變壓器繞組的垂直表征式超聲波三維成像檢測(cè)系統(tǒng)研究

涂正宏，劉彥文，徐鵬程，李磊，王昕

(1.上海交通大學(xué) 電工與電子技術(shù)中心，上海 200240； 2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司四平供電公司，吉林 四平 136000)

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61673268)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61533012)資助

0 引 言

電力變壓器是關(guān)鍵的電力設(shè)備，而繞組變形是造成變壓器故障的重要原因。過(guò)電流產(chǎn)生的電動(dòng)力等原因都能導(dǎo)致變壓器繞組發(fā)生形變，這嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[1]。

起初，人們通過(guò)吊罩的方法進(jìn)行檢測(cè)，但是極為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要更為便捷的方法來(lái)替代。目前，已經(jīng)涌現(xiàn)出諸多種類的檢測(cè)方法。其中，文獻(xiàn)[2]采用低壓脈沖法，通過(guò)分析脈沖響應(yīng)特性的變化來(lái)判斷繞組變形情況，但該方法重復(fù)性差，易受干擾影響。為提高重復(fù)性，文獻(xiàn)[3]采取短路阻抗法，依據(jù)繞組電抗變化情況來(lái)判斷繞組狀態(tài)，但是該方法的缺點(diǎn)是靈敏度低。文獻(xiàn)[4]采取頻率響應(yīng)法(FRA)，具有較高的靈敏度，且抗干擾性較好。然而，這些方法都只能在離線時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。為此，一些繞組的帶電檢測(cè)方法陸續(xù)被提出來(lái)。文獻(xiàn)[5]提出基于振動(dòng)信號(hào)分析的檢測(cè)方法，該方法通過(guò)振動(dòng)信號(hào)特性分析來(lái)間接地推斷變壓器繞組狀況，可以在變壓器運(yùn)行的情況下對(duì)繞組進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[6]提出一種基于非侵入式電容傳感器(NICS)脈沖注入法的檢測(cè)方法，通過(guò)安裝在變壓器套管表面的NICS，在變壓器工作時(shí)向變壓器注入脈沖信號(hào)并進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，根據(jù)繞組頻響特性變化來(lái)推斷繞組變形情況。雖然這兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組變形的帶電檢測(cè)，但都只能間接地推斷繞組的變形情況，無(wú)法直觀、定量地檢測(cè)繞組狀態(tài)。

在前述方法基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[7]提出一種基于超聲波的繞組成像檢測(cè)方法，可以直觀地檢測(cè)繞組狀態(tài)。但是這種成像算法需要預(yù)先知道繞組線圈中心位置和半徑等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)若缺少這些參數(shù)將無(wú)法正確檢測(cè)。而且該三維成像方法只適用于徑向垂直的變形，具有較大的局限性。

基于上述方法存在的問(wèn)題，本文提出了變壓器繞組變形的垂直表征式超聲波三維成像檢測(cè)方法。首先，以繞組表面到換能器表面的垂直距離作為繞組狀態(tài)的表征量，提出垂直表征式超聲波三維成像算法，克服了目前算法必須知道內(nèi)部參數(shù)的局限性。然后，在該成像算法基礎(chǔ)上，提出繞組變形定量定性檢測(cè)方法，解決了目前超聲波成像檢測(cè)方法只適用于徑向垂直變形表面的這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種繞組形變的定量定性表示。設(shè)計(jì)出了超聲波三維成像檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繞組變形的三維成像帶電檢測(cè)。最后，采用該系統(tǒng)對(duì)變壓器模型進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組的三維成像表示和定量定性分析。

1 變壓器繞組變形的超聲波檢測(cè)方法

圖1 繞組超聲波檢測(cè)法原理圖

基于超聲波測(cè)距的基本原理，在變壓器箱壁外表面放置超聲波換能器。箱壁和換能器之間涂有耦合劑，可顯著減少衰減。換能器發(fā)射超聲波穿過(guò)變壓器箱壁，超聲波經(jīng)變壓器油到達(dá)繞組表面，在繞組表面發(fā)生反射，回波被放置在變壓器箱壁的接收換能器接收。若超聲波從發(fā)射到被接收的傳播路徑長(zhǎng)度為S，而超聲波在變壓器油中的傳播速度為v，傳播時(shí)間為t。通常忽略箱壁厚度的影響，則可得到：

