基于多點陣列式三維成像的變壓器繞組超聲波檢測系統研究*

涂正宏，李 磊，徐鵬程，劉彥文，王 昕*

(1.上海交通大學 電工與電子技術中心，上海 200240；2.國網吉林省電力有限公司 四平供電公司，吉林 四平 136000)

0 引 言

電力變壓器故障極大地影響著電力系統的安全和穩定[1-2]。作為引起變壓器故障的重要原因，繞組變形受到了廣泛關注。電動力、不當運輸等因素都可能引起繞組變形[3]。

為了檢測繞組變形，一系列檢測方法被提出來。傳統的3種檢測方法為低壓脈沖(LVI)法，短路阻抗(SCR)法和頻響分析(FRA)法[4-5]。低壓脈沖法由于重復性差，現在較少應用到實際檢測中；短路阻抗法根據短路阻抗變化來推斷形變，頻響分析法通過分析頻響特性變化來推斷形變，這兩種方法都對嚴重形變有一定的檢測效果[6]；在這兩種方法基礎上，形成了掃頻阻抗方法[7]，通過一次測試就能得到掃頻阻抗曲線和短路阻抗值，并據此對判斷繞組狀態，可看作是短路阻抗法和頻響分析法的結合，具有比頻響分析法更好的測試重復性和抗干擾性。但是，上述方法都是離線方法，實際檢測時必須要對變壓器進行停電操作，停電將帶來大量不必要的經濟損失。

為實現繞組的帶電檢測，振動信號分析法得到了應用[8]。一種基于振動信息的繞組形變診斷方法被提出，該方法能夠在變壓器運行的情況下，采用小波包變換對繞組不同狀態下振動信號進行分析，對繞組不同狀態進行了分類診斷[9]。但該方法只能通過振動信號分析對繞組變形進行間接的推斷，難以實現對形變的直觀、量化表示。

為實現直觀的帶電檢測，基于超聲波測距的繞組三維成像檢測方法被提出[10]，根據高頻超聲波在變壓器外殼和繞組之間的傳播路徑，并基于距離轉換算法得到繞組直觀的三維成像。但是，該成像檢測方法只適用于變壓器繞組的單點成像，檢測效率較低，而且該方法只適用于與線圈徑向垂直的繞組表面，檢測范圍有限。

為此，本文將提出基于多點陣列式三維成像的變壓器繞組超聲波檢測系統。

1 繞組超聲波陣列檢測方法

超聲波檢測方法能在不影響變壓器運行狀態的基礎上實現變壓器繞組變形的檢測，通過單路超聲波或者多路超聲波對變壓器進行多點檢測，得到表示繞組狀態的多個距離參數。

該方法原理如圖1所示。

圖1 繞組超聲波檢測方法原理圖

超聲波發射換能器發射超聲波依次穿過變壓器油箱外殼和變壓器油，在繞組表面發生反射，反射回來的超聲波信號被在變壓器油箱表面的接收換能器接收，忽略超聲波在變壓器外殼中與在變壓器油中速度有差異這一影響因素，則有：

l=vt

(1)

式中：t—超聲波傳播時間；l—超聲波傳播的路程；v—超聲波在變壓器油中傳播速度。

根據超聲波的傳播路程的變化情況，結合超聲波換能器的位置參數，即可得到繞組表面的結構變化情況，從而實現繞組變形的直觀量化檢測。

2 多點陣列式三維成像檢測方法

2.1 多點陣列式三維坐標生成算法

多點陣列式三維坐標生成算法，只需各個測點的發射、接收換能器放置位置以及各測點超聲波傳播時間就能確定所有測點的三維坐標，從而能將繞組的整體狀態用三維圖像直觀的表示出來。

多點陣列式三維坐標生成可分兩種情況，第一種是接收與發射換能器位于同一表面，另外一種是接收與發射換能器位于不同表面。兩種情況原理圖如圖2所示。

圖2 多點陣列式三維坐標生成算法原理

在點(i=1，2，3，…，n)發射的超聲波先穿過油箱外殼經變壓器油到達被檢測點并發生反射，回波信號被安放在點的接收換能器接收，檢測該過程中超聲波的傳播時間。取x1為點Ai到Oi的距離，取yi為點Ai到Di的距離，取Zi為點Oi到油箱底部的垂直距離。Di坐標記為(xi，yi，zi)，三維坐標列向量D記為(D1，D2，…，Di，…，Dn)T。

當發射和接收換能器位于同側表面時，給出符號規定：

(2)

由幾何關系可得：

K+L=vT

(3)

(4)

聯立上式可得：

(5)

只要T確定，就能得到列向量D，從而能將繞組被測點用三維圖像表示出來。

當發射和接收換能器位于異側表面時，補充符號規定：

(6)

