基于多頻超聲的變壓器油擊穿電壓檢測(cè)技術(shù)研究

李亞權(quán)，劉明輝，李勝朋，張際明，李秀明

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局,云南保山，678008；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明，650214）

0 引言

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與電力變壓器、電抗器等設(shè)備有密切關(guān)系，其中電力變壓器作為能源的轉(zhuǎn)換和傳輸設(shè)備，是電網(wǎng)中不可替代的電氣設(shè)備之一[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國(guó)在網(wǎng)運(yùn)行的變壓器總量約1700萬臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá)110億千伏安，因此電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)極其重要[3]。

油浸式電力變壓器是我國(guó)電網(wǎng)目前所運(yùn)用的最多的變壓器，其主要作用有絕緣、消弧以及散熱等。相比于空氣，變壓器油具備更佳的絕緣性能，浸于變壓器油中的絕緣設(shè)備能夠更好的發(fā)揮其絕緣作用；變壓器油同時(shí)具備較好的導(dǎo)熱性能，且油液的部分氣體在電弧的高溫作用下被分解，其分解產(chǎn)生的壓力可以提高介質(zhì)的滅弧能力，從而達(dá)到很好的滅弧效果；油浸式變壓器在運(yùn)行時(shí)，變壓器油會(huì)在鐵芯和繞阻周圍流動(dòng)、膨脹，從而將鐵芯和繞阻的溫度傳遞給變壓器油，而變壓器油可以則通過其他散熱設(shè)備將熱量傳出，從而間接地降低了鐵芯和繞阻的溫度，保障電力變壓器的運(yùn)行[4-5]。

變壓器油在從生產(chǎn)、運(yùn)輸，再到裝配、運(yùn)行和檢修的過程中不可避免地會(huì)遭到雜質(zhì)的污染，例如顆粒物雜質(zhì)、氣體、水分等，使其各項(xiàng)性能下降[6]，此外在電力變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行中，變壓器油發(fā)生氧化產(chǎn)生的油泥阻礙散熱、加速老化等等，變壓器油的介電性能不可避免的下降。擊穿電壓作為變壓器油最重要的性能參數(shù)指標(biāo)之一，其通常指變壓器油在額定頻率（50Hz）的標(biāo)準(zhǔn)電壓作用下的擊穿值，能反應(yīng)變壓器油的極限耐壓標(biāo)準(zhǔn)。在各種污染雜質(zhì)的影響下，變壓器油的擊穿電壓會(huì)受到很大影響。目前，國(guó)內(nèi)已有很多用于變壓器油品質(zhì)檢測(cè)的方法，包括實(shí)驗(yàn)測(cè)定法、紅外光譜法、色譜分析法、多頻超聲波法等，其中實(shí)驗(yàn)測(cè)定法能直接測(cè)量出變壓器油擊穿電壓等其他參數(shù)，而其他測(cè)量方法則能通過測(cè)量變壓器油的各種聲學(xué)、光學(xué)參量，間接反映變壓器油的參數(shù)，多頻超聲法則是較為先進(jìn)的一種變壓器油參數(shù)測(cè)量法，相比于其他幾種檢測(cè)方法有著很大優(yōu)勢(shì)。多頻超聲檢測(cè)是在分子層面上通過檢測(cè)分析被測(cè)介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)與被測(cè)介質(zhì)的關(guān)系，從而獲得被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，具備檢測(cè)速度快、介質(zhì)無損害、能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量等多重優(yōu)勢(shì)，在液體組分檢測(cè)以及特性分析等領(lǐng)域受到了廣泛研究[7-8]。

本文設(shè)計(jì)了多頻超聲檢測(cè)硬件系統(tǒng)，通過多頻超聲波實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得了29組變壓器油的超聲波參數(shù)（聲速、頻率、衰減系數(shù)等）和擊穿電壓數(shù)據(jù)并建立之間的聯(lián)系，利用MATLAB編程軟件建立了BP升降網(wǎng)絡(luò)模型，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了模型的可靠性。證明變壓器油擊穿電壓可通過多頻超聲參數(shù)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)得到。

