超声波内外置传感器的研究

1、变压器局部放电超声波检测中内外置传感器检测方式的研究 超声波是电力变压器局部放电检测的重要方法，以往都是将传感器置于变压器外进行检测。为了克服灵敏度低的缺点，本文提出了将超声波传感器置于变压器内部油中检测的新方法，在实验室建立了针板，沿面，内部和悬浮4种典型局部放电模型，采用可同时在油内外检测的超声波检测系统测量模拟变压器内额局部放电。通过实验验证了油内超声波检测的可行性，并从时域波形，信号幅值和频谱三个方面对比了油内外进行超声检测的差异，说明了油内超声检测的信号幅值是油外的1.5-3.8倍。1、 声学中的基本概念1、 波的种类根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系可以分为纵波，横波，表面

2、波等。弹性介质当受到交替变化的拉应力和压应力作用时，就相应的产生交替变化的伸长和压缩变形，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻质点而在介质中传播。此时介质质点的振动方向和波动的传播方向相同，这种波称为纵波，用符号“L”表示。任何弹性介质在体积变化时都能产生弹性力，所以纵波可以在任何弹性介质（固体，液体，气体）中传播。固体介质除具有体积弹性外，还具有剪切弹性。固体介质当受到交变的剪切力作用时，将会相应的发生交变的剪切变形，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动，振动又作用于相邻的质点而在介质中传播。此时介质质点的振动方向和波动的传播方向垂直，这种波称为横波。用符号“T”表示。液体和气体中由

3、于没有剪切弹性，所以横波只能在固体中传播。固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振动和横向振动。结果使质点做这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置做椭圆振动，椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波称为表面波。用符号“R”表示。一般认为当表面波传播的深度大于两个波长时，质点振动的振幅已经很小，波的传播截止了。2、 声压声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声波存在时同一点的静态压强之差称为声压，用符号“P”表示，单位为Pa。超声波在介质中传播时，介质每一点的声压随时间，距离而变化。由式2-1可知，声压的绝对值与波速成正比，也与角频率成正比。故超声波与可闻

4、声波相比，其声压很大。P=-AWPCsin(t-x/c)=pcv3、 声阻抗声阻抗Z；从P=pcv可知，在声压P相同的情况下，pc越大，质点振动速度v越小，反之，pc越小，质点振动速度v越大。所以把pc称为介质的声阻抗，它表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。Z=P/V=PC1声阻抗在数值上等于介质的密度与超声波在介质中声速的乘积。由此可知，密度变化对声阻抗也有一定的影响。2、 变压器局部放电超声超声波的原理电力变压器局部放电，是指变压器内绝缘存在气泡，杂质等，当外施交变高压时，缺陷出将发生局部的，重复的击穿。该现象通常是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生，表现为绝缘体内气体掺入

5、物的击穿，小范围内气体或液体介质的局部击穿或固体介质的沿面放电等。产生局部放电的条件取决于绝缘装置中的电场分布和绝缘的电气物理性能。局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。其能量和空间虽微小，但日积月累，则在一定条件下可能造成绝缘装置的电气强度的降低，导致绝缘最总损坏，酿成供电事故。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于高压电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘的缺陷很好的相互印证。即根据局部放电特征可以确定电气设备绝缘水平。运行中的电力变压器内部发生局部放电时，其局部放电量的大小在一定程度上反映了绝缘缺陷的状况，放电

6、功率的强弱反映了绝缘老化过程能力变化的强弱，而放电次数与放电间隔则反映了绝缘变化的速度和程度。当局部放电发展到严重阶段时，便使固体绝缘材料和油迅速分解，导致整个绝缘被击穿。因此检测局部放电的各种特性就能够知道设备的绝缘状况。绝缘介质局部放电有2种类型；一种是气泡内放电；另一种是介质在高场强作用下游离击穿。一些浇注，挤压的绝缘介质容易夹杂着气隙或气泡，空气的介电系数较固体介质较小，而场强与介电常数成反比。因此，介质中的气隙或气泡是第一种局部放电的发源地；当局部电场更高时，在绝缘薄弱环节处将引起介质的游离击穿。以上两种局部放电，在多数情况下往往同时发生或互相渗透。第一类放电的特征是均匀、密集，如金

7、属板电极间的油纸放电，第二类放电的特征是间断，大脉冲，如针对板放电。在电力变压器内发生局部放电时，不但会产生高频脉冲电流信号，同时还会伴随着爆裂状的声发射，产生超声波信号。一般认为，局部放电产生超声波是由于局部体积变化引起的，也就是说当局部放电发生时，变压器有绝缘被击穿，电荷运动形成电流，产生热量，导致变压器油受热膨胀，局部体积在很短的时间增大；局部放电结束后，电流消失，变压器油冷却收缩。这种一胀一缩的体积变化引起了介质的疏密变化，形成产生波，从局部放电源以球面波的方式向四周传播，通过绝缘到达油箱壁。该理论忽略了空间电荷移动所产生的冲击超声波，因而无法取得局部放电与超声波特征之间的关联关系。3

