CN113533579A - 基于超声换能器的变压器油空化阈值的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声换能器的变压器油空化阈值的测定装置及方法，所述装置包括一个测定池，测定池中放有变压器样品油，在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器，在测定池顶部之上通过支架设置有激光位移传感器，激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的震动输出，激光位移传感器的输出连接信号处理器，一个色谱仪通过获取测定池中的样品油与测定池连接，一个信号发生器的输出通过可调节功率放大器连接超声换能器；本发明整体结构设置容易，操作简单，结合数值计算与实验分析，可以测定不同状态下变压器油的空化阈值。该方法所获得的变压器油的阈值信息将有助于判定变压器油纸绝缘中是否会有空化气泡的产生，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

Description

基于超声换能器的变压器油空化阈值的测定装置及方法

技术领域

本发明涉及工程用变压器油参数检测技术领域，具体涉及一种基于超声换能器的变压器油空化阈值的测定装置及方法。

背景技术

油浸式电力变压器是电力系统中的核心设备，其可靠运行对电力系统的安全稳定至关重要。而油纸绝缘因其良好的绝缘性能，被广泛运用于变压器的绝缘结构，但当油纸绝缘系统内出现气泡时，其绝缘性能会受到严重影响，轻微的则会导致局部放电，严重的则会导致油纸间隙的击穿进而引起变压器的爆炸。因此有必要掌握油纸绝缘系统中气泡的产生条件，进而对变压器的运行状态进行评估，保证其安全可靠运行。

实际的油纸绝缘系统中会产生两类气泡，一类是由于温度升高而导致油纸中水分蒸发进而形成热致气泡，这一类气泡的产生条件为起始温度，现已有许多研究获得了不同条件下的起始温度；而另一类为振动导致油中压力发生周期性变化，当局部压力低于相应条件下的阈值时，会形成空化气泡，该阈值与油纸绝缘的状态密切相关，称为空化阈值。但目前尚未有方法能够获得不同状态下变压器油的空化阈值，因此如何测定不同运行状态下变压器油的空化阈值，来指导变压器的状态的评估，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声换能器的变压器油空化阈值的测定装置及方法，能够实现对不同运行状态下由震动引起的变压器油空化阈值的测定。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于超声换能器的变压器油空化阈值测定装置，其中，所述装置包括一个测定池，测定池用于测定时放入变压器样品油，在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器，在测定池顶部之上通过支架设置有激光位移传感器，激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的震动输出，激光位移传感器的输出连接信号处理器，一个色谱仪通过获取测定池中的样品油与测定池连接，一个信号发生器的输出通过可调节功率放大器连接压电陶瓷换能器。

方案进一步是：所述压电陶瓷换能器的谐振频率为25.6kHz，功率放大器的调节范围为0～10W。

方案进一步是：所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体。

方案进一步是：所述激光位移传感器的参数选择如下：激光波长为632.8nm，频率范围为DC～3MHz，位移分辨率为15pm。

方案进一步是：所述色谱仪通过与测定池的进出管道连接在线获取测定池中的样品油。

一种由震动引起的变压器油空化阈值测定方法，是基于上述测定装置的变压器油空化阈值测定方法，其中，所述方法是：

一，在测定池空池的条件下，以固定的压电陶瓷换能器谐振频率从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，并通过激光位移传感器获取位移变化幅度值，建立功率放大器的输出功率与电陶瓷换能器输出位移变化幅度的关系表格；

二，将变压器样品油放入测定池，根据关系表格从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，色谱仪同步逐级监测样品油中的气体含量；

三，当色谱仪监测到样品油中的气体含量增加变化时，记录此时的位移变化幅度值，并由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值，样品油中的气体含量发生变化时的最大压力变化幅值即为空化阈值。

方案进一步是：所述由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值：是将位移变化幅度值带入CFD分析中获得的样品油的压力变化幅值。

