基于超聲波聲壓衰減效應(yīng)的局部放電源定位與強(qiáng)度標(biāo)定*

王玉龍 張曉虹 李麗麗 高俊國(guó) 郭寧 程成

1) (哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150080)

2) (哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院, 榮成 264300)

3) (國(guó)家電網(wǎng)吉林省電力有限公司四平供電公司, 四平 136000)

局部放電是導(dǎo)致電力設(shè)備絕緣劣化或擊穿的重要原因之一.為此, 結(jié)合即到達(dá)時(shí)差法定位原理, 在廣義互相關(guān)法的基礎(chǔ)上, 引入量子遺傳算法對(duì)局部放電源進(jìn)行精準(zhǔn)定位.而后以聲波傳播損耗、反射及折射現(xiàn)象導(dǎo)致的聲壓衰減效應(yīng)為研究切入點(diǎn), 首次建立局部放電源超聲波信號(hào)標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型.結(jié)果表明: 在針-板放電模型中, 利用量子遺傳算法計(jì)算的局部放電源較為精準(zhǔn), 其最大偏差為(0.27 ± 0.13) cm, 與遺傳算法、模擬退火算法、粒子群優(yōu)化算法以及廣義互相關(guān)法相比, 其定位精度分別提高了33.57%, 41.51%, 32.12%以及87.26%.與此同時(shí), 由于聲壓衰減效應(yīng), 當(dāng)測(cè)量得到的超聲信號(hào)電壓幅值相同時(shí), 隨著測(cè)試距離增大, 放電源處的視在放電量逐漸增加.若測(cè)試距離為37.80 cm 時(shí), 局部放電源的視在放電量為633.83 pC, 與7.00 cm 相比, 放電強(qiáng)度增大了28.51%.局部放電源的放電曲線(xiàn)與標(biāo)定擬合曲線(xiàn)幾乎完全重合, 驗(yàn)證了放電源放電程度標(biāo)定模型的準(zhǔn)確性.

1 引 言

在電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)中, 短時(shí)的局部放電(partial discharge, PD)不會(huì)引起絕緣的穿透性擊穿, 但長(zhǎng)期的局部放電是導(dǎo)致介質(zhì)局部損壞甚至擊穿的重要原因之一[1].因此, 在電氣絕緣系統(tǒng)的性能研究中, 局部放電得到研究學(xué)者廣泛關(guān)注[2?5].

關(guān)于電氣絕緣材料局部放電的報(bào)道有很多[6?10].張若兵等[11]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與Teager 能量算子相結(jié)合的方法, 對(duì)放電脈沖進(jìn)行有效分割, 并利用時(shí)域反射法對(duì)放電點(diǎn)進(jìn)行精確定位.經(jīng)計(jì)算放電定位準(zhǔn)確率高達(dá)81%, 驗(yàn)證了該方法可在允許誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局部放電源的高準(zhǔn)確定位, 這為電纜局部放電定位提供新的解決思路.Ahmed 等[12]研究了中壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的診斷方法, 發(fā)現(xiàn)在局部放電發(fā)展過(guò)程中, 只有電樹(shù)枝出現(xiàn)后放電強(qiáng)度急劇上升, 電纜絕緣性能的嚴(yán)重退化, 局部放電量才會(huì)出現(xiàn)激增現(xiàn)象.Iorkyase 等[13]利用無(wú)線(xiàn)電指紋識(shí)別技術(shù)提取局部放電信號(hào)的強(qiáng)度, 進(jìn)而利用k-近鄰定位算法和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位算法實(shí)現(xiàn)局部放電的精確定位.結(jié)果發(fā)現(xiàn), 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在噪聲環(huán)境下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性, 平均定位誤差均小于2 m.

將近年來(lái)研究學(xué)者對(duì)局部放電定位的研究成果匯總, 如表1 所列[14?22].大量相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)[23?25], 局部放電定位研究主要集中在利用簡(jiǎn)單算法與傳感器綜合實(shí)現(xiàn)定位, 或復(fù)雜算法對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行圖像化處理實(shí)現(xiàn)放電定位, 而關(guān)于不同算法的局部放電定位精度, 以及放電源真實(shí)放電量的相關(guān)研究至今未見(jiàn)報(bào)道.

