CN112083297A - 一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法及装置。本装置利用内外传感器的声压信息判断声源是否来自变压器内部，当判断声源来自变压器内部时，则通过内置传感器组的声压值判断局部放电发生的位置。本方法基于声压‑距离模型，根据声压传感器的接收信息先粗判局部放电的发生位置，通过传感器的位置与声压信息建立声压‑距离方程组，采用模拟退火算法对局部放电位置进行求解，得到局部放电具体位置。本发明提出的声压‑距离模型定位精度高，可以抵抗外界声波干扰，并且避免了声波在变压器内部折射和反射对定位造成的影响。

Description

一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法及装置

技术领域

本发明属于变压器局部放电检测定位领域，尤其涉及一种基于超声波声压的抗干扰多传感器定位方法。

背景技术

变压器是电力系统的关键设备，也是电力系统最昂贵的设备之一。变压器运行时，变压器内部处于强电场环境，当绝缘体局部区域的电场强度达到击穿场强时，该区域将会发生放电。局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是可以导致介质(特别是有机电介质)的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘装置电气强度的破坏。因此，对变压器的实时在线监测至关重要。

目前的局部放电检测手段主要是利用局部放电过程中产生的光、电、声和化学物质来进行判断。方法有脉冲电流法、光测法、特高频法、超声检测法和气相色谱法。气相色谱法通过分析绝缘油在局部放电下分解产物进行检测，可以对放电状态进行测定，气相色谱法不受电磁干扰，灵敏度高，可以及时发现潜在故障，但是难以检测突发故障；脉冲电流法是目前变压器局部放电检测最主要的方式，具有灵敏度高且传感器便于安装的优点，但脉冲电流法用于电力变压器等设备时，存在着难以克服复杂电磁环境干扰的问题而且长时间线上监测成本较高的缺点；采用光测法可以快速对电力设备外围及线路进行局部放电检测，排除实验环境及设备表面缺陷干扰，但是设备昂贵成本高且难以用于设备内部检测；特高频法可以免疫电磁干扰，灵敏度高，但是由于特高频信号传到传感器的时间往往在纳秒级别，这对检测设备的要求很高，不容易对局部放电进行定位。目前的超声检测法分为内置式与外置式，外置式传感器容易安装，但是变压器内部的局部放电产生的超声波信号经过变压器油与箱体之后，会造成很大程度的衰减，因此目前大家主要是针对内置式超声传感器进行研究，不过内置式超声传感器也会受到外界超声的干扰。传统的超声传感器定位方法主要是利用不同传感器接收到的超声波信号的时间差来进行定位的，现在的专利少有利用超声波声压幅值进行定位的方法，对声波幅值衰减模型的局部放电定位模型没有具体描述，具体表现为：

(1)对变压器内的声波传播速度的求解没有统一的公式，变压器内的复杂结构，不同声介质内的声波传播速度不同，超声波的多次折反射都造成了定位困难；

(2)目前采用超声波定位的时间-距离模型中，测量的时间在毫秒级别，这对传感器测时系统的要求比较高，使得定位成本增加而且还可能存在定位误差大的问题。

(3)目前的内置式超声传感器无法解决外部超声波传入变压器内部造成的干扰的问题。因此，急需一种能够抵抗外界超声干扰且精度高的局部放电超声检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法及装置，旨在对变压器内部的局部放电进行精确定位，抵抗外界超声干扰，为超声检测定位提供一种新的方法，提高超声定位检测的适用性与可行性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法，包括以下步骤：

步骤一：在待测变压器外部与内部的每一个壁面均布置压力传感器，其中每个内侧壁面至少布置四个传感器，根据内外传感器检测到的声压判断是否进行检测，如果外部传感器声压最大值大于内部传感器声压最大值，则不检测，此时声波来源于变压器外部，即外部超声干扰；若外部传感器声压最大值小于内部传感器声压最大值，则进行检测，此时声波来源于变压器内部，即局部放电产生的超声波；

步骤二：在变压器内部建立空间直角坐标系，获取每一个内置传感器的位置坐标；

步骤三：通过计算变压器内侧每个壁面传感器组接收到的的声压平均值，寻找声压均值最大的变压器壁面作为基准面，基准面就是距离局部放电最近的壁面，并利用基准面传感器组的声压与坐标位置信息用作计算，采用平均值最大的传感器组进行计算可以有效避开变压器内部超声波经过铁芯、绕组等部件发生的折射、反射的问题；