1 變壓器油擊穿電壓的多頻超聲檢測(cè)

1.1 多頻超聲檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)搭建了如圖1所示的多頻超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析、超聲波檢測(cè)與控制模塊。數(shù)據(jù)分析模塊用于變壓器油超神數(shù)據(jù)的分析，主要為超聲波測(cè)量分析軟件。超聲波檢測(cè)與控制模塊則用于接收和發(fā)射超聲波，可以根據(jù)需要對(duì)超聲波的幅值頻率進(jìn)行控制。

圖1 多頻超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該檢測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行變壓器油檢測(cè)時(shí)，控制單元所發(fā)出的高頻超聲波信號(hào)為正弦信號(hào)，通過放大電路后作用于傳感器，最后產(chǎn)生的超聲波頻率為595.5～942.7kHz。經(jīng)過變壓器油后的超聲波信號(hào)由傳感器內(nèi)的T1、T2接收器接受，最后經(jīng)過聲波信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換之后傳回?cái)?shù)據(jù)分析單元，經(jīng)過分析軟件分析后便得到變壓器油的超聲波數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)搭建的變壓器油多頻超聲系統(tǒng)所采用的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。超聲波傳感器主要用于超聲波數(shù)據(jù)接收，位于超聲波檢測(cè)模塊。該超聲波信號(hào)為L(zhǎng)O50P15-SK，在進(jìn)行變壓器油超聲檢測(cè)之前，應(yīng)先讓傳感器中溫度傳感器及以下部分在不產(chǎn)生氣泡的情況下浸入待測(cè)油樣中，以確保傳感器能正確的感應(yīng)變壓器油信息。超聲波信號(hào)經(jīng)由超聲波發(fā)生器發(fā)出后，先后經(jīng)過接收器T1、T2，最后沒完全被接受的信號(hào)再次傳回T1，分別定義這三類數(shù)據(jù)信號(hào)為L(zhǎng)1、L3、L2。

圖2 多頻超聲波接收傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

若假定所測(cè)得的超聲波信號(hào)為：

其中A，ω，φ分別為幅值、角頻率（ω=2πf）、相位。

若：

則超聲波測(cè)試的幅值和相位可分別表示為：

多頻超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)礦物絕緣變壓器油樣的絕緣狀態(tài)特性參量得到的是240維超聲信號(hào)，其中L1相、L2相、L3相各80維。表1為基于研制的變壓器油多頻超聲波檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試某油樣得到的L1相多頻超聲波信號(hào)維數(shù)分布。

表1 L1相多頻超聲波信號(hào)維數(shù)分布

L2相、L3相超聲波信號(hào)的維數(shù)分布于L1相同，因此對(duì)變壓器油樣品測(cè)試得到的多頻超聲波主頻率和偏移頻率信號(hào)共240維。

1.2 多頻超聲檢測(cè)結(jié)果

多頻超聲常規(guī)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 多頻超聲幅值響應(yīng)

圖4 多頻超聲相位響應(yīng)

通過29組變壓器油超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)可知，L1，L2，L3三相的幅值隨著頻率的增大都基本上呈上升趨勢(shì)，其中L1相在頻率為854.7kHz時(shí)幅值達(dá)到最大，之后便趨于平穩(wěn)；L2相在頻率為854.7kHz達(dá)到最大之后幅值隨著頻率的增大有略微下降；而L3相幅值在頻率707.9kHz～741.8kHz和854.7kHz～943.7kHz之間基本不增加甚至有下降趨勢(shì)，在其他頻率段幅值都隨著頻率的增大而增大，同時(shí)在頻率為854.7kHz時(shí)幅值達(dá)到最大。L1相相位在595.5kHz開始之后隨著頻率的增大而增大，在651.5kHz～707.9kHz之間不同頻率出分別達(dá)到最大值，隨之便分別出現(xiàn)斷崖式下降，相位達(dá)到最小值之后再隨著頻率的增大而增大，并在832.1kHz處達(dá)到另一峰值，接著變小，并在843.4kHz出達(dá)到最小，隨后便逐步增大；同時(shí)L2，L3兩相的相位圖隨頻率的變化并沒有明顯的規(guī)律，在此不做過多分析。

