CN105425128A - 一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置与方法，将声测法应用于变压器油箱的放电检测，将声测探头通过信号转换通道板连接于中央控制器等部件，选用以第一个声信号到达时一路声信号触发其余声信号，测量系统开始采样工作，通过测量后序到达的局放声信号不同的传播时间和传感器的几何位置，求得放电源的位置。通过本发明的装置和方法计算检测和定位放电源具有灵明度高、准确度高，不受外界干扰的特点。且本发明的方案再得出放电源位置坐标后，还设置了对其进行校验的步骤，进一步提高检测和定位的准确性。

Description

一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置与方法

技术领域

本发明属于输变电领域，具体涉及一种利用局部放电时所发出的超声波传输特性，检测并精确定位变压器内部局部放电点的方法与装置。

背景技术

在大型电力变压器中，对局部放电量的测量是检验其绝缘特性行之有效的方法。通过测量局部放电量，可以帮助工程技术人员掌握该设备的绝缘水平的变化过程。但是，它不能给人们提供其局部放电发生的部位。在现场的测试中，局部放电点的位置确定，有利于对某些特殊局部放电问题的正确判断。我们知道，电力变压器中，在某些部位发生一定量值的局部放电是可以接受的，但是，在某关键部位却会引起重大事故发生。因此，在变压器中，局部放电点位置的确定，不仅能对局部放电测量的结果作出较好的解释，而且，对变压器缺陷的维修具有很大的帮助，同时还可以帮助改善变压器的设计。

现今的变压器超声波局部放电监测方法，是利用球面定位法、双曲面定位算法或其它定位算法进行定位。不管采用哪种算法，定位时采用超声波在20℃温度下油中传播速度1400m/s或其它相近值作为常量进行计算。但是超声波在变压器内部的传输经过纸板、油、钢板等复合介质，变压器油的温度也随着环境温度、变压器负荷、变压器内部不同位置的变化而大不相同，采用油中某一确定温度下的超声波传播速度代替实际的超声波波速存在较大的误差，但是目前在现场进行检测时没有更好的办法直接确定超声波在变压器内部不同材质和复杂的温度场中的等效波速。

发明内容：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置与方法，利用现场实测得到的超声波在变压器内部的传播速度计算，并配合双曲面法进行变压器内部局部放电点的精确定位。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置，包括中央控制器，以及连接于中央控制器的微处理器和控制面板，还包括数个设置在变压器油箱侧壁上的声测探头，各个声测探头各自连接一个信号转换通道板，各个信号转换通道板通过总线连接于中央控制器；信号转换通道板包括依次连接的放大器、采样保持器、A/D转换器、高速缓冲存贮器，前置放大器的输入端用于从声测探头接收信号，高速缓冲存贮器的输出端用于连接中央控制器。

较佳地，各个声测探头通过采集器连接于通道板。

较佳地，包括至少6个声测探头，各个声测探头随机设置在变压器油箱的侧壁上。

较佳地，微处理器的输出端连接有绘图机、磁盘机和显示器。

较佳地，高速缓冲存贮器为128K存贮器，总线包括控制总线、数据总线和地址总线。

本发明还提供一种应用上述装置对变压器局部放电进行超声波检测及精确定位的方法：用设置在变压器油箱上的声测探头测量局部放电产生的声波，通过信号转换通道板各探头接收到声波信号的时间输送至中央处理器，由中央处理器计算出放电点所在位置的坐标，在变压器油箱各侧面分布设置声测探头阵列中，第一个接收到声信号的声测探头为参考探头，由参考探头发出的声信号触发其余声测探头，参考探头和其余各个声测探头被触发启动的时间由各自对应的采样部件获取后送入系统，并由系统记录；

将参考探头和其余声测探头中的各个探头为依次组合为一组探头对，以各组探头对为焦点、以该组探头对所包括的两个探头被触发启动的时间差为定值，逐个求出所有探头对所对应的双曲面，求得的各个双曲面的交点即为放电源的位置。

