基于超声波原理的变压器内部结构二维成像研究

王志鹏，王天正，俞 华

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

基于超声波原理的变压器内部结构二维成像研究

王志鹏，王天正，俞 华

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

针对变压器内部结构比较复杂的现状，根据高灵敏度超声传感器接收信号基础研究，就超声信号幅度调制信息与变压器内部结构的位置、形状之间的关系做出相关介绍。通过对超声波在变压器内部不同介质的折、反射规律的研究，找出超声波信号的大小与变压器内部结构相关联的规律，初步显示出变压器内部结构的影像图。

超声波；传感器；变压器内部结构；绕组

0 引言

随着电力行业的发展，针对电力设备的运行维护研究，已成为保证电网可靠运行的一项重要工作。面对工艺复杂的电力设备，如何能够在设备运行中，随时了解其内部运行状态，是真正达到状态维护的重要指标，也是电力设备状态维护研究的目标。目前，状态检测的整体水平还处于数据统计和波形曲线显示的阶段，其准确性和可评估性还有待于提高。

成像检测技术作为状态检修中的重要部分，现已得到广泛研究。其中，红外和紫外成像技术相对成熟，分别实现了对电力设备的温度和外部放电的可视化成像检测，但是，经常发生的设备内部故障不能得到及时反馈，尤其是变压器、电抗器等内部结构复杂的设备[1]。

本文以超声波检测理论为基础，针对变压器的内部结构，阐述了变压器内部超声可视化成像技术的相关研究内容。通过传感器收发机理、超声成像技术和应用研究，实现了基本的变压器内部结构二维平面成像，为实现可视化检测奠定了理论基础。

1 超声波故障诊断

超声波的故障诊断技术可以分为回波扫描超声探测技术和多普勒效应超声诊断技术。回波扫描超声探测技术的基本原理是利用超声波在不同组织中产生的反射和散射回波形成的图像或信号来鉴别和诊断。这种技术可以了解结构变化带来的问题，主要是用于医学、结构成像学和设备探伤等领域。多普勒效应超声诊断技术的基本原理是利用运动物体散射或反射声波时造成的频率偏移现象，获得人体内部的运动信息，这种技术主要是用于医学影像学，可以了解组织器官的功能状况和血流动力学方面的生理病理状况。

本文所涉及的高性能超声波传感器收发机理，是回波扫的超声探测技术，通过声电转换装置实现的，该装置又称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头既能发射超声波信号，又能接收发射出去的超声波的回波，并能转换成电信号。产生超声波的方法很多，目前，在超声波探伤中应用最普遍的是压电法。

2 压电法超声波传感器收发机理研究

本文主要采用单晶片探头进行了理论验证研究，该探头可以直接发射和接收纵波，其结构如图1所示，接收到的纵波能够清晰地携带内部结构的位置信息。

图1 单晶片探头整体结构

它由阻尼块、保护膜、压电晶片等组成，其中在压电晶片背面加上重负载阻尼块的目的，是为了获得狭窄的发射脉冲，它主要吸收振动能量，使晶片的振动在被发射脉冲激励后很快停止，因此起到了对晶片振动阻尼的作用，同时，可有效降低晶片Q值，把压电晶片中的振动能量传输给吸收块，然后再把它消耗掉。上述过程中还需考虑吸收块与晶片间的声耦合达到匹配[2]。

吸收块的作用是声能进行单面辐射，一般用吸收系数较大的材料，用其内耗来耗损声能，同时，考虑在吸收块中加入一定大小的质点，使声波产生漫散射而损耗声能。吸收块减小了晶片的余振，对提高检测仪近距离分辨率有好处。目前阻尼块大多使用环氧树脂与钨粉混合后浇注在探头压电晶片背面，以达到阻尼作用，其配比量直接与制成后换能器的频率响应有关，要求不同频谱宽度的换能器，其配比是不同的。

