CN116908857A - 特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，属于变压器检测技术领域。包括：将检测装置贴合在变压器表面上的第一位置；所述检测装置包括N个沿直线等间距阵列分布的超声波探头；利用所述检测装置进行全聚焦成像，获取一组全聚焦成像数据；将所述检测装置整体平移固定距离至下一位置并进行全聚焦成像，循环执行直至覆盖所有被检区域，获取M组全聚焦成像数据。依据M组全聚焦成像数据获取检测区域的三维成像数据；通过三维成像数据获取变压器绝缘隔板的几何偏移数据。本发明能够获取变压器内部绝缘隔板的三维立体成像，可以从多个角度观察绝缘隔板，能够更全面地了解其形态和位置，有助于发现细微的几何偏移和异常情况。
Description
技术领域
本发明属于变压器检测技术领域，具体涉及一种特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法。
背景技术
特高压变压器从外向内依次由钢质外壳、绝缘油、绝缘隔板和导体构成。绝缘隔板又叫绝缘纸板，是油浸式变压器中最常用的绝缘材料，主要用于变压器内部绝缘，防止内部导体出现放电情况，确保变压器的安全可靠运行。近年我国多次出现特高压变压器内部绝缘隔板放电故障，严重影响特高压电网安全，其主要原因是由于变压器内部绝缘隔板位置发生偏移而导致的。
虽然目前对特高压设备的状态监测和预警感知能力不断加强，但现有的油色谱、局部放电、红外、紫外等状态监测手段探测适应性不强，多属于放电或爬电发生后的过程探测，无法预测故障前状态，探测时机滞后，无法在事前对特高压变压器内部绝缘隔板的几何位置发生偏移进行有效检测。
因此，就需要一种能够精确探测特高压变压器内部绝缘隔板几何位置，以便对其偏移情况进行检测的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，包括：
将检测装置贴合在变压器表面上的第一位置；所述检测装置包括N个沿直线等间距阵列分布的超声波探头；
利用所述检测装置进行全聚焦成像，获取一组全聚焦成像数据，每组全聚焦成像数据均包含N×N组数据；
将所述检测装置整体平移固定距离至下一位置并进行全聚焦成像，循环执行直至覆盖所有被检区域，获取M组全聚焦成像数据。
依据M组全聚焦成像数据获取检测区域的三维成像数据；
通过三维成像数据获取变压器绝缘隔板的几何偏移数据。
进一步的，利用所述检测装置进行全聚焦成像的方法包括：
所述检测装置依次激发单个超声波探头以发射超声波，每激发一个超声波探头后，所有超声波探头并行接收回波信号，所接收到的回波信号为Aij，i,j＝1,2,…,N；
利用全聚焦成像算法对Aij做处理后成像。
进一步的，其特征在于：利用全聚焦成像算法对Aij做处理后成像的方法包括：构建XOY直角坐标系，以第一个超声波探头的底面中心为原点O，以超声波探头的排列方向为X轴，以超声波探头的探测方向为Y轴。
进一步的，其特征在于：利用全聚焦成像算法对Aij做处理后成像的方法还包括：将待检测的成像区域进行离散，划分为不同的离散聚焦点，对每个离散聚焦点，将Aij中所有与该离散聚焦点相关的振幅信号进行延时叠加。
进一步的，其特征在于：离散聚焦点P的延时叠加结果 P点的坐标为(xp,yp)，tij(xp,yp)为由超声波探头i所发射、经点P反射后由超声波探头j所接收的超声波的传播时长。
进一步的，其中D1为超声波在变压器外壳中的行程，D2为超声波在变压器绝缘油中的行程，C1为超声波在变压器外壳中的传播速度，C2为超声波在绝缘油中的传播速度。
进一步的，M组全聚焦成像数据表示为B(zk)，k＝1,2,…,M，zk表示Z轴坐标，Z轴以O为原点且均与XY轴垂直，zk＝(k-1)×d，d为检测装置每次沿Z轴的平移距离。
进一步的，依据M组全聚焦成像数据获取检测区域的三维成像数据的方法包括：将M组全聚焦成像数据转换为柱坐标系。
