变压器局放检测光纤超声传感器优化设计与分析

• 51•现阶段，我国电力行业发展进入技术变革的关键时期，电压等级要求也不断提高。

同时，电压升高也容易发生变压器的局部放电现象，而局部放电产生的电流与周围介质会发生相互反应作用，产生热效应或者生成活性物质，其中最重要的问题是局部放电会加速绝缘体老化，隔热性能降低，进而引发电气事故。

因此变压器局部放电检测技术的优化工作至关重要，能够有效预防事故发生。

局部放电现象的出现使得周围介质形成超声波、高频辐射等效应，这也给检测技术的升级提供了方向。

本文针对电力变压器的局部放电性能检测为主要探讨对象，对检测技术的应用类型和工作原理、发展现状和未来发展趋势展开分析，以期对未来检测技术优化提供思路。

电力变压器是电力系统正常运行中必不可少的一个关键运行部件，运行状况与设备质量直接关系到整个电力系统的安全与稳定性。

同时，电力变压器的绝缘状态又直接影响到变压器的整体运行状况，其中局部放电产生大量的电、光、声、热等的物理、化学效应，是造成电力变压器绝缘老化、变形的主要原因，进而可能由此造成不同程度的电力事故。

为应对局部放电导致的变压器运行问题，近年来相关专家结合这些效应研发出了各类放电监测技术，如电脉冲法、光检测侧法、超声波法、超高频法、气相色谱法和红外热像法等，均有效地应用在了局部放电检测工作中，帮助整个电力工程正常运行。

