多頻超聲技術在變壓器油質檢測中運用研究

摘要：為彌補常規(guī)變壓器油質檢測技術的缺陷、維護設備穩(wěn)定運行，提出將多頻超聲技術應用到油質檢測中的新方法。先分別對變壓器油的酸值、微水含量、顆粒度進行測定，然后分析與多頻超聲參數(shù)間的關聯(lián)，總結利用多頻超聲進行油質檢測的基本規(guī)律。根據(jù)研究結果可知，超聲幅值與酸值、微水含量具有反比關系，但與顆粒數(shù)具有正比關系，而油樣整體超聲幅值是受上述三項因素共同作用的結果。當油樣中顆粒數(shù)處于標準范圍時，顆粒數(shù)值變動基本不會影響超聲幅值，通過多頻超聲設備的應用，能夠及時全面地檢測絕緣油的狀態(tài)，保障變壓器的穩(wěn)定運行。

關鍵詞：多頻超聲技術"變壓器"油質檢測"技術應用

Application"of"Multi-Frequency"Ultrasonic"Technology"in"Transformer"Oil"Quality"Detection

LIU"Xinggui"CHEN"Dawei"XIAN"Yongfeng"ZHOU"Jing

Shandong"Institute"for"Product"Quality"Inspection，"Ji’nan，"Shandong"Province，"250102"China

Abstract："In"order"to"make"up"for"the"defects"of"conventional"transformer"oil"quality"detection"technology"and"maintain"the"stable"operation"of"equipment，"a"new"method"of"applying"multi-frequency"ultrasonic"technology"to"oil"quality"detection"is"proposed."Firstly，"the"acid"value，"microwater"content"and"particle"ularity"of"transformer"oil"are"determined"respectively，"and"then"the"correlation"with"multi-frequency"ultrasonic"parameters"is"analyzed，"and"the"basic"law"of"oil"quality"detection"using"multi-frequency"ultrasonic"is"summarized."According"to"the"research"results，"it"is"known"that"the"ultrasonic"amplitude"has"an"inverse"relationship"with"the"acid"value"and"the"microwater"content，"but"it"has"a"directly"proportional"relationship"with"the"particle"number，"and"the"overall"ultrasonic"amplitude"of"the"oil"sample"is"the"result"of"the"combined"effects"of"the"above"three"factors."When"the"number"of"particles"in"the"oil"sample"is"in"the"standard"range，"the"change"of"the"particle"value"will"not"affect"the"ultrasonic"amplitude."Through"the"application"of"multi-frequency"ultrasonic"equipment，"the"state"of"insulating"oil"can"be"detected"in"time"and"comprehensively"to"ensure"the"stable"operation"of"the"transformer.

Key"Words："Multi-frequency"ultrasonic"technology;"Transformer;"Oil"quality"detection;"Technology"application

當前智能電網(wǎng)日益普及，變壓器作為電網(wǎng)系統(tǒng)的主要構成部分，其運行狀態(tài)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有直接影響。近年來，國內變壓器事故時有發(fā)生，經(jīng)過原因分析可知，許多事故是由于變壓器油絕緣質量下降所致，現(xiàn)行的變壓器油質檢測技術無法提前預測故障，在離線和周期性油質檢測中存在些許不足。在此背景下，多頻超聲技術被研發(fā)出來，通過測定表征介質聲學特性的超聲量，獲得相關參數(shù)，對介質質量、特性做出科學評定，將其應用到油質檢測中，可準確測定油樣雜質情況，為優(yōu)化改進提供有力依據(jù)。