本文采用聲-聲檢測(cè)法結(jié)合不同算法對(duì)局部放電源的定位精度進(jìn)行對(duì)比分析, 并結(jié)合聲波傳播損耗和聲壓衰減效應(yīng), 建立超聲信號(hào)標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型, 揭示超聲信號(hào)與放電量的定量關(guān)系, 為實(shí)現(xiàn)局部放電源放電強(qiáng)度的推算提供理論依據(jù).

2 基于QGA 局部放電源定位的理論基礎(chǔ)

在局部放電超聲波信號(hào)測(cè)試過(guò)程中, 以脈沖電流法測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ), 考慮到超聲信號(hào)在金屬內(nèi)衰減小、速度快的傳播特點(diǎn), 特選用金屬箱體作為試驗(yàn)箱, 并將壓電傳感器放置于樣品附近, 從而得到局部放電的超聲波信號(hào)[26].由于局部放電產(chǎn)生的聲信息是很微弱的, 因此需將得到的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大, 而后利用數(shù)據(jù)采集器等器件輸入計(jì)算機(jī), 從而實(shí)現(xiàn)局部放電超聲信號(hào)的檢測(cè), 試驗(yàn)系統(tǒng)電路圖如圖1 所示.

在試驗(yàn)系統(tǒng)中, 為了產(chǎn)生局部放電信號(hào), 將針-板放電模型置于1 m × 0.5 m × 0.5 m 箱體中, 其中直徑為0.6 mm、曲率半徑為3 μm 的鎢針為高壓針電極, 直徑為75 mm、厚度為10 mm 的拋光黃銅板為地電極, 而4 mm 針-板間放置不同厚度的電纜紙, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示.值得注意的是, 為了避免外界空間中的電磁信號(hào)干擾, 需將整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)置于良好的屏蔽室中, 以提高測(cè)量精度.與此同時(shí), 局部放電產(chǎn)生的聲波在介質(zhì)內(nèi)以球面波的形式向外傳播, 在電纜油與金屬箱體介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)生折射和反射, 因此, 箱壁處的傳感器除了采集到正常聲波外, 還存在界面處的反射波.為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性, 在不與傳感器接觸的其他三個(gè)箱壁和底部均鋪設(shè)一層疏松多孔的聚酯纖維作為吸聲材料.

圖1 超聲波檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)電路圖(T1, 隔離變壓器; T2, 調(diào)壓器; C1, L1, 低壓低通π 型濾波器; T3, 高壓實(shí)驗(yàn)變壓器; C2, L2, 高壓低通濾波器; CK, 耦合電容器; Zin, 檢測(cè)阻抗; T, 油箱; S, 壓電傳感器; AMP, 前置放大器; DAQ, 數(shù)據(jù)采集卡)Fig.1.Test system schematic diagram of ultrasonic testing (T1, isolating transformer; T2, voltage regulator; C1, L1, low-voltage lowpass π filter; T3, high voltage test transformer; C2, L2, high-voltage low-pass filter; CK, coupling capacitor; Zin, detection impedance;T, Tank; S, piezoelectric sensor; AMP, preamplifier; DAQ, data acquisition card).

圖2 針-板放電模型結(jié)構(gòu)示意圖(1, 高壓引線(xiàn); 2, 聚乙烯試驗(yàn)板; 3, 聚四氟乙烯支架; 4, 銅電極; 5, 電纜油)Fig.2.Schematic diagram of needle-plate discharge model(1, high voltage wire; 2, polyethylene sample; 3, support frame of polytetrafluoroethylene; 4, copper electrode; 5,cable oil).

