電力變壓器在線檢測超聲傳感器設(shè)計(jì)

熊濤

[摘 要]局部放電的超聲陣列檢測方法是將陣列傳感器與陣列信號處理技術(shù)應(yīng)用于局部放電超聲檢測中的一種新方法。其中，聲學(xué)性能良好、陣列結(jié)構(gòu)合理的局部放電超聲陣列傳感器是檢測技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。重點(diǎn)研發(fā)適用于局部放電檢測的平面方形與圓環(huán)形超聲陣列傳感器，并開發(fā)了相應(yīng)的局部放電定位系統(tǒng)。建立了局部放電超聲陣列傳感器聲學(xué)性能的量化評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了超聲陣列傳感器聲學(xué)性能的定量評價(jià)；通過權(quán)重比較，確定了定向準(zhǔn)確度與最大旁瓣幅值的最優(yōu)分配。通過對目前國內(nèi)外變壓器局部放電檢測系統(tǒng)中超聲傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀及適用條件，以及各種傳感器的靈敏度及工作頻帶等的實(shí)驗(yàn)和對比分析，指出了變壓器局部放電檢測系統(tǒng)中超聲傳感器的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]電力變壓器；研發(fā)；設(shè)計(jì)；傳感器

中圖分類號：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0066-01

隨著國家電力的迅速發(fā)展，電力變壓器的使用范圍越來越廣，電力變壓器的檢測就顯得相當(dāng)?shù)闹匾?，電力變壓器中的局部放電能夠充分反映絕緣結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，假如它長期存在肯定會損壞絕緣可能會造成重大的供電事故，因此我們高度重視如何防止事故發(fā)生，通過科技和經(jīng)驗(yàn)我們設(shè)計(jì)出在線檢測超聲傳感器，它可以利用局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲作為信息再利用超聲傳感器電力變壓器外壁的檢測，做到無損、在線、實(shí)時(shí)監(jiān)視，保證電力變壓器的安全可靠少干擾。

一、傳感器的設(shè)計(jì)理念

如何設(shè)計(jì)出一款安全性能高使用方便的傳感器成了我們首要研究的問題，首先我們介紹下傳感器的設(shè)計(jì)原理，傳感器陣元的材料、中心頻率、厚度以及半徑等參數(shù)，并設(shè)計(jì)了單個(gè)超聲陣列傳感器陣元與方形、圓環(huán)形局部放電超聲陣列傳感器裝配體；接著，制作了局部放電超聲陣列傳感器，并搭建了陣列傳感器測試平臺， 對其進(jìn)行了靈敏度測試，測試結(jié)果表明所研制的局部放電超聲陣列傳感器的頻響特性與一致性良好；然后，開發(fā)了一套完整的局部放電超聲陣列定位系統(tǒng)，包括超聲陣列傳感器、便攜式局部放電檢測系統(tǒng)與陣列定位軟件系統(tǒng)，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。研究了一種局部放電超聲陣列傳感器稀疏設(shè)計(jì)方法。以圓形、方形、十字形和線形局部放電超聲陣列傳感器為例，以聲學(xué)性能評價(jià)值最優(yōu)為目標(biāo)，通過分析研究得出各陣型在稀疏度為2時(shí)的聲學(xué)性能變化規(guī)律，從而確定各陣形在稀疏度，陣列傳感器的最優(yōu)稀疏分布結(jié)構(gòu)通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：稀疏度一定時(shí)，最優(yōu)稀疏結(jié)構(gòu)下的圓環(huán)形局部放電超聲陣列傳感器的聲學(xué)性能均優(yōu)于方形陣列；陣元個(gè)數(shù)相同時(shí)，滿圓環(huán)形陣列的聲學(xué)性能最優(yōu)，最后，設(shè)計(jì)研制適用于局部放電檢測的超聲陣列傳感器，并搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺，開展大量實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了局部放電超聲陣列傳感器聲學(xué)性能定量評價(jià)方法及稀疏設(shè)計(jì)方法的正確性。

