專利名稱：一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變壓器局部放電檢測(cè)的方法，特別涉及一種變壓器局部放電的超聲檢測(cè)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
目前的大型電力變壓器多為油浸式電力變壓器，其絕緣結(jié)構(gòu)主要由油、紙、紙板和其它固體絕緣等構(gòu)成的固體一油絕緣結(jié)構(gòu)。雖然在設(shè)計(jì)上具有足夠的電氣強(qiáng)度和優(yōu)良的機(jī)械性能，但是制造過(guò)程中的偶然因素會(huì)造成一些先天性局部缺陷，如氣泡、裂縫、懸浮導(dǎo)電質(zhì)點(diǎn)和電極毛刺等。正是這些缺陷會(huì)造成絕緣體內(nèi)部或表面出現(xiàn)某些區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度高于平均電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)這些區(qū)域的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低于平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，將會(huì)首先發(fā)生放電、而其它區(qū)域仍保持絕緣特性，從而形成局部放電。局部放電是變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行中絕緣劣化的一個(gè)重要征兆。電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)如果長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生持續(xù)的局部放電，絕緣介電性能可能會(huì)嚴(yán)重受損，如果局部放電故障一直未被發(fā)現(xiàn)和處理，最終可能導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)生故障，引起局部甚至全部地區(qū)的災(zāi)難性停電事故。解決變壓器故障問(wèn)題最為有效的方法就是變壓器局部放電在線檢測(cè)，局部放電測(cè)量是監(jiān)測(cè)變壓器絕緣狀況的重要診斷工具。研究發(fā)現(xiàn)，在絕緣材料內(nèi)部局部放電過(guò)程中，通常伴隨著很多物理現(xiàn)象，如電磁現(xiàn)象(電脈沖、電磁輻射等)和非電磁現(xiàn)象(氣體、壓力變化、光、熱等)。利用放電過(guò)程產(chǎn)生的電信息或非電信息，可以對(duì)局部放電源進(jìn)行定位，提供局部放電的憑據(jù)和類型。根據(jù)測(cè)量信息的不同，可以將局部放電檢測(cè)方法分為電測(cè)法和非電測(cè)法兩大類。超聲波法是一種非常重要的非電測(cè)類局部放電檢測(cè)方法，主要是通過(guò)超聲波傳感器接收電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波。超聲檢測(cè)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)、無(wú)損檢測(cè)和全球定位系統(tǒng)等領(lǐng)域。在電力方面，超聲波法是目前變壓器絕緣檢測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，它具有抗電氣干擾能力強(qiáng)、定位方便等特點(diǎn)。關(guān)于超聲波法局部放電檢測(cè)的研究，按超聲探頭位置，超聲波法可分為內(nèi)置式和外置式兩類。內(nèi)置式傳感器接收到的波形幅值比外置式大很多，利于檢測(cè)小放電量工況。由于變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致局部放電聲信號(hào)的傳播情況也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知，等值聲速難以精確計(jì)算。此外，由于傳感器接收的復(fù)合聲波前沿不能準(zhǔn)確確定，加之定位算法不夠完善，使得局部放電信號(hào)提取與故障點(diǎn)定位精度受到影響。目前，信號(hào)前沿確定方法、定位算法是超聲定位研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)于如何有效解決上述問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并提出了一系列新的理論和方法。綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲波法的研究，可分為基于聲波時(shí)差和基于聲場(chǎng)的兩類:基于聲波時(shí)差的方法居多，如三角定位法、雙曲面定位法、V型曲線法、順序定位法和模式識(shí)別法等方法。三角定位法以局部放電電信號(hào)作為觸發(fā)基準(zhǔn)，通過(guò)三個(gè)(或以上)傳感器測(cè)量超聲波信號(hào)與電信號(hào)的時(shí)間差，以此作為超聲信號(hào)的傳播時(shí)間，并建立球面方程求解局部放電點(diǎn)。雙曲面定位法，通過(guò)四個(gè)(或以上)超聲傳感器，以最先接收到的超聲脈沖為時(shí)間基準(zhǔn)，測(cè)量其他超聲信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)延，由此建立雙曲面方程組求解局部放電點(diǎn)。在上述方法中，通常假定聲速為常數(shù)，實(shí)際上由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種聲介質(zhì)對(duì)聲波及聲速的影響都不一樣，因此定位誤差很大。盡管研究人員在基于最小二乘原理方法上進(jìn)行了改進(jìn)，一定程度上降低了傳播路徑對(duì)聲速的影響，提高了定位精度，但改進(jìn)方法仍然簡(jiǎn)化認(rèn)為各路超聲波信號(hào)聲速相等，沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。在定位算法上的改進(jìn)，還包括混沌遺傳算法和改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法等。