本文以不同位置超聲波傳感器檢測(cè)到的時(shí)間差為計(jì)算依據(jù), 以確定局部放電源位置, 即到達(dá)時(shí)差 法(time difference of arrival method, TDOAM)[27,28].由于TDOAM 不用考慮聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)指定傳感器的時(shí)間, 并且其定位精度滿(mǎn)足要求,因此, 利用TDOAM 對(duì)油箱內(nèi)局部放電源定位的基本原理進(jìn)行分析.為了研究方便, 選取油箱的一底角為坐標(biāo)原點(diǎn)O(0, 0, 0), 并保證箱體處于第一象限, 建立空間笛卡爾坐標(biāo)系.在箱體內(nèi)以針板模型的針尖為局部放電源, 其位置為P(x,y,z), 而箱體外表面安裝n個(gè)傳感器, 其位置坐標(biāo)分別為:

S1(x1,y1,z1),S2(x2,y2,z2),S3(x3,y3,z3), ···,Si(xi,yi,zi), ···,Sn(xn,yn,zn), 其示意圖如圖3 所示.以超聲波傳感器S1為參考傳感器, 獲取的信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào), 則傳感器Si與傳感器S1接收的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差為τi1=ti ?T, 其中ti為局部放電信號(hào)到達(dá)傳感器Si的時(shí)間, 而T為局部放電信號(hào)到達(dá)傳感器S1的時(shí)間, 如圖4 所示.

圖3 油箱中放電源及超聲波傳感器的位置圖Fig.3.Location illustration of PD source and ultrasonic sensors in the oil tank.

圖4 TDOAM 中的超聲時(shí)差示意圖Fig.4.Schematic diagram of ultrasonic time difference in TDOAM.

由于超聲波在油箱內(nèi)傳播路徑復(fù)雜, 等效聲速ve受到溫度、壓力等因素的影響.在實(shí)際應(yīng)用中, 一般加入變量ve, 可以在一定程度上提高定位的精度.此時(shí), 局部放電源的定位方程應(yīng)滿(mǎn)足下式:

則此非線(xiàn)性方程可以簡(jiǎn)明地表示為

一般來(lái)說(shuō), (2)式為超定方程, 但求解其精確解比較困難, 因此要考慮x,y,z的約束條件并在約束條件中尋找最優(yōu)解.基于TDOAM 的超聲定位方法的數(shù)學(xué)模型可以歸納為一個(gè)約束優(yōu)化問(wèn)題:

式中,xmax,ymax和zmax分別為油箱的等效長(zhǎng)度、寬度和高度.采用最小二乘法可以計(jì)算出傳統(tǒng)意義上的最優(yōu)解, 但該算法的初始值必須給定, 并且容易陷入局部收斂狀態(tài), 無(wú)法準(zhǔn)確定位真實(shí)局部放電源的位置.因此, 需要引入量子遺傳算法(quantum genetic algorithm, QGA)改善其定位效果.

表2 QGA 的程序過(guò)程Table 2.Procedures of QGA.

QGA 是量子計(jì)算與遺傳算法相結(jié)合的產(chǎn)物,是一種基于量子比特(量子位)和量子力學(xué)狀態(tài)疊加等計(jì)算原理的混合概率算法[29?31].QGA 的程序過(guò)程如表2 所列, 其中N為種群大小,Q(t)為初始種群,Cmax為每一代的最大值,|ψ〉為量子位的狀態(tài)(|ψ〉=α|0〉+β|1〉) ,α和β為振幅概率(|αi|2+|βi|2=1),Sk是字符串長(zhǎng)度m(x1,x2, ···,xm)描述的第k個(gè)狀態(tài)值(0 或1), 得到的二進(jìn)制解列為P(t); 而Pi為輪盤(pán)選擇中個(gè)體i被選中的概率,fi為個(gè)體i的適應(yīng)度,fmax為種群的最大適應(yīng)度,favg為每一代種群的平均適應(yīng)度,f是交叉兩個(gè)體中較大的適應(yīng)度,f′′為突變個(gè)體的適應(yīng)度.此外, 量子旋轉(zhuǎn)門(mén)的調(diào)整策略如表3 所列,其中,xi和xbest,i分別為當(dāng)前個(gè)體的第i個(gè)量子位和當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體的第i個(gè)量子位,f(x) 和 Δθi分別為適應(yīng)度函數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度值, 而S(αi,βi)為旋轉(zhuǎn)角度的方向.至此, QGA 通過(guò)采用量子比特編碼和量子旋轉(zhuǎn)門(mén)實(shí)現(xiàn)了個(gè)體的調(diào)整, 并引入了量子交叉變異可在很短的時(shí)間內(nèi)尋找最優(yōu)解, 進(jìn)而可改善局部放電源的定位效果.