1 局部放电检测技术类型及应用现状在我国电气工程中，根据放电原因类型的差别，将局部放电现象大致分为三种类型：分别是是汤逊放电、注流放电以及热电离引发的放电。

此外，放电的表现形式也多种多样，小间隙局部放电现象中又包括脉冲和非脉冲放电，还包括亚辉光放电。

由于变压器的局部放电现象会影响到周围的其他物质，进而导致设备与周围介质相互作用，这就使得变压器的部分绝缘体产生相互反应（物理化学效应等），形成局部放电现象。

局部放电的发生可能造成超声波的出现以及介质成分发生变化等，极可能引起电气事故出现，造成严重后果。

近年来，随着电气工程数量的逐步增多，我国有关部门加强了对局部放电的研究工作，旨在研究更多放电检测新技术，加强对变压器的控制。

传感器毕业论文题目人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

下面是学术堂为大家整理的传感器毕业论文题目，欢迎大家阅读。

传感器毕业论文题目一：1、基于物联网的农业生产监控系统设计2、高秆作物自对行作业控制方法研究3、智能化排种器性能检测试验台研制4、基于农业物联网的智能温室系统架构与实现5、精密排种器性能监测装置研究--基于超材料光电传感器6、基于电容信号的排种监测系统研究7、基于摩擦阻力法的粮食水分检测仪研制8、面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究9、基于二维激光传感器无人直升机作业边界探测10、水稻浸种催芽箱温度传感器优化配置--基于遗传算法11、基于计时库仑技术的可再生型三磷酸腺苷适配体电化学传感器的研究12、一种汽车碰撞试验用低阻尼宽频响加速度传感器13、有线无源PDC-SiCN陶瓷基温度传感器的设计与制备14、无线传感器网络中基于事件触发的分布式滤波15、综合传动油液金属磨粒在线监测传感器研究16、考虑互感影响的开关磁阻电机无位置传感器控制技术17、基于小波变换的磁悬浮轴承冗余位移传感器故障诊断方法18、胺菊酯分子印迹电化学传感器的制备及性能19、NaOH蚀刻玻碳电极的大肠杆菌DNA电化学生物传感器的构建及检测20、传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计21、高精度硅压阻式气压传感器系统设计22、基于光纤法布里--珀罗干涉仪的温度传感器23、基于石墨烯修饰碳电极的铜离子印迹电化学传感器的制备与应用24、最优距离与细胞分簇的无线传感器路由算法25、一种新型光纤加速度传感器的研究26、润滑油金属磨粒传感器设计及试验研究27、自校正型CMOS数字温度传感器28、5MN光纤布拉格光栅力值传感器29、磁致伸缩压力传感器设计及其输出特性30、光纤超声传感器及应用研究进展31、保偏微纳光纤倏逝场传感器32、特高频传感器等效高度的频域参考测量方法33、基于MOFs材料的化学传感器的研究进展34、谷物在线水分传感器的研究35、基于声传感器阵列的连续泄漏定位方法研究36、新型双通道可选择性SPR光纤传感器的研究传感器毕业论文题目二：37、基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器38、基于Au纳米颗粒/还原氧化石墨烯C-反应蛋白免疫传感器的研制39、静电纺丝纳米纤维膜基光化学传感器的制备及其在重金属检测中的应用进展40、湖北省传感器产业发展现状与转型升级路径研究41、基于激光测距技术的液位监测传感器校准装置42、一种加载短路针的小型化气体绝缘组合电器内置特高频传感器43、图像传感器的自适应降噪研究44、电涡流传感器探头线圈的参数化设计与制造45、基于洛伦兹力机理的电磁超声周向导波传感器研制46、基于ZigBee的低功耗无线传感器网络改进协议47、热磁对流氧浓度传感器感应机理的实验48、新型分子印迹荧光传感器的构建与应用49、多监控任务移动传感器网络高效数据路由协议50、变控制线的燃气轮机传感器故障诊断方法51、基于构型优化的高阶模态微质量传感器灵敏度提升方法52、无线传感器网络中能量高效的自适应分簇算法53、新型可集成的湿度传感器设计与分析54、适用于管道内形貌检测的3D全景视觉传感器55、对射式螺旋形光纤液位传感器的设计与实现56、移动机器人的超声波传感器发散角标定及应用57、单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器58、基于PSO-LSSVM的水分仪称重传感器非线性补偿研究59、波长和强度同时响应的锥形多模光纤温度传感器60、无线传感器网络中移动式覆盖控制研究综述61、激光传感器在喷雾靶标检测中的研究应用62、一种带混合联盟的无线传感器网络任务分配策略63、基于cooja仿真器的无线传感器网络实验研究64、可穿戴式柔性电子应变传感器65、MoS_2中空纳米球的制备及在超灵敏microRNA电化学生物传感器中的应用66、比率式荧光纳米氧传感器67、新型视频喉镜图像传感器结构设计68、永磁同步电机系统的无速度传感器研究69、基于金属有机框架化合物的气体传感器研究进展70、石墨烯三维微电极生物传感器研究71、立式扭矩传感器磁场与输出电压分析72、基于氧化锌修饰的碳纳米管传感器的可燃气体检测平台开发传感器毕业论文题目三：73、电动车用永磁无刷电机无位置传感器控制研究74、基于滑模观测器的PMSM无位置传感器控制75、基于无位置传感器的永磁同步电机硬件在环仿真研究76、无线传感器网络中的充电调度算法77、无线视觉传感器网络的节点设计78、光纤光栅压力传感器的研究进展与趋势79、基于模糊粒子群算法的有向传感器网络路径覆盖策略80、钾肥生产原卤井无线传感器网络监测系统81、基于LoRa技术的低功耗无线锚杆应力传感器设计82、LC温度传感器的高温性能优化与设计83、基于贵金属纳米材料的无酶葡萄糖传感器研究进展84、火箭贮箱结构健康监测传感器系统设计85、双圈同轴光纤束传感器三维空间输出特性研究86、基于状态观测器的单相整流系统传感器故障诊断与容错控制方法87、无线传感器网络分布式数据采集功率控制研究88、基于ANSYS的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析89、阻抗型无线无源声表面波传感器的研究90、一种组合结构光纤光栅压力传感器91、一种无线传感器网络中汇聚节点的本地时钟和传感器节点的RTC时钟同步校准的方法92、无线传感器网络分簇算法综述93、基于非均匀成簇的无线传感器网络多跳路由算法94、基于Fano共振的等离子体共振传感器95、基于传感器阵列的恶臭气体检测96、矿井无线传感器网络不同信道传输特性试验研究97、基于寡核苷酸链的汞离子荧光生物传感器98、基于FBG应变传感器的隧道安全实时监测算法研究99、输变电设备智能传感器测试仪的研究与设计100、有向传感器网络的覆盖增强算法101、航向测量系统中三轴磁传感器标定的等效两步法102、基于平面电感角位置传感器的双同步参考系锁相环103、基于阻抗匹配的电子标签式香蕉气体传感器104、基于780MHz频段的农田信息采集无线传感器网络设计105、LSPR生物传感器在临床医学检测应用中的研究进展106、无线温湿度传感器自动校准系统的设计107、爆炸冲击条件下的加速度传感器结构分析108、航姿系统矢量传感器非对准误差及其校正传感器毕业论文题目四：109、同时测量温度和折射率的光纤传感器110、基于硅基双微环谐振腔的高灵敏度电流传感器111、基于角