保护膜是为了使直探头中的压电晶片免予与工件直接接触磨损而覆盖在晶片上的保护层，它常用软保护膜和硬保护膜两种：软性保护膜可用耐磨橡胶和塑料膜制成，它可使粗糙表面有较好的声耦合；硬性保护膜一般用不锈钢片、氯化铝瓷片或环氧树脂浇注而成，在选择保护膜时尽可能考虑声的穿透率。

如果把压电晶片、保护膜、工件三者声阻抗分别写为ρ1c1、ρ2c2、ρ3c3，如能满足下式：

就可达到声的全透射，也就是说直探头的保护膜的声阻抗选为压电晶片与工件声阻抗的乘积的平方根，且保护膜的厚度d又是λ/4的奇数倍时，这时全部声能传入变压器内部。

压电晶片大多用压电材料制成，常用的有偏铌酸铅、钛酸铅和锆钛酸铅3类。近来，新开发的钨钴钛酸铅材料，尤其适用于高频、大面积压电振子。压电晶片两面敷有银层，作为电极有“+”、“-”之分，“+”极接发射端，“-”极接地。压电晶片除了要求有高的电声转换效率之外，其品质因素要求低，压电晶片的平整度要求高。目前，多数探头还在研究和制造的过程，由于在压电晶片的两边银层采用高温反应法涂膜工艺，因此，压电晶片会有一定变形，频率越高越明显。

对于传感器其性能参数应考虑以下几个方面：频率域响应、时间域响应、空间域响应、灵敏度（机电转换效率、插入损耗）和电阻抗。其中频率域响应、时间域响应、空间域响应对分辨率有很大关系，需要达到分辨率高、频响宽、脉冲时间短和较好的指向性能等要求。

3 单晶片超声传感器脉冲成像研究

在本文的研究中，将成像方案定义为手动设定扫描变压器内部故障区域的检测方式，实现变压器内部成像，如图2所示，该方案主要由主控、发射、接收放大、检波以及A/D转换电路组成。

3.1 主控

变压器成像检测装置中，对于装置同步设置的主控设备是核心，其作用是协调整机工作。具体的工作原理是：通过触发发射电路，使发射电路发射脉冲信号，此时，激励扫描电路进行z轴的水平扫描。同时，它还能在门电路的作用下触发报警电路，使报警器在超出闸值范围的时间段进行报警。

3.2 发射电路

本文所涉及发射电路为常用可控管发射电路，能产生很大瞬时功率的脉冲。

图2 单晶片超声传感器脉冲成像方案框图

它由限流电阻尺、可控管D、电容C、阻尼电阻R和匹配电感L及换能器组成。C两端电压为接近电源电压，在R＜时，C在可控管触发前能充满电。电源电压在500 V左右，R值可以控制功率和阻尼，从而减少换能器发射出信号后的余振，有利于近距离探测的目的。L为匹配电感：

其中，C为电容量；t为放电时间。

3.3 接收放大电器

如图3所示，接收放大器由前放、高放、检波、视放等电路组成。其主要性能要求包括：频带宽，由于检测仪一般使用窄脉冲信号，因此要求放大器要有足够宽的频带；良好的抗阻塞性，在单探头检测时，收发电路连在一起，因此较高的发射电压直接加在接收电路输入端，这时电路阻塞一段时间，如果在阻塞期内有信号，从而不能放大，设计时应把这阻塞时间减小到允许范围；较大的动态，对于整机，前放约有60 dB的动态范围；噪声要小，一般检测其最小检测信号幅度约100μV，如果要求信噪比大于5，则前放噪声峰值小于20μV。

图3 接收放大器电路框图

在接收放大器中，高频放大（主放大）常采用调谐放大器，有的仪器调谐电路中无电容C，只有R、L。如图4所示为对数放大电路，其中主放大器为了提高动态范围（从最小1 V信号输出）。一般电源电压为高压，电路末级用高反压管，或串联晶体管电路组成，如果主放大器要进一步提高动态范围，也可以采用对数放大器，可达到80 dB以上的动态范围。

图4 简单的对数放大电路

从图4中看出当放大器输出信号幅度大于某一值时，二极管D1、D2导通，旁路的一部分信号使输出阻抗降低，降低了放大倍数，如果多级放大器串在一起，就可获得近似的对数放大。