方案进一步是：所述CFD分析是建立以测定池固定壁面为边界条件的压电陶瓷换能器振动模型，在模型中根据压电陶瓷球面聚焦式振动，在每一级振动周期内将位移变化幅度值形成振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图，当振动周期是气体含量增加变化时的压力变化幅值振动周期时，从分布云图中提取得到的最大压力变化幅值即为空化阈值。

方案进一步是：所述逐级调节输出功率是在一个时间段内以0.5瓦功率输出的增量调节增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度。

方案进一步是：所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体，所述时间段是10分钟。

本发明的有益效果是：通过设置换能器以及激光位移传感器，由信号发生器和功率放大器连接换能器，整体结构设置容易，操作简单，结合数值计算与实验分析，可以测定不同状态下变压器油的空化阈值。该方法所获得的变压器油的阈值信息将有助于判定变压器油纸绝缘中是否会有空化气泡的产生，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明CFD分析模型图；

图3为本发明压电陶瓷球面的聚焦式振动流场压力分布云图；

图4为本发明压电陶瓷球面的聚焦式振动物理模型；

图5为本发明压电陶瓷球面半径振动参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“连接”、“置于”应做广义理解，例如“连接”可以是导线连接，也可以是机械连接；“置于”可以是固定连接放置，也可以是一体成形放置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

一种基于超声换能器的变压器油空化阈值测定装置，如图1所示，所述装置包括一个测定池1，测定池用于测定时放入变压器样品油，为了尽可能的减少测定用油量，所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体。在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器2，本实施例使用的是谐振频率为25.6kHz的压电陶瓷换能器；一个信号发生器3的输出通过可调节功率放大器4连接压电陶瓷换能器2，功率放大器的调节范围为0～10W。在测定池1的顶部之上通过支架设置有激光位移传感器5，激光位移传感器5聚焦压电陶瓷换能器2的震动输出，为了能够准确的测得震动数据用于分析，激光位移传感器参数选择选择为：激光波长为632.8nm，频率范围为DC～3MHz，位移分辨率为15pm。激光位移传感器的输出连接信号处理器6，信号处理器对获得的激光位移传感器信号进行CFD分析获得的压力幅值，一个色谱仪7通过获取测定池中的样品油与测定池连接，获取测定池中的样品油可以是在每一次测量时通过实验仪器从样品油中抽取，也可以是色谱仪通过与测定池的进出管道连接在线获取测定池中的样品油。

通过上述测定装置结构以及选择的指标参数能够实现对不同运行状态下变压器油空化阈值的测定。

因此，变压器油空化阈值测定方法是基于上述所述测定装置的变压器油空化阈值测定方法，信号发生器输出高频正弦信号给功率放大器，功率放大器将信号放大驱动换能器，调节功率放大器的输出功率即可控制换能器的振动能量功率；所述的样品池内装有待测的变压器油样；其中的激光位移传感器用于测量不同换能器在不同功率下的震动位移；色谱仪分析测定油样中特征气体含量的变化，已有研究已经论证了变压器油中一旦产生空化气泡，空化气泡破裂时的高温高压现象会导致油分解产生特征气体；因此，利用换能器位移与油中压力转换的CFD分析部分通过仿真模拟的方式获得换能器不同位移下油中压力的变化幅值，

所述方法具体是：

一，在测定池空池的条件下，以固定的压电陶瓷换能器谐振频率从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，并通过激光位移传感器获取位移变化幅度值，建立功率放大器的输出功率与电陶瓷换能器输出位移变化幅度的关系表格；

二，将变压器样品油放入测定池，根据关系表格从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，色谱仪同步逐级监测样品油中的气体含量；

三，当色谱仪监测到样品油中的气体含量增加变化时，记录此时的位移变化幅度值，并由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值，样品油中的气体含量发生变化时的最大压力变化幅值即为空化阈值。

其中：所述由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值：是将位移变化幅度值带入CFD分析中获得的样品油的压力变化幅值。

其中：所述逐级调节输出功率是在一个时间段内以0.5瓦功率输出的增量调节增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度；在所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体的条件下所述时间段是10分钟。

