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变压器部分放电超声法检测中超声传感器的操纵

宣布日期:2017-05-05 16:57    阅读次数:次

1 弁言
变压器部分放电的超声法检测以其抗搅扰才能强和便于定位等上风今朝已成为国际外研讨的热门题目。部分放电产生时,老是伴跟着脉冲电流、电磁辐射和声、光、热产生一些低份子物资等[1 ] ,部分放电的超声法检测便是针对这个进程产生的超声波旌旗灯号而成长起来的。超声传感器是产生与领受超声波的元件,它将感触感染到部分放电的超声旌旗灯号转换为电旌旗灯号后输入, 它的任务频带、活络度和分辩率等将影响着随后的旌旗灯号阐发和放电源的定位。是以挑选一个活络度及任务频带都适合,并合用于现场状态的超声传感器对变压器部分放电检测成果相当首要。
2 国际超声传感器的操纵
针对变压器的部分放电的超声法检测中,今朝操纵最为普遍的是以压电陶瓷为资料的谐振式传感器,它操纵压电陶瓷的正压电效应[2 ] ,在部分放电产生的机器应力波感化下产生形变产生交变电场。在传感器挑选中,任务频带和活络度是两个最为首要的目标。固然部分放电及所产生的声发射旌旗灯号具备必然的随机性, 每次部分放电的声波旌旗灯号频谱差别, 但全数部分放电声波旌旗灯号的频次散布规模却变更不大,根基处于50~300 kHz 频段, 传感器谐振频次普通挑选在150 kHz [3 ]。大批研讨标明,部分放电产生的声波旌旗灯号的频谱多数集合在150 kHz 摆布[3 ] ,变压器的噪声频谱散布在小于65 kHz 的频次规模, 两者的频次散布较着差别,是以受噪声影响并不大。
今朝商用声发射检测仪器成长比拟成熟的有美国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长停止检测,普通在探头的前端有一块环形磁铁环绕在超声波传感器四周。这类外置式压电传感用具备便于装置和挪动等长处,但它有能够会因遭到环境噪声比方电磁搅扰的影响而使信噪比下降,它的别的一个错误谬误便是声波传布路子的庞杂性使得对肯定声波的传布速率存在很大坚苦,从而使切确的部分放电定位比拟坚苦。图1 是一个摹拟放电模子中的声波传布

图1 放电模子中声波传布路子摹拟表示图
图1 中S 指放电源, A 1 , A 2 别离是外置式和内置式传感器的装置地位, B 是垂直于油箱的一个点,油箱内布满变压器油。部分放电产生时,对外置式传感器,超声旌旗灯号传布路子既有穿过变压器油间接到油箱内壁, 再经油箱到达传感器的路子为S A 1 的纵波, 也有以纵波传布到油箱内壁, 再以横波传布到传感器的路子为SB , B A 1 复合波, 固然也有能够是从
S 点到A 1 , B 中的一点,再传至A 1。而对装置在内壁的传感器,领受的超声旌旗灯号几近全数是经变压器油传布取得的, 使得传布介质简化了, 这有助于定位时波速的肯定。别的,变压器油对声波几近不衰减,而钢板固然传布超声速率比变压器油大良多,但对超声波衰减很大, 以是对统一次部分放电, 到达内置式传感器的波形幅值要比外置式的大良多,这对放电量较小时也能精确地捉拿到超声旌旗灯号是相当首要的。
内置式探头是为了在变压器油内检测部分放电的超声旌旗灯号,是以要安排在尝试室的摹拟变压器油箱外部。为此,去掉探头前真个环形磁铁,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首要在于, 为了婚配差别介质的声阻抗,压电陶瓷前端起掩护感化的铜片的厚度也有所差别[4 ]。从底子上讲,这两种探头是一样的,只是经由进程转变装置体例来进步检测的活络度。外置式探头见图2 ,内置式探头见图3。
 
图2 外置式探头
传感器装置进程中,要保障传感器能充实安稳地吸附在检测装备的壁上,中间可用耦合剂或优良黄油吸合。装置角度要保障在能够领受部分放电产生的超声旌旗灯号规模内, 若事前并不晓得放电地位, 能够摸索着肯定一个比拟好的旌旗灯号领受地位。这两种装置体例差别的传感器, 资料均为压电陶瓷(此中锆钛酸铅是最经常利用的压电陶瓷) ,配合的长处是价钱自制,这也是这类传感器取得普遍操纵的缘由之一。
 
图3 内置式探头
3 外洋超声传感器成长新意向
3. 1 美国PAC 压电传感器
今朝美国PAC 的声发射体系在国际已有一些操纵, 该体系传感器依然是接纳压电传感器, 置缩小器分为20 dB , 40 dB , 60 dB 三档可调,体系自带阐发软件体系。上面是接纳沿面放电模子,操纵PAC 的声发射体系包罗其自带超声传感器停止部分放电超声法检测(与电测法连系检测, 当从电测法察看到较着放电时) , 经40 dB 前置缩小和50~300 kHz 的带通
滤波后的成果如图4 所示。
 