1多頻超聲技術的原理

當前科學技術不斷更新?lián)Q代，多頻超聲技術被研發(fā)出來，并在無損檢測、醫(yī)學成像、油質檢測等領域得到廣泛應用。技術原理是基于超聲波的發(fā)射和接收，以超聲波發(fā)射和返回的時間差為依據(jù)，計算兩個點位間的距離。由發(fā)射器朝著A點位發(fā)射超聲波，從發(fā)出的一刻開始計時，當波體在空氣中傳播遇到阻礙時，便會立刻折返回來，由接收器負責接收，此時計時結束。依據(jù)超聲波的傳播速度和時間差，計算發(fā)射點和障礙物間的距離。該項技術的原理類似于雷達，具有速度快、無損傷、實時高效等特點，將其應用到變壓器油質檢測中，以多頻超聲檢測系統(tǒng)為平臺開展實驗，該設備可同時向待檢測介質中傳遞一束不同頻率的超聲波，通過測量超聲參數(shù)，實現(xiàn)油質檢測的目標。所得到的聲波數(shù)據(jù)為多頻信號經(jīng)過油樣時檢測物對聲波信號的反饋，以多維頻譜形式展現(xiàn)，對油狀態(tài)產(chǎn)生決定作用的因素較多，包括油的酸值、顆粒數(shù)、微水含量等，需要利用多頻超聲技術科學測定，才可以準確獲得變壓器絕緣油狀態(tài)信息，達到強化和提升變壓器監(jiān)控能力、維持智能電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定[1]。

2變壓器油質檢測中多頻超聲技術的應用

2.1油酸值實驗測定

2.1.1測定方法

采用錐形燒瓶，稱取10"g變壓器油樣，量取50"mL無水乙醇，注入帶有油樣的錐形燒瓶，將瓶子安裝回流冷凝器，放入水浴鍋內加熱處理，一邊加熱一邊不斷翻動，時間5"min，取下燒瓶放入2～3滴BTB試劑，滴入0.2"mol/L氫氧化鉀乙醇溶液，使油樣顏色從黃色變成藍綠色。對油樣酸值準確計算，公式如下。

（1）

式（1）中：X代表的是油樣酸值；V代表氫氧化鉀溶液體積；c代表的是氫氧化鉀乙醇溶液的滴定度；m為試樣重量。

2.1.2多頻超聲技術與酸值的關聯(lián)性

采用上文測定方法獲得120組油樣酸值，采集多頻超聲譜中帶有40個不同的超聲頻率，為減輕工作量，先要確定超聲譜對酸值變化識別最靈敏的特征頻率，將其作為主要監(jiān)測指標，繪制超聲幅值-酸值散點圖，經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)超聲頻率點的最高值為943.7"kHz，當酸值低于0.5"mgKOH/g時，超聲幅值均低于0.12"kW/cm2，究其原因，油樣內的酸性物質以甲酸、乙酸和硬脂酸為主，因小分子酸的極性較強，大部分都處于絕緣值內，且分子量較小，在常規(guī)酸值范圍內不會影響油樣的超聲傳播特性。而硬脂酸為有機酸，分子量和極性具有反比關系，在油樣內的主要成分類似于環(huán)烷烴，大部分處于絕緣油內。可見，油樣內的酸以硬脂酸為主，相對密度為0.895，而硬脂酸的相對密度較高，因此超聲傳播速度較慢，損耗較大。

2.1.3實驗結果

當變壓器油樣中的酸濃度超過標準范圍時，此時油樣內超聲波幅值與合格油樣中超聲幅值存在明顯差距，對整體密度、黏度均會產(chǎn)生影響，導致與之對應的超聲幅值降低。采用超聲研究酸值含量時，特征頻率最佳值為943.7"kHz，可使超聲幅值和酸值的相關性達到最優(yōu)效果，取得最理想的識別效果。油樣的超聲特性不但受酸值的影響，還受微水含量、顆粒數(shù)等因素的共同作用，需要準確測定各項雜質含量，保證變壓器的健康使用[2]。

2.2油微水含量測定

2.2.1測定方法

該實驗采用型號為F-5的庫倫法微量水測定儀，先對設備預熱處理，讀數(shù)位于42～44范圍內，將油樣倒入，均勻攪拌，使電解液出現(xiàn)漩渦。用針筒抽取油樣，清洗3次后量取油樣，推動針筒將油樣注入電解液內，注入量為1"mL，反復測量3次，計算平均值，詳細記錄整個過程的數(shù)據(jù)信息，以備后用。

