較其他方法有很多優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在［3，7-10，19-21］:① 非破壞性且抗干擾能力強(qiáng)(對(duì)不檢測(cè)電信號(hào)的聲-聲定位法而言);② 可同時(shí)檢測(cè)和定位局放且定位能力強(qiáng)、精度高;③穩(wěn)定性好且成本低;④可進(jìn)行在役、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2.2 分類(lèi)

根據(jù)不同的時(shí)間基準(zhǔn)，超聲定位可分為兩大類(lèi):電-聲定位法與聲-聲定位法。它們的區(qū)別在于電-聲法以電脈沖信號(hào)為零時(shí)間點(diǎn)獲取至傳感器的超聲波傳播時(shí)間，進(jìn)而基于球面定位(三角定位)法計(jì)算局放源的位置;聲-聲法則根據(jù)各傳感器接收到超聲波信號(hào)的相對(duì)時(shí)延來(lái)定位局部放電源的空間位置。

具體而言，超聲定位法有球面定位法(三角定位法)、V型曲線(xiàn)法(最小時(shí)延法)、雙曲面法、順序定位法和模式識(shí)別法等。

2.2.1 球面定位法(三角定位法)

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以變壓器的一個(gè)角為原點(diǎn)O(0，0，0)建立空間直角坐標(biāo)系，局放源用 P(x，y，z)表示，各個(gè)傳感器分別用 S1(x1，y1，z1)，S2(x2，y2，z2)，S3(x3，y3，z3)和 Sn(xn，yn，zn)表示，如圖 4所示。

圖4 局放源和傳感器位置原理圖

1)基于電-聲的球面定位法

局放產(chǎn)生的電信號(hào)的傳播速度遠(yuǎn)大于聲信號(hào)，因此可忽略電信號(hào)的傳播時(shí)間，認(rèn)為它們之間的時(shí)差即為聲信號(hào)從局放源傳播到傳感器的時(shí)間。這樣，可以建立如下球面定位方程組［3，10，20-25］:

式(8)中:i=1，2，3，…，n，ve為等值聲速(通常以最短路徑計(jì)算的首波聲速稱(chēng)等值聲速)。該式的物理意義為:局放源位于以各傳感器為球心，veti為半徑的球面上，因此各球面的交點(diǎn)就是放電源的位置。式(8)的物理意義在于為基于電-聲的球面定位法提供了一種作圖的算法。雖然該算法基本概念清晰、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性強(qiáng)，但精度不高。

從理論上說(shuō)，基于電-聲的球面定位法至少需要3個(gè)傳感器。但是由于超聲波的傳播路徑比較復(fù)雜，故各路徑的等值聲速一般不盡相同且不易獲得，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般以等值聲速為變量。因此，實(shí)際運(yùn)用中至少需要4個(gè)傳感器。

2)基于聲-聲的球面定位法

若首先接收到超聲波信號(hào)的傳感器為1號(hào)傳感器，用τi1=ti-t1表示i號(hào)傳感器與1號(hào)接收超聲波信號(hào)的時(shí)差。則可建立n-1個(gè)定位方程組［10，19，21，23，26-29］:

3)最優(yōu)解的求取方法

一般而言，式(8)和(9)為超定方程組，沒(méi)有精確解，只能求取其最優(yōu)解。為求出局放電源，則可等效為最小，則局放超聲波定位變成一個(gè)約束性最優(yōu)化的問(wèn)題，即

式(10)中:xmax，ymax，zmax為變壓器的等效長(zhǎng)、寬、高。等值聲速一般取1 200 m/s≤ve≤1 500 m/s。

方程組(10)有很多解法，最常用的是最小二乘法［4，20-21，23］，但其存在局部收斂等缺陷。

為了克服最小二乘法局部收斂的缺陷，出現(xiàn)了線(xiàn)性算法［30］、模糊聚類(lèi)(fuzzy clustering)算法［3］、粒子群優(yōu)化(PSO-Particle swarm optimization)算法［26-27］、混沌搜索的 PSO 算法［31］、模擬退火算法［27］和遺傳算法［2，27，29］等。其中，模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法屬于現(xiàn)代智能算法;相比于傳統(tǒng)算法，他們方便搜尋全局最優(yōu)［27］。

遺傳算法的最大優(yōu)勢(shì)是不需要估計(jì)初始值，且能防止結(jié)果陷入局部最小，結(jié)果優(yōu)于最小二乘法。文獻(xiàn)［27］通過(guò)與傳統(tǒng)算法相比較，提出了線(xiàn)性策略粒子群的智能優(yōu)化算法，并從算法上驗(yàn)證了其是最優(yōu)越的定位算法，且與實(shí)踐吻合較好。文獻(xiàn)［24］和［30］提出了線(xiàn)性非迭代的算法，該方法不存在收斂問(wèn)題，且計(jì)算量小、速度快、不會(huì)得出遠(yuǎn)離局放源的點(diǎn)或無(wú)解的情況。模糊聚類(lèi)算法精度高、抗干擾且可操作性強(qiáng)，而且可用于多局放源的定位。