度补偿的手机多传感器数据融合测距算法112、光纤端面集成金属光子结构传感器113、基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制114、基于自抗扰控制器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制115、实现线性测量的光学电压传感器设计116、传感器移动云计算研究117、用于山核桃陈化时间检测的电子鼻传感器阵列优化118、分辨率实时可调的无线图像传感器节点设计与试验119、SiCSBD与MOSFET温度传感器的特性120、体育场馆中的无线地下传感器网络研究121、基于多传感器融合的运动目标跟踪算法122、频率域感应式磁传感器灵敏度研究123、可穿戴传感器进展、挑战和发展趋势124、农业传感器技术研究进展与性能分析125、地铁列车振动环境响应的无线传感器网络快速评定126、振动环境下压力传感器失效机理分析127、考虑饱和效应的永磁同步电机全程无位置传感器控制128、激光传感器的机器人运动控制研究129、环境温度变化对光纤传感器测量精度影响分析130、纳米基电分析生物传感器在食品兽药残留检测中的研究与应用进展131、一种机械故障诊断多传感器数据融合特征提取的方法132、热式气体质量流量传感器的工作原理133、基于LabVIEW的力矩传感器自动化测试系统设计134、基于屋顶二值红外传感器网络的人体定位和行为识别系统设计135、多普勒辅助水下传感器网络时间同步机制研究136、变压器局放检测光纤超声传感器优化设计与分析137、无线传感器网络中带延时的一致性时间同步138、多传感器室内环境监测系统139、柔性仿生触觉传感器系统集成设计140、三轴磁传感器误差分析与校准141、基于模糊控制的无电压传感器光伏系统MPPT研究142、微纳光纤高温压力传感器143、基于ZigBee的煤矿井下无线传感器节点设计144、振弦式应变传感器温度修正试验传感器毕业论文题目五：145、一种带有能量自补给节点的异构传感器网络分簇路由算法146、基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器147、基于测量基准变换的增量直线式时栅传感器研究148、无源伺服反馈多输出低频振动传感器149、基于信誉系统及数据噪声点检测技术的无线传感器网络节点安全模型150、无线传感器网络节点行为度量方案151、基于STM32的无刷直流电机无传感器控制152、一种有向传感器网络强栅栏覆盖算法153、滑动式光纤布拉格光栅位移传感器154、薄膜谐振Lamb波传感器测量液体流速矢量的方法155、应急情况下最少转发节点的传感器网络组播路由树算法156、基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器157、基于HFLANN的MSMA传感器动态模型参数识别158、一种基于遗传算法与蚁群算法混合算法的无线传感器网络定位算法159、一种基于表面等离激元的纳米温度传感器160、基于保偏光纤和LPFG的Sagnac环温度及环境折射率双参量光纤传感器研究161、基于对称铰链的中低频光纤加速度传感器及其优化设计162、光纤光栅激光传感器与其研究进展163、一种基于结构优化的光纤束压力传感器164、时栅位移传感器远程数据采集系统研究165、满堂支架无线监测力传感器研制及系统设计166、无线传感器网络应用综述167、感知受限的移动传感器节点扫描覆盖优化算法168、基于无线传感器网络的智能温度监控系统设计169、基于PSO的有向传感器网络覆盖增强策略及仿真170、纳米材料比色分析传感器在食品检测中的应用进展171、尤政院士谈中国制造与传感器/MEMS的发展前景172、探析基于蚁群算法的无线传感器网络路由算法优化173、基于无线传感器网络的室内定位技术研究174、基于金属负载型碳纳米管的适体电化学传感器的制备及应用175、金薄膜电极表面修饰纳米ZrO_2的DNA电化学生物传感器的构建及应用176、精细农业无线传感器网络终端节点定位研究177、无线传感器网络时间同步算法研究178、基于二硫化钼/银纳米棒复合材料和丝网印刷三电极体系的电化学生物传感器的研究179、铜碳复合纳米纤维的制备及其在对苯二酚生物传感器中的研究180、基于复合介电材料的印刷柔性压力传感器研究181、基于无线传感器网络的服装实体销售系统的研究与设计赠送：86个行政法、行政诉讼法论文题目参考1、论行政法的基本原则2、论行政主体3、行政组织法在行政法中的地位4、关于行政行为概念的探讨5、论行政行为的效力6、论行政立法7、关于行政立法程序的思考8、析行政许可标准和范围9、论我国行政许可制度的改革10、行政处罚问题研究11、论行政处罚的听证程序12、行政强制措施研究13、论行政强制执行14、行政行为与行政程序关系之探讨15、论行政程序原则和制度16、关于行政复议范围的思考17、完善行政复议程序的设想18、论行政诉讼的功能19、关于行政诉讼范围的思考20、试析行政诉讼的举证责任制度21、行政判决之研究22、浅析行政诉讼附带民事诉讼23、国家赔偿构成要件之研究24、完善国家赔偿制度的几点思考25、论行政法的理论基础26、论行政立法体制27、市场经济体制下行政法的功能28、论中国公务员制度的特色29、行政处罚程序研究30、论行政强制31、行政赔偿制度研究32、行政指导研究33、论行政许可34、行政诉讼的举证责任35、行政越权与滥用权力研究36、论中国司法审查制度37、行政诉讼第三人研究38、行政侵权责任探讨39、论显失公正行为40、论行政诉讼的受案范围41、行政诉讼的撤销判决与变更判决42、行政判决、裁定的执行43、论行政法治原则44、论对行政自由裁量权的控制45、论行政立法以外的行政规范性文件的地位46、论行政行为的条件与后果47、行政合同研究48、行政程序法的基本原则与基本制度49、正当法律程序的要求50、行政执法研究51、行政法上的权利救济制度研究52、论司法权与行政权的关系53、中国加入WTO与行政法制改革54、论行政复议的范围与复议程序55、“双学位”的合法性探析56、媒体对食品安全监督作用的法律规范57、欧美转基因食品安全监管制度及启示58、论中国食品安全监管机制的完善路径59、行政罚款关乎执法公平正义60、试论公务员奖励规范的立法与完善61、兽药饲料监督执法文书制作问题的浅析62、浅析淘宝网络刷单中的“水军”现象63、行政决策的实质性正当程序之规制64、“报假警”行为的定性及其规制65、医疗纠纷行政调解：意义、问题及完善66、检察权的职能拓展与行政立法审查制度的完善67、建设食品药品监管法治政府部门的思考68、浅谈《企业信息公示暂行条例》对招标工作的影响69、新闻评论监督司法的权利与限度70、论悔捐行为的无责理由、责任要件与风险防范71、论网规的软法属性72、我国大学规章制定权的法律规制研究73、基层动物卫生监督执法存在的问题和建议74、医事仲裁制度调查分析75、论开放社会中行政参与的合理界限76、论宪法与行政法之间的关系77、刍议权力清单制度建设78、医患关系法律性质分析及纠纷应对策略研究79、个人低碳消费行政法义务确立的正当性检视80、论骨髓捐献者撤销权的行使边界81、中国网络安全形势及对策研究82、弱势群体公法保护视野下的社会帮扶问题83、中国宗法财产制度的道德性84、泔水饲喂畜禽违法现象的行政处罚难点85、我国城市管理综合行政执法中的问题及对策研究86、论行政决策的合法性审查。