2.2.2多頻超聲對微水的響應情況

分別對油樣中超聲數(shù)據(jù)和微水含量進行檢測，將不同頻率上微水含量對應的超聲幅值繪制成散點圖，根據(jù)圖像可知，當頻率不斷提升時，以微水標準界線為參考，判斷多頻超聲對微水的響應情況。在594.5～943.7"kHz范圍內，出現(xiàn)兩個響應效果最佳的點位，分別為922.4"kHz和943.7"kHz。為觀察相同頻率超聲值對微水、酸值的響應情況，以220"kV變壓器為對象，將微水標準設定為25"mg/L，超聲波幅值設定為0.12"kW/cm2，繪制幅值和微水散點圖。根據(jù)圖像可知，當油樣微水含量不足25"mg/L時，符合標準范圍，通過油樣傳播的超聲幅值基本高于0.12"kW/cm2，但該部分數(shù)據(jù)無明顯的正比或反比關系，說明此時油樣雜質含量降低，油樣狀態(tài)良好。例如：若微水含量高于25"mg/L，與之對應的超聲幅值將低于0.12"kW/cm2，且隨著前者的提升，后者逐漸降低。究其原因，油樣內含水量較低時，水分多為溶解水，當油樣受多種因素聯(lián)合作用時，內部機械雜質含量增加，很容易被水吸附，變成乳化水，隨著變壓器油流進入循環(huán)，增加能量的衰減。

2.2.3實驗結果

在微水指標正常的情況下，超聲幅值的變化較小，無顯著的正相關、負相關關系；當微水值高于標準范圍時，此時油樣超聲幅值與標準情況相比存在較大差異，通過高于標準范圍的油樣超聲幅值均低于0.12"kW/cm2，而滿足標準的油樣超聲幅值均超過0.12"kW/cm2。油樣的超聲幅值不但受微水的影響，還受酸值、顆粒數(shù)等因素的影響產(chǎn)生綜合性參數(shù)。在超聲幅值低于0.12"kw/cm2的油樣數(shù)據(jù)中，兩組數(shù)據(jù)指標如下。第一組微水為24.23"mg/L，酸值為1.152"mgKOH/g，顆粒數(shù)為1"988個/100"mL，擊穿電壓為16.9V，介損為0.094，體積電阻率為11.7/1010Ω·m。第二組微水為15.05"mg/L，酸值為1.018"mgKOH/g，顆粒數(shù)為1"045個/100"mL，擊穿電壓為40.6"V，介損為0.785，體積電阻率為4.38/1010Ω·m?？梢姡谝唤M微水滿足標準，但酸值超過0.5"mgKOH/g，說明設備內部油質絕緣老化嚴重，并且擊穿電壓低于標準，與之對應的介質損耗因數(shù)高于標準，油樣整體電氣性能較差。第二組油樣的微水和酸值良好，但顆粒數(shù)指標較低，容易受顆粒影響，導致油液黏度增加，加劇對超聲波能量的吸收，致使超聲幅值降低[3]。

2.3油顆粒數(shù)的測定

2.3.1測定方法

該實驗采用自動顆粒計數(shù)器對油樣中顆粒含量進行測定，原理在于油樣經(jīng)過傳感器時，內部顆粒會出現(xiàn)遮光現(xiàn)象，在傳感器的作用下，將遮光信號轉換為電脈沖信號，依照顆粒度尺寸制定標準范圍，以脈沖信號為依據(jù)進行計數(shù)。首先做好油樣準備，充分搖動使內部顆粒均勻分布，但不可產(chǎn)生氣泡，按照說明書要求，利用儀器測量顆粒數(shù)，共計3次，得出平均值。如若油樣黏度過大，導致規(guī)定時間內經(jīng)過傳感器的油樣無法滿足額定流量要求時，需要將油樣稀釋，再重新脫氣和測量。測量結束后，將試樣瓶內殘留液體倒出，清理干凈。油樣內顆粒數(shù)量的計算公式如下。

