變壓器繞組變形檢測技術分析

摘要：針對變壓器繞組變形問題，以往大多采用超聲波檢測的方法，但此類方法的應用效率較低。為提升檢測性能，提出將編碼擴頻（Coding Spread Spectrum，CSS）技術與超聲檢測技術結合的方案。通過闡述聲波透射、聲波衰減的實際原理，進一步提出聲場計算方法、編碼序列的調制路徑，并設計超聲波擴頻測距系統，依托廣義互相關算法，完成回波分析。經過試驗仿真后，發現該系統能夠保證檢測精度達到±0.05 mm，能夠直觀、定量地反映變壓器繞組結構。

關鍵詞：變壓器繞組 變形檢測 超聲波檢測 編碼擴頻

Analysis of Detection Technology of Transformer Winding Deformation

XIAN Yongfeng" CHEN Dawei" LIU Xinggui" ZHOU Jing

Shandong" Institute" for" Product" Quality" Inspection， Ji’nan， Shandong Province， 250102 China

Abstract： In the past， most ultrasonic detection was mostly used to detect transformer winding deformation， but the application efficiency of this method is relatively low. To this end， this paper proposes to organically combine Coding Spread Spectrum （CSS） technology with ultrasonic detection technology， expounds the actual principle of sound transmission， sound attenuation， further puts forward the sound field calculation method， the modulation path of coding sequence. Through the design of ultrasonic spread frequency ranging system， relying on the generalized mutual correlation algorithm， echo analysis is complete. After the test simulation， it is found that the system can ensure the detection accuracy of ± 0.05mm， which can intuitively and quantitatively reflect the transformer winding structure.

Key Words： Transformer winding; Deformation detection; Ultrasonic detection; Coding Spread Spectrum

繞組變形可以理解為變壓器受機械力或電動力影響而產生繞組軸向或徑向規格的改變，表現為繞組局部扭曲和移位。此類現象不僅會引發局部放電，降低繞組的機械性能，也容易引發累積效應，產生惡性循環。為保證繞組變形的及時發現與針對性處理，本文將基于超聲波檢測與編碼擴頻（Coding Spread Spectrum，CSS）技術，探討檢測方法的應用路徑。

1 超聲波檢測繞組的原理

簡單來說，超聲波檢測是根據聲波在不同聲阻抗介質中的傳播差異性進行分析計算，具體流程可分為以下幾點。

1.1 聲波透射

在繞組變形檢測階段，需要采用超聲波換能器，其是用于將電功率轉變為機械功率的設備，需要集中布置在變壓器表面。超聲波完成一次透射后，會經變壓器鋼介質進一步入射到絕緣油內，直至檢測繞組位置后，還要再完成一次從油介質至鋼介質的透射。需要注意的是，在聲波透射階段會損失較大能量。為解決此類問題，應確保電路本身發射電壓充足，推動超聲波穿透鋼-油界面，通過適當增大回波，保證回波信號能夠放大至標準幅值。

1.2 聲波衰減

在完成上述聲波透視后，超聲波還要在介質中保持穩定傳遞，此時能量會隨著傳播距離的提升而持續降低。在此過程中，聲壓和聲強間的衰減規律如下。

式（1）中分別代表與聲源相隔距離x的聲壓與聲強；分別表示聲源位置的聲壓與聲強；a表示衰減系數，需要注意，在實際計算階段，不同介質的衰減系數存在一定差異，對于油介質來說，衰減系數更多的表現為介質的吸收衰減b，具體計算方法如下。

式（2）中，分別表示超聲頻率、粘滯系數、介質密度與聲波傳播速度。根據式（2）可知，當衰減系數增大時，粘滯系數也會適當增加，介質中的密度與聲波傳輸速度則會出現小幅度降低。因此，可以得出結論，在超聲波傳播階段，頻率越低，能量損失越少。為此，在進行超聲波檢測時，需要盡可能選取頻率更低的探頭設備。

1.3 聲場計算

超聲換能器所形成的聲場p（x）在一定程度上由壓電陶瓷的外形決定，具體的計算方法如下。

式（3）中：分別表示介質密度、聲速與額定電壓；a、K分別表示壓電陶瓷半徑和常數。根據上述計算方法，可以發現，在與換能器保持30 cm間隔的區域，與換能器表現為垂直關系的聲壓只達到峰值聲壓的50%。基于此，針對變壓器超聲波檢測，還需要進一步結合傳播距離增加時聲壓會大幅度衰減的規律，進行多級放大處理，并根據換能器體積越小指向性越強的原理，保證換能器規格不低于45 cm×20 cm。