电力变压器在线检测超声传感器设计作者：熊涛来源：《中国科技博览》2016年第14期[摘要]局部放电的超声阵列检测方法是将阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声检测中的一种新方法。

其中，声学性能良好、阵列结构合理的局部放电超声阵列传感器是检测技术的基础和关键。

重点研发适用于局部放电检测的平面方形与圆环形超声阵列传感器，并开发了相应的局部放电定位系统。

建立了局部放电超声阵列传感器声学性能的量化评价模型，实现了超声阵列传感器声学性能的定量评价；通过权重比较，确定了定向准确度与最大旁瓣幅值的最优分配。

通过对目前国内外变压器局部放电检测系统中超声传感器的应用现状及适用条件，以及各种传感器的灵敏度及工作频带等的实验和对比分析，指出了变压器局部放电检测系统中超声传感器的发展方向。

[关键词]电力变压器；研发；设计；传感器中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0066-01随着国家电力的迅速发展，电力变压器的使用范围越来越广，电力变压器的检测就显得相当的重要，电力变压器中的局部放电能够充分反映绝缘结构的薄弱环节，假如它长期存在肯定会损坏绝缘可能会造成重大的供电事故，因此我们高度重视如何防止事故发生，通过科技和经验我们设计出在线检测超声传感器，它可以利用局部放电时产生的超声作为信息再利用超声传感器电力变压器外壁的检测，做到无损、在线、实时监视，保证电力变压器的安全可靠少干扰。

一、传感器的设计理念如何设计出一款安全性能高使用方便的传感器成了我们首要研究的问题，首先我们介绍下传感器的设计原理，传感器阵元的材料、中心频率、厚度以及半径等参数，并设计了单个超声阵列传感器阵元与方形、圆环形局部放电超声阵列传感器装配体；接着，制作了局部放电超声阵列传感器，并搭建了阵列传感器测试平台，对其进行了灵敏度测试，测试结果表明所研制的局部放电超声阵列传感器的频响特性与一致性良好；然后，开发了一套完整的局部放电超声阵列定位系统，包括超声阵列传感器、便携式局部放电检测系统与阵列定位软件系统，为后续研究奠定了基础。

