CN114518470B - 一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法 - Google Patents

一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，利用分布式阵列声学传感器探测变压器不同声学路径上的声信号频率偏移值，并对参量数据进行逆向求解，获得变压器测量截面上不同区域的频率变化值，得出绝缘油流速的差异，通过变压器不同位置上对应的流速值扩展绘制出流速图。本发明的检测方法利用超声波多普勒频率偏移效应，通过多点、多角度扫查，以及以频率偏移为参量的超声层析技术应用，实现变压器内部不均匀流体场流速探测，提出变压器内部不同位置绝缘油油道流速的测量和评估，提升设备精益化运维检修水平。

Description

一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法。
背景技术
变压器是不同电压等级电网连接的关键节点，外部是金属箱体，内部有绕组、铁芯、绝缘油、纸质绝缘件和各种连接装置。由于铁芯磁滞效应导致的涡电流发热以及绕组焦耳热效应，发产生大量热能，温度升高，会导致绝缘件早期迅速老化，以及绕组抗拉强度快速下降，影响变压器安全，因而需要通过绝缘油循环冷却内部结构件。绝缘油通过变压器内部多个油道进行循环，而某些情况下各个油道循环速率不同，即绝缘油流速存在差异。当某些油道流速慢，冷却不良时，导致局部结构失效，影响设备运行。因而，开展变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像测量，实现精细化评估，提前干预内部异常情况，提升设备安全性和可靠性。
目前，测量容器内和管道内液体流速，常用的方法有内置式流速计和外置式超声波流速计。外置式超声波流速计通过多普勒效应，通过频率偏移与流速差异的对应关系来实现流速测量。相关技术比较成熟，目前专利研究方向集中于提升测量电路的采样频率和精度，提升不均匀流速的准确性。郑州大学开展多角度流速声学测量，通过一定经验公式计算，提升不均匀截面的总流量测量精度。由于缺乏应用场景，相关研究方向没有容器内或管道内流速分布计算和表征的方法，为了避免现有技术中存在的技术问题，研究一种快速而又准确的检测出压器内部绝缘油不均匀流速场的方法是目前急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法。该检测方法检测结果直观，能够实现不均匀流速场分布表征，操作简单。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，利用分布式阵列声学传感器探测变压器不同声学路径上的声信号频率偏移值，并对参量数据进行逆向求解，获得变压器测量截面上不同区域的频率变化值，得出绝缘油流速的差异，通过变压器不同位置上对应的流速值扩展绘制出流速图。
进一步的，利用所述分布式阵列声学传感器探测不同声学路径上的声信号频率偏移值的方法，包括以下步骤：
(1)在变压器上部无中心结构位置的同一水平截面上，对应变压器冷却油道划定关注区域；
(2)在步骤(1)中所述关注区域对应的两侧外壁水平线上等距L分别安装m和n个电磁超声波传感器，在所述变压器关注区内形成(m×n)个交叉点，每个交叉点代表半径L/2内的平均状态；
(3)通过调整步骤(2)中所述的电磁超声波传感器的发射角度，使一个超声波传感器发射出的信号可以被对侧所有电磁超声波接收传感器接收；
(4)依次激发步骤(2)中的(m+n)个电磁超声波传感器的发射探头，形成(m2+n2)组频谱数据，每组所述的频谱数据代表声学路径上绝缘油流速变化的平均值；
(5)通过现场向步骤(1)中所述的变压器中取绝缘油，测试所述绝缘油在不同流速条件下的频率偏移值，得出频率偏移值与绝缘油流速变化的关系曲线。
进一步的，所述步骤(2)中的等距L与传感器阵列个数m的乘积对应关注区域水平截面的长度，等距L与传感器阵列个数n的乘积对应关注区域水平截面的宽度。
进一步的，所述步骤(2)中电磁超声波传感器是工作温度不小于90℃的压电传感器。
