门金昭, 王昕

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院 教学发展与学生创新中心,上海 200240)

0 引 言

变压器作为电力系统的枢纽设备,其可靠运行直接影响电力系统的安全稳定运行。运行中的变压器经受的历次大电流冲击都会引起变压器绕组微小的移位或形变[1］。这种微小形变累积到一定程度将导致变压器绕组失稳和性能下降,从而对变压器的安全运行造成威胁,严重时会导致电力事故的发生[2-4］。因此,迫切需要一种针对变压器绕组形变的带电检测方法,为状态检修提供依据,进而提升电网安全运行水平。

由于超声波指向性强且无电离辐射,能够穿透物体获取反映其内部结构的超声信号,近年来在电力设备线检测领域被广泛应用[5］。其中变压器绕组超声检测需要定位回波信号的时间点,再结合变压器油中的声速,计算绕组形变量。为了更精确地获取绕组形变信息,需要提高超声回波信号在时间轴上的分辨率,简称时间分辨率。而常规的单脉冲超声激励方法的检测结果时间分辨率随着穿透距离增加不断变差。

为了解决上述问题,本文提出了混合超声激励的方法——基于LFM-Barker-Nuttall超声激励方法检测变压器绕组形变。首先,根据超声波在变压器内部的传播规律,提出线性调频和Bar-ker编码复合激励方法,减少超声信号的能量泄漏,同时保持较高的时间分辨率。其次,设计基于Nuttall窗函数的幅度加权滤波器,抑制超声激励信号的旁瓣,以提高回波的信噪比和抗干扰能力。最后,开发一套变压器绕组形变超声检测系统,在某35 kV变压器上展开现场试验,验证了本文方法的有效性。

1 混合超声激励信号设计

1.1 频率调制和相位编码

由于传统的单脉冲激励方式不仅对超声换能器要求高,而且超声波经过变压器油和外壳时会有较多的能量损失,导致回波信号微弱,易被噪声淹没,难以辨别。因此,需要改进超声波换能器的激励策略。

线性调频是一种实用的频率模拟调制方法[6］,可以生成瞬时频率随时间线性变化的脉冲正弦信号c(t)表达式如(1)所示。

(1)

(2)

式中:ej(2πf0t)为载波分量。为获得高峰值功率的窄脉冲信号,需要进行脉冲压缩处理,但同时也伴随着旁瓣的产生。理想情况下,LFM激励脉冲压缩结果为:

(3)

经过演算推导可得:

(4)

采用线性调频作为变压器绕组检测的激励方法,虽然能提高时间分辨率和信噪比,但会出现较高的旁瓣,导致能量泄漏严重,使得超声波难以穿透变压器。

为此,本文提出线性调频和相位编码复合激励的方法,以提高超声波的穿透能力。与线性调频信号不同,相位编码信号是由按照特定相位序列排列的子脉冲组成,各个脉冲信号的时宽和频率相同,其复数表示为:

u(t)=a(t)ejφ(t)ej(2πf0t)=μ(t)ej(2πf0t)

(5)

式中:μ(t)为复包络,μ(t)=a(t)ejφ(t);φ(t)为相位调制函数。其中,将φ(t)=0或π的相位编码信号称为二相编码信号。

在二相编码信号中,Barker编码由于其自相关函数的主瓣和旁瓣幅值比最大,脉冲压缩性能最好,更适用于变压器绕组超声检测。在目前已知的Barker编码序列中,13位Barker编码长度最大,旁瓣峰值最小,旁瓣抑制效果最好[7］。因此,本文采用13位Barker编码,其包络信号μ(t)为:

(6)

式中:P为Barker编码长度,k=0,1,2,…,P-1,P=13;T为信号持续时间;Bk为编码序列,Bk={1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1};δ(·)为冲激函数。

采用相位编码信号作为线性调频信号的调制载波,可以抑制线性调频信号的旁瓣水平,减弱超声波换能器频谱带宽对检测结果的影响,还能保持线性调频信号较高时间分辨率的优势。因此,LFM-Barker复合激励信号s(t)可以表示为:

s(t)=c(t)×μ(t)

(7)