二、超聲傳感器的組成

超聲傳感器的組成主要是由他探頭、天線、放大單元、濾波單元、微波單元和鎖相方法單元組成。超高頻法由于所檢測的對象不同，使用的超高頻傳感器也各有差異，從安裝位置來看，超頻傳感器有內(nèi)部耦合器和外部天線，天線若安裝在變壓器內(nèi)部，則內(nèi)部電磁信號易于接收而且外部干擾幾乎被完全屏蔽，靈敏度很好，但內(nèi)部天線可能會改變內(nèi)部電場分布，引起擊穿。變壓器金屬外殼絕緣縫隙處會泄露出局部放電高頻電磁波，因此，外部天線檢測局部放電超高頻信號也是一種有效途徑。外部傳感器雖然抗干擾能力和靈敏度比內(nèi)部傳感器低，但是不影響內(nèi)部電場分布和系統(tǒng)密封，移動方便和教師傳感器即可實(shí)現(xiàn)局部放電源定位。傳感器的性能直接決定著信號的提取，因此應(yīng)具有良好的頻率響應(yīng)特性和較高的抗干擾能力和信號檢測靈敏度，并且結(jié)構(gòu)尺寸靈巧，在不影響變壓器運(yùn)行和不改變變壓器結(jié)構(gòu)的前提下可以實(shí)現(xiàn)在線檢測，分為內(nèi)置式和外置式。目前常用的如拉桿式傳感器可以用過變壓器油閥插入箱體中，還有通過介質(zhì)窗裝置變壓器外部的圓形傳感器。傳感器接收到局部放電信號后通過同軸電纜傳送到前置放大器，這時(shí)就需要通過阻抗轉(zhuǎn)換器使得傳感器和電纜還有前置放大器之間有良好的匹配，信號功率才能被完全接收，電纜中只有傳感器向前置放大器傳輸?shù)娜肷洳?。?jīng)方大單元處理后的信號通過檢波器得到超高頻信號幅值的包絡(luò)線，檢波得到的高頻信號中的低頻分量，這樣檢測裝置可以用較低采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)做統(tǒng)一分析處理。

三、超高頻傳感器天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)

要實(shí)現(xiàn)對變壓器局部放電的超高頻監(jiān)測，一個(gè)重要的途徑就是對局部放電產(chǎn)生的TEM波形傳播的電磁波進(jìn)行耦合，并且要求對這種耦合器具備以下基本特性：結(jié)構(gòu)尺寸靈巧，在不改變變壓器運(yùn)行和變壓器結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測；能實(shí)現(xiàn)帶寬為500-1500MHZ的局部放電信號檢測，VSWR<3.0，增益為3-6dB，具有良好的頻率響應(yīng)特性；具有較高的抗干擾能力及干擾信號區(qū)分能力；具有較高的信號檢測靈敏度；能將局部放電特性明顯的頻段加以區(qū)分和提前。

根據(jù)變壓器局部放電的特性及變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可用于變壓器局部放電超高頻檢測的天線傳感器，即雙臂阿基米德螺旋天線。并且內(nèi)置式超高頻天線的設(shè)計(jì)，主要是有其一用于GIS、電機(jī)、電纜的超高頻法，檢測頻帶較窄（通常為幾十MHZ），從而丟失了大量的放電信息，因而檢測靈敏度受到一定的限制。局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比，當(dāng)只考慮檢測儀元件（如放大器等）的熱噪聲對靈敏度的影響時(shí)，用寬頻帶檢測有更高的靈敏度，例如對在半峰值處有1.5ns寬度的局部放電脈沖，在1MHZ帶寬的局部放電靈敏度為0.1PC，在350MHZ帶寬靈敏度大0.01PC。因而檢測店里變壓器局部放電用的超高頻天線選用寬頻帶是有利的。在檢測現(xiàn)場，干擾源多且干擾信號幅值大，這極大地增加了局部放電信號提取的難度，大量研究表明，在變壓器試用現(xiàn)場，變電站背景噪聲的頻率以及空氣中電暈干擾的頻率通常小于300MHZ。因此，選擇天線的下限截止頻率為300MHZ，這樣可以較好地抑制噪聲干擾（電臺和移動通信干擾有固定的頻率，可以通過軟件加以去除）。對于變壓器內(nèi)部的局部放電，到達(dá)接收天線的電磁信號經(jīng)多次折、反射和衰減后已發(fā)生畸變，高頻分量不易精確提取，因此選擇天線的上限截止頻率為3000MZH。這樣既能有效地抑制大部分外部干擾，又能獲取盡可能多的局部放電信息。

四、總結(jié)

通過對傳感器的研究和設(shè)計(jì)，也充分認(rèn)識到傳感器的選擇對局部放電在線檢測中的重要性，在實(shí)際選用中我們必須結(jié)合工作頻帶、靈敏度、分辨率以及現(xiàn)場的安裝難易程度和經(jīng)濟(jì)效益問題等進(jìn)行綜合衡量，對于那些靈敏度不高的場合我們可選擇內(nèi)置諧振式傳感器性能更好的，新型傳感器作為新型發(fā)展的技術(shù)有著很好的發(fā)展前景，但還存在一定困難，所以我們必須加強(qiáng)科技投入去研發(fā)靈敏度更好性能更可靠的超聲長傳感器，能為電力變壓器提供安全監(jiān)測技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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