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1、DOI：l 07667PSPC l 5203 l基于多频超声波技术的变压器油参数检测方法饶锐1，程乐峰2，宋浩永1，陈于晴1，李正佳2，余涛2(1广州供电局有限公司电力试验研究院，广东广州510420；2苏州华天国科电力科技有限公司，江苏苏州215000)摘要：为准确检测变压器油状态，针对变压器油参数，给出基于多频超声波检测技术的变压器油检测方法。开发相应的硬件检测装置和上位机分析软件。硬件部分可利用多频超声波技术，在1 S内，将大量不同频率的超声波新信号聚集在一个扫描测量频率，进行数以百计的扫描，从而在很短的时间内完成变压器状态诊断。给出了系统的设计原理和主功能单元设计，主功能单元包括发射部
2、分和接收部分。其次，阐述了多元统法的计算原理。基于此，上位机软件可对携带有变压器油参数信息的超声波参数进行统计和分析，以提取其特征量，进一步建立起变压器油运行状态与超声波特征量的关联，进而判断变压器的运行状态。实验检测表明该系统可在线实时检测微水含量、击穿电压(BDV)、活性水等变压器油参数，解决了传统检测装置检测步骤繁琐、不能在线检测等问题，提高检测灵敏性，降低检测成本。关键词：多频超声波技术；多元统计分析；上位机软件；变压器；油样本；数据库Research on detection method of transformer oil parameters based onmulti-fre
3、quency ultrasound techniqueRAO Ruil，CHENG Lefeng：，SONG Haoyon91，CHEN Yuqin91，LI Zhengjia2，YU Ta02(1Electric Power Research Institute ofGuangzhou Power Supply Bureau Co，Ltd，Guangzhou 510420，China；2Suzhou Huatian Power Technology Co，Ltd，Suzhou 2 1 5000，China)Abstract：The multi-frequency ultrasound tec
4、hnique for transformer oil parameter detection is givenThe correspondinghardware detector and upper system software are designed and developedBased on the formulated multi-frequencyultrasound detection technique，a large number of ultrasound signals with different frequencies could be gathered in asc
5、anned monitoring frequency in a second by the hardware part,then the state diagnosis of transformer is finished viahundreds of scannings in a short time111e design principle of system and main functional units are given,and the lattermainly includes the transmitting part and receiving partNext，the m
6、ultivariate statiStical analysis algorithm is elaborated，and based on which，the ultrasonic parameters that contain the operating information of transformers are made statisticsand analyzed by the upper software，to get the ultrasound characteristic values，between which and ten situations oftransforme
7、r,furtheL relationship is built,SO as tojudge the operating situation oftransformersThe experimental detectionshows that the developed system can detect the transformer oil parameters such as the water content，breakdown voltage(BDV)and active water online and in real timeThus the proposed transforme
8、r oil detection method based onmultifrequency technique solves the problems of cumbersome detection steps and failed online testing and hasadvantages of senskive detection and lower cost，when it is compared with the traditional detection systemsKey words：multifrequency ultrasonic technique；muRivaria
