超聲波內(nèi)外置傳感器的研究

1、變壓器局部放電超聲波檢測中內(nèi)外置傳感器檢測方式的研究 超聲波是電力變壓器局部放電檢測的重要方法，以往都是將傳感器置于變壓器外進(jìn)行檢測。為了克服靈敏度低的缺點，本文提出了將超聲波傳感器置于變壓器內(nèi)部油中檢測的新方法，在實驗室建立了針板，沿面，內(nèi)部和懸浮4種典型局部放電模型，采用可同時在油內(nèi)外檢測的超聲波檢測系統(tǒng)測量模擬變壓器內(nèi)額局部放電。通過實驗驗證了油內(nèi)超聲波檢測的可行性，并從時域波形，信號幅值和頻譜三個方面對比了油內(nèi)外進(jìn)行超聲檢測的差異，說明了油內(nèi)超聲檢測的信號幅值是油外的1.5-3.8倍。1、 聲學(xué)中的基本概念1、 波的種類根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點的振動方向和波動傳播方向的關(guān)系可以分為縱波，橫波，表面

2、波等。彈性介質(zhì)當(dāng)受到交替變化的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用時，就相應(yīng)的產(chǎn)生交替變化的伸長和壓縮變形，質(zhì)點產(chǎn)生疏密相間的縱向振動，振動又作用于相鄰質(zhì)點而在介質(zhì)中傳播。此時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向和波動的傳播方向相同，這種波稱為縱波，用符號“L”表示。任何彈性介質(zhì)在體積變化時都能產(chǎn)生彈性力，所以縱波可以在任何彈性介質(zhì)（固體，液體，氣體）中傳播。固體介質(zhì)除具有體積彈性外，還具有剪切彈性。固體介質(zhì)當(dāng)受到交變的剪切力作用時，將會相應(yīng)的發(fā)生交變的剪切變形，介質(zhì)質(zhì)點產(chǎn)生具有波峰和波谷的橫向振動，振動又作用于相鄰的質(zhì)點而在介質(zhì)中傳播。此時介質(zhì)質(zhì)點的振動方向和波動的傳播方向垂直，這種波稱為橫波。用符號“T”表示。液體和氣體中由

3、于沒有剪切彈性，所以橫波只能在固體中傳播。固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力，使介質(zhì)表面的質(zhì)點發(fā)生相應(yīng)的縱向振動和橫向振動。結(jié)果使質(zhì)點做這兩種振動的合成振動，即繞其平衡位置做橢圓振動，橢圓振動又作用于相鄰的質(zhì)點而在介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，這種波稱為表面波。用符號“R”表示。一般認(rèn)為當(dāng)表面波傳播的深度大于兩個波長時，質(zhì)點振動的振幅已經(jīng)很小，波的傳播截止了。2、 聲壓聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒有超聲波存在時同一點的靜態(tài)壓強(qiáng)之差稱為聲壓，用符號“P”表示，單位為Pa。超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)每一點的聲壓隨時間，距離而變化。由式2-1可知，聲壓的絕對值與波速成正比，也與角頻率成正比。故超聲波與可聞

4、聲波相比，其聲壓很大。P=-AWPCsin(t-x/c)=pcv3、 聲阻抗聲阻抗Z；從P=pcv可知，在聲壓P相同的情況下，pc越大，質(zhì)點振動速度v越小，反之，pc越小，質(zhì)點振動速度v越大。所以把pc稱為介質(zhì)的聲阻抗，它表示超聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。Z=P/V=PC1聲阻抗在數(shù)值上等于介質(zhì)的密度與超聲波在介質(zhì)中聲速的乘積。由此可知，密度變化對聲阻抗也有一定的影響。2、 變壓器局部放電超聲超聲波的原理電力變壓器局部放電，是指變壓器內(nèi)絕緣存在氣泡，雜質(zhì)等，當(dāng)外施交變高壓時，缺陷出將發(fā)生局部的，重復(fù)的擊穿。該現(xiàn)象通常是在高電場強(qiáng)度下，在絕緣體內(nèi)電氣強(qiáng)度較低的部位發(fā)生，表現(xiàn)為絕緣體內(nèi)氣體摻入