经过主放大的信号一般较大，为了进一步放大这一信号来驱动显示器，接收放大器最后还要经过检波和释放，释放同样要求高阻塞、宽频带、大动态范围。

4 基于超声传感器的成像系统

本文所研究的检测系统采用超声幅度调制模式，通过超声的声强信号得到变压器绕组的位置形状信息，在安装及检测过程中无需与变压器的电气回路连接，可直接在变压器的油箱壁上安装，检测过程对变压器运行无任何影响。可检测出绕组的变形位置和变形量。

如图5所示，其检测原理是通过油箱壁向变压器内部发射高频超声波信号，当超声波遇到不同的介质时会发生反射，所以当遇到绕组、夹件、磁屏蔽等不同介质时都会发生反射，根据发射信号的时间可以计算出绕组等部件的位置信息。

根据超声的传播速度和声波发生反射到接收的时间可计算出绕组当前位置距传感器的距离：

式中，C为变压器油中的声速，t为超声从发射到接收的时间。

图5 绕组位置变形信息示意图

在变压器的油箱壁正对绕组的位置上安装磁吸附是阵列传感器，可以有效检测整个绕组的位置和变形情况，并能够检测可覆盖范围内的夹件松动位移、磁屏蔽松动等故障。

图6 变压器内部绕组二维成像图

将连续的多点检测信号进行幅度调制、灰度处理可将变压器内部的结构构造形成图像显示在屏幕上，可直观地观察分析变压器内部的结构形变、损坏情况等问题。如图6所示为本系统所呈现的变压器内部绕组的二维图像。

5 总结

变压器在运输、安装、运行过程中不可避免要遭受各种震动、冲击、以及短路电流的冲击，内部经常出现紧固件松动位移、绕组变形、磁屏蔽松动等问题，但是维护人员无法了解内部发生的状况，更不知道其严重程度，也没有手段来检测内部的松动和位移情况，在受到短路冲击后，无法知道绕组的变形情况，是否还能继续运行，如停电检测，目前也只能通过频响法或短路阻抗法来估测，很难准确判断变形程度和变形部位。该系统研究成功后，可随时以图像的方式显示内部结构的位移状况和绕组的变形情况，检测过程简便易行、结果显示直观，对应用人员的要求较低。其应用前景非常广阔，经济和社会效益明显。

［1］ Sano Y,Yoshino T.Fast opticalwavelength interrogator employing arrayed wave guide grating for distributed fiber Bragg grating sensors.JournalofLightWaveTechnology，2003，21（1）：132-139.

［2］ 彭东林，熊强强，刘小康，等.基于超声电机技术的新型时栅传感器原理分析［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2010（7）：95-99.

Research on Two-dimensional Imaging for Internal Structure of Transformer Based on Ultrasonic W ave

WANG Zhipeng，WANG Tianzheng，YU Hua
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001）

In view of the complex internal structure of transformer,the amplitudemodulation of the ultrasonic signal,the location information of the transformer's internal structure and their shape relations were introduced based on the basic researches on ultrasonic sensor with high sensitivity.Through studying on the refraction law and reflection law of ultrasonic wave on different mediums of transformer's internal parts，the relationships between the signal value and the transformer's internal structure were identified，and the imagemap showing the internalstructureof the transformerwas formed initially.

ultrasonicwave；sensor；transformer's internalstructure；winding

TM403

A

1671-0320（2015）01-0009-04

2014-11-20，

2014-12-08

王志鹏（1987），男，山西太原人，2012年毕业于太原理工大学高电压与绝缘技术专业，硕士，工程师，从事电气设备技术监督的相关工作；

王天正（1965），男，山西应县人，1987年毕业于太原工业大学电机设计与制造专业，高级工程师，从事电气设备状态评价工作；

俞 华（1980），男，江西东乡人，2007年毕业于湖南大学电气专业，硕士，高级工程师，从事电气设备技术监督和相关试验工作。