变压器局部放电超声法检测中超声传感器的应用

发布日期：2015-04-23 10:23　　　浏览次数：次

1 引言
变压器局部放电的超声法检测以其抗干扰能力强和便于定位等优势目前已成为国内外研究的热点问题。局部放电发生时,总是伴随着脉冲电流、电磁辐射以及声、光、热产生一些低分子物质等[1 ] ,局部放电的超声法检测就是针对这个过程产生的超声波信号而发展起来的。超声传感器是产生与接收超声波的元件,它将感受到局部放电的超声信号转换为电信号后输出, 它的工作频带、灵敏度和分辨率等将影响着随后的信号分析和放电源的定位。因此选择一个灵敏度及工作频带都合适,并适用于现场状况的超声传感器对变压器局部放电检测结果至关重要。
2 国内超声传感器的应用
针对变压器的局部放电的超声法检测中,目前应用最为广泛的是以压电陶瓷为材料的谐振式传感器,它利用压电陶瓷的正压电效应[2 ] ,在局部放电产生的机械应力波作用下发生形变产生交变电场。在传感器选择中,工作频带和灵敏度是两个最为重要的指标。虽然局部放电及所产生的声发射信号具有一定的随机性, 每次局部放电的声波信号频谱不同, 但整个局部放电声波信号的频率分布范围却变化不大,基本处于50～300 kHz 频段, 传感器谐振频率一般选择在150 kHz [3 ]。大量研究表明,局部放电产生的声波信号的频谱大都集中在150 kHz 左右[3 ] ,变压器的噪声频谱分布在小于65 kHz 的频率范围, 二者的频率分布明显不同,因此受噪声影响并不大。
目前商用声发射检测仪器发展比较成熟的有美国PAC 公司、美国DW 公司, 中国北京鹏翔科技和中国广州声华等。传统的超声波探头吸附在变压器外壁上进行检测,一般在探头的前端有一块环形磁铁围绕在超声波传感器周围。这种外置式压电传感器具有便于安装和移动等优点,但它有可能会因受到环境噪声比如电磁干扰的影响而使信噪比降低,它的另一个缺点就是声波传播路径的复杂性使得对于确定声波的传播速度存在很大困难,从而使精确的局部放电定位比较困难。图1 是一个模拟放电模型中的声波传播

图1 放电模型中声波传播途径模拟示意图
图1 中S 指放电源, A 1 , A 2 分别是外置式和内置式传感器的安装位置, B 是垂直于油箱的一个点,油箱内充满变压器油。局部放电发生时,对于外置式传感器,超声信号传播途径既有穿过变压器油直接到油箱内壁, 再经油箱到达传感器的路径为S A 1 的纵波, 也有以纵波传播到油箱内壁, 再以横波传播到传感器的路径为SB , B A 1 复合波, 当然也有可能是从
S 点到A 1 , B 中的一点,再传至A 1。而对于安装在内壁的传感器,接收的超声信号几乎全部是经变压器油传播得到的, 使得传播介质简化了, 这有助于定位时波速的确定。另外,变压器油对声波几乎没有衰减,而钢板虽然传播超声速度比变压器油大得多,但对超声波衰减很大, 所以对于同一次局部放电, 到达内置式传感器的波形幅值要比外置式的大很多,这对于放电量较小时也能准确地捕捉到超声信号是至关重要的。
内置式探头是为了在变压器油内检测局部放电的超声信号,因此要放置在实验室的模拟变压器油箱内部。为此,去掉探头前端的环形磁铁,改在后端加一块圆板形磁铁, 便于内置式探头吸附在油箱壁的内侧, 其内置式传感器与外置式的差别主要在于, 为了匹配不同介质的声阻抗,压电陶瓷前端起保护作用的铜片的厚度也有所不同[4 ]。从根本上讲,这两种探头是一样的,只是通过改变安装方式来提高检测的灵敏度。外置式探头见图2 ,内置式探头见图3。

图2 外置式探头
传感器安装过程中,要保证传感器能充分牢固地吸附在检测设备的壁上,中间可用耦合剂或优质黄油吸合。安装角度要保证在可以接收局部放电产生的超声信号范围内, 若事先并不知道放电位置, 可以试探着确定一个比较好的信号接收位置。这两种安装方式不同的传感器, 材料均为压电陶瓷(其中锆钛酸铅是最常用的压电陶瓷) ,共同的优点是价格便宜,这也是这种传感器获得广泛应用的原因之一。

图3 内置式探头
3 国外超声传感器发展新动向
3. 1 美国PAC 压电传感器
目前美国PAC 的声发射系统在国内已有一些应用, 该系统传感器仍然是采用压电传感器, 置放大器分为20 dB , 40 dB , 60 dB 三档可调,系统自带分析软件系统。下面是采用沿面放电模型,应用PAC 的声发射系统包括其自带超声传感器进行局部放电超声法检测(与电测法联合检测, 当从电测法观察到明显放电时) , 经40 dB 前置放大和50～300 kHz 的带通
滤波后的结果如图4 所示。

