CN103149513A - 一种变压器局部放电超声源重建的定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种变压器局部放电超声源重建的定位方法及装置，变压器局部放电的脉冲电流激发洛伦兹力超声信号，在变压器内部安装由多个超声传感器组成的传感器阵列，记录超声传感器接收到的超声信号，根据变压器内声波的传播模型，采用时间反转的逆源分析方法进行超声源的反演，进行局部放电点的定位，同时获取放电量信息，并估计放电量大小。

Description

一种变压器局部放电超声源重建的定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种变压器局部放电检测的方法，特别涉及一种变压器局部放电的超声检测方法及其装置。

背景技术

目前的大型电力变压器多为油浸式电力变压器，其绝缘结构主要由油、纸、纸板和其它固体绝缘等构成的固体－油绝缘结构。虽然在设计上具有足够的电气强度和优良的机械性能，但是制造过程中的偶然因素会造成一些先天性局部缺陷，如气泡、裂缝、悬浮导电质点和电极毛刺等。正是这些缺陷会造成绝缘体内部或表面出现某些区域电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首先发生放电、而其它区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放电。局部放电是变压器长期运行中绝缘劣化的一个重要征兆。电气设备的绝缘结构如果长时间发生持续的局部放电，绝缘介电性能可能会严重受损，如果局部放电故障一直未被发现和处理，最终可能导致电气设备发生故障，引起局部甚至全部地区的灾难性停电事故。

解决变压器故障问题最为有效的方法就是变压器局部放电在线检测，局部放电测量是监测变压器绝缘状况的重要诊断工具。研究发现，在绝缘材料内部局部放电过程中，通常伴随着很多物理现象，如电磁现象（电脉冲、电磁辐射等）和非电磁现象（气体、压力变化、光、热等）。利用放电过程产生的电信息或非电信息，可以对局部放电源进行定位，提供局部放电的凭据和类型。根据测量信息的不同，可以将局部放电检测方法分为电测法和非电测法两大类。

超声波法是一种非常重要的非电测类局部放电检测方法，主要是通过超声波传感器接收电气设备内部局部放电产生的超声波。超声检测法已经被广泛应用于地震监测、无损检测和全球定位系统等领域。在电力方面，超声波法是目前变压器绝缘检测领域的重要发展方向，它具有抗电气干扰能力强、定位方便等特点。关于超声波法局部放电检测的研究，

按超声探头位置，超声波法可分为内置式和外置式两类。内置式传感器接收到的波形幅值比外置式大很多，利于检测小放电量工况。由于变压器内部绝缘结构复杂，导致局部放电声信号的传播情况也无法准确预知，等值声速难以精确计算。此外，由于传感器接收的复合声波前沿不能准确确定，加之定位算法不够完善，使得局部放电信号提取与故障点定位精度受到影响。目前，信号前沿确定方法、定位算法是超声定位研究的热点和发展方向。国内外有关学者对于如何有效解决上述问题进行了深入研究，并提出了一系列新的理论和方法。

综合国内外对超声波法的研究，可分为基于声波时差和基于声场的两类：

基于声波时差的方法居多，如三角定位法、双曲面定位法、V型曲线法、顺序定位法和模式识别法等方法。三角定位法以局部放电电信号作为触发基准，通过三个（或以上）传感器测量超声波信号与电信号的时间差，以此作为超声信号的传播时间，并建立球面方程求解局部放电点。双曲面定位法，通过四个（或以上）超声传感器，以最先接收到的超声脉冲为时间基准，测量其他超声信号与标准信号的时延，由此建立双曲面方程组求解局部放电点。在上述方法中，通常假定声速为常数，实际上由于变压器结构复杂，各种声介质对声波及声速的影响都不一样，因此定位误差很大。尽管研究人员在基于最小二乘原理方法上进行了改进，一定程度上降低了传播路径对声速的影响，提高了定位精度，但改进方法仍然简化认为各路超声波信号声速相等，没有从根本上解决问题。在定位算法上的改进，还包括混沌遗传算法和改进的粒子群优化算法等。总体而言，这类方法的共性之处都是利用声波的时延性，由于变压器内部结构复杂，各种声介质对声速影响不同，超声波传播时发生多次折、反射，再加上现场各种噪声的影响，算法不尽完善等，实际的时延估计不能准确的得到用于定位的时间信息，给定位造成一定的误差，甚至难以成功定位。

基于声场类的定位方法还不多见。目前比较有特色的工作是声压数据库查表法。该方法的主要原理是：直接将变压器的局部放电点设定为超声波发射源，并进行声场分析计算，求出绕组上任何位置的点声源在超声波传感器阵列上激发的声压。同时，建立一个声压数据库，将超声波传感器阵列检测到的超声波信号声压和数据库里的数据进行比对，得出放电点的空间几何位置，从而实现局部放电的精确定位。这种方法的优势在于可以进行多点定位，不足之处在于，为构建数据库，需要对多源、任何位置、各种放电量等参数进行交叉离散。为实现高精度的定位，每个参数的采样率多，整体而言需要海量的样本量，构建过程所需时间难以承受，甚至是不可能的。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明提出一种变压器局部放电超声源重建的定位方法。