较佳地，求各个双曲面交点的具体步骤包括：

步骤1，计算超声波在油箱的传播速度V；

步骤2，放电源声信号到达各探头S_i传播时间 $t_i=\frac{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{V},$ 其中，i＝1，2，3……，m-1，m，m是声测探头总数，各个探头S_i的坐标为(x_i，y_i，z_i)，放电点P所在位置的坐标为(x，y，z)；

步骤3，设参考探头为S₁，则其余声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的时间差为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Tt}}_{2-1}=t_2-t_1\\ {\mathrm{Tt}}_{3-1}=t_3-t_1\\ \mathrm{......}\\ {\mathrm{Tt}}_{m-1}=t_m-t_1\end{array}\right.;$

步骤4，联立步骤2和步骤3的方程求解，得到x，y，z的值，即为放电点P所在位置的坐标(x，y，z)。

较佳地，计算超声波在油箱的传播速度V的具体方法为：

步骤11，在油箱的一侧设立超声波发射源F，超声波发射源F的坐标为(x_f，y_f，z_f)；

步骤12，设置在油箱侧壁上的m个声测探头的坐标为(x_i、y_i、z_i)；

步骤13，超声波探头与超声波发射源之间的距离 ${\mathrm{ds}}_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{(z_i-z_f)}^2};$

步骤14，超声波发射源所发出声波到各个声测探头的传播速度V_i＝d_si/tc_i，tc_i为超声波发射源发出信号与第i个声测探头接收到信号的时间差；

步骤15，求m个传播速度V_i的平均值作为超声波在油箱的传播速度V。

较佳地，在步骤4之后还包括步骤5，对所求得的放电点P所在位置的坐标(x，y，z)进行校验，具体校验方法为：

步骤51，将所求得的放电点P的坐标(x，y，z)代入步骤2放电源声信号到达探头S_i的传播时间 $t_i=\frac{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{V}$ 的公式，依据t_i求步骤3其余声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的时间差 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Tt}}_{2-1}=t_2-t_1\\ {\mathrm{Tt}}_{3-1}=t_3-t_1\\ \mathrm{......}\\ {\mathrm{Tt}}_{m-1}=t_m-t_1\end{array}\right.;$

步骤52，测量得到声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的实际时间差Mt_2-1,Mt_3-1,……Mt_m-1；

步骤53，求步骤51所得Tt_2-1,Tt_3-1,……Tt_m-1与步骤52所得Mt_2-1,Mt_3-1,……Mt_m-1的差值

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δt}}_{2-1}={\mathrm{Tt}}_{2-1}-{\mathrm{Mt}}_{2-1}\\ {\mathrm{\δt}}_{3-1}={\mathrm{Tt}}_{3-1}-{\mathrm{Mt}}_{3-1}\\ \mathrm{......}\\ \mathrm{......}\\ {\mathrm{\δt}}_{m-1}={\mathrm{Tt}}_{m-1}-{\mathrm{Mt}}_{m-1}\end{array}\right.;$

步骤54，判断差值是否在系统所设定最小测时误差的范围之内，若是，则将放电点位置的坐标(x，y，z)输出，若否，则进入步骤55；

步骤55，求解差分方程 $\left\{\begin{array}{c}\frac{d(t_2-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_2-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_2-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{2-1}\\ \frac{d(t_3-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_3-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_3-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{3-1}\\ \mathrm{......}\\ \frac{d(t_m-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_m-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_m-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{m-1}\end{array}\right.$ 得出Δx,Δy,Δz；设a_K＝x，b_K＝y，c_K＝z，求 $\left\{\begin{array}{c}{a}_{K+1}=a_K+\mathrm{\Δ}x\\ b_{K+1}=b_K+\mathrm{\Δ}y\\ c_{K+1}=c_K+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.;$ 将a_K+1，b_K+1，c_K+1赋值给x，y，z得出经校正的放电源的位置坐标(x，y，z)；回到步骤51。