另外，也有把基于聲-聲的球面定位方程轉(zhuǎn)化為無(wú)約束條件下的最優(yōu)化問(wèn)題，即目標(biāo)函數(shù)為［32-33］:

文獻(xiàn)［33］提出了一種處理無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題的自適應(yīng)優(yōu)化算法，該算法具有較好的自適應(yīng)性和較高的精度。

2.2.2 V型曲線(xiàn)法(最小時(shí)延法)

這種定位法基于電-聲觸發(fā)的定位原理。其基本思想是:在局放源周?chē)R近范圍內(nèi)，在橫向和縱向2個(gè)相互垂直的方向上將超聲傳感器沿變壓器器壁分隔排列，每個(gè)方向取不少于9個(gè)點(diǎn)。把沿外殼分隔測(cè)量點(diǎn)的距離值作為縱坐標(biāo)，而把局部放電源產(chǎn)生的超聲波到達(dá)各點(diǎn)的相應(yīng)時(shí)間作為橫坐標(biāo)，這樣可以作出相應(yīng)的曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)成V形。V型曲線(xiàn)的頂點(diǎn)就是距離局部放電源的最近點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間即局部放電源產(chǎn)生的超聲波通過(guò)直接路徑傳播到變壓器器壁此點(diǎn)的時(shí)間。將此時(shí)間與直達(dá)波傳播途徑所對(duì)應(yīng)的時(shí)間相比較，即可得出局放源的位置。

V型曲線(xiàn)法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀、作圖方便且不計(jì)聲速［21，34］。

2.2.3 雙曲面法

該法基于聲-聲觸發(fā)的定位原理，其基本思想是:選取傳感器S1(x1，y1，z1)作為參考基準(zhǔn)傳感器，并測(cè)量局部放電超聲信號(hào)傳播到其他傳感器所對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)延。把這些相對(duì)時(shí)延代入特定的方程組中聯(lián)立求解，則可定位出局部放電源的空間位置。因此，若設(shè)傳感器Si(xi，yi，zi)與參考傳感器 S1(x1，y1，z1)的相對(duì)實(shí)測(cè)時(shí)間差為 τn(i=1，2，…，n;n≥4，這表明該法至少需要4個(gè)傳感器;但若放電點(diǎn)在復(fù)合介質(zhì)中，如線(xiàn)圈內(nèi)部，則至少需要5個(gè)傳感器)，則相應(yīng)超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間差為 τi1=ti-t1。

根據(jù)超聲信號(hào)到達(dá)傳感器Si(xi，yi，zi)與參考傳感器S1(x1，y1，z1)的傳播距離差，可得雙曲面方程如下［20，21，23，35］:

式(12)的幾何意義為:局放源 P(x，y，z)位于以Si，S1為焦點(diǎn)，以所測(cè)超聲波信號(hào)到達(dá)傳感器的相對(duì)時(shí)差為一定值的雙曲面上，這些雙曲面相交的交點(diǎn)就是局放源的空間位置。

假設(shè)ve為已知的定值(若假定ve為變量，則需要多用一個(gè)傳感器)，則局放源P(x，y，z)到傳感器 Si的聲傳播時(shí)間為［20-21，23，35］:

如果同時(shí)測(cè)出n-1個(gè)相對(duì)時(shí)間差，且已知等值聲速ve及各傳感器坐標(biāo)，則聯(lián)立式(12)、(13)得局放源的空間位置。

2.2.4 順序定位法

如圖5所示，順序定位法基于局部放電源產(chǎn)生的超聲波到達(dá)不同超聲波傳感器的秩序(傳感器位置的差異性使得它們接收到局放源傳來(lái)的超聲波信號(hào)的秩序不一致)而定出大致的局部放電區(qū)域，但其不能提供準(zhǔn)確的局部放電源的空間位置。該定位法的具體操作流程為:將一組超聲傳感器放置在變壓器器壁的一個(gè)面上，當(dāng)局部放源產(chǎn)生的超聲波信號(hào)到達(dá)這一平面時(shí)，如果某超聲傳感器(不妨設(shè)為傳感器1)最先收到超聲波信號(hào)，由傳感器1與其周?chē)某晜鞲衅鞯拇怪逼椒志€(xiàn)所圍成的區(qū)域稱(chēng)為主區(qū);而后如果超聲傳感器2接收到超聲波信號(hào)，再根據(jù)以上的垂直平分線(xiàn)分割的原理，可確定出子區(qū)域2;隨后如果超聲傳感器3接收到超聲波信號(hào)，則可確定出子區(qū)域3，……。依此類(lèi)推，則可大致斷定出局部放電源所在的區(qū)域。