本发明利用声源重建的方法进行超声源定位。变压器局部放电产生脉冲电流，脉冲电流产生脉冲磁场，脉冲电流和脉冲磁场二者相互作用，产生洛伦兹力，激发超声信号，变压器的放电点为超声源点。超声信号在变压器内部从放电点传播开来，由安装在变压器内部的多个超声传感器组成的传感器阵列接收超声信号，根据变压器内声波的传播模型，采用时间反转的逆源分析，反演重建声源，进行局部放电点的定位，同时获取放电量信息，估计放电量大小。

本发明变压器局部放电超声源重建的定位方法包含两个步骤：

步骤1、布置在变压器内部的超声传感器阵列获取超声传感器接收到的声场信息数据；

步骤2、根据变压器内部的结构和介质特性，建立变压器内部的声场的数学物理模型，利用时间反转的逆源方法，由超声传感器阵列接收到的超声信号，反演重建声源，从而估计超声源的位置和超声源强度，实现变压器局部放电的定位和放电量估计。

本发明利用时间反转的声源重建方法，是利用声场的互易原理实现声源的定位。超声源、变压器声传播模型、超声传感器阵列是定位的三要素。变压器局部放电时，根据法拉第电磁感定律，局部放电过程中产生的脉冲电流产生脉冲磁场，二者相互作用产生洛伦兹力，激发超声。超声从变压器的放电点，即超声源发射出来，经过变压器内部，传输至超声传感器接收阵列，由超声传感器接收阵列记录声压信号。超声传感器接收阵列接收到的声压信号重新发射出去，形成逆发射，再经过变压器内部的重新传播之后，在原超声源位置形成聚焦，据此可以实现声源的定位。聚焦形成的声源的强度大小反映了变压器的放电点放电量大小，根据聚焦形成声源的强度，再通过校准，可估算放电量。

超声传感器接收阵列记录到的声压的逆发射过程是利用数值计算方法实现。在变压器内的介质中，声压的传播特性可以利用时域的声波方程来描述，

为声压，t为时间，

为变压器局部放电的脉冲电流，

为脉冲电流产生的脉冲磁场，c为变压器内介质中的声速，

为脉冲电流与脉冲磁场产生的洛伦兹力，作为局部放电激发的超声源。

首先，计算机记录了分布于变压器内四周的超声传感器接收到的声压信号。

然后，利用时间反转法由各个超声传感器接收到的超声信号计算反向声场，方法如下：

根据变压器内的空间结构、变压器内各种介质，如油、绕组、铁芯、外壳的材料特性，通过理论和实验确定求解声波方程所需要的传播速度、边界条件，即变压器的声传播模型。反演声场可以通过正向声场求解：

式中，T₀为传感器信号的记录时间，

为正向声场

的时间反转，

为反演场的格林函数，

为源点位置，为声场检测位置，c为变压器内介质中的声速。利用闭合面上的正向声压信号求解闭合面内部的反演声场，在本发明中，超声源的重建是利用分布在变压器内四周的超声传感器测得的声压信号逆源重建变压器内声场。

由记录的声压信号计算反演声场，实现声场的聚集和声源的重建。根据聚焦声场的位置和强度确定放电点位置和估算放电量大小。

应用本发明超声源重建的变压器局部放电的定位方法的装置包含超声传感器阵列、滤波放大器、数据采集器和计算机。超声传感器接收阵列由多个内置于变压器中的超声传感器组成，每个超声传感器与一个滤波放大器相连，超声传感器接收到的超声信号经过带通滤波和放大，滤除不相关的干扰信号，提取有用的通带内的超声信号，并放大微弱的超声信号。多个滤波放大器与数据采集器相连。数据采集器与计算机相连。数据采集器将信号模数转换并传输给计算机，计算机利用数值计算方法实现超声源的重建。

本发明利用声场逆源分析方法考虑超声在变压器条件下的传播过程，解决了声波时差法由于声射线多次反射和折射引起的定位精度低等问题，同时克服了声压数据库查表法数据量大、定位效率低的不足，并可以同时确定放电位置和放电量信息。

附图说明

图1本发明变压器超声源定位系统框图；

图2本发明时间反转法示意图；

图3本发明时间反转法重建声源框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明利用声源重建的方法进行超声源定位。变压器局部放电的脉冲电流激发超声信号，变压器的放电点为超声源点。超声信号在变压器内部从放电点传播开来。由安装在变压器内部的多个超声传感器组成的传感器阵列记录超声传感器接收到的超声信号，根据声压波动方程和变压器声传播模型，利用时间反转法由各个超声传感器接收到的超声信号计算反向声场。再将反向声场叠加得到聚焦声场，实现声源的重建。根据聚焦声场的位置和强度确定放电点位置和估算放电量大小。