用于电力变压器局部放电定位的超声波相控阵传感器的研制李继胜;李军浩;罗勇芬;李彦明【摘要】to locate the partial discharge (PD) in power transformer, phased-ultrasonic receivingplanar array transducer technology is introduced. Considering the operation environment and material properties of transducer, a 16 × 16 phased-ultrasonic receiving-planar array transducer is developed, which is suitable for power transformer due to its smaller size and higher location ability, especially in high temperature insulation liquid. The center frequency and band with reach to 150 and 100 kHz, respectively. The piezoelectric source and oil interstitial discharge are examined to detect the transducer performance in lab. The experimental results show the perfect ultrasonic receiving characteristics.%针对电力变压器中局部放电的准确定位问题,将超声波相控阵技术引入局部放电定位中.基于超声波相控阵理论,考虑在运行变压器中的应用环境,在对传感器各个组成部分的材料及特性进行综合分析的基础上,研制成功了16×16阵元的平面超声波相控阵传感器.该传感器具有阵元数多、尺寸小、定位精度高及可适用于高温液体中的优点,适合于放入变压器内部进行信号的接收,传感器单个阵元中心频率为150 kHz,带宽为100kHz.使用压电声源和油问隙放电等模拟实验对阵元的性能进行了实测,结果表明,该传感器能够对局部放电产生的超声波信号进行灵敏接收.实验室中的模拟定位实验结果表明,该传感器适用于对变压器中局部放电的定位.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2011(045)004【总页数】7页(P93-99)【关键词】局部放电;超声波;相控阵;局部放电定位【作者】李继胜;李军浩;罗勇芬;李彦明【作者单位】西安交通大学电气工程学院,710049,西安;陕西师范大学物理学及信息技术学院,710062,西安;西安交通大学电气工程学院,710049,西安;西安交通大学电气工程学院,710049,西安;西安交通大学电气工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TM855局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因，也是绝缘监测的重要内容．通过对变压器内部局部放电的准确定位，可以为故障的排除和进一步的维修提供科学的指导和建议［1－4］．局部放电时会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及一些新的生成物，并引起局部过热等物理和化学反应，因而原理上这些现象若能检测，都可以作为局部放电缺陷的指示［5］．已发展出来的变压器定位方法有电气定位、超声波定位、电磁波定位、光定位、热定位和油中溶解气体分析（DGA）定位等．对局部放电定位法的分类可以归纳为多种方式．根据被测变压器的工作状态，可以分为工频或冲击电压下的局部放电定位法［6］．除外施电压外，若局部放电还受到外界激励，如受到X或γ射线照射的方法［7－9］，这也是一种定位方法．虽然发生局部放电的设备工作状态不同，但目前对局部放电的检测和定位等处理，都是在被动接收情况下进行的，即仍然是根据局部放电辐射信号或信号变化来处理的．所以，虽然有各种形式的检测信号用来进行定位，但电气法、超声波法和电气－超声波法仍是最基本的．超声波相控阵技术最早应用在军事领域，随着技术的发展，在雷达、声纳和医学超声诊断等领域也得到了广泛应用．与传统的单个传感器相比，超声相控阵传感器具有灵活的波束控制、较高的信号增益、极强的干扰抑制能力及较高的空间分辨能力等优点，利用相控阵技术对变压器内的局部放电定位，可以做到定位准确，并可对多个局部放电源进行定位．超声波相控阵定位局部放电中的关键技术是传感器，即超声波相控阵传感器．传感器性能的好坏直接影响到信号的提取，进而影响到局部放电定位的准确性．本文使用相控阵理论分析了所研制的传感器的特性，并在实验室中进行了实测，为变压器局部放电的超声波相控阵定位奠定了基础．