较佳地，最小测时误差的范围设定为小于1μs。

本发明的有益效果在于：本发明所述的装置将声测法应用于变压器油箱的放电检测，将声测探头通过信号转换通道板连接于中央控制器等部件。声测法属于非电量测量，由于这种非电量测量在测量中不受外界电气的干扰，因此具有其明显的优点。根据超声波的定向传播特性，在一定的媒质中有一定的定向传播速度，用它来测定局部放电的部位也具有较高的实用价值。本发明采用双曲面定位计算法，选用声触发的检测系统，即在分布于油箱各侧面的所有声测探头阵列中，选用以第一个声信号到达时一路声信号触发其余声信号，测量系统开始采样工作，通过测量后序到达的局放声信号不同的传播时间和传感器的几何位置，将参考探头和其余声测探头中的各个探头为依次组合为一组探头对，以各组探头对为焦点、以该组探头对所包括的两个探头被触发启动的时间差为定值，逐个求出所有探头对所对应的双曲面，求得的各个双曲面的交点即为放电源的位置。通过本发明的装置和方法计算检测和定位放电源具有灵明度高、准确度高，不受外界干扰的特点。且本发明的方案再得出放电源位置坐标后，还设置了对其进行校验的步骤，进一步提高检测和定位的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图；

图2为本发明实施例信号转换通道板的结构示意图；

图3为本发明实施例的布置坐标系的示意图，

图4为本发明实施例的方法求各个双曲面的交点即放电源的位置流程图。

图中：1-中央控制器，2-微处理器，3-控制面板，4-信号转换通道板，5-前置放大器，6-采样保持器，7-A/D转换器，8-高速缓冲存贮器，9-绘图机，10-磁盘机，11-显示器，12-总线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例提供一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置(图1)，包括中央控制器1，以及连接于中央控制器1的微处理器2和控制面板3，在变压器油箱侧壁上设有至少6个声测探头，各个声测探头在所述油箱的侧壁上随机布置。

各个声测探头各自通过一个采集器连接一个信号转换通道板4，各个信号转换通道板4通过总线12连接于中央控制器1；信号转换通道板4(图2)包括依次连接的前置放大器5、采样保持器6、A/D转换器7、高速缓冲存贮器8，前置放大器5的输入端用于从声测探头接收信号，高速缓冲存贮器8的输出端用于连接中央控制器1。高速缓冲存贮器8为128K存贮器，总线12包括数据总线、数据总线和地址总线。微处理器2的输出端连接有绘图机9、磁盘机10和显示器11，用于输出和显示计算结果。

各个信号转换通道都由中央控制器1通过内部数据总线来控制，可同时采集信号。中央控制器1的状态控制和若干操作命令可由控制面板3设定或通过微处理器2控制进行。

超声波信号经由采集器转换成模拟信号，模拟信号输入至信号转换通道板4，由信号转换通道板4的前置放大器5对其进行放大、A/D转换器7转换成数字信号，这些数字信号在操作控制下送入128kB的高速缓冲存贮器8中暂存。当模拟信号转换完毕后，在中央控制器1的作用下，将“写”态变为读态。在读态状态下，这些暂存在128K存贮器中的数字信号依次反复读出，由D/A转换电路将数字信号变成模拟信号输出。

在微处理器2的控制下，“读”态状态下的数字信号可分时进入微处理器2内存。这些数字信号可由专门的软件进行分析处理，其原始信号，中间处理结果及最终处理结果都可送入磁盘永久贮存，这些信息在需要时也可以从磁盘中调出送入128K高速缓冲存贮器8中。

信号转换通道板4是完成模拟信号变为数字信号并进行信息暂存的实体，它由前置放大器5、采样保持器6、A/D转换器7、高速缓冲存贮器8这几部分组成。

前置放大器5工作带宽为DC：0～200kHz，AC：20～200kHz，有五档增益控制，输入电压范围为±0.1V、±0.3V、±1V、±3V、±10V，其输入阻抗大于1MΩ，采用高阻隔离输入方式。由二片高速集成运放组成。

采样保持器6是一个具有信号输入，信号输出以及外部指令控制的模拟门所组成的电路，它具有两个稳定的工作状态：(1)采样跟踪状态，在此期间，它尽可能快地接受输入信号并忠实地跟踪它直到接到保持指令；(2)保持状态，对接到保持指令的前一瞬间的信号进行保持。一般来说，理想的采样、保持是不易实现的。在上图的采样保持器6中，采用了二片高速集成运放，以但尽量加快建起时间，减少电容的泄漏，为了减少探测时间及保持——采样瞬态对A/D转换精度的影响，电路采用了在时序上避开瞬变(尖峰)期的办法。