總體而言，這類方法的共性之處都是利用聲波的時(shí)延性，由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種聲介質(zhì)對(duì)聲速影響不同，超聲波傳播時(shí)發(fā)生多次折、反射，再加上現(xiàn)場(chǎng)各種噪聲的影響，算法不盡完善等，實(shí)際的時(shí)延估計(jì)不能準(zhǔn)確的得到用于定位的時(shí)間信息，給定位造成一定的誤差，甚至難以成功定位?；诼晥?chǎng)類的定位方法還不多見。目前比較有特色的工作是聲壓數(shù)據(jù)庫(kù)查表法。該方法的主要原理是:直接將變壓器的局部放電點(diǎn)設(shè)定為超聲波發(fā)射源，并進(jìn)行聲場(chǎng)分析計(jì)算，求出繞組上任何位置的點(diǎn)聲源在超聲波傳感器陣列上激發(fā)的聲壓。同時(shí)，建立一個(gè)聲壓數(shù)據(jù)庫(kù)，將超聲波傳感器陣列檢測(cè)到的超聲波信號(hào)聲壓和數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出放電點(diǎn)的空間幾何位置，從而實(shí)現(xiàn)局部放電的精確定位。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以進(jìn)行多點(diǎn)定位，不足之處在于，為構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，需要對(duì)多源、任何位置、各種放電量等參數(shù)進(jìn)行交叉離散。為實(shí)現(xiàn)高精度的定位，每個(gè)參數(shù)的采樣率多，整體而言需要海量的樣本量，構(gòu)建過(guò)程所需時(shí)間難以承受，甚至是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提出一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法。本發(fā)明利用聲源重建的方法進(jìn)行超聲源定位。變壓器局部放電產(chǎn)生脈沖電流，脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，脈沖電流和脈沖磁場(chǎng)二者相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)超聲信號(hào)，變壓器的放電點(diǎn)為超聲源點(diǎn)。超聲信號(hào)在變壓器內(nèi)部從放電點(diǎn)傳播開來(lái)，由安裝在變壓器內(nèi)部的多個(gè)超聲傳感器組成的傳感器陣列接收超聲信號(hào)，根據(jù)變壓器內(nèi)聲波的傳播模型，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)的逆源分析，反演重建聲源，進(jìn)行局部放電點(diǎn)的定位，同時(shí)獲取放電量信息，估計(jì)放電量大小。本發(fā)明變壓器局部放電超聲源重建的定位方法包含兩個(gè)步驟:步驟1、布置在變壓器內(nèi)部的超聲傳感器陣列獲取超聲傳感器接收到的聲場(chǎng)信息數(shù)據(jù)；步驟2、根據(jù)變壓器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)特性，建立變壓器內(nèi)部的聲場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理模型，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)的逆源方法，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號(hào)，反演重建聲源，從而估計(jì)超聲源的位置和超聲源強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電的定位和放電量估計(jì)。本發(fā)明利用時(shí)間反轉(zhuǎn)的聲源重建方法，是利用聲場(chǎng)的互易原理實(shí)現(xiàn)聲源的定位。超聲源、變壓器聲傳播模型、超聲傳感器陣列是定位的三要素。變壓器局部放電時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感定律，局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，二者相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)超聲。超聲從變壓器的放電點(diǎn)，即超聲源發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)變壓器內(nèi)部，傳輸至超聲傳感器接收陣列，由超聲傳感器接收陣列記錄聲壓信號(hào)。超聲傳感器接收陣列接收到的聲壓信號(hào)重新發(fā)射出去，形成逆發(fā)射，再經(jīng)過(guò)變壓器內(nèi)部的重新傳播之后，在原超聲源位置形成聚焦，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)聲源的定位。聚焦形成的聲源的強(qiáng)度大小反映了變壓器的放電點(diǎn)放電量大小，根據(jù)聚焦形成聲源的強(qiáng)度，再通過(guò)校準(zhǔn)，可估算放電量。超聲傳感器接收陣列記錄到的聲壓的逆發(fā)射過(guò)程是利用數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。在變壓器內(nèi)的介質(zhì)中，聲壓的傳播特性可以利用時(shí)域的聲波方程來(lái)描述，
權(quán)利要求