圖5為多頻超聲信號(hào)幅值差隨擊穿電壓的變化曲線，變壓器油擊穿電壓測(cè)試均處于正常范圍內(nèi)，均值最大為63.5kV，最小為54.3kV。且由圖可知，L1、L3相幅值變化范圍基本上不隨擊穿電壓的不同而有較大改變，二者幅值變化范圍分別在0.1V～0.12V和0.04V～0.06V之間，而L2相幅值差則會(huì)因?yàn)閾舸╇妷旱母叩陀休^大幅度的改變，幅值差分別在0.06V～0.13V之間變動(dòng)。

圖5 L1，L2，L3相幅值差與擊穿電壓對(duì)比

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變壓器油擊穿電壓的仿真預(yù)測(cè)

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初由 McClelland和Rumelhart于1986年提出的，是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由輸入層、隱含層和輸出層組成[9]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過反向傳播迭代更新神經(jīng)元的權(quán)值和閥值，以降低訓(xùn)練樣本與輸出的誤差。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用最小均方根誤差作為目標(biāo)函數(shù)。假如訓(xùn)練樣本為N，輸入和輸出變量分別為X和Y，輸入層、隱含層和輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為n1、l1和m1，在這之中，可以設(shè)置多個(gè)隱含層，則再隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出可表示為：

式中，wij為連接輸入層和隱含層之間的權(quán)值，aj為隱含層的閾值。由隱含層的激勵(lì)函數(shù)可以得到隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出為：

同理，輸出層的第 k 個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入為：

式中，wij為連接隱含層和輸出層之間的權(quán)值，bk為輸出層的閾值，輸出層輸出為：

通過訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以建立超聲波聲學(xué)參量與變壓器油參數(shù)的關(guān)聯(lián)，從而通過超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)獲取變壓器油擊穿電壓的信息。系統(tǒng)選用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練。首先需要確定各層節(jié)點(diǎn)數(shù)。輸入層包括20個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的每組數(shù)據(jù)，所以輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為20。輸出數(shù)據(jù)為變壓器油的平均擊穿電壓，所以輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)通常根據(jù)公式（其中，n1和m1分別是輸入層和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，b為1～10之間的常數(shù)）確定大致范圍。所以網(wǎng)絡(luò)中的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為，即隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)在5～14之間。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為8時(shí)效果最好。

2.2 MATLAB BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真

本模型選用Matlab進(jìn)行搭建，Matlab相較于其他語言軟件，有簡(jiǎn)單易用，語言、圖像處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，模型建立流程如圖7所示。

圖7 模型建立流程圖

具體流程如下：

（1）導(dǎo)入數(shù)據(jù)。利用“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”功能導(dǎo)入存于Excel表格的29組變壓器油超聲波測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即輸入xi。注意xi為行矩陣，即同一組數(shù)據(jù)按行排列。

（2）產(chǎn)生訓(xùn)練集和測(cè)試集?！皉andperm”函數(shù)打亂29組樣本排序，將打亂后的樣本第1-24組劃分為訓(xùn)練集，25-29組劃分為測(cè)試集，同時(shí)將每一組的擊穿定壓平均值作為驗(yàn)證集。訓(xùn)練集用于參與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，是模型擬合的數(shù)據(jù)樣本，在訓(xùn)練過程中對(duì)訓(xùn)練誤差進(jìn)行梯度下降，是可進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練的權(quán)重參數(shù)；驗(yàn)證集是整個(gè)模擬訓(xùn)練過程中單獨(dú)留出的樣本集，它可用于調(diào)整模型的超參數(shù)和用于對(duì)模型的能力進(jìn)行初步評(píng)估；測(cè)試集用來評(píng)估最終模型的模擬效果能力是否符合標(biāo)準(zhǔn)，但是不能作為調(diào)參、選擇特征等算法相關(guān)的選擇的依據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)歸一化。用“mapminmax”函數(shù)對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，將數(shù)據(jù)映射到0-1之間。歸一化的作用是為了防止數(shù)據(jù)輸入不一致，數(shù)據(jù)范圍差距太大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)收斂過慢，訓(xùn)練時(shí)間過長(zhǎng)，且數(shù)據(jù)范圍的大小不一會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)擬合效果不一。同時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)通常是S型或雙極S型函數(shù)（還有線性函數(shù)、斜坡函數(shù)、閥值函數(shù)等），其范圍分別為0～1和-1～1，數(shù)據(jù)歸一化能加快網(wǎng)絡(luò)梯度下降求最優(yōu)解的求解速度以及提高精度。