由于变压器运行环境和绕组表面状况复杂,为保证检测结果的准确度和分辨率,需要进一步抑制LFM-Barker复合激励信号的旁瓣水平。

1.2 幅度加权

变电站中存在的噪声会与接收到的回波信号叠加,而且绕组表面严重形变处产生的强反射回波可能淹没附近微弱信号的主瓣,这些现象会降低检测的准确性。为解决上述问题,需要采用旁瓣抑制技术对上节中的超声激励信号进行处理。

幅度加权法作为旁瓣抑制技术的重要手段,主要是利用窗函数对信号进行失配滤波处理,因此,窗函数的性能决定着失配滤波器旁瓣抑制的效果。九种窗函数的频谱特性如图1所示。

图1 窗函数的频谱特性

此外,可以计算出各个窗函数的旁瓣峰值和主瓣宽度(-3 dB),如表1所示。通过观察可以发现:①窗函数获得旁瓣抑制的同时往往伴随着主瓣宽度的增加;②Nuttall窗函数旁瓣峰值最小,说明其旁瓣抑制效果最好。Nuttall窗函数表达式为:

表1 窗函数的相关指标

(8)

式中:N为窗函数周期数;n=0,1,2,…,N-1;a0、a1、a2、a3为系数。a0=0.363 581 9,a1=0.489 177 5,a2=0.136 599 5,a3=0.010 641 1。

因此,本文采用Nuttall窗函数对上节中复合激励信号进行加权滤波处理,以进一步抑制旁瓣水平,满足变压器绕组实际检测系统的要求。LFM-Barker-Nuttall混合超声激励信号y(t)可以表示为:

y(t)=[w(n)·c(t)]×μ(t)

(9)

式中:c(t)为LFM信号;μ(t)为13位Barker编码的包络信号。

1.3 超声激励信号对比分析

为了便于分析和比较,本文以超声回波信号脉冲压缩输出的旁瓣峰值和主瓣宽度作为评价指标,在超声波换能器频谱宽度变化的情况下,获取不同超声激励策略的检测结果对比如图2所示。

图2 不同超声激励策略的对比

从图2可以看出:在超声波换能器的频谱带宽相同的情况下,基于LFM-Barker-Nuttall混合超声激励信号的旁瓣峰值和主瓣宽度均最小,说明该超声信号不仅穿透能力强,而且时间分辨率高,可以提高系统的检测性能。此外,该方法在一定范围内基本不受超声波换能器频谱宽度影响,可以减少检测系统对超声波换能器的限制。

2 现场试验

本文应用该变压器绕组超声检测系统,在上海某变电站35 kV变压器展开现场试验。检测过程中,上位机通过数据采集卡检测到的原始回波信号中混入了变压器运行产生的干扰信号和周围环境噪声,如图3(a)所示。从图3(a)可以看出,在未经过脉冲压缩,原始回波信号中无法判断出回波信号的位置和时间点。其经过滤波放大电路后,脉冲压缩输出结果如图3(b)所示。从图3(b)可以清晰地发现回波信号位置,不但首次回波幅值较大,且历次回波脉冲压缩输出结果均呈现尖峰脉冲的形式,具有较高的辨识度。

图3 混合超声激励下系统检测结果

最后,为了直观地呈现变压器绕组形变情况,将该变压器绕组超声检测系统获取的数据进行三维成像,如图4所示。图4中:颜色深的区域表示绕组凹陷,颜色浅的区域表示绕组凸起。从图4可以发现,该系统能够检测出绕组形变位置和程度,甚至部分微小凸起也能清晰观测到,分辨率较高。

图4 35 kV变压器绕组三维成像图

3 结束语

本文提出了一种基于LFM-Barker-Nuttall混合超声激励方法,实现了对变压器绕组状态的带电检测,有效避免了形变故障漏检和误检的情况。

(1) 提出了线性调频和Barker相位编码复合激励的方法,减少了超声波在变压器内部的能量损耗,同时使回波信号具有较高的时间分辨率。

(2) 设计了基于Nuttall窗函数的幅度加权滤波器,提高了超声回波信号的抗干扰能力和信噪比,减少了超声波换能器频谱带宽对检测结果的影响。

(3) 研制了变压器绕组超声检测系统,针对35 kV变压器,能够生成较高分辨率的绕组三维图像,实现直观、定量地绕组形变状态检测。