图4 PAC 超声传感器检测部分放电波形图
    经由进程体系自带的阐发软件对收罗到的超声旌旗灯号停止频谱阐发,超声传感器检测部分放电波形图如图5 所示, 由图5 可知, 沿面放电模子的部分放电超声旌旗灯号频谱中间频次在150 kHz 摆布。对大批尝试数据的进一步阐发标明,传感器可否检测到旌旗灯号与放电产生时产生超声波的能量紧密亲密相干,振动的撞击强度对传感器领受旌旗灯号相当首要。丈量时,当侧重于活络度时,宜选用窄频带的传感器,因其有以共振频次为中间的带通滤波感化,可望进步信噪比S/ N , 此时若是选用宽频带传感器, 就有能够因波形混叠在一路很难区分每次放电的各参数。当阐发部分放电的频次呼应特征时, 宜选用宽频带的传感器, 它有着比拟平展频次呼应, 包罗着比拟丰硕的部分放电的信息

图5 部分放电频谱图
3. 2 光纤传感器
光纤- 声传感器已被证明[5 ] 在局放检测中能够操纵。Xiaodong Wang 等人于2006 年在IEEE 的一篇文章中指出[6 ] : 初期检测声旌旗灯号的光纤传感器多数以光纤外部的干与仪如全光纤迈克尔逊干与仪和马赫- 曾德尔干与仪为根本。可是旌旗灯号会因发射源波长和温度激发的传布路子变更而不不变。最近几年来,利用了检测声旌旗灯号的光纤法布里- 珀罗传感器,与迈克尔
逊和马赫- 曾德尔光纤传感器比拟,法布里- 珀罗干与仪传感器布局加倍松散,可到达真实的单点检测。首要的是, 传感器头和检测仪是共模的, 以是环境变更激发的各参数变更并不影响旌旗灯号相位。它的检测活络度对部分放电检测来讲并不是充足高。现实阐发和计较机仿真成果标明[7 ] : 在间隔放电源100 mm 的地位, 法布里- 珀罗传感器活络度可到达10 pC。因事前没法肯定放电源地位,传感器装置在间隔放电源100 mm 之内比拟坚苦, 间隔放电源100 mm 之外时活络度又很难保障。
上述的传感器固然能够操纵于部分放电检测中,但活络度并不高, 针对传感器的缺点, 一种高活络度的、用以检测变压器外部部分放电的光纤传感器被研制开辟出来了[7 ]。这类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器加工的底层构成,经由进程机器加工封装制成。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
该传感器颠末活络度, 频次呼应, 分辩率3 个方面的测试。测试数据显现:当压电传感器与光纤传感器在不异前提下安排在与放电源不异间隔(0. 4 m)时,压电传感器对放电声旌旗灯号乃至在输入单元设置为50 mV 时仍不呼应, 而光纤传感器在单元设置为1V 时能够很清楚地捉拿到部分放电的声旌旗灯号。这类传感器活络度对部分放电声旌旗灯号检测是充足高的,对高
温, 电磁搅扰, 肮脏等电测法不合用的环境也一样合用。
Xiaodong Wang [8 ] 等人在对上述光纤传感器做频次呼应尝试中指出,对这类传感器施加由函数波形产生器产生的频次从1~100 kHz 的旌旗灯号时, 得出光纤传感器谐振频次约莫为90 kHz , 而对频次超越100 kHz 的旌旗灯号, 文中并不测试, 是以并不能判定它在100 kHz 再不更大的峰值呈现。若是光纤传感器谐振频次约为90 kHz , 而部分放电中超声旌旗灯号频
谱多数集合在150 kHz [3 ] , 利用谐振频次约莫为90kHz 的光纤传感器测到的超声旌旗灯号是不是便是幅值最大的旌旗灯号, 这将激发咱们对两个题目的思虑: ①若是光纤传感器测得的旌旗灯号为幅值最大的旌旗灯号,那末也便是说部分放电频谱多数集合在90 kHz , 或差别前提下的部分放电频谱差别。②若是光纤传感器测得的旌旗灯号不是幅值最大的旌旗灯号,那末还能够经由进程从头挑选谐振频次来进一步进步活络度,以防止放电产生时收罗不到旌旗灯号的景象。
4 论断
超声传感器是挑选超声法部分放电在线监测中的关头手艺,在现实选用中应连系任务频带,活络度,分辩率和现场的装置难易水平和经济效益题目等停止综合权衡。
(1) 在活络度请求不高的场所, 可选用外置谐振式压电传感器;若是请求对部分放电源精肯定位的场所而装置前提又许可的环境下,挑选内置谐振式传感器机能更好; 光纤传感器作为一种新成长起来的手艺,有着很好的成长远景,但操纵有必然坚苦。
(2) 今朝微电子机器加工手艺的敏捷成长为光纤传感器的封装供给了前提[7 ] ,有益于下降光纤传感器的本钱,为其普遍操纵供给了前提。跟着传感器手艺成长及对检测活络度请求的进步,光纤传感器将有广漠的操纵远景。
(3) 对现场状态比拟庞杂的场所, 在装置体例可完成的前提下能够斟酌差别的传感器停止组合装置, 这类组合能够是传感器内置外置的组合, 也能够是差别传感器对统一种装置体例的组合,统一种传感器差别频带宽度的组合,如许一方面可进步检测活络度, 别的一方面可解除搅扰削减误判, 获得更加丰硕的部分放电的信息。

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