5、物的擊穿，小范圍內(nèi)氣體或液體介質(zhì)的局部擊穿或固體介質(zhì)的沿面放電等。產(chǎn)生局部放電的條件取決于絕緣裝置中的電場分布和絕緣的電氣物理性能。局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但是可以導(dǎo)致電介質(zhì)（特別是有機(jī)電介質(zhì)）的局部損壞。其能量和空間雖微小，但日積月累，則在一定條件下可能造成絕緣裝置的電氣強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致絕緣最總損壞，釀成供電事故。因此局部放電對絕緣設(shè)備的破壞是一個緩慢的發(fā)展過程，對于高壓電氣設(shè)備來說是一種隱患。局部放電的特性一般可與絕緣的缺陷很好的相互印證。即根據(jù)局部放電特征可以確定電氣設(shè)備絕緣水平。運(yùn)行中的電力變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電時，其局部放電量的大小在一定程度上反映了絕緣缺陷的狀況，放電

6、功率的強(qiáng)弱反映了絕緣老化過程能力變化的強(qiáng)弱，而放電次數(shù)與放電間隔則反映了絕緣變化的速度和程度。當(dāng)局部放電發(fā)展到嚴(yán)重階段時，便使固體絕緣材料和油迅速分解，導(dǎo)致整個絕緣被擊穿。因此檢測局部放電的各種特性就能夠知道設(shè)備的絕緣狀況。絕緣介質(zhì)局部放電有2種類型；一種是氣泡內(nèi)放電；另一種是介質(zhì)在高場強(qiáng)作用下游離擊穿。一些澆注，擠壓的絕緣介質(zhì)容易夾雜著氣隙或氣泡，空氣的介電系數(shù)較固體介質(zhì)較小，而場強(qiáng)與介電常數(shù)成反比。因此，介質(zhì)中的氣隙或氣泡是第一種局部放電的發(fā)源地；當(dāng)局部電場更高時，在絕緣薄弱環(huán)節(jié)處將引起介質(zhì)的游離擊穿。以上兩種局部放電，在多數(shù)情況下往往同時發(fā)生或互相滲透。第一類放電的特征是均勻、密集，如金

7、屬板電極間的油紙放電，第二類放電的特征是間斷，大脈沖，如針對板放電。在電力變壓器內(nèi)發(fā)生局部放電時，不但會產(chǎn)生高頻脈沖電流信號，同時還會伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波信號。一般認(rèn)為，局部放電產(chǎn)生超聲波是由于局部體積變化引起的，也就是說當(dāng)局部放電發(fā)生時，變壓器有絕緣被擊穿，電荷運(yùn)動形成電流，產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致變壓器油受熱膨脹，局部體積在很短的時間增大；局部放電結(jié)束后，電流消失，變壓器油冷卻收縮。這種一脹一縮的體積變化引起了介質(zhì)的疏密變化，形成產(chǎn)生波，從局部放電源以球面波的方式向四周傳播，通過絕緣到達(dá)油箱壁。該理論忽略了空間電荷移動所產(chǎn)生的沖擊超聲波，因而無法取得局部放電與超聲波特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。3

8、、 超聲波傳感器的選擇1. 超聲波傳感器頻率范圍的確定為了排除干擾，提高檢測靈敏度，要求對變壓器絕緣局部放電的超聲信號頻譜和干擾信號的頻譜有較清楚的了解，以找出合適的檢測頻帶，最大限度的提高檢測系統(tǒng)的效率。由于絕緣介質(zhì)的微觀隨機(jī)性，并且實際上每次局部放電擊穿破壞了造成該局放產(chǎn)生的條件，不平衡是絕對的。電場強(qiáng)度的階梯分布越陡峭，這種隨機(jī)變化越激烈。所以，即使同一的放電結(jié)構(gòu)，同一的外施電壓，伴隨每次局部放電的超聲波的能量分布是不同的，超聲波信號的頻譜也不同，主要表現(xiàn)為頻譜峰值頻率的變化，但整個局部放電超聲波信號的頻率分布范圍卻變化不大。大量的頻譜研究結(jié)果表明，局部放電時產(chǎn)生的超聲波的能量集中在50

9、KHZ300KHZ頻段，其峰值頻率主要在70KHZ150KHZ之間。發(fā)電廠或變電站的現(xiàn)場干擾也是覺得傳感器頻率范圍的重要因素。因為超聲波傳感器測量的并非電氣信號，可以暫時不考慮電磁干擾的問題。一般說來，現(xiàn)場的主要聲信號干擾有變壓器冷卻裝置噪聲和變壓器鐵芯產(chǎn)生的磁噪聲。冷卻裝置的噪聲是由于冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵的振動而產(chǎn)生的，其根源在于；冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵在運(yùn)行時產(chǎn)生的振動，其中變壓器油泵產(chǎn)生的噪聲較小，可以忽略；變壓器本體的振動有時也可能通過絕緣油，管接頭及其裝配零件等，傳遞給冷卻裝置，使冷卻裝置的振動加劇，輻射的噪聲加大。此類噪聲的頻率相對較低，一般認(rèn)為在6001000HZ。電力變壓器的鐵芯