A/D转换器7是本发明的关键部件，它的最快转换速率为0.5μs，超声定位系统的A/D转换采用了逐次比较法，主频为10MHz，分十个节拍完成采样——转换——转贮三个环节的工作。逐次比较寄存器采用了74S系列的高速TTL集成块。

高速缓冲存贮器8，128K存贮器是A/D的缓冲记忆装置，A/D每完成一次转换，就把转换结果送入该128K高速缓冲存贮器8，在总线12的控制下，除了可将A/D结果送入存贮器外，也可将计算机发出的数据送入该存贮器或者把存贮信号读入计算机。计算机与存贮器的数据交换速率可达100kB/s。

各个通道板共享数据总线、数据总线和地址总线，这些总线12分别由中央控制器1和微处理器2发现的时序脉冲和操作命令来控制

中央控制器1与面板控制开关组成仪器时序与控制命令、控制状态的中央枢纽。

设置于控制面板3的时序发生器用来提供给A/D转换器7各种操作脉冲，A/D转换器7在这些节拍脉冲的控制下完成采样——保持——转换——存贮的全过程。时序发生的工作由时钟及分频延时器控制进行，时钟的主频为10MHz，分频延时器由四个十进制计数器组成，初值可由面板上的拔号盘人工设置。按“总清”时拔号盘上的预定值即打入计数器，这一设定值为延时时间。延时时间打入计数器后，若在分频工作状态下，还须将分频时间由同一拔盘，另行预置。当仪器启动工作时，采样速率则按拨号盘上预置的数进行。

设置于控制面板3的前置/延时开关可选择两种不同的信号触发方式。前置状态，即保存信号到达前若干采样点的信息，保存的个数可由软件确定。前置状态下，信号的触发方式为通道之间相互触发，信号触发的门坎可由“触发电平”旋钮人工设定。当路信号中某路信号超出触发门坎时，信号幅度鉴别器发出一负脉冲使信号状态指示器翻转，通过中断方式通知计算机。在信号到达前，系统转换是在进行的，此时存贮器的地址序列可以认为一环(loop)，当计算机得到中断信号后，立即将信号到达时的地址取回计算机，这一地址与软件设定的前置时间运算后，将停机地址发回比较器，当存贮器地址与停机地址相符时，比较器则发一停机指令，使整机停止A/D转换，完成了在前置方式下触发启动工作周期。延时触发状态是通过外同步信号进行启动时，才启动系统开始工作。所有开关设置全部程序控制。

计算机可对每一信号转换通道板4的高速缓冲存贮器8分别进行读写操作，存贮器有三种工作方式(1)A/D缓存；(2)计算机读写；(3)D/A输出。

本实施例还提供一种应用上述装置对变压器局部放电进行超声波检测及精确定位的方法，用设置在变压器油箱上的声测探头测量局部放电产生的声波，通过信号转换通道板4各探头接收到声波信号的时间输送至中央处理器，由中央处理器计算出放电点所在位置的坐标。本实施例采用双曲面定位计算法，选用声触发的检测系统，在分布于油箱各侧面的所有声测探头阵列中，选用以第一个声信号到达时一路声信号触发其余声信号，测量系统开始采样工作，通过测量后序到达的局放声信号不同的传播时间和传感器的几何位置，就可以进行放电点位置计算。定位时选择某探头作为该阵的参考探头，以此为基准，测定同一声发射信号传播到其余各探头时对应于它的相对时差。由几何定理可知：与两定点的距离之差等于定值的点的轨迹，在平面上是双曲线；在三维空间是双曲面，因此上式称为双曲面方程，满足该方程的点就是双曲面上的点。

在变压器油箱各侧面分布设置声测探头阵列中，设第一个接收到声信号的声测探头为参考探头，由参考探头发出的声信号触发其余声测探头，参考探头和其余各个声测探头被触发启动的时间由各自对应的采样部件获取后送入系统，并由系统记录；