进一步的，相邻超声波探头之间距离L≤2H×tanθ，其中λ为超声波探头所发射声波的波长，d为超声波探头晶片的直径，H目标探测深度的最小值，θ为超声波探头的半扩散角。
进一步的，所述超声波探头的数量N＝2n，n＝2,3,4,…。
进一步的，所述超声波探头为单晶探头，频率为1MHz-1.5MHz，晶片直径为15mm-25mm。
近年我国特高压变压器多次发生因内部绝缘隔板位置发生偏移或脱落而导致的放电故障，严重影响特高压电网安全。为了对变压器状态进行监测，现有手段有油色谱、局部放电、红外、紫外等，但是目前的检测(监测)设备还处于数据统计、波形曲线显示的水平，其准确性、有效性、易用性和可评估性还有待于提高，红外成像技术使电力设备的温度检测(监测)实现了温度可视化检测，紫外成像技术实现了高电压设备的表面爬电成像检测。但这些监测手段探测适应性不强，多属于放电或爬电发生后的过程探测，无法预测故障前状态，探测时机滞后，无法在事前对特高压变压器内部绝缘隔板的几何位置发生偏移进行有效检测。
针对这种情况，在超高压设备运维中，需要对变压器进行内检，以查看内部隔板的位置状态。但目前对变压器等设备的内检需要经过停电、排油、内检、抽真空、注油、静置、耐压试验等一系列复杂工序，存在较大风险，对电网调度也造成影响。如果有一种能够像透视人体内部一样透视到变压器等电力设备内部的检测仪器、检测方法，那么变压器内部隔板的状态检测、故障诊断将变得十分简单。因此，研究针对变压器内部隔板的非侵入式探测方法十分必要。
在现代非侵入式无损检测领域，声学成像技术因为其能够直观地表达被检对象的内部结构和变形信息，近些年得到了巨大的发展和应用。
声学成像非侵入测量技术核心是相控阵技术，超声相控阵检测技术通过电子方法控制换能器阵列晶片的激发延时，使各阵元发射的声束在设定深度处产生相长干涉、形成聚焦声场，具有检测效率快、分辨力和灵敏度高、缺陷检出率高、灵活性好等优点，适用于复杂形状工件的检测。此外，相控阵检测技术以其特有的变深度聚焦和角度偏转功能，能有效地避免常规单晶聚焦探头因焦点固定、角度受限而引起的缺陷漏检、误检,提高了检测效率和缺陷检出率。
相对于常规超声相控阵检测，基于全聚焦的超声相控阵成像方法在不改变声波发射次数的情况下，以后处理的方式获得了与采用任意多数量合成声束时完全相同的检测结果，突破了常规阵列超声检测方法的检测能力极限，大幅提升了检测灵敏度和分辨率，更适合对内部绝缘隔板精确位置的检测。
但是，特高压变压器的结构复杂，自外向内可概括为钢-油-纸-铜四层结构，其中铁指变压器的钢制外壳，为变压器提供保护和支撑结构；油指绝缘油或变压器油，它填充在变压器内部，将变压器的内部部件浸泡在油中，提供绝缘和冷却的功能；纸指绝缘纸板或绝缘隔板，设置在油中浸泡的绕组和其他内部部件周围，提供绝缘和隔离；铜指绕组或导线。
在利用超声波检测内部绝缘隔板的精确位置时，超声波需要穿过外侧的变压器外壳和内部的绝缘油两种介质，但常规的全聚焦的超声相控阵成像技术均以单层介质检测为对象，换能器直接与工件耦合检测，因此常规的全聚焦成像技术不适合对内部绝缘隔板的检测。
针对上述情况，本申请提出针对变压器内部绝缘隔板的全聚焦成像方法，能够计算变压器外壳和绝缘油两层介质全聚焦成像中各阵元的延迟时间，实现对绝缘隔板外表层的成像。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明提出一种针对特高压变压器内部绝缘隔板的检测方法，属于非侵入检测方法，能够在不对变压器进行停电排油的情况下，准确探测绝缘隔板的几何位置，实现对绝缘隔板偏移的检测。本发明能够及早识别出绝缘隔板的偏移故障，帮助工作人员及时采取措施进行修复或更换，避免绝缘隔板偏移故障进一步发展导致变压器放电故障，提高了变压器的安全性和可靠性。
本发明针对特高压变压器铁-油-纸的介质结构，提出一种利用超声波的全聚焦成像方法，能够获取变压器内部绝缘隔板的三维立体成像，可以从多个角度观察绝缘隔板，能够更全面地了解其形态和位置，有助于发现细微的几何偏移和异常情况。