其中的所述CFD分析如图2所示，是建立以BC、CD、DE、FG、GH、HA测定池固定壁面为边界条件的压电陶瓷换能器振动模型，其中：AB为压力进口边界，EF为振动边界，在模型中根据压电陶瓷球面EF为振动边界的聚焦式振动，在模型中根据压电陶瓷球面聚焦式振动，在每一级振动周期内将位移变化幅度值形成如图3所示的振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图，当振动周期是气体含量增加变化时的压力变化幅值振动周期时，从分布云图中提取得到的最大压力变化幅值即为空化阈值。在本实施例中，是气体含量增加变化时振动面EF中心处的位移为0.2μm条件下压力变化云图，从云图提取得到位移为0.2μm条件下的最大压力变化幅值为101275Pa即为空化阈值。

周期性的振动会导致油中的压力发生周期性的变化，仿真结果发现在一个振动周期内整个流场的压力均随之发生变化，图3是在振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图。可以发现，压力从振动面的中心位置处向四周散发，靠近振动面最中心位置处的压力变化最为明显，该区域为空化最先发展的区域，于是在流场中放置压力探针，捕捉最大与最小压力的空间和时间点，得到压力变化幅值。图3显示的是为气体含量增加变化时振动面EF中心处的位移为0.2μm条件下流场压力变化云图，提取得到的最大压力变化幅值为101275Pa。关于如何从振动位移μm得到压力Pa：该计算属于单相流固耦合计算，即液体中固体的位置的变化会导致液体中流场的变化，描述流场的变量主要有流速、压力、雷诺数等，即只需要在fluent中设置好边界条件，经过计算就可获得压力等参数。

其中对于云图的形成可以通过如下分析获得：球面聚焦式振动是超声换能器压电陶瓷表面振动的真实情况，通过模拟这种振动方式能够得到和真实情况接近的物理模型。如图4所示，三条弧形中间一条实线为振动面初始位置，它是一个有焦点的球面，聚焦点是由两条向上相交的虚线所标示。振动面的四周是固定不动的。在此种振动形式中，向前和向后振动，振动面都是球面，只是焦点的位置以及焦距发生了变化。如图5所示，R0是初始平衡位置的球面半径，该参数由换能器的制作工艺决定，其球心位于坐标原点。R1是振动至最上方时的球面半径，其球心在原点上方某处(0,-l1)；R2是振动至最下方时的球面半径，其球心在原点下方某处(0,l2)，现在就二维截面说明。

三圆相交于M，N两点，根据几何关系不难判断出R2<R0<R1。连接MON三点所形成的的截面扇形的张角为θ，因而根据几何关系即可求出M，N的坐标分别为

和

我们关心M，N两点之间的变化情况，也即

这个闭区间内y的分布情况(即上述的压力变化云图)，需要推导得到这个区间内圆面的振幅，即三个圆两两之间的距离△y₁＝y₀-y₁，△y₂＝y₂-y₀。

三个圆的方程分别为

x²+(y+l₁)²＝R₁ ² (1)

x²+y²＝R₀ ² (2)

x²+(y-l₂)²＝R₂ ² (3)

将M点和N点的坐标分别代入式(1)和(3)中可以求解得其中两圆R1，R2的圆心偏离量l1、l2：

圆R1和R2的纵坐标分别为：

将式(4)和(5)代入上式中，得到圆R1和R2纵坐标的详细表达式分别为：

这样就可以推得三圆之间两两的距离：

其中

实际的超声换能器在工作的时候会有一个标称的谐振频率，同时还会有好几个谐振频率，振动情况比较复杂。本实施例驱动换能器的功放的输出为单一频率的正弦信号，故其振动方式为谐振频率处的简谐振动。因此将球面聚焦式振动面简化为在平衡位置附近处的简谐振动，描述振动面的位置函数可以表示为：