2.2.5 模式識(shí)別法

該方法基于聲-聲觸發(fā)原理。假設(shè)變壓器安裝了n個(gè)傳感器(其中傳感器1為基準(zhǔn)傳感器)，且設(shè)與 fi(k=1，2，…，m)分別為標(biāo)準(zhǔn)模式矢量與待判定模式矢量，則兩者的歐式相對(duì)距離為

若將d(k)從小到大依次排序，處于首位的與的距離最小。

不妨將變壓器模塊化，即設(shè)變壓器由m個(gè)子模塊組成。任何一個(gè)空間坐標(biāo)(x，y，z)已知的子模塊k，其與傳感器i的距離為:

式(15)中，i=2，…，n，則子模塊 k 的待判斷模式矢量為 fk= ( Lk2，…，Lki，…，Lkn)。超聲波從子模塊k傳到基準(zhǔn)傳感器1的時(shí)間T由球面方程易得，而通過(guò)設(shè)備可測(cè)得各延遲時(shí)間 τ21，τ31，…，τn1;又局放源與傳感器i的距離可由=ve( T +τi1)計(jì)算得到，其中ve為等值聲速。這樣便可求出標(biāo)準(zhǔn)模式矢量f= ( L，…，L，…，L)。再根據(jù)公式(14)可依次計(jì)算出d(1)，d(2)，…，d(m)，這些歐式相對(duì)距離的最小值所對(duì)應(yīng)的變壓器的子模塊很有可能是局部放電源所在的空間位置。

該定位方法具有精確度高、通用、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 順序定位法原理圖

2.3 各種局部放電定位法的評(píng)述

球面定位和雙曲面定位兩種定位方法分別適用于不同的定位情況。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電氣干擾較大時(shí)，或?qū)\(yùn)行中的變壓器進(jìn)行局部放電定位時(shí)，可采用雙曲面定位。V形曲線(xiàn)法的方法簡(jiǎn)單，容易操作，且不計(jì)聲速，但僅能給出局放源距油箱壁參考點(diǎn)的大概距離。

3 與其他方法的聯(lián)合

3.1 超聲法的誤差分析

雖然研究者已經(jīng)對(duì)超聲法做了大量的工作和研究，采用了多種定位方法，且定位方案成熟，但其定位效果有時(shí)仍不是非常精確。造成這種現(xiàn)象的主要原因包括:

1)時(shí)間(時(shí)延)測(cè)量的精確性不高

當(dāng)采用電-聲法時(shí)，由于電磁干擾的影響，勢(shì)必造成電信號(hào)的難以確定，從而時(shí)間測(cè)量的精確性不高，進(jìn)而影響定位精度。

2)傳播途徑影響

當(dāng)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的超聲波傳播路徑出現(xiàn)復(fù)合路徑時(shí)，則超聲波傳感器不容易檢測(cè)到此類(lèi)超聲波信號(hào)，從而影響到局放源的精確定位。

3)定位算法問(wèn)題

求解曲面方程通常所采用的最小二乘法具有局部收斂等缺陷，容易產(chǎn)生無(wú)解。

4)傳感器的影響

位于變壓器器壁的超聲傳感器不一定能準(zhǔn)確地接收超聲信號(hào)，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傳感器的研究，提高其靈敏度。

5)直達(dá)波確定的準(zhǔn)確性

直達(dá)波的確定在超聲法中非常重要。但是目前對(duì)于超聲直達(dá)波的研究很少，技術(shù)人員主要憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)排除非直達(dá)波，這樣必然會(huì)影響直達(dá)波確定的準(zhǔn)確性。

3.2 超聲法的局限性

1)多用于單一源的定位

目前，超聲法主要用于單一局放源的定位。

2)不能判斷局放的嚴(yán)重性

變壓器局部放電的超聲波信號(hào)不足以評(píng)估局放的嚴(yán)重性。

3)主要用于油浸式變壓器

超聲法檢測(cè)和定位干式變壓器局放的應(yīng)用和研究較少。

4)主要用于交流網(wǎng)絡(luò)中的變壓器

超聲法檢測(cè)和定位HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)中換流變壓器局放的應(yīng)用和研究較少。

3.3 超聲法與其他方法的聯(lián)合

由于超聲法的上述不足，同時(shí)為了增加最終診斷的可靠性，出現(xiàn)了超聲法與其他方法的聯(lián)合檢測(cè)。

3.3.1 超聲波與特高頻的聯(lián)合

特高頻(UHF)法是目前局部放電檢測(cè)的一種新方法。該方法通過(guò)天線(xiàn)傳感器接收局部放電過(guò)程中輻射的特高頻電磁波，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)與定位。