9、te statistical analysis；upper PC software；transformer；oilsample；database0 引言变压器是电力系统的重要设备，对其运行状态进行准确的评估，对故障进行正确的诊断，关系到基金项目：中国南方电网科技项目(GZGD20150301240091)整个电网的运行安全。状态评估是对变压器的运行状态及其他信息进行记录、分类和评估，为设备检修提供决策依据【l。3j。对电力变压器状态评估检测技术的研究可有效地了解和监视设备的运行状况，并提供早期的故障报警，保障变压器的安全运行【4。目前应用于变压器检测的技术主要是油色谱分万方数据饶锐，等 基于多
10、频超声波技术的变压器油参数检测方法 一175一析5-61、红外测温【781和局部放电在线检测【9。10】等技术。其中，文献1l】研究了绝缘介质弛豫响应与油纸绝缘时域极化谱特征量的内在关系，分析出电路参数仿真变化对应的恢复电压特征量变化规律，为运用恢复电压测试技术无损诊断变压器绝缘状态奠定了理论基础。文献12提出一种基于油中金属分析方法的油浸式变压器放电性故障定位方法，为变压器状态检修的实现提供了新的技术支撑。文献13】则应用光声光谱技术进行油浸式电气设备的故障气体检测，可有效检测油浸式变压器设备油中溶解气体含量。文献14针对特高频法监测变压器内部局部放电，设计了一种新型变压器局部放电特高频传感
11、器，即Goubau天线，通过研究阻抗匹配线圈对Goubau天线驻波比的影响，并仿真传感器安装时手孔升高座对传感器驻波比的影响，表明天线频域相应能够分辨不同的局部放电类型，适用于变压器局部放电特高频信号监测。油色谱分析技术虽然可以很好的反映变压器的内部故障，但是利用气相色谱法检测油中溶解气体【5。6，J，从取油样一油气分离一色谱分析的全过程来看，存在着环节多、操作手续繁琐、试验周期长等弊病，当然也就不可避免地引进较大的试验误差。对于发展较快的故障检测则感到不够及时，难以充分发挥其作用。文献i151针对变压器油中溶解气体浓度预测中存在的输入变量选择结果受噪声影响的问题，提出了改进的互信息变量选择和
12、支持向量回归机的油中溶解气体浓度预测方法，实验结果表明改进的标准化信息的输入变量选择结果吻合油劣化热动力学研究结果，具有较优的预测精度和泛化能力。文献16】提出了一种基于重构贡献和灰关联熵结合的变压器故障诊断方法，结果表明该方法具有良好的故障识别能力，提高了故障诊断的准确性。红外测温技术对变压器检测具有非接触式测量，测量范围广，测温速度快等优点1171，但它易受环境因素影响较大，对于光亮或者抛光的金属表面测温读数影响较大，只能测量变压器外部温度，不能测量变压器内部和存在障碍物时的温度，而且温度只是变压器其中的一个参数，不能根据其温度而准确反映变压器的运行状态。局部放电在线检测技术【l 8j虽然
13、能对变压器进行故障定位，但由于局放信号很弱，现场的干扰性很强，有时干扰信号甚至比局放信号强23个数量级，不能准确识别局放信号和有效抑制干扰，测量出来的结果具有较大的误差，这是局部放电在线检测技术一个较大的局限性。目前，多频超声波检测手段和技术在国内还没有开展这方面的研究，相关资料和成果也相对较少。因此，开展智能多频超声波变压器检测技术研究与应用，可为变压器的在线检测提供新的思路，具有十分重要的现实意义。基于此，依靠多频超声波检测技术，本文提出一种新的变压器检测方法，利用多频超声波技术来测量变压器油参数，并准确反映变压器的运行状态。1 多频超声波检测的思想对变压器油的多频超声波检测技术的思想可从
14、“人体全血液分析方法”中得到灵感，如图1所示。根据图l，可将变压器油分析可看作对变压器的“全血液分析”。变压器在实际运行中，其内部环境处于一个急速的动态变化过程，利用多频超声波检测技术在变压器内部急速的动态变化环境中的检测原理如图2所示。至韭勤i|坌H 鱼亘垂互匝竹圳l_J!j：?r亿擎嗣品汕中溶解C体o特局颁局；l【放电甜J_lj钳一jt锄0IU图1变压器油超声波分析思想来源Fig1 Idea origin of transformer oil ultrasonic analysis图2多频超声波光谱检测变压器内部动态环境示意图Fig2 Detection principle oftrans
15、former inner dynamicenvironment by the multifrequency ultrasonic spectroscopy图2中，LMA为Lowmolecular acids，即低分子量酸类物质，相应HMA为高分子量酸类物质。基于图2，多频超声波检测方法的原理在于利用多万方数据电力系统保护与控制频超声波光谱不断扫描变压器内部动态环境，其新颖性在于产生数目非常大的不同特定频率的超声波，针对变压器油就相关的参数数据进行测量，几百个超声参数可以在1 S内聚集在一个测量扫描频率，数以百计的扫描，可在1 S内进行。这些不同频率的超声波信号在分子级别“加载”了变压器油内部的
16、物质状态信息，通过对这些信息加以分析便可以得到所需的油状态参数，从而准确反映变压器的运行状态。2 系统设计21系统原理超声波在液体中的通过速度不是一个常数，而是随频率有改变。多频超声光谱(MFUS)通过为流体实时提供一束超声参数，得到声学频谱。利用多频超声波检测技术，几百个超声参数可以在1 S内聚集在一个测量扫描频率，数以百计的扫描，可在1 S内进行。这些超声参数带有关于变压器油中的不同物质的具体特点的信息。对大量的试验数据进行分析，得到多种变压器油参数包括微水分含量、击穿电压、油介损等；并开发基于多元统计分析技术、人工神经元网络的数据分析软件，建立一个各种类型油样本的数据库。通过一系列智能算
