电力变压器在线检测超声传感器设计

熊涛

[摘 要]局部放电的超声阵列检测方法是将阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声检测中的一种新方法。其中，声学性能良好、阵列结构合理的局部放电超声阵列传感器是检测技术的基础和关键。重点研发适用于局部放电检测的平面方形与圆环形超声阵列传感器，并开发了相应的局部放电定位系统。建立了局部放电超声阵列传感器声学性能的量化评价模型，实现了超声阵列传感器声学性能的定量评价；通过权重比较，确定了定向准确度与最大旁瓣幅值的最优分配。通过对目前国内外变压器局部放电检测系统中超声传感器的应用现状及适用条件，以及各种传感器的灵敏度及工作频带等的实验和对比分析，指出了变压器局部放电检测系统中超声传感器的发展方向。

[关键词]电力变压器；研发；设计；传感器

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0066-01

随着国家电力的迅速发展，电力变压器的使用范围越来越广，电力变压器的检测就显得相当的重要，电力变压器中的局部放电能够充分反映绝缘结构的薄弱环节，假如它长期存在肯定会损坏绝缘可能会造成重大的供电事故，因此我们高度重视如何防止事故发生，通过科技和经验我们设计出在线检测超声传感器，它可以利用局部放电时产生的超声作为信息再利用超声传感器电力变压器外壁的检测，做到无损、在线、实时监视，保证电力变压器的安全可靠少干扰。

一、传感器的设计理念

如何设计出一款安全性能高使用方便的传感器成了我们首要研究的问题，首先我们介绍下传感器的设计原理，传感器阵元的材料、中心频率、厚度以及半径等参数，并设计了单个超声阵列传感器阵元与方形、圆环形局部放电超声阵列传感器装配体；接着，制作了局部放电超声阵列传感器，并搭建了阵列传感器测试平台， 对其进行了灵敏度测试，测试结果表明所研制的局部放电超声阵列传感器的频响特性与一致性良好；然后，开发了一套完整的局部放电超声阵列定位系统，包括超声阵列传感器、便携式局部放电检测系统与阵列定位软件系统，为后续研究奠定了基础。研究了一种局部放电超声阵列传感器稀疏设计方法。以圆形、方形、十字形和线形局部放电超声阵列传感器为例，以声学性能评价值最优为目标，通过分析研究得出各阵型在稀疏度为2时的声学性能变化规律，从而确定各阵形在稀疏度，阵列传感器的最优稀疏分布结构通过仿真与实验研究发现：稀疏度一定时，最优稀疏结构下的圆环形局部放电超声阵列传感器的声学性能均优于方形阵列；阵元个数相同时，满圆环形阵列的声学性能最优，最后，设计研制适用于局部放电检测的超声阵列传感器，并搭建了相应的实验平台，开展大量实验研究，实验结果验证了局部放电超声阵列传感器声学性能定量评价方法及稀疏设计方法的正确性。

二、超声传感器的组成

超声传感器的组成主要是由他探头、天线、放大单元、滤波单元、微波单元和锁相方法单元组成。超高频法由于所检测的对象不同，使用的超高频传感器也各有差异，从安装位置来看，超频传感器有内部耦合器和外部天线，天线若安装在变压器内部，则内部电磁信号易于接收而且外部干扰几乎被完全屏蔽，灵敏度很好，但内部天线可能会改变内部电场分布，引起击穿。变压器金属外壳绝缘缝隙处会泄露出局部放电高频电磁波，因此，外部天线检测局部放电超高频信号也是一种有效途径。外部传感器虽然抗干扰能力和灵敏度比内部传感器低，但是不影响内部电场分布和系统密封，移动方便和教师传感器即可实现局部放电源定位。传感器的性能直接决定着信号的提取，因此应具有良好的频率响应特性和较高的抗干扰能力和信号检测灵敏度，并且结构尺寸灵巧，在不影响变压器运行和不改变变压器结构的前提下可以实现在线检测，分为内置式和外置式。目前常用的如拉杆式传感器可以用过变压器油阀插入箱体中，还有通过介质窗装置变压器外部的圆形传感器。传感器接收到局部放电信号后通过同轴电缆传送到前置放大器，这时就需要通过阻抗转换器使得传感器和电缆还有前置放大器之间有良好的匹配，信号功率才能被完全接收，电缆中只有传感器向前置放大器传输的入射波。经方大单元处理后的信号通过检波器得到超高频信号幅值的包络线，检波得到的高频信号中的低频分量，这样检测装置可以用较低采样率的模数转换器进行模数转换，最后由计算机做统一分析处理。

三、超高频传感器天线的设计目标

要实现对变压器局部放电的超高频监测，一个重要的途径就是对局部放电产生的TEM波形传播的电磁波进行耦合，并且要求对这种耦合器具备以下基本特性：结构尺寸灵巧，在不改变变压器运行和变压器结构的前提下实现在线监测；能实现带宽为500-1500MHZ的局部放电信号检测，VSWR<3.0，增益为3-6dB，具有良好的频率响应特性；具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力；具有较高的信号检测灵敏度；能将局部放电特性明显的频段加以区分和提前。

根据变压器局部放电的特性及变压器的实际结构，设计了可用于变压器局部放电超高频检测的天线传感器，即双臂阿基米德螺旋天线。并且内置式超高频天线的设计，主要是有其一用于GIS、电机、电缆的超高频法，检测频带较窄（通常为几十MHZ），从而丢失了大量的放电信息，因而检测灵敏度受到一定的限制。局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正比，当只考虑检测仪元件（如放大器等）的热噪声对灵敏度的影响时，用宽频带检测有更高的灵敏度，例如对在半峰值处有1.5ns宽度的局部放电脉冲，在1MHZ带宽的局部放电灵敏度为0.1PC，在350MHZ带宽灵敏度大0.01PC。因而检测店里变压器局部放电用的超高频天线选用宽频带是有利的。在检测现场，干扰源多且干扰信号幅值大，这极大地增加了局部放电信号提取的难度，大量研究表明，在变压器试用现场，变电站背景噪声的频率以及空气中电晕干扰的频率通常小于300MHZ。因此，选择天线的下限截止频率为300MHZ，这样可以较好地抑制噪声干扰（电台和移动通信干扰有固定的频率，可以通过软件加以去除）。对于变压器内部的局部放电，到达接收天线的电磁信号经多次折、反射和衰减后已发生畸变，高频分量不易精确提取，因此选择天线的上限截止频率为3000MZH。这样既能有效地抑制大部分外部干扰，又能获取尽可能多的局部放电信息。

四、总结

通过对传感器的研究和设计，也充分认识到传感器的选择对局部放电在线检测中的重要性，在实际选用中我们必须结合工作频带、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，对于那些灵敏度不高的场合我们可选择内置谐振式传感器性能更好的，新型传感器作为新型发展的技术有着很好的发展前景，但还存在一定困难，所以我们必须加强科技投入去研发灵敏度更好性能更可靠的超声长传感器，能为电力变压器提供安全监测技术。

参考文献

[1] 曹晓雯，电气绝缘测试技术，机械工程出版社，2008.

[2] 刘明军，变压器局部放电超高频监测技术方法研究，华中科技，2011.

[3] 袁飞，小型平面螺旋天线在传感器应用，西南电子设备研究所，2009.