将参考探头和其余声测探头中的各个探头为依次组合为一组探头对，以各组探头对为焦点、以该组探头对所包括的两个探头被触发启动的时间差为定值，逐个求出所有探头对所对应的双曲面，求得的各个双曲面的交点即为放电源的位置，求各个双曲面交点的具体步骤包括(图4)：

步骤1，计算超声波在油箱的传播速度V，由于超声波的传播速度与介质属性以及其温度相关。因此要准确定位，需要在定位计算前进行超声波等效波速准确测量。进行测量前，设定坐标系(图3)。其中，该坐标系O点代表变压器箱体下部角落，X轴代表变压器长箱沿方向，Y轴代表变压器高度方向，Z轴代表变压器短箱沿方向。在变压器箱壁一侧设立超声波发射源，其作用为发出频率固定，信号强度大的超声波信号。计算超声波在油箱的传播速度V的具体方法为：

步骤11，在油箱的一侧设立超声波发射源F，超声波发射源F的坐标为(x_f，y_f，z_f)；

步骤12，设置在油箱侧壁上的m个声测探头的坐标为(x_i、y_i、z_i)；

步骤13，超声波探头与超声波发射源之间的距离 ${\mathrm{ds}}_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{(z_i-z_f)}^2};$

步骤14，超声波发射源所发出声波到各个声测探头的传播速度V_i＝d_si/tc_i，tc_i为超声波发射源发出信号与第i个声测探头接收到信号的时间差；

步骤15，求m个传播速度V_i的平均值作为超声波在油箱的传播速度V。

步骤2，放电源声信号到达各探头S_i传播时间的方程 $t_i=\frac{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{V},$ 其中，i＝1，2，3……，m-1，m，m是声测探头总数，各个探头S_i的坐标为(x_i，y_i，z_i)，放电点P所在位置的坐标为(x，y，z)；

步骤3，设参考探头为S₁，则其余声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的时间差为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Tt}}_{2-1}=t_2-t_1\\ {\mathrm{Tt}}_{3-1}=t_3-t_1\\ \mathrm{......}\\ {\mathrm{Tt}}_{m-1}=t_m-t_1\end{array}\right.;$

步骤4，联立步骤2和步骤3的方程求解，得到x，y，z的值，即为放电点P所在位置的坐标(x，y，z)；

步骤5，对所求得的放电点P所在位置的坐标(x，y，z)进行校验，具体校验方法为：

步骤51，将所求得的放电点P的坐标(x，y，z)代入步骤2放电源声信号到达探头S_i的传播时间 $t_i=\frac{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}}{V}$ 的公式，依据t_i求步骤3其余声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的时间差 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Tt}}_{2-1}=t_2-t_1\\ {\mathrm{Tt}}_{3-1}=t_3-t_1\\ \mathrm{......}\\ {\mathrm{Tt}}_{m-1}=t_m-t_1\end{array}\right.;$

步骤52，测量得到声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的实际时间差Mt_2-1,Mt_3-1,……Mt_m-1；

步骤53，求步骤51所得Tt_2-1,Tt_3-1,……Tt_m-1与步骤52所得Mt_2-1,Mt_3-1,……Mt_m-1的差值

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δt}}_{2-1}={\mathrm{Tt}}_{2-1}-{\mathrm{Mt}}_{2-1}\\ {\mathrm{\δt}}_{3-1}={\mathrm{Tt}}_{3-1}-{\mathrm{Mt}}_{3-1}\\ \mathrm{......}\\ \mathrm{......}\\ {\mathrm{\δt}}_{m-1}={\mathrm{Tt}}_{m-1}-{\mathrm{Mt}}_{m-1}\end{array}\right.;$

步骤54，判断差值是否在系统所设定最小测时误差的范围之内，本实施例最小测时误差的范围设定为小于1μs，若是，则将放电点位置的坐标(x，y，z)输出，若否，则进入步骤55；

