專利名稱：一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種變壓器局部放電檢測的方法，特別涉及一種變壓器局部放電的超聲檢測方法及其裝置。
背景技術：
目前的大型電力變壓器多為油浸式電力變壓器，其絕緣結構主要由油、紙、紙板和其它固體絕緣等構成的固體一油絕緣結構。雖然在設計上具有足夠的電氣強度和優(yōu)良的機械性能，但是制造過程中的偶然因素會造成一些先天性局部缺陷，如氣泡、裂縫、懸浮導電質(zhì)點和電極毛刺等。正是這些缺陷會造成絕緣體內(nèi)部或表面出現(xiàn)某些區(qū)域電場強度高于平均電場強度，當這些區(qū)域的擊穿場強低于平均擊穿場強時，將會首先發(fā)生放電、而其它區(qū)域仍保持絕緣特性，從而形成局部放電。局部放電是變壓器長期運行中絕緣劣化的一個重要征兆。電氣設備的絕緣結構如果長時間發(fā)生持續(xù)的局部放電，絕緣介電性能可能會嚴重受損，如果局部放電故障一直未被發(fā)現(xiàn)和處理，最終可能導致電氣設備發(fā)生故障，引起局部甚至全部地區(qū)的災難性停電事故。解決變壓器故障問題最為有效的方法就是變壓器局部放電在線檢測，局部放電測量是監(jiān)測變壓器絕緣狀況的重要診斷工具。研究發(fā)現(xiàn)，在絕緣材料內(nèi)部局部放電過程中，通常伴隨著很多物理現(xiàn)象，如電磁現(xiàn)象(電脈沖、電磁輻射等)和非電磁現(xiàn)象(氣體、壓力變化、光、熱等)。利用放電過程產(chǎn)生的電信息或非電信息，可以對局部放電源進行定位，提供局部放電的憑據(jù)和類型。根據(jù)測量信息的不同，可以將局部放電檢測方法分為電測法和非電測法兩大類。超聲波法是一種非常重要的非電測類局部放電檢測方法，主要是通過超聲波傳感器接收電氣設備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波。超聲檢測法已經(jīng)被廣泛應用于地震監(jiān)測、無損檢測和全球定位系統(tǒng)等領域。在電力方面，超聲波法是目前變壓器絕緣檢測領域的重要發(fā)展方向，它具有抗電氣干擾能力強、定位方便等特點。關于超聲波法局部放電檢測的研究，按超聲探頭位置，超聲波法可分為內(nèi)置式和外置式兩類。內(nèi)置式傳感器接收到的波形幅值比外置式大很多，利于檢測小放電量工況。由于變壓器內(nèi)部絕緣結構復雜，導致局部放電聲信號的傳播情況也無法準確預知，等值聲速難以精確計算。此外，由于傳感器接收的復合聲波前沿不能準確確定，加之定位算法不夠完善，使得局部放電信號提取與故障點定位精度受到影響。目前，信號前沿確定方法、定位算法是超聲定位研究的熱點和發(fā)展方向。國內(nèi)外有關學者對于如何有效解決上述問題進行了深入研究，并提出了一系列新的理論和方法。綜合國內(nèi)外對超聲波法的研究，可分為基于聲波時差和基于聲場的兩類:基于聲波時差的方法居多，如三角定位法、雙曲面定位法、V型曲線法、順序定位法和模式識別法等方法。三角定位法以局部放電電信號作為觸發(fā)基準，通過三個(或以上)傳感器測量超聲波信號與電信號的時間差，以此作為超聲信號的傳播時間，并建立球面方程求解局部放電點。雙曲面定位法，通過四個(或以上)超聲傳感器，以最先接收到的超聲脈沖為時間基準，測量其他超聲信號與標準信號的時延，由此建立雙曲面方程組求解局部放電點。在上述方法中，通常假定聲速為常數(shù)，實際上由于變壓器結構復雜，各種聲介質(zhì)對聲波及聲速的影響都不一樣，因此定位誤差很大。盡管研究人員在基于最小二乘原理方法上進行了改進，一定程度上降低了傳播路徑對聲速的影響，提高了定位精度，但改進方法仍然簡化認為各路超聲波信號聲速相等，沒有從根本上解決問題。在定位算法上的改進，還包括混沌遺傳算法和改進的粒子群優(yōu)化算法等?？傮w而言，這類方法的共性之處都是利用聲波的時延性，由于變壓器內(nèi)部結構復雜，各種聲介質(zhì)對聲速影響不同，超聲波傳播時發(fā)生多次折、反射，再加上現(xiàn)場各種噪聲的影響，算法不盡完善等，實際的時延估計不能準確的得到用于定位的時間信息，給定位造成一定的誤差，甚至難以成功定位。基于聲場類的定位方法還不多見。目前比較有特色的工作是聲壓數(shù)據(jù)庫查表法。