在实际编写振动面的UDF函数中，R1和R2是未知量(因为并不知道振动面的球面半径)，而振动幅度a₀＝△y_1max＝△y_2max(x＝0处)是给定的已知量，因此要通过式(1)和(3)反求得R1和R2的值再代入位置函数(12)。本实施例使用型号为HS-8SH-3825的超声换能器，其平衡位置处的半径为150mm，振动面的直径为58mm，谐振频率为25±0.8kHz。

计算模型的建立与结果分析：振动面的模拟主要由fluent软件和其自带的UDF来实现，根据实验平台结构建立相应的二维仿真模型，其中BC、CD、DE、FG、GH、HA设置为固定壁面边界条件，AB设置为压力进口边界，EF设置为振动边界，其振动方式为球面聚焦式振动，作为压力变化源。由于本仿真过程中振动面的最大位移不超过1μm，对振动面附近的网格进行局部加密，保证数值计算得精度。采用扩散和弹簧光顺两种相结合的动网格设置方式，UDF函数模拟振动面的振动，将一个时间周期分为400个时间步进行仿真。

上述实施例通过设置换能器以及激光位移传感器，由信号发生器和功率放大器连接换能器，整体结构设置容易，操作简单，结合数值计算与实验分析，可以测定不同状态下变压器油的空化阈值。该方法所获得的变压器油的阈值信息将有助于判定变压器油纸绝缘中是否会有空化气泡的产生，有利于指导变压器绝缘状态的监测。

Claims (10)

1.一种基于超声换能器的变压器油空化阈值测定装置，其特征在于，所述装置包括一个测定池，测定池用于测定时放入变压器样品油，在测定池底部固定设置压电陶瓷换能器，在测定池顶部之上通过支架设置有激光位移传感器，激光位移传感器聚焦压电陶瓷换能器的震动输出，激光位移传感器的输出连接信号处理器，一个色谱仪通过获取测定池中的样品油与测定池连接，一个信号发生器的输出通过可调节功率放大器连接压电陶瓷换能器。

2.根据权利要求1所述的变压器油空化阈值测定装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器的谐振频率为25.6kHz，功率放大器的调节范围为0~10W。

3.根据权利要求1所述的变压器油空化阈值测定装置，其特征在于，所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体。

4.根据权利要求1所述的变压器油空化阈值测定装置，其特征在于，所述激光位移传感器的参数选择如下：激光波长为632.8nm，频率范围为DC~3MHz，位移分辨率为15pm。

5.根据权利要求1所述的变压器油空化阈值测定装置，其特征在于，所述色谱仪通过与测定池的进出管道连接在线获取测定池中的样品油。

6.一种由震动引起的变压器油空化阈值测定方法，是基于权利要求1所述测定装置的变压器油空化阈值测定方法，其特征在于，所述方法是：

一，在测定池空池的条件下，以固定的压电陶瓷换能器谐振频率从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，并通过激光位移传感器获取位移变化幅度值，建立功率放大器的输出功率与电陶瓷换能器输出位移变化幅度的关系表格；

二，将变压器样品油放入测定池，根据关系表格从低至高逐级调节功率放大器的输出功率增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度，色谱仪同步逐级监测样品油中的气体含量；

三，当色谱仪监测到样品油中的气体含量增加变化时，记录此时的位移变化幅度值，并由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值，样品油中的气体含量发生变化时的最大压力变化幅值即为空化阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述由位移变化幅度值转换计算出样品油的压力变化幅值：是将位移变化幅度值带入CFD分析中获得的样品油的压力变化幅值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述CFD分析是建立以测定池固定壁面为边界条件的压电陶瓷换能器振动模型，在模型中根据压电陶瓷球面聚焦式振动，在每一级振动周期内将位移变化幅度值形成振动面压力最小和最大值时刻的流场压力分布云图，当振动周期是气体含量增加变化时的压力变化幅值振动周期时，从分布云图中提取得到的最大压力变化幅值即为空化阈值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述逐级调节输出功率是在一个时间段内以0.5瓦功率输出的增量调节增大压电陶瓷换能器输出的位移变化幅度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述样品池是长220mm，宽220mm，高300mm的长方体，所述时间段是10分钟。

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