本发明利用阵列分布的超声波探头进行全聚焦成像，全聚焦成像能够将来自不同探头的回波信号进行叠加和延时处理，从而提高成像的分辨率，通过叠加各个探头的信号，可以获得更清晰、更详细的成像结果，有助于准确检测绝缘隔板的几何位置偏移。
全聚焦成像能够在扫描区域内的任意位置实现全方位的声压成像，它利用波的迭加原理，将所有探头发射声波的共同作用考虑在内，使得成像结果能够覆盖整个检测区域，不受特定角度或位置的限制。全聚焦成像可以自适应地调整焦点位置和聚焦深度，以适应不同检测区域的要求，通过计算声波传播的最短路径和延时叠加，能够实现在不同深度和位置处获得清晰的成像结果，提高了成像的准确性和可靠性。
全聚焦成像可以对获得的多组全聚焦成像数据进行坐标转换，从而获得检测区域的三维成像数据，这种能力能够更全面地了解绝缘隔板的形态、位置，通过分析绝缘隔板的几何偏移信息，能够获取绝缘隔板可能存在的异常情况。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1：本发明超声波探头间距计算示意图；
图2：本发明的流程图；
图3：本发明坐标系的示意图；
图4：本发明全聚焦成像示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
本申请所提供的检测方法利用绝缘隔板几何位置偏移检测装置实现。可参阅图3、4所示，所述检测装置包括沿直线等间距阵列分布的N个超声波探头，N＝2n，其中n为整数且大于1；所有超声波探头的探测方向均平行。超声波探头为圆形的单晶探头，频率为1MHz-1.5MHz；为适应变压器大声程的特点，单晶探头晶片的直径为15mm-25mm。
如图1所示为两个相邻的超声波探头，超声波探头的声束进入远场区后其横截面积逐渐扩大，以一定角度进行扩散，这个扩散角度称为半扩散角。对变压器来说，其厚度约为10mm的钢质外壳位于超声波探头的近场区，因此从超声波探头到钢-油(变压器外壳-绝缘油)界面时，并未产生扩散，结合惠更斯原理，可以将声波产生位置视为钢-油界面进行半扩散角计算。
结合图1，超声波探头的半扩散角为θ，目标探测深度≥H，为确保检测装置能够全覆盖至少H的探测深度，则相邻超声波探头之间距离L≤2H×tanθ，其中λ为超声波探头所发射声波的波长，d为超声波探头晶片的直径。
以频率为1.5Mhz，直径为15mm超声波探头为例，1.5Mhz声波在绝缘油中的波长半扩散角/>如果待探测绝缘隔板的深度至少为100mm，即探测深度H＝100mm，则超声波探头之间距离L应不超过2×100×tan4.34°，即不大于15.2mm。
参阅图2-图4，本实施例的目的是提供一种特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法。如图2所示，所述检测方法包括：
步骤S1，将检测装置贴合在变压器表面上的第一位置。
特高压变压器尺寸大，表面上具有能够适配所述检测装置的平面，使所述检测装置的超声波探头均能与变压器表面耦合。
步骤S2，利用检测装置进行全聚焦成像。
检测装置依次激发单个超声波探头以发射超声波，每激发一个探头后，所有超声波探头并行接收回波信号，最终获得全部探头发射-接受的回波数据，定义为Aij，Aij即为一个A扫数据。若检测装置中包含N个超声波探头，则Aij将是一个N×N的矩阵。其中i表示发射超声波的探头序号，i＝1,2,…,N；j表示接收回波的探头序号，j＝1,2,…,N。
随后利用全聚焦成像算法对A扫数据Aij的N×N组数据做处理后成像。
根据波的迭加原理，几列波在均匀介质中传播相遇时的振动是各列波的线性叠加，其幅值也是各列波在此点的矢量和，且几列波相遇后仍保持着各自的特性按照原来传播方向继续传播。因此，在全聚焦算法的扫描区域内，任何一点的振动可以认为是所有阵元发射声波的共同作用，那么待测区域内任意一点的声压幅值即为每一个声波在此点的声压幅值之和。