步骤四：根据声压幅值与传播距离之间的关系，利用基准面的压力传感器探测到的声压信息以及传感器的坐标信息建立声压-距离方程组；

步骤五：根据建立的声压-距离方程组，构造目标函数，利用模拟退火算法求解最优解，从而得到局部放电位置。

一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位装置，包含外置超声传感器阵列与内置超声传感器阵列，数据采集器和计算机。内置传感器在变压器的每个内侧壁面至少布置四个，外置超声传感器在每一个壁面至少布置一个，每个超声传感器与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连，数据采集器将采集到的信号转换后传给计算机，在计算机中对局部放电进行判定。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：当上述方法用于变压器局部放电检测时，所述步骤三中选定基准面后，基准面传感器编号i(i＝0,1,2…n)的坐标为Si(x_i,y_i,z_i)。根据传感器接收到的声压平均值判断局部放电发生在哪侧，即哪侧的声压平均值高则在哪侧发生局部放电，选定该侧作为基准面，将基准面的声压与坐标信息用于下一步计算，这样可以避免超声波传播到变压器内部结构时而造成的反射、折射、衰减等问题。

进一步：步骤四中，在选取基准面之后，选取0号传感器为参考传感器S0(x₀,y₀,z₀)，则第i号传感器Si(x_i,y_i,z_i)与参考传感器之间的声压-距离关系为，

p₀r₀＝p_ir_i

式中p₀，p_i为0号传感器与i号传感器接收到的压力；r₀，r_i为0号传感器和i号传感器与局部放电声源的直线距离。

进一步：步骤四中，设局部放电位置坐标为P(x,y,z)，那么r_i可以表示为，

进一步：步骤四中，得到的声压-距离方程联立构成局部放电位置的关联方程组，

进一步：步骤四中，在变压器内布置的传感器为了保证准确性，单侧壁面传感器的个数一般超过4个，因此上述步骤得到的方程组就会变为非线性超定方程组，这样的方程组很难求得解析解，因此通过方程组构造包含所有传感器声压与坐标的目标函数，

进一步：步骤五中得到的目标函数，利用模拟退火算法，在解空间内进行优化计算，目标函数的函数值代表着系统的总能量，在缓慢冷却过程中，会让目标函数值逐渐减小，但是模拟退火算法是一种概率算法，并不是一味地追求内部能量降低，可以接受内部能量的升高，即允许出现恶化解，避免收敛于局部最优解，最终得到系统能量最低时的状态就是局部放电的位置信息。

本发明的有益效果是：本发明的定位方法适用于不同类型的电气设备局部放电的定位，为超声定位法提供了一种新的定位思想，建立了声压-距离模型，并且可以排除外界的超声波干扰以及变压器内部组件的影响，利用模拟退火算法求解声压-距离方程组，解出局部放电位置，模拟退火算法可以避免方程组陷入局部最优解而造成定位失败的问题，改变了传统的超声时间-距离定位方法中对时延的依赖性，大大提高了定位精度，能广泛应用于电气设备的局部放电定位检测。

附图说明

图1是本发明基于声压-距离模型的变压器局部放电定位方法的步骤图。

图2是本发明实施例提供的声压传感器声源定位装置布置示意图。

其中：1-内置式声压传感器；2-外置式声压传感器；3-变压器箱体；4-数据采集器；5-计算机；6-铁心及绕组等变压器内部构件。

图3是本发明实施例提供的模拟退火算法求解局部放电定位点的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的应用、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下实施例，对本发明进行进一步详细说明。本处所说的实施例仅仅是用于说明本发明，并不用于局限本发明。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的基于声压-距离模型的变压器局部放电定位方法包括以下步骤：

S101：在待测变压器的每个内壁面布置四个传感器，每个外壁面布置一个传感器，布置示意图如图2所示，传感器的数据经过数据采集器传送到计算机，此时通过比较内外传感器检测到的声压最大值，即可判断声源是否来自变压器内部，如果声压最大值来自变压器内部，则进行进一步计算，如果声压最大值来自变压器外部，那么声源来自变压器外部的超声干扰，不进行计算。