3 超聲波放電信號(hào)標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型

一般認(rèn)為, 局部放電劇烈時(shí), 相應(yīng)的超聲波聲強(qiáng)大, 視在放電量大; 而局部放電微弱時(shí), 產(chǎn)生的超聲波聲強(qiáng)小, 視在放電量小; 由此可知, 局部放電超聲信號(hào)的強(qiáng)弱與視在放電量的大小呈現(xiàn)正相關(guān)性[32?34].

以此為依據(jù), 尋求局部放電過(guò)程中超聲波信號(hào)的電壓幅值與視在放電量間的關(guān)系, 并以相關(guān)系數(shù)作為表征二者相關(guān)性的特征參數(shù).為了描述兩組不同變量的集合X與Y間的相關(guān)關(guān)系, 特引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中的參數(shù)—相關(guān)系數(shù).設(shè)PXY為變量X與變量Y之間的相關(guān)系數(shù), 則計(jì)算式如下式所示:

表3 量子旋轉(zhuǎn)門(mén)的調(diào)整策略Table 3.Adjustment strategies of quantum rotation gates.

式中,D表示變量的方差, 而COV(X,Y)為兩組數(shù)據(jù)的協(xié)方差( C OV(X,Y)=E(XY)?E(Y)E(Y) ,E為數(shù)學(xué)期望).當(dāng)PXY= 1 時(shí), 變量X與變量Y的兩組數(shù)據(jù)相關(guān); 而當(dāng)PXY= 0 時(shí), 變量X與變量Y的兩組數(shù)據(jù)無(wú)關(guān).

脈沖電流法測(cè)量局部放電時(shí), 示波器僅顯示放電的電壓信號(hào), 而不能直接顯示放電量, 這需用脈沖電流法校正曲線(xiàn)來(lái)估算.經(jīng)脈沖電流法校正后,脈沖電流電壓U與視在放電量Q之間的關(guān)系如下式所示:

式中,K0為局部放電的視在放電量Q與脈沖電流法的平均電壓U的線(xiàn)性系數(shù), 其大小等于校正脈沖發(fā)生器的注入電荷Q0與脈沖電壓信號(hào)U0的比值.相應(yīng)的校正曲線(xiàn)如圖5 所示, 脈沖電流法的校正曲線(xiàn)Q= 5.01U– 0.26.在示波器的靈敏度不變時(shí), 均可依據(jù)此校正曲線(xiàn)推算出局部放電視在放電量.

圖5 脈沖電流法的校正曲線(xiàn)Fig.5.Calibration curve of pulse current method.

與此同時(shí), 一段時(shí)間內(nèi)局部放電的超聲信號(hào)平均電壓與脈沖電流平均電壓呈線(xiàn)性關(guān)系, 則超聲信號(hào)的平均電壓與脈沖電流電壓信號(hào)U關(guān)系為

式中,K1為局部放電超聲信號(hào)與脈沖電流法平均電壓幅值的線(xiàn)性系數(shù).將(5)式代入(6)式得

從而可以得到超聲波信號(hào)的平均電壓幅值與視在放電量間的關(guān)系.