8、、 超声波传感器的选择1. 超声波传感器频率范围的确定为了排除干扰，提高检测灵敏度，要求对变压器绝缘局部放电的超声信号频谱和干扰信号的频谱有较清楚的了解，以找出合适的检测频带，最大限度的提高检测系统的效率。由于绝缘介质的微观随机性，并且实际上每次局部放电击穿破坏了造成该局放产生的条件，不平衡是绝对的。电场强度的阶梯分布越陡峭，这种随机变化越激烈。所以，即使同一的放电结构，同一的外施电压，伴随每次局部放电的超声波的能量分布是不同的，超声波信号的频谱也不同，主要表现为频谱峰值频率的变化，但整个局部放电超声波信号的频率分布范围却变化不大。大量的频谱研究结果表明，局部放电时产生的超声波的能量集中在50

9、KHZ300KHZ频段，其峰值频率主要在70KHZ150KHZ之间。发电厂或变电站的现场干扰也是觉得传感器频率范围的重要因素。因为超声波传感器测量的并非电气信号，可以暂时不考虑电磁干扰的问题。一般说来，现场的主要声信号干扰有变压器冷却装置噪声和变压器铁芯产生的磁噪声。冷却装置的噪声是由于冷却风扇和变压器油泵的振动而产生的，其根源在于；冷却风扇和变压器油泵在运行时产生的振动，其中变压器油泵产生的噪声较小，可以忽略；变压器本体的振动有时也可能通过绝缘油，管接头及其装配零件等，传递给冷却装置，使冷却装置的振动加剧，辐射的噪声加大。此类噪声的频率相对较低，一般认为在6001000HZ。电力变压器的铁芯

10、在运行时会发生磁噪音，在超声波检测过程中是稳定的，严重的干扰信号。变压器的铁芯由铁磁材料组成，内部存在大量磁畴。在磁化时，磁畴的磁矩将趋于外磁场方向。铁磁材料的不可逆磁化阶段中，磁化是不连续的，随着磁场强度的增加，磁感应强度有几次跃变，然后稳定下来，这主要是由于畴壁位移磁化的跳跃引起的，称为巴克豪森跳跃，和巴克豪森跳跃联系在一起的磁畴的迅速转动引起的声发射，称为巴克豪森噪声（BN）。这一现象的特点是在材料磁化曲线的转折点附近有明显的声发射脉冲信号。铁磁材料在磁化过程中的另一个现象是磁滞伸缩，即铁磁材料在外磁场方向伸长，而在垂直磁场的方向缩短（有些铁磁材料的情况刚好相反）。因此，铁磁材料内部应力

11、是各向异性的，由于这种内应力，磁畴在磁化过程中转动呈阶梯式变化，在铁磁材料内部激起应力弹性波，这种应力弹性波被称为磁声发射（MAE）。实际变压器铁芯内的磁噪声是巴克豪森噪声和磁声发射共同作用的结果。有研究表明，巴克豪森噪声和磁声发射的频谱集中在1065KHZ。值得注意的是，随着变压器励磁时间的增长，巴克豪森噪声脉冲变得不明显了，而主要是磁声发射。综合以上关于超声信号频谱特征和现场干扰噪声的分析，本文中的超声波传感器的频带范围选定为80-150KHZ，尽量覆盖变压器局放超声信号的主要能量频谱范围，同时又尽可能避开绝大部分的现场干扰噪声。2. 压电超声换能器在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛

12、的一种声电转化元件，压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英，压电陶瓷，压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转化成声信号，从而实现能量的转化。应用较多的压电材料主要有五大类，即压电单晶体，压电多晶体（压电陶瓷），压电高分子聚合物，压电复合材料以及压电半导体。压电陶瓷是目前超声研究及应用中极为常用的材料。其优点在于以下几点；1） 机电转换效率高，一般可以达到80%左右2） 容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘，圆环，圆筒，矩形以及球形等；3） 通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型，接收型以及收发两用型。4） 造价低，不易老化，机电参数的时间和温度稳定性好，易于推

13、广应用。传感器最基本重要的特性就是灵敏度和频率特性，所以首先要以传感器材料特性值为参考，定量的计算出某频率段的灵敏度，然后通过实验来验证和修改，使其达到预期的技术性能。、传感器灵敏度的定义是；接收声发射传感器输出端的开路电压（以V为单位)与在声发射弹性波的声场中引入传感器前该位置的自由场电压之比。对于谐振式传感器，一般用速度来描述声场，所以灵敏度可以定义为；压电晶体输出电压V与介质表面的质点速度U之比，式中d为传感器压电晶体的厚度，Zn,Zn-2为传感器的声阻抗，U0为沿极化方向的声波速度，q33为压电常数，为声常数，f为声波频率。该理论表明，在特定的频率上，传感器的灵敏度有最大值和最小值，而且其频率与压电晶体厚度以及声波速度有很大关系。压电晶体的固有机械振动频率取决于传感器的检测频带，