該方法的主要原理是:直接將變壓器的局部放電點設定為超聲波發(fā)射源，并進行聲場分析計算，求出繞組上任何位置的點聲源在超聲波傳感器陣列上激發(fā)的聲壓。同時，建立一個聲壓數(shù)據(jù)庫，將超聲波傳感器陣列檢測到的超聲波信號聲壓和數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)進行比對，得出放電點的空間幾何位置，從而實現(xiàn)局部放電的精確定位。這種方法的優(yōu)勢在于可以進行多點定位，不足之處在于，為構建數(shù)據(jù)庫，需要對多源、任何位置、各種放電量等參數(shù)進行交叉離散。為實現(xiàn)高精度的定位，每個參數(shù)的采樣率多，整體而言需要海量的樣本量，構建過程所需時間難以承受，甚至是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提出一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法。本發(fā)明利用聲源重建的方法進行超聲源定位。變壓器局部放電產(chǎn)生脈沖電流，脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場，脈沖電流和脈沖磁場二者相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)超聲信號，變壓器的放電點為超聲源點。超聲信號在變壓器內(nèi)部從放電點傳播開來，由安裝在變壓器內(nèi)部的多個超聲傳感器組成的傳感器陣列接收超聲信號，根據(jù)變壓器內(nèi)聲波的傳播模型，采用時間反轉(zhuǎn)的逆源分析，反演重建聲源，進行局部放電點的定位，同時獲取放電量信息，估計放電量大小。本發(fā)明變壓器局部放電超聲源重建的定位方法包含兩個步驟:步驟1、布置在變壓器內(nèi)部的超聲傳感器陣列獲取超聲傳感器接收到的聲場信息數(shù)據(jù)；步驟2、根據(jù)變壓器內(nèi)部的結構和介質(zhì)特性，建立變壓器內(nèi)部的聲場的數(shù)學物理模型，利用時間反轉(zhuǎn)的逆源方法，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號，反演重建聲源，從而估計超聲源的位置和超聲源強度，實現(xiàn)變壓器局部放電的定位和放電量估計。本發(fā)明利用時間反轉(zhuǎn)的聲源重建方法，是利用聲場的互易原理實現(xiàn)聲源的定位。超聲源、變壓器聲傳播模型、超聲傳感器陣列是定位的三要素。變壓器局部放電時，根據(jù)法拉第電磁感定律，局部放電過程中產(chǎn)生的脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場，二者相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)超聲。超聲從變壓器的放電點，即超聲源發(fā)射出來，經(jīng)過變壓器內(nèi)部，傳輸至超聲傳感器接收陣列，由超聲傳感器接收陣列記錄聲壓信號。超聲傳感器接收陣列接收到的聲壓信號重新發(fā)射出去，形成逆發(fā)射，再經(jīng)過變壓器內(nèi)部的重新傳播之后，在原超聲源位置形成聚焦，據(jù)此可以實現(xiàn)聲源的定位。聚焦形成的聲源的強度大小反映了變壓器的放電點放電量大小，根據(jù)聚焦形成聲源的強度，再通過校準，可估算放電量。超聲傳感器接收陣列記錄到的聲壓的逆發(fā)射過程是利用數(shù)值計算方法實現(xiàn)。在變壓器內(nèi)的介質(zhì)中，聲壓的傳播特性可以利用時域的聲波方程來描述，
權利要求