进一步的，所述步骤(5)中绝缘油流速设置为0.1m/s-2m/s，步长为0.1m/s。
进一步的，所述步骤(5)中测试过程中绝缘油的温度与变压器温度仪表所示温度之间的偏差不超过±10℃。
进一步的，根据所述变压器温度仪表所示温度，确定变压器绝缘油的平均温度，测量所述绝缘油平均温度下的基准流速对应的基准频率。
进一步的，所述步骤(4)中绝缘油流速变化的平均值的计算方法如下：通过获得所述步骤(1)中变压器截面上不同区域电磁超声波传感器的频率变化值，得出绝缘油流速度的差异过程，利用逆向求解方法对2(m2+n2)个方程联立求解，得出所述步骤(1)中关注区内m×n交叉点上电磁超声波传感器的频率偏移值，再根据基准频率和所述步骤(5)中频率偏移值与绝缘油流速变化的关系曲线，计算出每个交叉点的绝缘油流速平均值。
进一步的，通过扩展绘制出流速图的方法具体如下：根据变压器不同位置上对应的绝缘油流速值，设定最大流速和最小流速值的绘图颜色区间，再通过插值填充法，绘制出变压器待检测区域内绝缘油的流速图像。
与现有技术相比，本发明具备的有益效果在于：
(1)本发明利用超声波多普勒频率偏移效应，通过多点、多角度扫查，以及以频率偏移为参量的超声层析技术应用，实现变压器内部不均匀流体场流速探测，提出变压器内部不同位置绝缘油油道流速的测量和评估，提升设备精益化运维检修水平。
(2)本发明的检测方法属于带电状态下的声学成像测量方法，相对于内植入光纤探测，无需考虑对电场分布的影响，以及对绝缘油流动的阻碍，具有非侵入测量的优点，可以短时间内快速实施，具有明显优势。
(3)本发明检测速度快，可以实现在线布置，具有在线监测能力，也可以离线布置，具备一定时间内流体循环速度的检测能力。
(4)由于频率偏移与绝缘油的温度弱相关，与流速强相关，本发明可以排除不同区域内温度差异的影响，为进一步开展绝缘油温度场测量创造条件。
附图说明
图1是本发明绝缘油中超声波多普勒频移示意图；
图2是变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像分区图；
图3本发明变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像测量结果示意图(灰度代表绝缘油流速)；
其中，图中各标号代表的部件名称分别如下：
1、传感器；2、变压器外壁；3、围屏外绝缘油；4、变压器绕组；5、变压器钢芯。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例
一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，包括以下步骤：
(1)变压器内部铁芯和绕组为主要发热元件，竖直布置有一定数量的冷却油道。绝缘油在油道内受热，密度变小，向上移动，从油道顶部流出，汇流入外部冷却器，在冷却器内降温后，密度增大，向下流动，重新流入变压器底部，进入各个油道。因为各个油道的入口和出口没有分配管道，导致各个油道内绝缘油流速的差异。这种差异在油道上部出口100mm-300mm内表面较为明显，越靠近变压器顶部，由于绝缘油横向流动和混合，流体场特征改变。因而，在变压器上部油道上部出口100mm-300mm范围内、无中心结构位置的某一水平截面上，对应变压器冷却油道划定若干关注区域，因为变压器绕组横截面为环形，冷却油道分布于环形区域内，外部有绝缘围屏约束，形成导流通道，因此，关注区域一般选择环形。变压器内部一般有2-4个线圈不等，根据绕组数量确定关注区域数量。
(2)在步骤(1)中确定的变压器冷却油道关注区域对应的两侧外壁水平线上等距L安装m和n对超声波传感器，在变压器冷却油道关注区内形成m×n个交叉点，每个交叉点代表半径L/2内的平均状态；等距L与传感器阵列个数m的乘积对应所述关注区域水平截面的长度，等距L与传感器阵列个数n的乘积对应所述关注区域水平截面的宽度；所述关注区域水平截面的长度为1.5-2.5米，所述关注区域水平截面的宽度1.5-2.5米，其中m、n均为正整数。
(3)采用沿水平方向可变角度的纵波斜入射超声波传感器，通过调整声学传感器发射角度和接收传感器角度，使一个发射探头发射信号可被对侧所有接收传感器接收；由于横波无法在液体内传播，因而超声波传感器角度变化幅度不超过钢油界面的第一临界角以内，本发明关注的是频率参量变化，因而超声波强度指标用于判断声源以及排除干扰信号。