同樣，根據幾何關系可得：

(7)

當T確定，計算可得到L，從而得出三維坐標列向量D，即能將繞組表面相應點用三維圖像表示出來。

2.2 繞組形變的多點陣列式量化表示算法

由于繞組的變形會引起三維圖像相應的變化，可以根據三維圖像中某點的變化量大小來判斷繞組表面對應點的繞組變形程度。

(8)

(9)

(10)

(11)

繞組形變的多點陣列式量化表示算法，可以分4種基本情況對繞組變形量進行量化表示：

(1)健康繞組檢測時發射和接收位于同側表面，變形繞組檢測發射和接收也位于同側表面；

(2)健康繞組檢測時發射和接收位于同側，而變形繞組檢測時發射和接收位于異側；

(3)健康繞組檢測時發射和接收位于異側，而變形繞組檢測時發射和接收位于同側；

(4)健康繞組檢測時發射和接收位于異側，而變形繞組檢測時發射和接收也位于異側。

定義繞組變形量的n維列向量：

(12)

ΔL=L-L′

(13)

2.3 繞組多點陣列式三維成像檢測方法

多點陣列式三維成像檢測方法，首先根據多點陣列式三維坐標生成算法可以得到繞組表面的三維狀態表示圖，對繞組整體狀態進行判斷；然后根據多點陣列式量化表示方法，結合健康繞組的距離參數，得到繞組變形的量化表示圖，直觀地顯示出繞組變形程度的具體數值。

本研究根據變壓器繞組多點陣列式三維成像檢測方法，模擬得到20×41個點的變形繞組的三維狀態表示圖，如圖3所示。

圖3 變形繞組三維狀態模擬圖

3 系統設計

基于STM32系列MCU，本文研制了繞組超聲波檢測系統。系統由超聲波換能器陣列、超聲高壓驅動電路、回波信號處理電路、主控制電路以及上位機等部分組成。檢測時STM32F103發射大于10個周期的3.3 V的400 kHz方波脈沖信號，超聲高壓驅動電路將其轉換成數百伏的脈沖高壓，激勵超聲波發射換能器陣列產生400 kHz超聲波陣列。換能器表面涂抹耦合劑，與外殼緊密接觸，因此超聲波能穿透外殼，途徑絕緣油在繞組表面發生反射，回波被涂有耦合劑的接收換能器接收。系統能同時驅動四路發射換能器，發射和接收換能器一一對應，放在外殼同一高度，接收換能器水平移動直至接收穩定回波。通過定時器計時得到超聲波的傳播時間，并通過串口傳輸到上位機進行處理，上位機根據多點陣列式三維坐標生成算法和量化表示算法生成繞組的三維圖像，從而實現對繞組的帶電檢測。

4 現場應用

本文對某油浸式變壓器進行了現場測試。在與繞組表面距離較近的外殼上，避開外殼表面有加強筋、散熱片等結構的區域，選擇好合適的換能器放置區域，并在換能器和外殼上涂上耦合劑進行耦合，然后在該區域上安放換能器對變壓器內部的部分繞組進行檢測。

本研究基于多點陣列式三維坐標生成算法，對散點數據進行處理，得到該變壓器部分高壓側繞組的三維狀態表示圖，如圖4所示。

圖4 高壓側片段繞組的三維狀態表示圖

由圖4可以看出：該片段繞組表面的最大凹陷和凸起程度均在15 mm左右，故推斷繞組局部狀態較為正常。為進一步判斷該片段繞組是否發生整體變形并得到變形量的具體值，對繞組變形的量化表示圖進行分析。

量化表示圖如圖5所示。

圖5 高壓側片段繞組變形的量化表示圖

當前狀態與正常狀態相比僅出現了最大值為4 mm的外凸形變，可知該片段繞組未發生明顯的位移和形變。故綜合上述分析可以得出：該片段繞組未發生明顯變形，該部分繞組狀態較為良好。自該變壓器被檢測之日起，經過了近兩年的正常運行，未發生任何繞組變形導致的故障，驗證了該系統檢測結果的可靠性。

5 結束語

本文提出了基于多點陣列式三維成像的變壓器繞組超聲波檢測系統。系統的主要創新點如下：

(1)提出了繞組的多點陣列式三維坐標生成算法，克服了單點成像效率低的缺陷，實現了多點同時刻坐標生成；

(2)提出了繞組形變的多點陣列式量化表示算法，實現了對多種不規則變形的量化表示，拓展了繞組變形檢測范圍；

(3)設計了變壓器繞組超聲波檢測系統，與電力變壓器無任何電氣連接，實現了帶電檢測。

該系統能夠對繞組進行三維成像檢測，具有效率高、直觀性好、安全性高等優勢。缺點是因變壓器結構原因，繞組部分區域如低壓側繞組難以探測。

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