17、法将这些特征值(超声波参数)和油样本参数建立关联。对变压器油参数的分析推断变压器真实的运行状态。如图3所示，多频超声波变压器检测装置硬件系统主要包括：超声波发射接收控制单元、多频超声波传感器和数据分析软件。超声波局域I啊 ，楚器阳，窃图3多频超声波变压器检测装置原理结构图Fig3 Principle structure diagram of multi-frequencyultrasonic transformer detection device在图3中，超声波发射接收控制单元上安装有电源接口、电源开关、Intemet网络接口、超声波信号输出接口及信号接收接口。超声波发射接收控制单元内设有多
18、频超声波发生装置，多频超声波发生装置内部连接至超声波发射接收控制单元的超声波信号输出接口，输出接口经导线连接到多频超声波传感器，多频传感器的输出信号经导线连接至超声波发射接收控制单元的超声波信号接收接口，超声波信号接收接口将信号传输至超声波发射接收控制单元的信号处理电路，基于DSP技术的控制电路可准确地完成超声波原始信号到振幅、相位以及超声波速度等超声波参数的计算。然后通过网络将超声波参数传输给基于多元统计分析算法的上位机软件。在上位机中，通过操控该软件从超声波参数中提取超声波特征量，并通过一系列智能算法计算出变压器油的微水含量、击穿电压、活性水、介质损耗、体积电阻率、油界面张力等参数，将这些
19、变压器油参数与数据库中的数据进行对比，从而判断变压器的运行状态或检测变压器的故障。22主功能单元设计221发射部分设计如图4所示为发射部分设计示意图，该部分包括有功率控制模块、发射控制模块、频率控制模块及发射驱动模块。功率控制模块根据变压器的类型和变压器容量的大小选择合适的功率信号指令，送发射控制模块处理。发射控制模块根据频率控制模块和功率控制模块的输出信号，产生换能器发射需要的载波脉冲信号，送到发射驱动模块，频率控制决定载波频率，功率控制决定脉冲宽度和幅度，从而达到控制换能器发射功率的作用。发射驱动模块将发射控制模块送来的脉冲信号经升压处理后产生大功率的输出信号，推动换能器发射合适的多频超声
20、波。图4发射部分设计结构图Fig4 Design structure diagram of transmitting part在实际应用中，变压器的容量往往是不一样的，为了解决这个问题，在多频超声波发射接收控制单元的发射部分，设计了频率控制模块及功率控制模块。频率控制模块可以改变发射超声波的频率，功率控制模块可以改变发射超声波的功率，这样就可以通过改变频率控制模块和功率控制模块的输出来控制多频超声波的频率范围和功率大小，使得设备万方数据饶锐，等 基于多频超声波技术的变压器油参数检测方法 一177一在变压器容量不同的情况下都能正常使用，提高了产品的适用性，降低了变压器检测的成本。222接收部分设
21、计超声波发射接收控制单元的接收部分包括：信号放大模块、选频模块、检波器及数模转换模块(AD采样)。其中，信号放大模块将超声波传感器传输回来的信号进行放大，然后送至选频模块，对信号频率进行筛选。选频模块通过设置合适的频率通过范围，从而滤除干扰信号，得到准确的多频超声波信号模拟量。多频超声波信号模拟量经检波器传送至数模转换模块，通过AD转换，将多频超声波信号模拟量转换为数字信号传输给微处理器，具体信号流程如图5所示。图5接收部分设计结构图Fig5 Design structure diagram of receiving part3 算法设计超声检测的过程中，描述回波的特性主要是相位、振幅和超声波
22、的速度等参数。通过多元统计分析算法，可以从这些参数中提取出变压器油的水分含量、击穿电压、介损、体积电阻率、油界面张力等参数，从而判断变压器的运行状态。该系统分析软件采用的算法是多元统计分析算法中的主分量分析算法(Principle ComponentAnalysis，PCA)，其原理是利用过程变量间的相关性建立正常工况下的主元模型，通过分析超声波参数，对其进行降维处理，提取出超声波特征值，并建立这些特征值与油样本参数的关联【l皿24J。31主元分析模型在构建数据矩阵时，将超声波参数样本一行一行排列，即每一行表示一个观测样本(物理量讧，每一列表示一个被观测量f。考虑到不同的被观测量往往有不同的量
23、纲，并且不同的量纲会引起各变量取值的分散程度差异较大，为消除此影响，常采用变量标准化的方法【202lJ，令孝，：车坐 (1)与，一尸2一 Ll J、30|i式中：L。为所有元素为1的n维列向量；U，=E(孝；)为胛维行向量；盯，=Var(彭)，这时，标准化矩阵X=眚，参，厶。对X做主元分析，首先需要求得X的协方差矩阵C，即C=去一 (2)，l=I式中：Xi为标准化矩阵X的第f个元素；rl为元素个数；协方差矩阵C的m个特征值兄和对应的单位正交向量Pi，其中五厶0。标准化矩阵X可以分解为X=X+E (3)式中：X表示X的模型值矩阵：为建模误差向量矩阵，即，又=挣7=ZtiP?，Q时，系统出现故障，