步骤55，求解差分方程 $\left\{\begin{array}{c}\frac{d(t_2-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_2-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_2-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{2-1}\\ \frac{d(t_3-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_3-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_3-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{3-1}\\ \mathrm{......}\\ \frac{d(t_m-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_m-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_m-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{m-1}\end{array}\right.$ 得出Δx,Δy,Δz；设a_K＝x，b_K＝y，c_K＝z，求 $\left\{\begin{array}{c}{a}_{K+1}=a_K+\mathrm{\Δ}x\\ b_{K+1}=b_K+\mathrm{\Δ}y\\ c_{K+1}=c_K+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.;$ 将a_K+1，b_K+1，c_K+1赋值给x，y，z得出经校正的放电源的位置坐标(x，y，z)；回到步骤51进一步对所得的坐标(x，y，z)进行判断和校验。

在局部放电的过程中除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，同时也产生了各种非电量的信息，如产生声波、发光、发热以及出现新的生成物等等。通过对这些非电信息的测量来检测局部放电的方法，都属于非电量测量法。通过测量局部放电产生的声波，来检测局部放电的大小及位置的方法，即为声测法。

本实施例应用的声测法属于非电量测量，由于这种非电量测量在测量中不受外界电气的干扰，因此具有其明显的优点。由于近代声电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，声测法的灵敏度已经有很大的提高，现在对于大电容量的试品，如μF以上的电力电容器，其灵敏度不比电测法低。另外，根据超声波的定向传播特性，在一定的媒质中有一定的定向传播速度，可以用它来测定局部放电的部位。目前声测法在电力电容器、电力变压器等电工设备的局部放电检测中已得到实际应用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置，包括中央控制器(1)，以及连接于所述中央控制器(1)的微处理器(2)和控制面板(3)，其特征在于：还包括数个设置在所述变压器油箱侧壁上的声测探头，各个所述声测探头各自连接一个信号转换通道板(4)，各个所述信号转换通道板(4)通过总线(12)连接于所述中央控制器(1)；所述信号转换通道板(4)包括依次连接的放大器、采样保持器(6)、A/D转换器(7)、高速缓冲存贮器(8)，所述前置放大器(5)的输入端用于从所述声测探头接收信号，所述高速缓冲存贮器(8)的输出端用于连接所述中央控制器(1)。

2.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置，其特征在于：各个所述声测探头通过采集器连接于所述通道板。

3.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置，其特征在于：包括至少6个所述声测探头，各个所述声测探头随机设置在变压器油箱的侧壁上。

4.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置，其特征在于：所述微处理器(2)的输出端连接有绘图机(9)、磁盘机(10)和显示器(11)。

5.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位装置，其特征在于：所述高速缓冲存贮器(8)为128K存贮器，所述总线(12)包括控制总线、数据总线和地址总线。

6.一种利用如权利要求1-5任一项变压器局部放电超声波检测及精确定位装置对变压器局部放电进行超声波检测及精确定位的方法，用设置在变压器油箱上的声测探头测量局部放电产生的声波，通过信号转换通道板(4)各探头接收到所述声波信号的时间输送至中央处理器，由所述中央处理器计算出放电点所在位置的坐标，其特征在于：在变压器油箱各侧面分布设置声测探头阵列中，第一个接收到声信号的声测探头为参考探头，由所述参考探头发出的声信号触发其余声测探头，所述参考探头和其余各个声测探头被触发启动的时间由各自对应的采样部件获取后送入系统，并由系统记录；

将所述参考探头和其余声测探头中的各个所述探头为依次组合为一组探头对，以各组探头对为焦点、以该组探头对所包括的两个探头被触发启动的时间差为定值，逐个求出所有探头对所对应的双曲面，求得的各个所述双曲面的交点即为放电源的位置。

7.根据权利要求6所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位方法，其特征在于，求各个所述双曲面交点的具体步骤包括：

步骤1，计算超声波在所述油箱的传播速度V；

步骤2，放电源声信号到达各探头S_i传播时间 $t_i=\frac{\sqrt{{\left(x_i-x\right)}^2+{\left(y_i-y\right)}^2+{\left(z_i-z\right)}^2}}{V},$ 其中，i＝1，2，3……，m-1，m，m是声测探头总数，各个探头S_i的坐标为(x_i，y_i，z_i)，放电点P所在位置的坐标为(x，y，z)；