1 超声波相控阵传感器的设计与分析一般变压器局部放电超声波定位系统，其压电传感器通常紧贴在油箱壁外，而相控阵传感器对于阵面前信号的传播要求很严格，即对相位有严格要求，若放置在油箱外壁，箱壁中通常包含纵波、剪切波、瑞利波和拉姆波等多种模式波，且超声波在厚度规格不一的箱壁中的传播将导致定位的复杂度大大增加，所以相控阵传感器放置在油箱内更合适．对于油箱内置超声波传感器，它的优势在于先检测到直达波，避免了其他非直接路径信号的破坏，而且不必再考虑箱壁这个波导产生的影响．但是，运行中的变压器，如E级绝缘，它的油温高达120℃，一般的压电材料此时的压电效应消失或变得很差，因而伸入高温矿物油中的超声波传感器应采用特别设计的耐高温压电材料．所以，相控阵传感器也需要采用耐高温的压电材料，并能在高温的变压器油中保持良好的压电性能．已有的研究表明，可接收到的变压器中局部放电辐射出的超声波频率约为60～300 kHz，超声波信号幅值为0～80 dB，而且低频带信号更丰富并具有较大的幅值．超声波传感器的频带选择应避开磁致伸缩噪声和机械振动噪声，研究显示局部放电辐射声信号的功率频谱的密集区约在150 kHz［10－11］．许多变压器中局部放电的超声波检测的频率范围都选择在70～150 kHz，并且IEEE关于油浸变压器的局部放电声检测的试行标准中推荐的超声检测工作频带为120～160 kHz．对于相控阵传感器，工作频率越高，阵元数相同的传感器尺寸越小．综合各种因素，这里传感器的工作中心频率选择在150 kHz，带宽为100 kHz．超声波相控阵传感器有两种基本形式：一种是线阵列，所有阵元都排在一条直线上；另一种是面阵列，所有阵元排列在一个平面上．直线阵不能改进传感器在垂直于阵直线的平面内的方向性，即不能实现空间定位，而平面阵则可实现在方向角和仰角两个方向上的同时扫描，即可实现空间定位．因此，本文选择平面相控阵传感器．超声波相控阵传感器采用平面阵，其基本结构主要包括：（1）压电晶体平面阵列；（2）吸声背衬；（3）声匹配层；（4）其他如电极引线、外壳等．上述4部分在传感器中起着各自的作用，形成一个有机的整体．超声波相控阵传感器的结构如图1所示．图1 超声波相控阵传感器的结构图1，2：匹配层；3：压电阵元；4：电极引线；5：背衬；6：封装传感器中的主要部件是压电晶体阵列，压电晶体阵列是声电转换器件，由压电材料如压电陶瓷、压电薄膜或复合压电材料等制成，按设计要求排列成阵列．对压电晶体的设计要考虑阵元自身的振动模式、几何形状和排列方式，以得到预期的指向性等性能指标［12－14］．吸声背衬是增加传感器探头带宽的一种结构．由于局部放电辐射的声波为脉冲波，而脉冲波的频率覆盖范围非常广．为了不失真地接收脉冲声波，理论上要求传感器探头有无穷频带宽度，但这在实际上是不可能也是不必要实现的，为了得到失真小的脉冲波，希望探头的频带越宽越好，这就需要在压电晶片后加上吸声背衬，使两者的声阻抗接近．背衬吸声的目的是为了使进入背衬中的声波不反射到压电晶体阵列上来，并减少阵元间的声耦合，然而这样会使得探头的接收灵敏度大大降低．可见，宽带和高灵敏度是一对矛盾，在设计探头时应根据具体情况综合考虑，寻找到一种适合具体探头要求的背衬结构．仅靠一种最佳背衬构成来解决这对矛盾是不可能的，还需要采用声匹配层来配合解决．声匹配层是能提高接收灵敏度、同时也有益于增加带宽的一种结构．它的实质性作用在于大大增加探头与变压器油之间的透声效果．对于声匹配层材料的要求是声衰减小、声阻抗满足一定关系、厚度按具体要求选定．声匹配层可以是单层也可以是多层．虽然一般的相控阵超声波传感器都配有声透镜，这里传感器的设计不考虑加装声透镜．其原因在于本传感器是用来接收局部放电辐射的超声波信号，局部放电源距离传感器较远，而且主要是对局部放电源进行定位，若采用声透镜，则定位计算过程变得复杂，而且声透镜不能保证各个方向的聚焦一致．2 相控超声波传感器的阵列结构设计根据相控阵理论，传感器尺寸越大阵元数可布置得越多，角分辨率越高，不用经过超分辨率数据处理，所以对局部放电定位的精度就越准确［15－20］．对于变压器的内部结构，为了不影响其运行，对相控阵传感器的尺寸要求越小越好．另外，阵元间距越大，阵元的截面积就可选得更大，等效电容越大，对超声波信号的接收越灵敏，就可能产生栅瓣，这将导致定位错误．所以定位精度与实际能安装的传感器尺寸、阵元数是有矛盾的，应对如何合理选择进行研究．经综合考虑，传感器阵列取16×16阵元的方阵．两个方向的阵列数一致，是为了保证传感器在两个方向的性能参数一致．相控平面阵及其坐标系示意图如图2所示．这时在xoz平面且无偏转的定向准确度为图2 相控平面阵及其坐标系示意图当N＝16时，可计算出Δθ＝0．93o，则由分辨率引起的定位误差为tgΔθ＝1．6%，即若存在一个5 m距离外的放电，则定位点与实际放电有8 cm的距离，这在工程上是可接受的．另外，当N＝20时，可计算出Δθ＝0．7o，与N＝16时相差不大．