10、在運(yùn)行時會發(fā)生磁噪音，在超聲波檢測過程中是穩(wěn)定的，嚴(yán)重的干擾信號。變壓器的鐵芯由鐵磁材料組成，內(nèi)部存在大量磁疇。在磁化時，磁疇的磁矩將趨于外磁場方向。鐵磁材料的不可逆磁化階段中，磁化是不連續(xù)的，隨著磁場強(qiáng)度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度有幾次躍變，然后穩(wěn)定下來，這主要是由于疇壁位移磁化的跳躍引起的，稱為巴克豪森跳躍，和巴克豪森跳躍聯(lián)系在一起的磁疇的迅速轉(zhuǎn)動引起的聲發(fā)射，稱為巴克豪森噪聲（BN）。這一現(xiàn)象的特點是在材料磁化曲線的轉(zhuǎn)折點附近有明顯的聲發(fā)射脈沖信號。鐵磁材料在磁化過程中的另一個現(xiàn)象是磁滯伸縮，即鐵磁材料在外磁場方向伸長，而在垂直磁場的方向縮短（有些鐵磁材料的情況剛好相反）。因此，鐵磁材料內(nèi)部應(yīng)力

11、是各向異性的，由于這種內(nèi)應(yīng)力，磁疇在磁化過程中轉(zhuǎn)動呈階梯式變化，在鐵磁材料內(nèi)部激起應(yīng)力彈性波，這種應(yīng)力彈性波被稱為磁聲發(fā)射（MAE）。實際變壓器鐵芯內(nèi)的磁噪聲是巴克豪森噪聲和磁聲發(fā)射共同作用的結(jié)果。有研究表明，巴克豪森噪聲和磁聲發(fā)射的頻譜集中在1065KHZ。值得注意的是，隨著變壓器勵磁時間的增長，巴克豪森噪聲脈沖變得不明顯了，而主要是磁聲發(fā)射。綜合以上關(guān)于超聲信號頻譜特征和現(xiàn)場干擾噪聲的分析，本文中的超聲波傳感器的頻帶范圍選定為80-150KHZ，盡量覆蓋變壓器局放超聲信號的主要能量頻譜范圍，同時又盡可能避開絕大部分的現(xiàn)場干擾噪聲。2. 壓電超聲換能器在超聲領(lǐng)域，壓電超聲換能器是應(yīng)用最為廣泛

12、的一種聲電轉(zhuǎn)化元件，壓電超聲換能器是通過各種具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)，如石英，壓電陶瓷，壓電復(fù)合材料以及壓電薄膜等，將電信號轉(zhuǎn)化成聲信號，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。應(yīng)用較多的壓電材料主要有五大類，即壓電單晶體，壓電多晶體（壓電陶瓷），壓電高分子聚合物，壓電復(fù)合材料以及壓電半導(dǎo)體。壓電陶瓷是目前超聲研究及應(yīng)用中極為常用的材料。其優(yōu)點在于以下幾點；1） 機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，一般可以達(dá)到80%左右2） 容易成型，可以加工成各種形狀，如圓盤，圓環(huán)，圓筒，矩形以及球形等；3） 通過改變成分可以得到具有各種不同性能的超聲換能器，如發(fā)射型，接收型以及收發(fā)兩用型。4） 造價低，不易老化，機(jī)電參數(shù)的時間和溫度穩(wěn)定性好，易于推

13、廣應(yīng)用。傳感器最基本重要的特性就是靈敏度和頻率特性，所以首先要以傳感器材料特性值為參考，定量的計算出某頻率段的靈敏度，然后通過實驗來驗證和修改，使其達(dá)到預(yù)期的技術(shù)性能。、傳感器靈敏度的定義是；接收聲發(fā)射傳感器輸出端的開路電壓（以V為單位)與在聲發(fā)射彈性波的聲場中引入傳感器前該位置的自由場電壓之比。對于諧振式傳感器，一般用速度來描述聲場，所以靈敏度可以定義為；壓電晶體輸出電壓V與介質(zhì)表面的質(zhì)點速度U之比，式中d為傳感器壓電晶體的厚度，Zn,Zn-2為傳感器的聲阻抗，U0為沿極化方向的聲波速度，q33為壓電常數(shù)，為聲常數(shù)，f為聲波頻率。該理論表明，在特定的頻率上，傳感器的靈敏度有最大值和最小值，而且其頻率與壓電晶體厚度以及聲波速度有很大關(guān)系。壓電晶體的固有機(jī)械振動頻率取決于傳感器的檢測頻帶，