利用4 個(gè)不同位置超聲波傳感器進(jìn)行局部放電試驗(yàn).設(shè)針-板模型中針電極的初始位置為(x0,y0,z0), 傳感器1, 2, 3 和4 的位置分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2), (x3,y3,z3)和(x4,y4,z4).當(dāng)局部放電位置和視在放電量均不確定時(shí), 保持4 個(gè)傳感器位置不變, 利用(3)式即可通過(guò)傳感器1, 2, 3 和4 的坐標(biāo)位置, 計(jì)算出新的局部放電位置(x01,y01,z01).此時(shí), 以傳感器1 為例, 利用下面公式可計(jì)算出傳感器1 與初始標(biāo)定放電點(diǎn)間距離為s10, 與新的放電點(diǎn)間距離為s11:

當(dāng)s10≠s11時(shí), 超聲波信號(hào)在傳輸過(guò)程中由于多余的傳播路徑而造成更多的衰減, 使信號(hào)的聲壓Px改變, 如下式所示:

式中,P0為放電點(diǎn)的初始聲壓,α為衰減系數(shù).由于此次標(biāo)定過(guò)程中, 視在放電量未知, 則放電發(fā)生位置的初始聲壓設(shè)為Pnew.將Pnew,s10以及s11分別代入公(10)式得

式中,P10為傳感器1 在初始標(biāo)定時(shí)的接觸聲壓,而P11為傳感器1 在新局部放電標(biāo)定時(shí)的接觸聲壓.(12)式與(11)式相減, 整理得

與此同時(shí), 超聲波傳感器在聲電轉(zhuǎn)換過(guò)程中, 必須考慮壓電傳感器的靈敏度和聲壓P的變化, 因此引入另一參數(shù)—壓電系數(shù)W, 則不同放電位置激發(fā)超聲波信號(hào)的電壓幅值U10和U11可用下面公式表示:

將兩式相減, 并將(13)式代入可得

再將(14)式和(11)式代入(16)式可得

而后將(17)式代入(12)式可得

此時(shí), 只要初始聲壓比Pnew/P0已知, 通過(guò)(18)式即可得到初始標(biāo)定值U10和當(dāng)前視在放電量Q11的關(guān)系.以目前的測(cè)試手段, 超聲波的初始聲壓和初始聲強(qiáng)并不易測(cè)量.但當(dāng)局部放電視在放電量較大時(shí), 超聲波信號(hào)的初始升壓正比于相應(yīng)的電壓幅值, 可近似認(rèn)為為線(xiàn)性關(guān)系, 則有[35]

將(19)式代入(18)式可得到

采用類(lèi)似的方法, 分別得到傳感器2, 3 和4 的標(biāo)定關(guān)系, 其如下式所示:

式中,Q11為新放電源的視在放電量,Q11=Q21=Q31=Q41;K0為局部放電的視在放電量Q與脈沖電流平均電壓幅值U的線(xiàn)性系數(shù);K1,K2,K3和K4分別為傳感器1, 2, 3 和4 測(cè)得的超聲平均電壓幅值與脈沖電流平均電壓幅值的線(xiàn)性系數(shù);U11,U21,U31和U41分別為傳感器1, 2, 3 和4 測(cè)量的超聲平均電壓幅值;s11,s21,s31和s41分別為傳感器1, 2, 3 和4 與新放電源間的距離;s10,s20,s30和s40分別為傳感器1, 2, 3 和4 與初始標(biāo)定時(shí)放電源間的距離.

4 結(jié)果與討論

4.1 局部放電源的定位精度分析

若針-板放電模型的針尖為放電源, 則放電源的位置坐標(biāo)為P(x,y,z), 而油箱外表面4 個(gè)超聲波傳感器的位置坐標(biāo)為Si(xi,yi,zi) (i= 1, 2, 3, 4).此時(shí)以第1 個(gè)傳感器接收超聲波信號(hào)的時(shí)刻T為時(shí)間基準(zhǔn), 而ti(i= 2, 3, 4)為其他傳感器接收信號(hào)的時(shí)刻, 則時(shí)延τi1=ti ?T.設(shè)介質(zhì)超聲波等值波速ve為(1380—1450) m/s, 根據(jù)(2)式可以計(jì)算出局部放電的位置.在局部放電定位過(guò)程中,QGA、遺傳算法(genetic algorithm, GA)、模擬退火算法(simulated annealing algorithm, SAA)以及粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization, PSO)算法的參數(shù)如表4 所列.

表4 局部放電定位的算法參數(shù)Table 4.Algorithm parameters of PD localization.