由于传感器置入油箱中，局部放电位置相对传感器平面的仰角θ近似达到90o，为保证波束在扫描范围内不出现栅瓣，阵元中心距应满足式中：d为阵列中的相邻阵元间隔中心距；λ为波长，所以d 取0．5λ．在油中（εr＝2．2）传播的150 kHz的超声波，其速度取1 500 m／s，阵元间隔0．5λ取为5 mm，因而压电阵列边长为8 cm，加上外壳封装，整个传感器边长不超过10 cm．该尺寸的传感器放置在变压器中对变压器的运行基本无影响．3 超声波换能器的设计与分析3．1 超声波换能器的结构设计根据以上分析，超声波相控阵由16×16共256个阵元组成，每个阵元是独立的超声波换能器．阵元的设计包括合理选择阵元尺寸及压电材料．为保证传感器在长度和宽度方向信号的一致性，取阵元的长度和宽度相等．阵元长度L的选择主要考虑以下几个方面：（1）L＜d，即阵元长度要小于阵元间隔中心距；（2）若要声耦合尽可能小，L越小越好；（3）从调制效果明显即抑制旁瓣效果好的角度考虑，L越大越好；（4）从灵敏度来考虑，L越大越好，因为面积越大，等效电容值越大；（5）从工艺上考虑，L越大越好．综合以上因素，选定阵元的长、宽均为4 mm．超声波检测中换能器的频率是由压电晶体的厚度决定的．当某一交变电压加至压电材料上时，压电晶体表面发出一个振动，并向与之接触的介质中辐射能量．辐射能量与边界处的特性有关．除非特性阻抗相等，否则在一般情况下，总有一部分能量被压电晶体表面反射回来，向压电晶体反方向传播．如果从压电晶体的前表面发出的振动，被反射后经压电晶体传至背表面时，它会和背表面产生的振动互相叠加．根据声波的叠加原理，只有当两个分振动同相时，其和振幅为最大，才能发射强的超声波．若希望换能器两个表面都能自由振动，当晶体厚度正好等于半个波长时，产生谐振，即这两个振动在表面形成同相，应力相互加强，振动具有最大振幅．对应于半波长的频率称为换能器的基本谐振频率．如果某压电材料中纵波传播速度为v，材料的厚度为h，则f0h＝v／2，即某种压电材料的基频和厚度的乘积是一个常数，声学上称为频率常数．假如在换能器后表面粘上一块硬材料，其声阻抗率比换能器要高得多，那么可认为背表面是被夹住不动的，前面与声阻抗低得多的矿物油相接触，即前面几乎能自由振动，这种情况下为单面辐射，这时谐振发生的厚度h满足f0h ＝v／4．超声换能器选用的压电陶瓷为钛酸铅陶瓷（PbTio3），其频率常数在理论上为2．1 MHz·mm，但应以实际生产检定的参数为准．在压电陶瓷中，钛酸铅陶瓷的居里温度可达400℃以上，在常用压电陶瓷中仅次于偏铌酸铅，适于工作在120℃的变压器油中，且机电耦合系数k1和k33很小，用其作主轴方向振动的振子，易于得到近似的纯模，其压电常数g33大，适于作接收换能器．选取钛酸铅材料作为超声换能器，在两个表面都能自由振动且基频为150 kHz的情况下，厚度应选14 mm，在一个表面能自由振动时，厚度应选7 mm．在本文的实际条件下，加有增加探头带宽的吸声背衬，其声阻抗中等，综合各种因素，换能器的厚度选为12 mm．3．2 背衬的设计背衬的声阻抗越大，其频带越宽，接收灵敏度也会下降越多，因此背衬设计时要综合考虑换能器的接收灵敏度和频带宽度等性能指标．通过对超声波换能器进行理论计算可以得到其传递函数的频率特性，进一步可分析出背衬的声阻抗大小对压电换能器接收性能的影响．背衬吸声的目的是为了防止进入背衬中的声波反射回压电阵列和减少阵元间的声耦合，不过这样会导致发射效率和接收灵敏度大大降低．可见，带宽和高效率、高灵敏度是一对矛盾，因而需要寻找适合探头要求的背衬结构．目前，通常的背衬均采用钨粉和环氧树脂制作的复合材料，因为这种复合材料比较容易满足以下条件：（1）声阻抗适中，在保证传感器探头带宽的同时，还能满足一定的灵敏度；（2）声衰减大；（3）可减小阵元间的声耦合．因而，本文也采用这种复合材料，但需要另外研究它的配比和构成．（1）钨粉环氧树脂配比与声阻抗的关系．复合材料的密度为式中：ρ1 为环氧树脂的密度，取1．1 g／cm3；ρ2 为钨粉的密度，取18．7 g／cm3；钨粉在复合材料中的比G＝ρ2／ρ．复合材料的声速随着G的增加（在G＜80%时），纵波速度逐渐减小，当G＞80%时，纵波速度开始迅速回升．（2）复合材料的声衰减．对复合材料的超声波传播特性的研究发现，复合材料的声衰减的原因是由其中的金属颗粒散射所引起的［21］．根据理论和实验曲线可知，声衰减常数α随着频率增加而增加，并趋于最大值，然后有下降的趋势．声衰减常数α随着δ（钨粉在复合材料中的体积分数）增加先增加，然后趋于平坦，达到最大值后有下降的趋势．取k1＝2πf／v1为声波在环氧树脂中的波束，a为金属颗粒的半径．另外，在δ＝5%和δ＝15%时，铅粉环氧树脂复合材料声衰减的最大值约在k1a＝［0．3，0．5］区域，且随δ从5%增加到15%，声衰减明显减小．（3）背衬的设计．根据上面的结论，取k1a＝0．3，所以选择钨粉颗粒半径为若选固化后的环氧树脂声速v1＝2 150 m／s，f＝150 kHz，则a＝680μm．背衬的声阻抗、声速和声衰减，通过调节环氧树脂与钨粉的配比来改变．