S=vt

(1)

如圖1所示，當(dāng)繞組發(fā)生變形時(shí)，繞組表面和超聲波發(fā)射換能器之間的距離L會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)距離L的變化量，能夠定量地表示繞組的變形量。

2 變壓器繞組變形的垂直表征式超聲波三維成像檢測(cè)方法

2.1 垂直表征式超聲波三維成像算法

圖2 三維成像原理圖

變壓器繞組垂直表征式超聲波三維成像算法原理如圖2所示，發(fā)射換能器在點(diǎn)A垂直于變壓器箱壁發(fā)射超聲波。超聲波以垂直于箱壁的方向到達(dá)繞組表面點(diǎn)D，反射回來(lái)被接收換能器在點(diǎn)B接收。則距離AD可作為在點(diǎn)D繞組狀態(tài)的表征量，定義為點(diǎn)D的垂直表征量。令D=(x,y,z)，如果AD確定，則點(diǎn)D即可確定。

發(fā)射換能器垂直于箱壁發(fā)射超聲波，而接收換能器可能在同側(cè)箱壁或者異側(cè)箱壁接收到回波。這里，超聲波在變壓器油中速度v、超聲波傳播時(shí)間t以及超聲波換能器在變壓器箱壁的位置均為已知。

當(dāng)接收換能器與發(fā)射換能器位于同側(cè)箱壁和異側(cè)箱壁，分別可解得繞組的垂直表征量為：

(2)

(3)

2.2 繞組變形定量定性表示方法

該繞組變形超聲波三維成像方法能夠?qū)崿F(xiàn)繞組變形的定量表示，通過(guò)對(duì)繞組正常狀態(tài)和繞組變形狀態(tài)進(jìn)行三維成像，可以得出繞組的具體變形量以及繞組變形性質(zhì)。繞組變形的定量定性表示，可根據(jù)檢測(cè)正常繞組和變形繞組時(shí)的超聲波換能器位置關(guān)系的不同進(jìn)行分類，主要分為四種情況。

第一種情況是：正常繞組檢測(cè)時(shí)發(fā)射換能器與接收換能器位于同側(cè)箱壁，變形繞組檢測(cè)時(shí)發(fā)射換能器與接收換能器也位于同側(cè)箱壁。如圖3所示。

圖3 定量定性表示的位置情況一

則可用DD′長(zhǎng)度來(lái)表示繞組變形量的大小，即繞組變形程度可定量定性表示為：

(4)

第二種情況是：正常繞組檢測(cè)時(shí)收發(fā)同側(cè)，但是變形繞組檢測(cè)時(shí)收發(fā)異側(cè)。第三種情況是：正常繞組檢測(cè)時(shí)收發(fā)異側(cè)，但是變形繞組檢測(cè)時(shí)收發(fā)同側(cè)。第四種情況是：正常繞組檢測(cè)時(shí)收發(fā)異側(cè)，變形繞組檢測(cè)時(shí)收發(fā)也位于異側(cè)。這三種情況下的繞組變形程度可分別表示為：

(5)

(6)

(7)

對(duì)于上述四種情況，DD′的絕對(duì)值可定量表示繞組變形程度的大小，而且根據(jù)DD′可以對(duì)繞組變形性質(zhì)進(jìn)行判斷，其判斷依據(jù)為：若DD′>0或D′D<0，則可判斷該點(diǎn)繞組為內(nèi)凹變形。若DD′<0或D′D>0，則可判斷該點(diǎn)繞組為外凸變形。

2.3 垂直表征式三維成像檢測(cè)方法

垂直表征式超聲波三維成像算法能實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組狀態(tài)的直觀顯示，進(jìn)而根據(jù)繞組定量定性表示方法可以得出繞組具體變形量以及繞組變形的性質(zhì)。二者結(jié)合形成了變壓器繞組的垂直表征式三維成像檢測(cè)方法。