（4）創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。用“newff”函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)元個(gè)數(shù)初步設(shè)置為10，訓(xùn)練迭代次數(shù)、mse均方根誤差、學(xué)習(xí)率分別設(shè)置為1000、0.0001、0.01。然后用“train”函數(shù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練誤差小于設(shè)定誤差值或達(dá)到迭代次數(shù)時(shí)便結(jié)束訓(xùn)練。

（5）數(shù)據(jù)反歸一化。對(duì)訓(xùn)練得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化，以方便和測(cè)試集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

（6）性能評(píng)價(jià)。通過訓(xùn)練得到的最終數(shù)據(jù)和測(cè)試集數(shù)據(jù)的對(duì)比，得到兩組數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差，以及決定系數(shù)R^2，其中相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差越接近0代表訓(xùn)練測(cè)試結(jié)果越好，決定系數(shù)R^2越接近1，代表訓(xùn)練測(cè)試結(jié)果越好，該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能越好。最后對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖對(duì)比。

（7）重復(fù)進(jìn)行步驟4～6，期間改變神經(jīng)元個(gè)數(shù)，尋找網(wǎng)絡(luò)最佳神經(jīng)元個(gè)數(shù)。

通過反復(fù)測(cè)試，最終得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練執(zhí)行過程圖、回歸線圖以及訓(xùn)練結(jié)果和測(cè)試集對(duì)比圖。圖8、9、10為某一次訓(xùn)練的訓(xùn)練執(zhí)行過程圖、回歸線圖以及訓(xùn)練結(jié)果和測(cè)試集對(duì)比圖（神經(jīng)元個(gè)數(shù)為8）。

圖8 訓(xùn)練執(zhí)行過程

圖9 回歸線

圖10 預(yù)測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比

BP算法預(yù)測(cè)結(jié)果見表3，通過大量數(shù)據(jù)測(cè)試得到，當(dāng)神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為8的時(shí)候，整個(gè)模型的預(yù)測(cè)效果最好。由表3數(shù)據(jù)可知網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果數(shù)據(jù)與測(cè)試集數(shù)據(jù)大致一致，相對(duì)誤差均在4%以內(nèi)，證明本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度較高，能較好的通過超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)反應(yīng)變壓器油擊穿電壓，可用于實(shí)際檢測(cè)。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

變壓器油作為變壓器最重要的組成部分之一，油液的狀態(tài)與電力變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行有著及其密切的關(guān)系，尤其是變壓器油的擊穿電壓，當(dāng)油品過差時(shí)會(huì)引起擊穿事故。本文通過對(duì)各種變壓器油擊穿電壓檢測(cè)方法的研究和現(xiàn)狀分析，和對(duì)多頻超聲檢測(cè)技術(shù)的研究，建立超聲波參數(shù)與變壓器油擊穿電壓之間的關(guān)系。建立了MATLAB-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過對(duì)MATLAB的熟練運(yùn)用和對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深入了解，用MATLAB編輯器搭建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)所得的29組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的仿真預(yù)測(cè)，最終得到了實(shí)驗(yàn)誤差小于4%的預(yù)測(cè)結(jié)果，證明了用多頻超聲檢測(cè)來反映變壓器油擊穿電壓的可靠性。