图4 PAC 超声传感器检测局部放电波形图
通过系统自带的分析软件对采集到的超声信号进行频谱分析,超声传感器检测局部放电波形图如图5 所示, 由图5 可知, 沿面放电模型的局部放电超声信号频谱中心频率在150 kHz 左右。对大量试验数据的进一步分析表明,传感器能否检测到信号与放电发生时产生超声波的能量密切相关,振动的撞击强度对传感器接收信号至关重要。测量时,当着重于灵敏度时,宜选用窄频带的传感器,因其有以共振频率为中心的带通滤波作用,可望提高信噪比S/ N , 此时如果选用宽频带传感器, 就有可能因波形混叠在一起很难辨别每次放电的各参数。当分析局部放电的频率响应特性时, 宜选用宽频带的传感器, 它有着比较平坦频率响应, 包含着比较丰富的局部放电的信息
。

图5 局部放电频谱图
3. 2 光纤传感器
光纤- 声传感器已被证实[5 ] 在局放检测中可以应用。Xiaodong Wang 等人于2006 年在IEEE 的一篇文章中指出[6 ] : 早期检测声信号的光纤传感器大都以光纤内部的干涉仪如全光纤迈克尔逊干涉仪和马赫- 曾德尔干涉仪为基础。但是信号会因发射源波长和温度引起的传播路径变化而不稳定。近年来,使用了检测声信号的光纤法布里- 珀罗传感器,与迈克尔
逊和马赫- 曾德尔光纤传感器相比,法布里- 珀罗干涉仪传感器结构更加紧凑,可达到真正的单点检测。重要的是, 传感器头和检测仪是共模的, 所以环境变化引起的各参数变化并不影响信号相位。它的检测灵敏度对于局部放电检测来说并不是足够高。理论分析和计算机仿真结果表明[7 ] : 在距离放电源100 mm 的位置, 法布里- 珀罗传感器灵敏度可达到10 pC。因事先无法确定放电源位置,传感器安装在距离放电源100 mm 以内比较困难, 距离放电源100 mm 以外时灵敏度又很难保证。
上述的传感器虽然可以应用于局部放电检测中,但灵敏度并不高, 针对传感器的缺陷, 一种高灵敏度的、用以检测变压器内部局部放电的光纤传感器被研制开发出来了[7 ]。这种光纤传感器由硅薄膜、一个带有空腔和为光纤预留一个洞的并经微机械加工的底层组成,通过机械加工封装制成。封装好的光纤传感器如图6 所示。

图6 封装好的光纤传感器
该传感器经过灵敏度, 频率响应, 分辨率3 个方面的测试。测试数据显示:当压电传感器与光纤传感器在相同条件下放置在与放电源相同距离(0. 4 m)时,压电传感器对放电声信号甚至在输出单位设置为50 mV 时仍没有响应, 而光纤传感器在单位设置为1V 时可以很清晰地捕捉到局部放电的声信号。这种传感器灵敏度对局部放电声信号检测是足够高的,对高
温, 电磁干扰, 污秽等电测法不适用的环境也同样适用。
Xiaodong Wang [8 ] 等人在对上述光纤传感器做频率响应实验中指出,对这种传感器施加由函数波形发生器产生的频率从1～100 kHz 的信号时, 得出光纤传感器谐振频率大约为90 kHz , 而对于频率超出100 kHz 的信号, 文中并没有测试, 因此并不能断定它在100 kHz 再没有更大的峰值出现。如果光纤传感器谐振频率约为90 kHz , 而局部放电中超声信号频
谱大都集中在150 kHz [3 ] , 使用谐振频率大约为90kHz 的光纤传感器测到的超声信号是否就是幅值最大的信号, 这将引发我们对两个问题的思考: ①如果光纤传感器测得的信号为幅值最大的信号,那么也就是说局部放电频谱大都集中在90 kHz , 或者不同条件下的局部放电频谱不同。②如果光纤传感器测得的信号不是幅值最大的信号,那么还可以通过重新选择谐振频率来进一步提高灵敏度,以避免放电发生时采集不到信号的现象。
4 结论
超声传感器是选择超声法局部放电在线监测中的关键技术,在实际选用中应结合工作频带,灵敏度,分辨率以及现场的安装难易程度和经济效益问题等进行综合衡量。
(1) 在灵敏度要求不高的场合, 可选用外置谐振式压电传感器;如果要求对局部放电源精确定位的场合而安装条件又允许的情况下,选择内置谐振式传感器性能更好; 光纤传感器作为一种新发展起来的技术,有着很好的发展前景,但应用有一定困难。
(2) 目前微电子机械加工技术的迅速发展为光纤传感器的封装提供了条件[7 ] ,有利于降低光纤传感器的成本,为其广泛应用提供了条件。随着传感器技术发展及对检测灵敏度要求的提高,光纤传感器将有广阔的应用前景。
(3) 对于现场状况比较复杂的场合, 在安装方式可实现的条件下可以考虑不同的传感器进行组合安装, 这种组合可以是传感器内置外置的组合, 也可以是不同传感器对同一种安装方式的组合,同一种传感器不同频带宽度的组合,这样一方面可提高检测灵敏度, 另一方面可排除干扰减少误判, 获取更为丰富的局部放电的信息。

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