利用本发明的变压器局部放电超声源定位装置如图1所示。所述的装置包含变压器、超声传感器阵列、滤波放大器、数据采集器和计算机。变压器内部主要由绕组和变压器油组成。变压器内部四周安装有由多个超声传感器组成的超声接收阵列。所述的超声传感器的信号通过电缆连接到滤波放大器的输入端，滤波放大器的输出连接到数据采集器，数据采集器和计算机连接，将所采集的数据传输到计算机。变压器内部局放放电时，激发超声信号，超声信号在变压器内部传播，到达变压器四周的超声传感器，超声传感器将接收到的声压信号转换为电压信号，并经过滤波放大器放大滤波之后，输入到数据采集器，经数据采集器进行模拟-数字转换，转化的数字信号传输到计算机存储和处理。

所述的时间反转法如图2所示。变压器局部放电时，放电点为超声源点，局部放电激发的超声信号从放电点开始传播，经过变压器的内部，到达变压器四周的超声传感器阵列，超声传感器阵列接收并记录到所述的超声信号。这是超声信号传播的正过程，如图2a所示。本发明利用时间反转法逆发射重建超声源，如图2b所示，将各个传感器阵列记录的超声信号再重新发射回去，根据声场的互易定理，重新发射形成的声波会在原声源位置聚焦，实现声场重建，据此可以确定超声源位置，从而确定放电点位置，并根据聚焦的声源强度的大小，估算放电量大小。

所述的利用时间反转法的逆发射实现声场重建是由计算机采用数值计算的方法实现的。如图3所示，变压器放电点激发超声，超声信号在变压器内部传播之后到达超声传感器阵列，接收到的信号经过放大滤波之后经数据采集器转换成数字信号存储到计算机中，计算机利用数值计算的方法实现逆发射，如图3的虚线框所示，首先，记录超声传感器阵列中各个传感器接收到超声信号P₁，P₂，...P_n。然后，根据声压波动方程和变压器声传播模型，利用时间反转法由各个超声传感器接收到的信号P₁，P₂，...P_n计算反向声场P’₁，P’₂，...P’_n。再将反向声场叠加得到聚焦声场，实现声源的重建。根据聚焦声场的位置和强度确定放电点位置和估计放电量大小。

Claims (4)

1.一种变压器局部放电超声源重建的定位方法，其特征在于所述的方法为：变压器局部放电产生脉冲电流，脉冲电流产生脉冲磁场，脉冲电流和脉冲磁场的相互作用，产生洛伦兹力，激发超声信号；变压器的放电点为超声源点；超声信号在变压器内部从放电点传播开来，由安装在变压器内部的多个超声传感器组成的传感器阵列接收所述的超声信号；根据变压器内声波的传播模型，采用时间反转的逆源分析，由超声传感器阵列接收到的超声信号反演重建声源，进行局部放电点的定位，同时获取放电量信息，并估计放电量大小。

2.根据权利要求1所述的变压器局部放电超声源重建的定位方法，其特征在于所述的变压器局部放电定位方法包含两个步骤：

步骤1、由布置在变压器内部的超声传感器阵列获取超声传感器接收到的声场信息数据；

步骤2、根据变压器内部的结构和介质特性，建立变压器内部的声场的数学物理模型，利用时间反转的逆源方法，由超声传感器阵列接收到的超声信号，反演重建声源，从而估计超声源的位置和超声源强度，实现变压器局部放电的定位和放电量估计。

3.根据权利要求2所述的变压器局部放电超声源重建的定位方法，其特征在于所述的步骤2中，利用时间反转的逆源分析，由超声传感器阵列接收到的超声信号反演重建声源的方法为：利用声场的互易原理实现声源的检测与定位；超声源、变压器声传播模型、超声传感器阵列是定位的三要素；局部放电时，超声从声源发射出来，经过变压器内的传输，到达超声传感器接收阵列，从而记录到声压信号；超声传感器接收阵列接收到的声压信号重新发射出去，形成逆发射，经过变压器内部的重新传播之后，在原来声源的位置形成聚焦，实现声源的定位；洛伦兹力激发的超声携带放电点信息；利用超声传感器接收到的超声信号逆发射，聚焦形成的声源的强度大小反映放电量大小；根据聚焦形成声源的强度，再通过校准，实现放电量的估计；超声传感器接收阵列记录到的声压的逆发射过程是在计算机中利用数值计算方法实现的；首先，记录超声传感器阵列中各个传感器接收到超声信号P₁，P₂，...P_n；然后，根据声压波动方程和变压器声传播模型，利用时间反转法由各个超声传感器接收到的信号P₁，P₂，...P_n计算反向声场P′₁，P′₂，...P′_n；再将反向声场叠加得到聚焦声场，实现声源的重建。根据聚焦声场的位置和强度确定放电点位置和估计放电量大小。

4.应用权利要求1至3任一所述的定位方法的定位装置，其特征在于所述的定位装置包含超声传感器阵列、滤波放大器、数据采集器和计算机；超声传感器接收阵列由多个内置于变压器中的超声传感器组成，每个超声传感器与滤波放大器相连，超声传感器接收到的超声信号经过带通滤波和放大，滤除不相关的干扰信号，提取有用的通带内的超声信号，并放大微弱的超声信号；滤波放大器与数据采集器相连；数据采集器与计算机相连；信号采集器将信号模数转换并传输给计算机，在计算机中利用实现超声源的重建。

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