S102：当检测到的声压最大值来自变压器内部时，证明声源来自变压器内部，此时在变压器内建立空间直角坐标系，确定每一个传感器的位置坐标。

S103：计算内部传感器每一个壁面的声压平均值，选择声压平均值最大的壁面作为基准面进行计算，平均值大即意味着该侧壁面距离声源最近，采用此侧壁面作为基准面可以抵消声波在变压器内部结构反射的影响。

S104：根据基准面上传感器检测到的声压信息以及传感器位置坐标信息，建立声压-距离方程组。

S105：根据声压-距离方程组构造目标函数，利用模拟退火算法求最优解，模拟退火算法流程见附图3。

在步骤四中，由于声波的能流类似于雷达和电光学，声波每单位面积的功率，即强度I，随压力的平方变化，即I∝p²

式中I表示声波强度。强度与传输距离的关系为：

P＝I·4πr²

式中P为声源总功率，r表示声波传播距离。由此可得声压与距离的关系为：

pr＝k

式中k为常数。设基准面的四个传感器的位置坐标为S0(x₀,y₀,z₀)、S1(x₁,y₁,z₁)、S2(x₂,y₂,z₂)和S3(x₃,y₃,z₃)，传感器检测到的声压为p₀、p₁、p₂和p₃，选取0号传感器为参考传感器，则第i号传感器Si(x_i,y_i,z_i)与参考传感器之间的声压-距离关系为，

p₀r₀＝p_ir_i

式中p₀，p_i为0号传感器与i号传感器接收到的压力；r₀，r_i为0号传感器和i号传感器与局部放电声源的直线距离。r_i可以表示为，

那么根据根据传感器组的声压信息与坐标位置信息构建局部放电声压-距离方程组，

针对当前得到的声压-距离方程组构造目标函数，

式中x_max，y_max，z_max代表变压器的几何尺寸。

将目标函数的函数值作为系统的总能量，利用模拟退火算法进行优化求解。将变压器内的空间位置作为解空间，对应模拟退火算法的物体内部物理状态，解的质量对应能量状态的高低，我们要求的最优解就是局部放电位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：变压器壳体的内侧与外侧设置有内置式压力传感器与外置式压力传感器，内侧壁面压力传感器需要布置超过四个，首先进行声音来源的检测，如果外部传感器声压大于内部，则判断声源来自变压器外部，不进行下一步检测；若外部传感器声压小于内部，则进行检测，此时声波来源于内部；

步骤2：当检测到声波来源于内部时，在变压器内建立空间直角坐标系，确定每一个传感器位置坐标；

步骤3：求解每个内侧壁面压力传感器组的声压均值，选取声压均值最大的内侧压力传感器所固定的壁面为基准面，提取基准面上传感器的声压与坐标信息进行下一步计算；

步骤4：根据声压与距离的关系，将基准面上的压力传感器探测到的声压以及传感器的坐标信息建立声压-距离方程组；

步骤5：根据建立的声压-距离方程组，构造目标函数，利用模拟退火算法求解最优解，从而得到局部放电位置。

2.根据权利要求1所述的基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法，其特征在于，所述的步骤2中的基准面上编号为i(i＝0,1,2…n)的传感器位置坐标为Si(x_i,y_i,z_i)，声压测量值为p_i，其中n不小于3。

3.根据权利要求1所述的基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤4中，假设局部放电位置坐标为P(x,y,z)，那么i号传感器与局部放电位置的距离r_i可以表示为，

对于球面传播的声波声压与传播距离的关系为，p_ir_i＝k，其中k为常数；

声压-距离方程组为：

4.根据权利要求1所述的一种基于声压的抗干扰的变压器局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤5中，在距离-声压方程组的基础上，构造目标函数如下，

此目标函数取最小值时对应的x，y，z即为局部放电位置，其解空间为变压器的内部点。

5.采用如权利要求1所述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，数据采集器和计算机，超声传感器阵列由多个内置超声传感器与外置超声传感器组成，内置传感器在变压器每一个内侧壁面至少布置四个，外置传感器变压器每个外侧壁面至少布置一个，每一个超声传感器与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连，数据采集器将采集到的信号转换后传给计算机，在计算机中对局部放电进行判定。

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