步骤3，设参考探头为S₁，则其余声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的时间差为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Tt}}_{2-1}=t_2-t_1\\ {\mathrm{Tt}}_{3-1}=t_3-t_1\\ ......\\ {\mathrm{Tt}}_{m-1}=t_m-t_1\end{array}\right.;$

步骤4，联立步骤2和步骤3的方程求解，得到x，y，z的值，即为放电点P所在位置的坐标(x，y，z)。

8.根据权利要求7所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位方法，其特征在于，计算超声波在所述油箱的传播速度V的具体方法为：

步骤11，在所述油箱的一侧设立超声波发射源F，所述超声波发射源F的坐标为(x_f，y_f，z_f)；

步骤12，设置在所述油箱侧壁上的m个声测探头的坐标为(x_i、y_i、z_i)；

步骤13，超声波探头与超声波发射源之间的距离 ${\mathrm{ds}}_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{(z_i-z_f)}^2};$

步骤14，超声波发射源所发出声波到各个声测探头的传播速度V_i＝d_si/tc_i，tc_i为超声波发射源发出信号与第i个声测探头接收到信号的时间差；

步骤15，求m个传播速度V_i的平均值作为超声波在所述油箱的传播速度V。

9.根据权利要求7所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位方法，其特征在于，在所述步骤4之后还包括步骤5，对所求得的放电点P所在位置的坐标(x，y，z)进行校验，具体校验方法为：

步骤51，将所求得的放电点P的坐标(x，y，z)代入所述步骤2放电源声信号到达探头S_i的传播时间 $t_i=\frac{\sqrt{{\left(x_i-x\right)}^2+{\left(y_i-y\right)}^2+{\left(z_i-z\right)}^2}}{V}$ 的公式，依据t_i求步骤3所述其余声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的时间差 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Tt}}_{2-1}=t_2-t_1\\ {\mathrm{Tt}}_{3-1}=t_3-t_1\\ ......\\ {\mathrm{Tt}}_{m-1}=t_m-t_1\end{array}\right.;$

步骤52，测量得到声测探头S₂，……S_m接收到声信号的时间相对于参考探头S₁接收到声信号的实际时间差Mt_2-1,Mt_3-1,……Mt_m-1；

步骤53，求步骤51所得Tt_2-1,Tt_3-1,……Tt_m-1与步骤52所得Mt_2-1,Mt_3-1,……Mt_m-1的差值

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δt}}_{2-1}={\mathrm{Tt}}_{2-1}-{\mathrm{Mt}}_{2-1}\\ {\mathrm{\δt}}_{3-1}={\mathrm{Tt}}_{3-1}-{\mathrm{Mt}}_{3-1}\\ ......\\ ......\\ {\mathrm{\δt}}_{m-1}={\mathrm{Tt}}_{m-1}-{\mathrm{Mt}}_{m-1}\end{array}\right.;$

步骤54，判断所述差值是否在系统所设定最小测时误差的范围之内，若是，则将放电点位置的坐标(x，y，z)输出，若否，则进入步骤55；

步骤55，求解差分方程 $\left\{\begin{array}{c}\frac{d(t_2-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_2-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_2-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{2-1}\\ \frac{d(t_3-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_3-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_3-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{3-1}\\ ......\\ \frac{d(t_m-t_1)}{dx}\mathrm{\Δ}x+\frac{d(t_m-t_1)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d(t_m-t_1)}{dz}\mathrm{\Δ}z={\mathrm{\δt}}_{m-1}\end{array}\right.$ 得出Δx,Δy,Δz；设a_K＝x，b_K＝y，c_K＝z，求 $\left\{\begin{array}{c}{a}_{K+1}=a_K+\mathrm{\Δ}x\\ b_{K+1}=b_K+\mathrm{\Δ}y\\ c_{K+1}=c_K+\mathrm{\Δ}z\end{array}\right.;$ 将a_K+1，b_K+1，c_K+1赋值给x，y，z得出经校正的放电源的位置坐标(x，y，z)；回到步骤51。

10.根据权利要求9所述的一种变压器局部放电超声波检测及精确定位方法，其特征在于：所述最小测时误差的范围设定为小于1μs。。