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(cè)中內(nèi)外置傳感器檢測(cè)方式的研究 超聲波是電力變壓器局部放電檢測(cè)的重要方法，以往都是將傳感器置于變壓器外進(jìn)行檢測(cè)。為了克服靈敏度低的缺點(diǎn)，本文提出了將超聲波傳感器置于變壓器內(nèi)部油中檢測(cè)的新方法，在實(shí)驗(yàn)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(shí)在油內(nèi)外檢測(cè)的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量模擬變壓器內(nèi)額局部放電。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了油內(nèi)超聲波檢測(cè)的可行性，并從時(shí)域波形，信號(hào)幅值和頻譜三個(gè)方面對(duì)比了油內(nèi)外進(jìn)行超聲檢測(cè)的差異，說(shuō)明了油內(nèi)超聲檢測(cè)的信號(hào)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(lèi)根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波動(dòng)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(shí)，就相應(yīng)的產(chǎn)生交替變化的伸長(zhǎng)和壓縮變形，質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生疏密相間的縱向振動(dòng)，振動(dòng)又作用于相鄰質(zhì)點(diǎn)而在介質(zhì)中傳播。此時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波動(dòng)的傳播方向相同，這種波稱(chēng)為縱波，用符號(hào)“L”表示。任何彈性介質(zhì)在體積變化時(shí)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(shí)，將會(huì)相應(yīng)的發(fā)生交變的剪切變形，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生具有波峰和波谷的橫向振動(dòng)，振動(dòng)又作用于相鄰的質(zhì)點(diǎn)而在介質(zhì)中傳播。此時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波動(dòng)的傳播方向垂直，這種波稱(chēng)為橫波。用符號(hào)“T”表示。液體和氣體中由

3、于沒(méi)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(diǎn)發(fā)生相應(yīng)的縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)。結(jié)果使質(zhì)點(diǎn)做這兩種振動(dòng)的合成振動(dòng)，即繞其平衡位置做橢圓振動(dòng)，橢圓振動(dòng)又作用于相鄰的質(zhì)點(diǎn)而在介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ@種波稱(chēng)為表面波。用符號(hào)“R”表示。一般認(rèn)為當(dāng)表面波傳播的深度大于兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅已經(jīng)很小，波的傳播截止了。2、 聲壓聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差稱(chēng)為聲壓，用符號(hào)“P”表示，單位為Pa。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)每一點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間，距離而變化。由式2-1可知，聲壓的絕對(duì)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(diǎn)振動(dòng)速度v越小，反之，pc越小，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v越大。所以把pc稱(chēng)為介質(zhì)的聲阻抗，它表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(duì)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(shí)，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(chǎng)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(chǎng)分布和絕緣的電氣物理性能。局部放電一般不會(huì)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(duì)絕緣設(shè)備的破壞是一個(gè)緩慢的發(fā)展過(guò)程，對(duì)于高壓電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)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(shí)，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(guò)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(shí)，便使固體絕緣材料和油迅速分解，導(dǎo)致整個(gè)絕緣被擊穿。因此檢測(cè)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(lèi)型；一種是氣泡內(nèi)放電；另一種是介質(zhì)在高場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)更高時(shí)，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(shí)發(fā)生或互相滲透。第一類(lèi)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(lèi)放電的特征是間斷，大脈沖，如針對(duì)板放電。在電力變壓器內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電流信號(hào)，同時(shí)還會(huì)伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波信號(hào)。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(shuō)當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，變壓器有絕緣被擊穿，電荷運(yùn)動(dòng)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(shí)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(guò)絕緣到達(dá)油箱壁。該理論忽略了空間電荷移動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊超聲波，因而無(wú)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(cè)靈敏度，要求對(duì)變壓器絕緣局部放電的超聲信號(hào)頻譜和干擾信號(hào)的頻譜有較清楚的了解，以找出合適的檢測(cè)頻帶，最大限度的提高檢測(cè)系統(tǒng)的效率。由于絕緣介質(zhì)的微觀隨機(jī)性，并且實(shí)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(duì)的。電場(chǎng)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(hào)的頻譜也不同，主要表現(xiàn)為頻譜峰值頻率的變化，但整個(gè)局部放電超聲波信號(hào)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(shí)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(chǎng)干擾也是覺(jué)得傳感器頻率范圍的重要因素。因?yàn)槌暡▊鞲衅鳒y(cè)量的并非電氣信號(hào)，可以暫時(shí)不考慮電磁干擾的問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)的主要聲信號(hào)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(dòng)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，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(dòng)有時(shí)也可能通過(guò)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(dòng)加劇，輻射的噪聲加大。此類(lèi)噪聲的頻率相對(duì)較低，一般認(rèn)為在6001000HZ。電力變壓器的鐵芯

10、在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生磁噪音，在超聲波檢測(cè)過(guò)程中是穩(wěn)定的，嚴(yán)重的干擾信號(hào)。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(shí)，磁疇的磁矩將趨于外磁場(chǎng)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(chǎng)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(lái)，這主要是由于疇壁位移磁化的跳躍引起的，稱(chēng)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(dòng)引起的聲發(fā)射，稱(chēng)為巴克豪森噪聲（BN）。這一現(xiàn)象的特點(diǎn)是在材料磁化曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近有明顯的聲發(fā)射脈沖信號(hào)。鐵磁材料在磁化過(guò)程中的另一個(gè)現(xiàn)象是磁滯伸縮，即鐵磁材料在外磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，而在垂直磁場(chǎng)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(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)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(chēng)為磁聲發(fā)射（MAE）。實(shí)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(lì)磁時(shí)間的增長(zhǎng)，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(hào)頻譜特征和現(xiàn)場(chǎng)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(hào)的主要能量頻譜范圍，同時(shí)又盡可能避開(kāi)絕大部分的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化成聲信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。應(yīng)用較多的壓電材料主要有五大類(lèi)，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(diǎn)在于以下幾點(diǎn)；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(pán)，圓環(huán)，圓筒，矩形以及球形等；3） 通過(guò)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(jià)低，不易老化，機(jī)電參數(shù)的時(shí)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(jì)算出某頻率段的靈敏度，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(kāi)路電壓（以V為單位)與在聲發(fā)射彈性波的聲場(chǎng)中引入傳感器前該位置的自由場(chǎng)電壓之比。對(duì)于諧振式傳感器，一般用速度來(lái)描述聲場(chǎng)，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(diǎn)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(dòng)頻率取決于傳感器的檢測(cè)頻帶，