但检测装置激发超声波探测内部绝缘隔板几何位置时，超声波将穿过变压器外壳及绝缘油两层均匀介质。依此构建如图4的坐标系，其中以第一个超声波探头的底面中心为原点O，以超声波探头的排列方向为X轴，以超声波探头的探测方向为Y轴，Y轴垂直于X轴，即垂直于超声波探头的底面。图4中还定义有Z轴，Z轴与X轴和Y轴均垂直，Z轴用于指示检测装置在探测时的移动方向。
图4中选择一个虚拟聚焦点P，由探头i发射的声波经P点反射后由探头j接收，该束声波在穿过不同介质时会发生折射，两个折射点(第一折射点和第二折射点)分别定义为T和R，发射点为I，接收点为J。发射点I的坐标定义为(xi,0)，接收点J的坐标定义为(xj,0)，聚焦点P的坐标定义为(xp,yp)，折射点T的坐标定义为(xt,yt)，折射点R的坐标定义为(xr,yr)。
根据费马原理，声束总是沿所需时间最短的路径传播，因此超声波从发射点I发射经聚焦点P到接收点J的总时间其中C1为超声波在变压器外壳中的传播速度，C2为超声波在绝缘油中的传播速度，Dit为发射点I到折射点T之间距离，Drj为折射点R到接收点J之间距离，Dtp为折射点T到聚焦点P之间距离，Dpr为聚焦点P到折射点R之间距离。
其中H为变压器外壳的厚度，xi和xj可依据探头的宽度及相邻探头之间的间距获得。
若折射点T处的入射角设为θ1，折射角设为θ2，则由折射定律可知sinθ1/sinθ2＝c1/c2，即同理可知/>由上述已知量，即可求解tij。
随后利用延时叠加法则，将经聚焦点P的，所有发射-接收的超声回波信号进行叠加，即将A扫数据Aij中所有与聚焦点P相关的振幅信号进行延时叠加，可获得表征该成像点的完整幅值
将待检测的成像区域进行离散，划分为不同的离散聚焦点，采用上述方法，即可完成整个检测区域的全聚焦成像。本步骤执行后，获得第一组全聚焦成像数据，表示为B(z1)，此时Z轴坐标为0，B(z1)包含N×N组数据。
步骤S3，将检测装置整体平移至下一位置并进行全聚焦成像，循环执行直至覆盖所有被检区域，获取M组全聚焦成像数据。
将检测装置沿Z轴方向整体平移，平移后检测装置的阵列方向应与原X轴平行，并应确保每次的平移距离均相同。每次平移后，均利用步骤S2获取一组N×N的全聚焦成像数据B(zk)，其中k＝1,2,…,M，zk表示Z轴坐标，zk＝(k-1)×d，d为检测装置每次沿Z轴的平移距离。
在循环执行直到完全待检测区域的完全覆盖后，结合步骤S2的结果，最终获取M个位置的全聚焦成像数据，每个位置的全聚焦成像数据均包含N×N组数据，即最终获取M组N×N的全聚焦成像数据。
当然，也可以利用待检测区域的尺寸确定检测装置沿Z轴方向总的平移距离s，确定需要获取的全聚焦成像数据共M组，则可确定检测装置每次沿Z轴的平移距离d＝s÷(M-1)。
步骤S4，依据M组全聚焦成像数据获取检测区域的三维成像数据。
对M组全聚焦成像数据进行坐标转换，转换为柱坐标系，获取检测区域的三维成像数据。
步骤S5，通过三维成像数据获取变压器绝缘隔板的几何偏移数据。
柱坐标系以目标为中心，使用距离、角度和深度等参数来描述目标的位置和形状。这样转换后的图像将提供更直观的空间感知。通过形成的三维立体成像，可以从多个角度观察绝缘隔板，完成对特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测。
通过三维成像数据能够更全面地了解绝缘隔板的形态、位置。通过分析绝缘隔板的几何偏移信息，能够获取绝缘隔板可能存在的异常情况。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：包括
将检测装置贴合在变压器表面上的第一位置；所述检测装置包括N个沿直线等间距阵列分布的超声波探头；
利用所述检测装置进行全聚焦成像，获取一组全聚焦成像数据，每组全聚焦成像数据均包含N×N组数据；
将所述检测装置整体平移固定距离至下一位置并进行全聚焦成像，循环执行直至覆盖所有被检区域，获取M组全聚焦成像数据。
依据M组全聚焦成像数据获取检测区域的三维成像数据；
通过三维成像数据获取变压器绝缘隔板的几何偏移数据。