(4)依次激发(m+n)个发射探头，在激发过程中匀速偏转角度，接收探头对应偏转接收角度，形成频谱数据；然后发射传感器和接收传感器依次移动，最终形成2(m2+n2)组频谱数据，每组数据代表声学路径上流速变化的平均值。
根据多普勒效应，频率与速度关系如下：
其中，f1为观察频率；f为发射源在介质中的原始频率；v为波在该介质中的传播速度；v0为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号，反之则为-号；vs为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为-号，反之则为+号。附图1是绝缘油中超声波多普勒频移示意图。
若超声波波束以速度v传播时，遇到以速度u沿绝缘油管轴线运动的散射颗粒，该粒子相对于超声波发射器则以速度ucosα远离而去。所以，作用在粒子的超声波频率因多普勒效应而低于发射频率f，因为固定在管壁上的发射源静止不动，结合式(1)可得反映在粒子上的超声波频率如式(2)所示：
随后固体粒子将超声波束散射给接收传感器，散射粒子以ucosβ的速度远离接收器，因而接收传感器收到超声波的频率将再次降低，接收到超声波的频率如式(3)所示：
因此多普勒频移如式(4)所示：
进一步可得流速u如式(5)所示：
(5)通过现场取油，测试不同流速条件下的频率偏移，绝缘油流速设置0.1m/s-2m/s，步长为0.1m/s；测试过程中保证绝缘油温度与变压器所示温度接近，偏差不超过±10℃，归纳得出频率偏移值与绝缘油流速变化的关系曲线。
(6)根据变压器温度仪表读数和冷却器流速，确定平均温度和基准流速，其中基准流速为冷却器流速乘以冷却器管道总面积，再除以冷却油道总面积。
(7)将关注区外的绝缘油流偏移量速设定为一个常数，数值为平均流速的1％。
(8)对(m2+n2)个方程联立求解，可以得出关注区内(m×n)个交叉点上的频率偏移值。
(9)获取关注区内(m×n)个交叉点上的频率偏移值的原理是根据介质中的传播速度u来间接得到的，即频率偏移量是介质中传播速度的位置函数。
在获取多条声学路径的声波传播时间后，采用级数展开法重建频率偏移场。首先将重建的二维截面频率偏移值离散化，即将整个重建区域划分为(m×n)个非重叠的像素区域。为方便表示，令频率偏移函数f(x,y)＝1/u，则：
其中，wij在数值上等于第i条路径经过第j个像素的长度；li为第i条路径长度。
依次激发m个和n个发射传感器，m个和n个接收传感器分别全部接收，得到以下由(m2+n2)个方程组成的线性方程组如式(6)所示：
其中，N为重建区域划分的像素总数，即N＝m×n；M为声波测量路径总数，即M＝m2+n2；wij为权重因子，它的大小反映了第j个像素对i条测量路径的贡献值；每个方程右端的τi为第i条测量路径上的声波飞渡时间。
(10)根据声信号基准频率和频率偏移值与绝缘油流速变化的关系曲线，计算出每个交叉点的绝缘油流速平均值。
(11)根据最大流速和最小流速值设定颜色区间，通过插值填充法，绘制出关注待检测区域内的流速图像，即可以得出冷却油道区域内横截面上不均匀流速场速度图像。
以上所述仅为本发明的较佳实施过程，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，利用分布式阵列声学传感器探测变压器不同声学路径上的声信号频率偏移值，并对参量数据进行逆向求解，获得变压器测量截面上不同区域的频率变化值，得出绝缘油流速的差异，通过变压器不同位置上对应的流速值扩展绘制出流速图；
利用所述分布式阵列声学传感器探测不同声学路径上的声信号频率偏移值的方法，包括以下步骤：
(1)在变压器上部无中心结构位置的同一水平截面上，对应变压器冷却油道划定关注区域；
(2)在步骤(1)中所述关注区域对应的两侧外壁水平线上等距L分别安装m和n个电磁超声波传感器，在所述变压器关注区内形成m×n个交叉点，每个交叉点代表半径L/2内频率偏移值的平均状态；