變壓器繞組的垂直表征式三維成像檢測(cè)方法，能在不知道繞組半徑、繞組具體位置的情況下，只根據(jù)換能器的位置信息以及超聲波傳播時(shí)間就能生成繞組表面各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而得到直觀的繞組三維狀態(tài)圖和繞組變形定量定性表示圖。三維狀態(tài)圖可以直觀地顯示繞組的整體狀態(tài)，若發(fā)生明顯形變，將會(huì)在三維狀態(tài)圖中顯示出來(lái)。而繞組變形定量定性表示圖可進(jìn)一步對(duì)繞組變形進(jìn)行定量定性分析，得出繞組變形量的具體數(shù)值。圖4為模擬得到的變壓器繞組變形定量定性模擬圖。該三維成像檢測(cè)方法可適用于圓筒形、非圓筒形等多種形式的繞組線圈，具有較廣的適用范圍。

圖4 繞組三維模擬圖

3 垂直表征式三維成像檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)繞組變形的三維成像帶電檢測(cè)，設(shè)計(jì)了繞組變形的垂直表征式超聲波三維成像檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行繞組檢測(cè)時(shí)，低壓高頻脈沖經(jīng)過(guò)脈沖升壓式高壓驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)百伏的高壓脈沖。高壓脈沖激發(fā)400 kHz換能器產(chǎn)生高頻超聲波，超聲波穿透變壓器箱壁，途徑變壓器油，到達(dá)繞組表面發(fā)生發(fā)射。回波經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)被單片機(jī)接收。定時(shí)器停止計(jì)時(shí)可得到超聲波傳播時(shí)間。同時(shí)，溫度補(bǔ)償模塊將溫度信號(hào)傳入處理器。然后，由傳播時(shí)間和實(shí)時(shí)溫度可得到繞組距離數(shù)據(jù)，最終生成繞組狀態(tài)的三維圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組變形的三維成像帶電檢測(cè)。

4 三維成像檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

對(duì)某油浸式變壓器模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，首先根據(jù)繞組大概位置選擇換能器的安放位置，需避開(kāi)外殼表面的凸起結(jié)構(gòu)，選擇好換能器的放置區(qū)域后，將換能器表面涂上耦合劑，使箱壁與換能器緊密接觸，從而減少了超聲波衰減。用該系統(tǒng)對(duì)選好的區(qū)域進(jìn)行了多點(diǎn)檢測(cè)，得到了的變壓器高壓側(cè)部分繞組的三維狀態(tài)圖，如圖6所示。

由該三維狀態(tài)圖可知，該部分繞組表面無(wú)顯著尖銳或毛刺點(diǎn)，可以觀察到該部分各點(diǎn)的垂直表征距離的最大差值在10 mm左右，結(jié)合該變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖紙，可初步判斷繞組變形量較小。為進(jìn)一步定量定性分析這一區(qū)域的變形情況，對(duì)該區(qū)域的定量定性模擬圖進(jìn)行分析，如圖7所示，繞組變形量為零的區(qū)域上方表明該部分繞組外凸，在該區(qū)域下方表明該部分繞組內(nèi)凹。繞組變形的極值點(diǎn)如圖中坐標(biāo)所示。故根據(jù)該極值點(diǎn)判斷該區(qū)域發(fā)生了最大值為9 mm的輕微外凸變形。 根據(jù)上述結(jié)果可知該變壓器繞組僅有微小變形，故判斷繞組狀態(tài)較為良好，不影響變壓器的正常工作。

圖6 高壓側(cè)部分繞組現(xiàn)場(chǎng)三維狀態(tài)圖

圖7 高壓側(cè)部分繞組的定量定性模擬圖

對(duì)該變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，未發(fā)現(xiàn)變壓器高壓側(cè)繞組發(fā)生明顯形變，繞組表面為正常狀態(tài)，從而驗(yàn)證了本系統(tǒng)所給檢測(cè)結(jié)果的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)繞組變形的三維成像帶電檢測(cè)，具有直觀、定量的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)論如下：

(1)提出了一種變壓器繞組垂直表征式超聲波三維成像算法，解決了目前成像算法必須依賴變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的問(wèn)題。該算法只要根據(jù)換能器位置和傳播時(shí)間，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組狀態(tài)的三維成像。

(2)繞組定量定性表示方法，克服了目前成像方法只適用于徑向垂直形變的缺陷，顯著擴(kuò)大了檢測(cè)范圍。

(3)垂直表征式超聲波三維成像檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繞組的直觀、定量、定性表示，具有可視化的優(yōu)點(diǎn)。

(4)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)能夠生成繞組三維圖像，并據(jù)此對(duì)繞組狀態(tài)進(jìn)行分析。