利用QGA, GA, SAA, PSO 算法以及廣義互相關(guān)法(generalized cross correlation method, GCC)等算法計(jì)算局部放電的位置和平均絕對(duì)誤差如表5 和圖6 所示.此五種算法均可實(shí)現(xiàn)不同放電源的定位, 但其定位精度各有不同, 其中QGA的定位較為精準(zhǔn), 其平均絕對(duì)誤差低至(0.17 ±0.04) cm, 而GCC 定位最為粗糙, 平均絕對(duì)誤差高達(dá)(1.32 ± 0.14) cm.

圖6 不同算法下局部放電定位的平均絕對(duì)誤差變化Fig.6.Average absolute errors of PD location under different algorithms.

表5 不同算法的局部放電定位Table 5.The PD location of different algorithms.

但僅用絕對(duì)誤差說(shuō)明其定位精度是并不準(zhǔn)確的, 特采用相對(duì)誤差εr, 最大偏差Dmax以及綜合距離誤差ΔR等誤差在各個(gè)角度進(jìn)行分析, 其計(jì)算式分別如下面公式所示:

式中,P(x,y,z)和Pc(xc,yc,zc)分別為實(shí)際和計(jì)算的放電源位置坐標(biāo), 而Lact和Lcal分別為實(shí)際和計(jì)算坐標(biāo).基于不同算法的局部放電定位誤差εr,Dmax和ΔR的平均誤差如圖7 所示.

在圖7 中, 無(wú)論是絕對(duì)誤差、最大偏差還是綜合誤差, GCC 的誤差值均明顯高于其他四種誤差, 以綜合誤差為例, GCC 的誤差為2.37 cm, 約QGA 的7.65 倍, 定位精度最為粗糙.而在其他四種誤差中, QGA 的誤差量明顯較小, 最大平均相對(duì)誤差僅為2.08%, 相比傳統(tǒng)的GA, SAA 和PSO 最高可提高86.54%, 占有絕對(duì)的定位優(yōu)勢(shì),這與絕對(duì)誤差的計(jì)算結(jié)果相一致.

4.2 超聲波信號(hào)標(biāo)定精度分析

為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性, 采用脈沖電流法與超聲波法同時(shí)測(cè)量局部放電信號(hào), 可認(rèn)為脈沖電流信號(hào)的放電量即為超聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)的放電量.為了減小誤差, 在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中, 每組試驗(yàn)均取150 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合, 并取400 μs 內(nèi)平均值作為超聲信號(hào)電壓U與脈沖電流電壓信號(hào)U.

圖7 不同算法下局部放電定位的平均誤差變化 (a) 平均絕對(duì)誤差; (b) 平均最大偏差和綜合誤差Fig.7.Average errors of PD location under different algorithms: (a) εrx, εry and εrz; (b) Dmax and ΔR.

利用超聲波傳感器分別在針-板電極間放入2,3 和4 mm 的電纜紙進(jìn)行局部放電試驗(yàn).針板間隙內(nèi)不同電纜紙厚度的超聲信號(hào)電壓幅值與放電量的關(guān)系如圖8 所示, 其系統(tǒng)靈敏度和相關(guān)系數(shù)如表6 所列.由圖8 和表6 可知, 超聲波信號(hào)的平均電壓幅值與視在放電量間呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性, 且基本屬于線(xiàn)性關(guān)系.但隨著傳感器測(cè)量位置的不同, 放電信號(hào)測(cè)試距離的改變, 超聲信號(hào)會(huì)由于衰減出現(xiàn)一定的誤差, 這需要對(duì)局部放電超聲波信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)定.

為了觀察放電源與傳感器間測(cè)量距離s對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響, 在油箱外表面放置4 個(gè)超聲波傳感器, 其位置分別(0, 7, 6), (17, 10, 6), (25, 7, 6)和(17, 23, 6), 經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可獲取其標(biāo)定參數(shù), 如表7 所列.

圖8 不同絕緣紙厚度的電壓幅值與放電量擬合曲線(xiàn)(a) 2 mm; (b) 3 mm; (c) 4 mmFig.8.Fitting curves of voltage amplitude and discharge amplitudes at different thickness of insulating papers: (a) 2 mm;(b) 3 mm; (c) 4 mm.