(3)通过调整步骤(2)中所述的电磁超声波传感器的发射角度，使一个超声波传感器发射出的信号可以被对侧所有电磁超声波接收传感器接收；
(4)依次激发步骤(2)中的m+n个电磁超声波传感器的发射探头，形成m2+n2组频谱数据，每组所述的频谱数据代表声学路径上绝缘油流速变化的平均值；
(5)通过现场向步骤(1)中所述的变压器中取绝缘油，测试所述绝缘油在不同流速条件下的声信号频率偏移值，得出所述频率偏移值与绝缘油流速变化的关系曲线；
(6)根据变压器温度仪表读数和冷却器流速，确定平均温度和基准流速，其中基准流速为冷却器流速乘以冷却器管道总面积，再除以冷却油道总面积；
(7)将关注区外的绝缘油流偏移量速设定为一个常数，数值为平均流速的1％；
(8)对m2+n2个方程联立求解，得出关注区内m×n个交叉点上的频率偏移值，获取关注区内m×n个交叉点上的频率偏移值的原理是根据介质中的传播速度u来间接得到的，即频率偏移量是介质中传播速度的位置函数，在获取多条声学路径的声波传播时间后，采用级数展开法重建频率偏移场，首先将重建的二维截面频率偏移值离散化，即将整个重建区域划分为m×n个非重叠的像素区域，频率偏移函数f(x,y)＝1/u，则：
其中，wij在数值上等于第i条路径经过第j个像素的长度；li为第i条路径长度；
依次激发m个和n个发射传感器，m个和n个接收传感器分别全部接收，得到以下由m2+n2个方程组成的线性方程组如下式所示：
其中，N为重建区域划分的像素总数，即N＝m×n；M为声波测量路径总数，即M＝m2+n2；wij为权重因子，它的大小反映了第j个像素对i条测量路径的贡献值；每个方程右端的τi为第i条测量路径上的声波飞渡时间。
2.根据权利要求1所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的等距L与传感器阵列个数m的乘积对应所述关注区域水平截面的长度，等距L与传感器阵列个数n的乘积对应所述关注区域水平截面的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中电磁超声波传感器是工作温度不小于90℃的压电传感器。
4.根据权利要求1所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，所述步骤(5)中绝缘油流速设置为0.1m/s-2m/s，步长为0.1m/s。
5.根据权利要求1所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，所述步骤(5)中测试过程中绝缘油的温度与变压器温度仪表所示温度之间的偏差不超过±10℃。
6.根据权利要求5所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，根据所述变压器温度仪表所示温度，确定变压器绝缘油的平均温度，测量所述绝缘油平均温度下的基准流速对应的基准频率。
7.根据权利要求1所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中绝缘油流速变化的平均值的计算方法如下：通过获得所述步骤(1)中变压器截面上不同区域电磁超声波传感器的频率变化值，得出绝缘油流速度的差异过程，利用逆向求解方法对m2+n2个方程联立求解，得出所述步骤(1)中关注区内m×n交叉点上电磁超声波传感器的频率偏移值，再根据基准频率和所述步骤(5)中频率偏移值与绝缘油流速变化的关系曲线，计算出每个交叉点的绝缘油流速平均值。
8.根据权利要求1所述的一种变压器内部绝缘油不均匀流速场声学成像检测方法，其特征在于，通过扩展绘制出流速图的方法具体如下：根据变压器不同位置上对应的绝缘油流速值，设定最大流速和最小流速值的绘图颜色区间，再通过插值填充法，绘制出变压器待检测区域内绝缘油的流速图像。
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王子延等.超声多普勒流量计实现分区流速测量的方法研究.西安交通大学学报.2000,34(3),第13-16页. *

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