（1）

式（1）中：c表示油樣內顆粒數(shù)量；cx表示3次測量結果的均值；c2表示是稀釋液體內的顆粒量；1和2分別代表油樣和稀釋液的體積[4]。

2.3.2多頻超聲對顆粒度的影響情況

針對超聲幅值和顆粒含量進行檢測，獲得數(shù)據(jù)后，繪制超聲幅值和顆粒數(shù)的散點分布圖，發(fā)現(xiàn)在頻率為943.7"kHz的位置，顆粒數(shù)指標達到最佳狀態(tài)；當顆粒度位于1"000～3"000個/100"mL時，大部分油樣超聲幅值均高于0.12"kW/cm2，無單調關系，超聲幅值的決定因素在于酸值和微水，顆粒數(shù)并非主要因素。在顆粒度2"000～3"800個/100"mL范圍內，選取兩組油樣，相關參數(shù)如下。第一組微水為18.75"mg/L，酸值為1.115"mgKOH/g，顆粒數(shù)為3"106個/100"mL，擊穿電壓為21.9"V，介損為0.495，體積電阻率為1.18×1011/1010"Ω·m；第二組微水為41.35"mg·L-1，酸值為1.114"mgKOH/g，顆粒數(shù)為2"645個/100"mL，擊穿電壓為22.5"V，介損為0.268，體積電阻率為9.47×1010/1010"Ω·m。

2.3.3實驗結果

根據(jù)上述參數(shù)可知，盡管兩組油樣的顆粒數(shù)量偏多，導致超聲幅值有所提升，但因兩種雜質含量，特別是酸值含量超過標準范圍，因此油樣中超聲幅值仍低于0.12"kW/cm2。針對油樣顆粒度和超聲幅值進行分析，發(fā)現(xiàn)顆粒含量并非油樣中超聲波傳導特點的主要影響因素，當顆粒數(shù)變化范圍在1"000～3"000個/100"mL之間時，與之匹配的超聲幅值還受其他雜質含量的影響，如酸值、微水等，當這兩項指標含量處于合理范圍時，油樣的超聲幅值基本會高于0.12"kW/cm2。在超聲傳播過程中，顆粒物只起到衰減能量的作用，當油樣中顆粒數(shù)量較多時，反而會使超聲幅值提升[5]。但因一束超聲波在傳播期間只能與較少的固體顆粒接觸，因此上述作用較為微弱，無法成為超聲特性的主要影響因素。

3"結語

綜上所述，在變壓器油質檢測工作中，創(chuàng)建實驗平臺，從變壓器中抽取油樣，采用多頻超聲技術進行油質檢測。根據(jù)結果可知，當油的酸值、微水含量提升時，超聲幅值逐漸減小，而油的顆粒數(shù)提升時，超聲幅值略有增加，油樣整體超聲幅值受酸值、微水和顆粒數(shù)等多項因素的綜合影響?？梢?，多頻技術的應用能夠及時全面的檢測絕緣油的狀態(tài)。在未來的研究中，應在樣本規(guī)模和種類上不斷擴展，將BP（Back"Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡等先進技術引入進來，利用多頻超聲監(jiān)測設備在線動態(tài)監(jiān)測，并創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，由此進一步提升工作成效。

參考文獻

[1]趙文彬，吳迎澳，蘇磊.基于水聲技術的變壓器潛游機器人定位方法研究[J].高壓電器，2023，59（8）：91-99.

[2]王旭，生西奎，慕錕，等.基于多頻超聲波技術和GWOBP算法的變壓器油電氣性能檢測方法研究[J].高壓電器，2020，56（8）：114-120.

[3]丁敏，鄧先欽，徐鵬，等.基于聲學回波的變壓器數(shù)字化油位終端[J].變壓器，2022，59（8）：28-31.

[4]李亞權，劉明輝，李勝朋，等.基于多頻超聲的變壓器油擊穿電壓檢測技術研究[J].電子測試，2022，36（2）：95-99.

[5]楊華昆，馬顯龍，李勝朋，等.基于多頻超聲和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的變壓器油中微水含量檢測[J].絕緣材料，2022，55（4）：114-120.