表6 系統(tǒng)靈敏度和相關(guān)系數(shù)的變化Table 6.Change of system sensitivity and correlation coefficients.

表7 局部放電的線(xiàn)性系數(shù)Table 7.Linear coefficients of PD.

在超聲頻率100 kHz 下進(jìn)行放電源視在放電量的計(jì)算, 其結(jié)果如圖9 所示, 其中sy為放電位置確定的放電曲線(xiàn), 而sw為標(biāo)定擬合, 即放電位置和視在放電量未知時(shí)計(jì)算的放電曲線(xiàn).當(dāng)s為7.00 cm 時(shí),sy和sw的曲線(xiàn)完全重合, 這說(shuō)明標(biāo)定擬合是完全準(zhǔn)確的.

由圖9 可知, 當(dāng)超聲信號(hào)電壓相同時(shí), 隨著測(cè)量距離s逐漸增加, 由于超聲信號(hào)的衰減, 放電聲源的視在放電量亦逐漸增大, 以超聲波信號(hào)電壓幅值33 mV 為例, 當(dāng)測(cè)量距離s為37.80 cm 時(shí), 經(jīng)推算其對(duì)應(yīng)的視在放電量為633.83 pC, 與測(cè)量距離7.00 cm 相比, 視在放電量增大了28.51%.并且, 隨著測(cè)量距離增加, 單位測(cè)量距離的放電增長(zhǎng)量ΔQ也在逐漸增大.當(dāng)s為13.89 cm 時(shí), 與測(cè)量距離7.00 cm 相比, 放電增長(zhǎng)量ΔQ為4.03 pC/cm,而當(dāng)s為37.80 cm 時(shí), 與測(cè)量距離7.00 cm 相比,放電增長(zhǎng)量ΔQ為4.57 pC/cm, ΔQ的增長(zhǎng)速率提高了13.40%.通過(guò)視在放電量和放電增長(zhǎng)量的分析可知, 放電源的定位計(jì)算對(duì)局部放電的視在放電量, 乃至放電強(qiáng)度的推算具有重要意義.

圖9 不同測(cè)量距離下視在放電量與電壓的關(guān)系Fig.9.Relationship between apparent charge and voltage at different measuring distances.

5 結(jié) 論

以TDOAM 定位原理為基礎(chǔ), 對(duì)局部放電源實(shí)現(xiàn)智能定位, 并對(duì)局部放電超聲信號(hào)的放電強(qiáng)度標(biāo)定方程進(jìn)行修正及驗(yàn)證, 得到以下結(jié)論.

1)局部放電源定位結(jié)果表明, 利用QGA 計(jì)算局部放電源的定位較為精準(zhǔn), 其最大平均相對(duì)誤差僅為2.08%, 與傳統(tǒng)的GA, SAA 和PSO 相比最高可提高86.54%.

2)局部放電超聲波信號(hào)電壓幅值與視在放電量間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99, 從而揭示其線(xiàn)性正相關(guān)性.

3)利用局部放電的視在放電量與超聲信號(hào)電壓的線(xiàn)性關(guān)系, 結(jié)合聲波傳播損耗和反射及折射導(dǎo)致的聲壓衰減效應(yīng), 建立了局部放電源放電強(qiáng)度標(biāo)定的定量計(jì)算模型.在針-板放電模型中, 當(dāng)超聲信號(hào)電壓為33 mV, 測(cè)試距離為7.00 cm 時(shí), 局部放電源的放電曲線(xiàn)與標(biāo)定擬合曲線(xiàn)幾乎完全重合, 說(shuō)明了標(biāo)定定量模型的準(zhǔn)確性;

4)當(dāng)超聲信號(hào)電壓幅值相同時(shí), 由于聲壓衰減效應(yīng), 隨著測(cè)試距離增大, 放電源處的視在放電量逐漸增加.當(dāng)測(cè)試距離為37.80 cm 時(shí), 局部放電源的視在放電量為633.83 pC, 與7.00 cm 相比,放電強(qiáng)度增大了28.51%.