2.根据权利要求1所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：利用所述检测装置进行全聚焦成像的方法包括：
所述检测装置依次激发单个超声波探头以发射超声波，每激发一个超声波探头后，所有超声波探头并行接收回波信号，所接收到的回波信号为Aij，i,j＝1,2,…,N；
利用全聚焦成像算法对Aij做处理后成像。
3.根据权利要求2所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：利用全聚焦成像算法对Aij做处理后成像的方法包括：构建XOY直角坐标系，以第一个超声波探头的底面中心为原点O，以超声波探头的排列方向为X轴，以超声波探头的探测方向为Y轴。
4.根据权利要求3所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：利用全聚焦成像算法对Aij做处理后成像的方法还包括：将待检测的成像区域进行离散，划分为不同的离散聚焦点，对每个离散聚焦点，将Aij中所有与该离散聚焦点相关的振幅信号进行延时叠加。
5.根据权利要求4所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：离散聚焦点P的延时叠加结果P点的坐标为(xp,yp)，tij(xp,yp)为由超声波探头i所发射、经点P反射后由超声波探头j所接收的超声波的传播时长。
6.根据权利要求5所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：其中D1为超声波在变压器外壳中的行程，D2为超声波在变压器绝缘油中的行程，C1为超声波在变压器外壳中的传播速度，C2为超声波在绝缘油中的传播速度。
7.根据权利要求6所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：M组全聚焦成像数据表示为B(zk)，k＝1,2,…,M，zk表示Z轴坐标，Z轴以O为原点且均与XY轴垂直，zk＝(k-1)×d，d为检测装置每次沿Z轴的平移距离。
8.根据权利要求1所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：依据M组全聚焦成像数据获取检测区域的三维成像数据的方法包括：将M组全聚焦成像数据转换为柱坐标系。
9.根据权利要求1所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：相邻超声波探头之间距离L≤2H×tanθ，其中λ为超声波探头所发射声波的波长，d为超声波探头晶片的直径，H目标探测深度的最小值，θ为超声波探头的半扩散角。
10.根据权利要求1所述的特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法，其特征在于：所述超声波探头为单晶探头，频率为1MHz-1.5MHz，晶片直径为15mm-25mm。
Priority Applications (1)
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| CN202310853725.4A CN116908857A (zh) | 2023-07-12 | 2023-07-12 | 特高压变压器内部绝缘隔板几何位置偏移的检测方法 |
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| CN116908857A true CN116908857A (zh) | 2023-10-20 |
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2023
- 2023-07-12 CN CN202310853725.4A patent/CN116908857A/zh active Pending
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