24、其中姨是检验水平Or下的置信限值，即万方数据_178一 电力系统保护与控制纠竿m半卜9，式中：巴为正态分布在检验水平口下的临界值；谚=形i=1，2，3，ho=1201033彰。j=l+l4 实验检测本文开发多频超声波变压器检测装置可输送的参数主要包括四类，分别为超声波参数，物质参数，物理化学参数和电参数等，详情如表1所示。表1检测参数类型列表Table 1 Detection parameter types超声波参数 每赫兹超声波速率、每赫兹吸收量物质参数 温度、气压、微粒等密度、粘度、界面张力、酸性(低高分子酸性物质、TAN、NN等)、微水含量、油中溶解气物理化学参数 体、氧化稳定性(抑制剂
25、含量和降解程度)、DBDS及其降解程度、呋喃类物质、其他感兴趣物质含量(酒精类、醛类、酮类等)直接参数：电偶极矩、油电导率电阻率：电参数 问接参数：介电系数、击穿电压、损耗因数f功率因数，DDF，tan5等)通过系统检测，计算得到主要检测气体的界面张力参数如表2所示，电偶极矩参数如表3所示。表2界面张力参数计算表Table 2 Interfacial tension parameters calculation results表3电偶极矩计算表Table 3 Dipolmoment parameters calculation results。 电偶极矩参数类型 “10”eS Ecm。二。mi
26、tR mit“表2为物理化学参数计算表，表3为电参数计算表，这些参数在上位机软件上进行诊断，通过对这些参数进行推理分析，得到变压器的老化曲线，从而反映变压器的老化过程，该分析推理过程的主要方法步骤如图6所示。图6变压器测量系统主要分析方法的步骤Fig6 Principal methodical procedure oftransformermeasurement system超声波吸收量测量界面如图7所示，上位机软件分析界面如图8所示，上位机软件分析得到的微水含量、击穿电压和活性水等参数，如图9(a)(c)所示。万方数据饶锐，等 基于多频超声波技术的变压器油参数检测方法图7超声波吸收量测试界面
27、Fig7 Ultrasonic absorption measurement interface图8上位机软件分析界面Fig8 Analysis interface of upper software(c)活性水(active water)图9变压器油主要参数分析界面Fig9 Transformer oil main parameters analysis interface图7为超声波吸收量测试界面，红色箭头为相应的吸收量脉冲波，可看到在这些时刻有一个吸收脉冲；图8为上位机软件分析界面，可以看到测量信号幅值(V)随着时间(刻度为002ms)的变化情况；从图9(a)，(b)和(c)可看出当前变
28、压器油微水含量在10-20VVc此处单位1WWc=1ppm，且lppm=lmgkg=lmgLlN，符合IEC 60814标准，在正常范围内；击穿电压(BDV)在3060kV之间，平均值接近50kV(NU量设备绝缘电压等级为66220kV，BDV35为正常)，符合IEC 60156标准，在正常范围内；活性水含量在005Avv左右。根据微水含量、击穿电压和活性水含量等参数可以判断当前变压器油处于健康状态，无故障出现。根据所测量的超声波参数及后台数据库，基于多元统计分析智能算法即可对变压器动态运行环境及可能存在的故障进行有效识别，整个检测分析流程如下图10所示。图10检测分析流程图Fig1 0 Fl
29、ow chart of detection and analysis5 结论多频超声波变压器检测装置使用多频超声波技术，通过多频超声波控制单元和多频超声波传感器发射接收超声波。对于传输回来的超声波参数，t_万方数据180。 电力系统保护与控稍利用基于多元统计分析算法的上位机软件进行分 7刘健，解辰，蔺丽华基于红外图像的电力变压器油析，从而得出变压器油的微水分含量、击穿电压、 位自动检测方法叽高电压技术，2010，36(4)：965970活性水、油介损耗等参数，最后将这些参数与数据LIU Jian，XIE Chen,LIN LihuaAutomatic detection of库对比，即可实时判
30、断变压器的运行状态。 oil level of electric power transformers us吨infrared所开发基于多频超声波技术的变压器检测系 il】aageJHighVoltageEngineering，2010，3刚)：965970统可实现对变压器油的在线检测和故障诊断，从技 8 尹海晶基于红外测温技术的电力变压器过热故障在术上解决了传统检测装置的易受干扰、不能连续实 线监测系统的设计与开发【D】南京：南京理工大学，时检测以及检测步骤繁琐等问题，并且该系统可实 2010现超声波频率范围及功率大小的调节，使得系统可YINH萄崦Designanddevelopmentof
31、powertransformer依据变压器容量的大小发射出合适的频率和功率ovcm嘣1ng faun onnne monitoring 8Y毗m based on的超声波。这样，既可降低变压器在线检测的成本， m1涨d钯mperature mcaSurement把chniqu。【D】Nanjing：又能更加准确地判断变压器的实时运行状态。 9裟裳篙至字篡?1霉裟萎竺器嚣染高参：考文献 频传感器的研究J】仪器仪表学报，2013，34(4)：1 安永东变压器超声监测器的硬件设计与实现【D】太 749-755原：太原理工大学，2012 ZHU Chaojie，WANG Youchen,ZHU Qi，
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