1.一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法，其特征在于所述的方法為:變壓器局部放電產(chǎn)生脈沖電流,脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng),脈沖電流和脈沖磁場(chǎng)的相互作用,產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)超聲信號(hào)；變壓器的放電點(diǎn)為超聲源點(diǎn)；超聲信號(hào)在變壓器內(nèi)部從放電點(diǎn)傳播開來(lái)，由安裝在變壓器內(nèi)部的多個(gè)超聲傳感器組成的傳感器陣列接收所述的超聲信號(hào)；根據(jù)變壓器內(nèi)聲波的傳播模型，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)的逆源分析，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號(hào)反演重建聲源，進(jìn)行局部放電點(diǎn)的定位，同時(shí)獲取放電量信息，并估計(jì)放電量大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器局部放電超聲源重建的定位方法，其特征在于所述的變壓器局部放電定位方法包含兩個(gè)步驟: 步驟1、由布置在變壓器內(nèi)部的超聲傳感器陣列獲取超聲傳感器接收到的聲場(chǎng)信息數(shù)據(jù)； 步驟2、根據(jù)變壓器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)特性，建立變壓器內(nèi)部的聲場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理模型，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)的逆源方法，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號(hào)，反演重建聲源，從而估計(jì)超聲源的位置和超聲源強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電的定位和放電量估計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變壓器局部放電超聲源重建的定位方法，其特征在于所述的步驟2中，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)的逆源分析，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號(hào)反演重建聲源的方法為:利用聲場(chǎng)的互易原理實(shí)現(xiàn)聲源的檢測(cè)與定位；超聲源、變壓器聲傳播模型、超聲傳感器陣列是定位的三要素；局部放電時(shí)，超聲從聲源發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)變壓器內(nèi)的傳輸，到達(dá)超聲傳感器接收陣列，從而記錄到聲壓信號(hào)；超聲傳感器接收陣列接收到的聲壓信號(hào)重新發(fā)射出去，形成逆發(fā)射，經(jīng)過(guò)變壓器內(nèi)部的重新傳播之后，在原來(lái)聲源的位置形成聚焦，實(shí)現(xiàn)聲源的定位；洛倫茲力激發(fā)的超聲攜帶放電點(diǎn)信息；利用超聲傳感器接收到的超聲信號(hào)逆發(fā)射，聚焦形成的聲源的強(qiáng)度大小反映放電量大??；根據(jù)聚焦形成聲源的強(qiáng)度，再通過(guò)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)放電量的估計(jì)；超聲傳感器接收陣列記錄到的聲壓的逆發(fā)射過(guò)程是在計(jì)算機(jī)中利用數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)的；首先，記錄超聲傳感器陣列中各個(gè)傳感器接收到超聲信號(hào)P1,P2,...Pn;然后，根據(jù)聲壓波動(dòng)方程和變壓器聲傳播模型，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法由各個(gè)超聲傳感器接收到的信號(hào)P1, P2，...Pn計(jì)算反向聲場(chǎng)P' 1;Ρ' 2，...Ρ' ;再將反向聲場(chǎng)疊加得到聚焦聲場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)聲源的重建。根據(jù)聚焦聲場(chǎng)的位置和強(qiáng)度確定放電點(diǎn)位置和估計(jì)放電量大小。
4.應(yīng)用權(quán)利要求1至3任一所述的定位方法的定位裝置，其特征在于所述的定位裝置包含超聲傳感器陣列、濾波放大器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)；超聲傳感器接收陣列由多個(gè)內(nèi)置于變壓器中的超聲傳感器組成，每個(gè)超聲傳感器與濾波放大器相連，超聲傳感器接收到的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波和放大，濾除不相關(guān)的干擾信號(hào)，提取有用的通帶內(nèi)的超聲信號(hào)，并放大微弱的超聲信號(hào)；濾波放大器與數(shù)據(jù)采集器相連；數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連；信號(hào)采集器將信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中利用實(shí)現(xiàn)超聲源的重建。
全文摘要
一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法及裝置，變壓器局部放電的脈沖電流激發(fā)洛倫茲力超聲信號(hào)，在變壓器內(nèi)部安裝由多個(gè)超聲傳感器組成的傳感器陣列，記錄超聲傳感器接收到的超聲信號(hào)，根據(jù)變壓器內(nèi)聲波的傳播模型，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)的逆源分析方法進(jìn)行超聲源的反演，進(jìn)行局部放電點(diǎn)的定位，同時(shí)獲取放電量信息，并估計(jì)放電量大小。
文檔編號(hào)G01R31/12GK103149513SQ201310060568
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者夏正武, 劉國(guó)強(qiáng), 李艷紅, 吳清龑, 夏慧, 李士強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所