1.4 聲波反射

當超聲波進入到變壓器繞組內部后，會因介質間聲阻抗的差異性而使超聲波出現反射現象。此時，可以根據折射和反射定律與聲壓和振速反射系數得出結論。聲壓在油質中的反射系數相對較大，因此，當超聲波抵達繞組表面時，能夠保證反射后的能量與入射能量基本相同，可以直接依靠回波探頭收集相關回波信號。

1.5 聲波折射

根據實際調查發現，超聲波換能裝置傳輸的超聲波經透射和反射后，最終會進入到鋼介質，一旦回波與鋼介質之間存在一定傾角，必然會加劇聲波的折射，并伴有波形變化。若反射波與鋼介質夾角大小，始終維持在第一臨界角以下，則超聲波探頭能夠精準獲取橫波與縱波；如果反射波與鋼介質的夾角始終大于第一臨界角，但并未超出第二臨界角，則同樣可以通過超聲波探頭獲取橫波，但縱波的獲取效果達不到預期標準。結合上述結果，可以總結出，使用超聲實時變壓器繞組檢測過程中，需要依照反射波與鋼介質的夾角大小科學選取回波接收探頭。并結合反射波的入射角決定探頭的安裝位置。

1.6 探頭設置

在進行變壓器繞組檢測階段，應充分考慮變壓器的結構特征，了解變壓器的繞組所處區間，選定光滑表面部署超聲換能器。在檢測階段，準確避開油箱外的不平滑結構，如波紋片，對于此類特殊位置，應采用專門的傾斜角度，以保證檢測結果準確無誤差。同時，還要注意，超聲回波波形會因回波入射角的差異性而引發橫波縱波類型的不統一，因此，需要針對不同類型的超聲波信號選用針對性的接收探頭[1]。由于發射探頭屬于縱波垂直類型，因此，回波入射角會在一定程度上由探頭與繞組中軸線的距離決定。當超聲波回波與變壓器鋼介質的傾角屬于第一臨界角時，二者的間隔距離可以采用下述公式進行計算。

式（4）中，表示繞組半徑。若探頭位于繞組中軸線附近且間隔距離始終維持在第一臨界距離以內，則此時超聲回波為縱波，需要通過接收探頭獲取有效回波；若探頭與繞組中軸線距離超過第二臨界距離，但不超過第三臨界距離，則反射后的回波與鋼介質表面夾角控制在第一臨界角以內，此時應保證探頭部署在變壓器相鄰面，用以完成回波接收；若探頭與繞組中軸線間隔距離位于第一臨界距離與第二臨界距離之間，則會進一步將超聲縱波轉化為超聲橫波，此時可以直接采用超聲橫波探頭實現信號接收 [1]。

2 超聲編碼擴頻方法

2.1 生成編碼序列

在進行編碼序列生成時，更多的依靠偽隨機序列，其特點主要表現在隨機性與序列值確定。例如：對于M系列來說，即反饋移位寄存器序列，其結果組成主要包括多級移位寄存器，能夠在初始時刻直接賦予初始值，并在每過一個脈沖后將初始值傳遞至下一時刻，直至經過二值運算后，將其設置為寄存器的輸入值，形成M序列的生成器，此時，M序列勢必會具有較為顯著的周期性，能夠與反饋邏輯狀態產生密切關聯；至于GOLD序列，簡單來說，是在M系列基礎上進行衍生和改進，當兩列M序列相關函數符合既定標準時，便可形成GOLD序列，具體標準表現為：M序列做模2相加，此時，GOLD序列可用量超出同級M系列。因此，本次變壓器繞組變形檢測，更適合將GOLD序列設置成數字基帶信號[2]。

2.2 調制編碼序列

在調制過程中，需要根據GOLD序列控制載波參數，并進一步將數字基帶信號設置成數字帶通信號。一般情況下，調制方式以二值頻移鍵控為主，需要結合基波信號調制載波信號頻率。通常來說，當GOLD序列為1時，輸出載波頻率記作；當GOLD序列為0時，載波頻率記作。在設計時，需要以上載波頻率滿足下述條件。