1.一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法，其特征在于所述的方法為:變壓器局部放電產(chǎn)生脈沖電流,脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場,脈沖電流和脈沖磁場的相互作用,產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)超聲信號；變壓器的放電點為超聲源點；超聲信號在變壓器內(nèi)部從放電點傳播開來，由安裝在變壓器內(nèi)部的多個超聲傳感器組成的傳感器陣列接收所述的超聲信號；根據(jù)變壓器內(nèi)聲波的傳播模型，采用時間反轉(zhuǎn)的逆源分析，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號反演重建聲源，進行局部放電點的定位，同時獲取放電量信息，并估計放電量大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的變壓器局部放電超聲源重建的定位方法，其特征在于所述的變壓器局部放電定位方法包含兩個步驟: 步驟1、由布置在變壓器內(nèi)部的超聲傳感器陣列獲取超聲傳感器接收到的聲場信息數(shù)據(jù)； 步驟2、根據(jù)變壓器內(nèi)部的結構和介質(zhì)特性，建立變壓器內(nèi)部的聲場的數(shù)學物理模型，利用時間反轉(zhuǎn)的逆源方法，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號，反演重建聲源，從而估計超聲源的位置和超聲源強度，實現(xiàn)變壓器局部放電的定位和放電量估計。
3.根據(jù)權利要求2所述的變壓器局部放電超聲源重建的定位方法，其特征在于所述的步驟2中，利用時間反轉(zhuǎn)的逆源分析，由超聲傳感器陣列接收到的超聲信號反演重建聲源的方法為:利用聲場的互易原理實現(xiàn)聲源的檢測與定位；超聲源、變壓器聲傳播模型、超聲傳感器陣列是定位的三要素；局部放電時，超聲從聲源發(fā)射出來，經(jīng)過變壓器內(nèi)的傳輸，到達超聲傳感器接收陣列，從而記錄到聲壓信號；超聲傳感器接收陣列接收到的聲壓信號重新發(fā)射出去，形成逆發(fā)射，經(jīng)過變壓器內(nèi)部的重新傳播之后，在原來聲源的位置形成聚焦，實現(xiàn)聲源的定位；洛倫茲力激發(fā)的超聲攜帶放電點信息；利用超聲傳感器接收到的超聲信號逆發(fā)射，聚焦形成的聲源的強度大小反映放電量大小；根據(jù)聚焦形成聲源的強度，再通過校準，實現(xiàn)放電量的估計；超聲傳感器接收陣列記錄到的聲壓的逆發(fā)射過程是在計算機中利用數(shù)值計算方法實現(xiàn)的；首先，記錄超聲傳感器陣列中各個傳感器接收到超聲信號P1,P2,...Pn;然后，根據(jù)聲壓波動方程和變壓器聲傳播模型，利用時間反轉(zhuǎn)法由各個超聲傳感器接收到的信號P1, P2，...Pn計算反向聲場P' 1;Ρ' 2，...Ρ' ;再將反向聲場疊加得到聚焦聲場，實現(xiàn)聲源的重建。根據(jù)聚焦聲場的位置和強度確定放電點位置和估計放電量大小。
4.應用權利要求1至3任一所述的定位方法的定位裝置，其特征在于所述的定位裝置包含超聲傳感器陣列、濾波放大器、數(shù)據(jù)采集器和計算機；超聲傳感器接收陣列由多個內(nèi)置于變壓器中的超聲傳感器組成，每個超聲傳感器與濾波放大器相連，超聲傳感器接收到的超聲信號經(jīng)過帶通濾波和放大，濾除不相關的干擾信號，提取有用的通帶內(nèi)的超聲信號，并放大微弱的超聲信號；濾波放大器與數(shù)據(jù)采集器相連；數(shù)據(jù)采集器與計算機相連；信號采集器將信號模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸給計算機，在計算機中利用實現(xiàn)超聲源的重建。
全文摘要
一種變壓器局部放電超聲源重建的定位方法及裝置，變壓器局部放電的脈沖電流激發(fā)洛倫茲力超聲信號，在變壓器內(nèi)部安裝由多個超聲傳感器組成的傳感器陣列，記錄超聲傳感器接收到的超聲信號，根據(jù)變壓器內(nèi)聲波的傳播模型，采用時間反轉(zhuǎn)的逆源分析方法進行超聲源的反演，進行局部放電點的定位，同時獲取放電量信息，并估計放電量大小。
文檔編號G01R31/12GK103149513SQ201310060568
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權日2013年2月26日
發(fā)明者夏正武, 劉國強, 李艷紅, 吳清龑, 夏慧, 李士強 申請人:中國科學院電工研究所