通過(guò)特高頻與超聲波聯(lián)合檢測(cè)和定位可以解決現(xiàn)場(chǎng)難以獲得電信號(hào)的問(wèn)題。

基于特高頻和超聲波聯(lián)合的局部放電定位法與超聲波電-聲檢測(cè)法的原理相似，它以特高頻信號(hào)取代電流脈沖信號(hào)，檢測(cè)變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的特高頻與超聲波信號(hào);以局放產(chǎn)生的特高頻信號(hào)為時(shí)間基準(zhǔn)，由此計(jì)算出超聲波信號(hào)相對(duì)于特高頻信號(hào)的相對(duì)時(shí)延，進(jìn)而定位出局放源的空間位置。

3.3.2 超聲波與射頻的聯(lián)合

射頻檢測(cè)法屬于高頻局部放電測(cè)量，其檢測(cè)頻帶已達(dá)甚高頻(VHF)范圍，測(cè)量頻率達(dá)30 MHz。

基于射頻和超聲波的局部放電聯(lián)合檢測(cè)與定位法以射頻信號(hào)代替電流脈沖信號(hào)，進(jìn)而基于射頻信號(hào)與超聲波信號(hào)來(lái)定位局放源的空間位置。該方法不僅傳承超聲波法便于定位的優(yōu)勢(shì)，而且具有射頻檢測(cè)法能迅速檢測(cè)出局部放電的高靈敏度。同時(shí)，該聯(lián)合檢測(cè)與定位法還可簡(jiǎn)化定位流程，提升檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力與定位的實(shí)時(shí)性。

超聲-射頻電流聯(lián)合檢測(cè)與定位法具有以下優(yōu)點(diǎn):①檢測(cè)和定位的靈敏度較高;② 抗噪聲的能力更好;③可以迅速和便利地對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣介質(zhì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)和定位，流程相比超聲法更加簡(jiǎn)便;④為非接觸檢測(cè)與定位法，可以實(shí)現(xiàn)在役、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);⑤超聲波與射頻聯(lián)合檢測(cè)與定位法可以取代電-聲檢測(cè)與定位法。

3.3.3 超聲波與光的聯(lián)合

超聲波-光聯(lián)合檢測(cè)與定位法通過(guò)光纖傳感器，利用光纖自身或外部敏感元件將超聲波信號(hào)變換為光強(qiáng)度的變化，然后通過(guò)光敏元件把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào);最后通過(guò)類(lèi)似于超聲波檢測(cè)與定位法的原理來(lái)檢測(cè)和定位局放源的空間位置。

該方法可以克服超聲波檢測(cè)與定位法易受到電磁干擾等環(huán)境噪聲影響的缺陷。

另外，除了上述提及的聯(lián)合檢測(cè)和定位法，文獻(xiàn)［36］介紹了一種基于暫態(tài)對(duì)地電壓和超聲陣列信號(hào)的變壓器局放定位方法。

4 總結(jié)與展望

超聲法由于其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，特別是與其他方法聯(lián)合，必然會(huì)得到更加廣泛的運(yùn)用。但為了克服超聲法的上述局限性，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)以下幾方面的研究:

1)加強(qiáng)對(duì)變壓器超聲波產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律(特別是當(dāng)局放發(fā)生于絕緣深部隱蔽位置時(shí))和信號(hào)的衰減及折射等方面的基礎(chǔ)研究。

2)加強(qiáng)對(duì)傳感器的研究，特別是變壓器內(nèi)置傳感器和傳感器陣列，并對(duì)已有傳感器進(jìn)行優(yōu)化。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)通常在電磁干擾極其嚴(yán)重的環(huán)境下進(jìn)行，只有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高的傳感器才能夠探測(cè)到真實(shí)可信的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。

3)加強(qiáng)局放所產(chǎn)生的電與聲信號(hào)處理的研究，深入地把數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到局放的超聲波檢測(cè)和定位中，進(jìn)一步探索如何更好地去除噪聲，提高信噪比。

4)加強(qiáng)對(duì)直達(dá)波和復(fù)合波識(shí)別的研究。

5)加強(qiáng)超聲波法與其他定位法聯(lián)合的研究，進(jìn)而博采眾長(zhǎng)，提高定位精度。

6)加強(qiáng)對(duì)多局放源超聲波定位技術(shù)的研究。目前超聲波法主要用于單局放源的定位，而在生產(chǎn)實(shí)際中，往往多局放源并存，故研究多局放源定位非常有意義，有助于對(duì)變壓器狀態(tài)做出更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

7)加強(qiáng)超聲波定位法及其聯(lián)合定位法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究。

8)加強(qiáng)對(duì)干式變壓器和承受直流電壓的HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)中換流變壓器局放的超聲波檢測(cè)和定位的研究。

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