式（5）中：表示換能裝置的中心頻率；表示系統帶寬；分別表示碼元頻率、GOLD序列中1的個數和周期、GOLD序列中0的個數和周期。

2.3 計算渡越時間

在進行變壓器繞組變形檢測時，超聲波檢測屬于主動檢測，所獲取的回波信號中難以避免地會產生較高的信噪比，此時，需要依托廣義相關算法（Generalized Correlation Algorithm，GCA）來實現渡越時間的計算。在算法應用時，對于2列信號，應使用兩個實因果濾波器，完成濾波預處理，并確定GCA的函數表達式與頻率表達式，通過對互功率譜實施函數加權，使GCA函數達到最大值[3]。

2.4 回波分析

結合上文研究，可以總結出，本文主要依靠GOLD序列獲得回波信號。在完成相關分析后，可知回波峰值點的時間值與采樣頻率的乘積便是渡越時間，也能用于表示超聲波在變壓器內的傳播時長。在檢測過程中，若超聲波能夠在油介質中保持1 km/s的傳播速度，則應采取中心頻率達到400 kHz的換能裝置完成繞組變形檢測，并保持20 MHz的采樣頻率。理論上，該條件下，繞組變形的檢測精確度能夠達到±0.05 mm[4]。

3 繞組建模與變形研究

在完成上述操作后，還要對超聲波傳播進行深入探究，做好回波信號的處理，獲取超聲波接發時產生的時延，依照聲波傳播路徑，計算超聲波反射點的具體位置。

首先，要了解超聲垂直出射狀況。假設超聲波在油介質、鋼介質中的傳播速度分別為，則變壓器金屬外殼厚度設定為，檢測點與外殼之間的距離設定為，超聲時延設定為，在變壓器油介質、鋼介質中的傳播時間分別設定為，此時，可以根據以下公式求導檢測點的三維坐標。

其次，要明確超聲波的出射角度。若超聲波超過第一臨界角出射，則鋼介質中只存在橫波，需要憑借橫波探頭完成信號接收，依靠數學推導，提高被測點的坐標計算精確性。

4 試驗分析

本文闡述的基于“超聲波+CSS”的變壓器繞組檢測方法本質上屬于帶電檢測，超聲波信號與變壓器無電氣連接，在檢測階段，需要保證探頭能夠搭配磁鐵固定在箱體表面。要注意到，超聲波檢測屬于主動檢測，因此，探頭工作頻率可以結合實際情況動態調整，電壓裝置的振動不會對檢測結果產生過度影響。對變壓器模型開展檢測時，應優先選取光滑正面完成探頭部署，在偏離軸線區，應第一時間采用縱波探頭進行檢測。對于具有附屬物的表面，可以通過斜探頭實施檢測。此外，在檢測階段，應適當使用耦合劑，選定模型坐標原點，注重相關信息的校準與記錄，核定探頭間的相隔距離，結合發射波與回波計算渡越時間，得到被測點的三維坐標。根據研究顯示，依靠“超聲波+CSS”的變壓器繞組變形檢測，能夠保證測量數據誤差均控制在毫米級[5]。

5 結語

通過將超聲波檢測與CSS技術有機融合，實現變壓器繞組變形檢測，搭配科學的探頭設置策略，并利用建模仿真，實現技術可行性驗證。最終發現，依托三維位置轉化算法，能夠準確獲取變壓器繞組狀態，保證檢測精度達到±0.05 mm，且檢測過程中不會對變壓器運行產生干擾，具有極高的推廣價值。

參考文獻

[1] 俎樹英.分布式光纖傳感支持下的變壓器繞組變形檢測方法分析[J].設備監理，2024（3）：62-65.

[2] 賀清鋒，蘭生.電磁-結構場耦合下變壓器繞組漏磁場和變形仿真研究[J].變壓器，2024，61（5）：51-57.

[3] 劉建鋒，李志遠.基于漏磁場和ICOA-ResNet的變壓器繞組早期故障診斷[J].電力系統保護與控制，2024，52（9）：99-110.

[4] 許超，張書偉.基于局部放電超聲信號的變壓器繞組短路阻抗自動化測量技術[J].自動化與儀表，2024，39（3）：79-83.

[5] 金凌峰，劉灝，鄭一鳴，等.重合閘工況下變壓器繞組軸向動穩定性仿真研究[J].浙江電力，2024，43（6）：109-116.