如果钨粉与环氧树脂的质量比过高，则在背衬制作过程中环氧树脂富余，即形成了没有钨粉的环氧树脂层，因而需要加入PbTiO3粉末．在制作过程中，对钨／PbTiO3复合粉末真空浇注环氧树脂，在制作完成的背衬中，钨、压电陶瓷、环氧树脂的质量比约为9∶7∶1，声阻抗为17．3×106 kg／（m2·s），声衰减系数约为17 dB／cm．3．3 匹配层的设计增加背衬的声阻抗能展宽换能器的频带，但同时也会降低换能器的接收灵敏度，为了解决这个问题，可采用匹配层［16，19，22－23］．设入射波为平面波，对于单匹配层，为了使透射系数最大，应满足式中：Z0为PbTiO3的声阻抗，其值为33．4×106 kg／（m2·s）；ZL 为变压器油的声阻抗，其值为1．1×106 kg／（m2·s）；Z1 为匹配层1的声阻抗．对于双匹配层，同样可得透射系数最大时，声匹配层的阻抗值需要满足式中：Z2为匹配层2的声阻抗．对于无声衰减的理想材料的声匹配层，匹配层数越多，匹配效果越好．实际上声匹配层材料有衰减，最佳匹配的声阻抗材料不易得到，且层数增加，工艺难度加大．系统要求的中心频率为150 kHz，采用双匹配层即可达到带宽覆盖100～200 kHz的信号范围．各匹配层的厚度均为0．25λs．硅橡胶材料作为第1匹配层，声阻抗为2．5×106 kg／（m2·s），居里温度为250℃以上．石英单晶材料作为第2匹配层，声阻抗为13．8×106 kg／（m2·s），居里温度为576℃．研究制作的相控超声波接收阵传感器的半成品和成品如图3所示，超声波接收单元的频率响应特性如图4所示．图3 相控接收阵传感器的半成品和成品照片4 传感器的性能测试与分析图4 超声波接收单元频率响应特性为了对制作的超声波相控阵阵元性能进行测试，采用两种放电源进行实验．一种是压电发射源，通过自制的高压脉冲发生器输出幅值为4．5 kV、脉宽为3μs的高压脉冲，用以驱动压电发射探头辐射出超声波信号；另一种是采用油纸绝缘中常见的油间隙模型，当对模型施加一定电压时，会产生局部放电，进而产生超声波信号．采用相控阵中的（1，1）阵元作为接收传感器，高压脉冲下压电发射源辐射出的超声波信号见图5．图5 压电发射源超声波信号从图5可看出，信号幅值并不大，单次加压产生的超声波信号单一且时延清晰．通过对时域信号进行快速傅里叶分析变换到频域可以看出，超声波的频率主要分布在90～135 kHz范围内，最大幅值频率为129 kHz．油间隙模型下接收到的局部放电超声波信号如图6所示．从图6可看出，油间隙一次放电的能量大，放电产生的超声波信号单一、时延清晰．通过频域图可以看出，放电的频率主要分布在30～140 kHz范围内，最大幅度的频率为97 kHz．图6 油间隙放电的超声波信号通过传感器单元的频率响应特性及实验可以看出，传感器的频带设计为100～200 kHz，中心频率为150 kHz，传感器的设计是合理的．使用该传感器进行了局部放电的定位实验，放电源为油间隙模型，尺寸为1 m×1 m×1．2 m、充满矿物油的油箱模拟变压器箱体，定位结果如表1所示．表1 传感器定位结果实验序号放电源实际位置／cm定位点位置／cm绝对误差／cm相对误差／%1（14．9，1．1，63．7）（15．9，1．1，64．6）1．3 2．0 2（－12．7，－5．4，63．3）（－11．3，－5．2，63．9）1．5 2．3 从表1可以看出，采用本文研制的传感器定位误差小于3%，但由于采用的是空箱体，在实际变压器中的定位效果还有待于进一步研究．5 结论（1）为了实施基于超声波相控接收原理的局部放电定位法，根据超声波相控阵的原理，研制了16×16阵元的平面超声波相控阵传感器．根据实际运行条件及局部放电超声波的特性对传感器的结构及材料的选取进行了讨论，研制成功的传感器具有150 kHz的中心频率、100 kHz的带宽．（2）在实验室中，利用该传感器进行了放电信号的测量及分析，实测表明，传感器可以灵敏接收局部放电产生的超声波，其频带可满足将来在变压器中接收超声波的要求，可用于变压器中局部放电的定位．【相关文献】［1］李军浩，司文荣，杨景冈，等．电力变压器局部放电特高频信号外部传播特性研究［J］．西安交通大学学报，2008，42（6）：718－722．LI Junhao，SI Wenrong，YANGJinggang．Propagation characteristic of partial discharge ultra high frequency signals outside transf or mer 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电力变压器局部放电超声—光纤监测方法研究变压器局部放电现象有可能引发电力事故，给电网安全运行带来严重威胁，深入研究局部放电监测方法对于保证电能的正常输送具有重要意义。

本文综述了目前关于电力变压器局部放电在线监测的常用方法，并且针对其中超声波监测方法的不足之处，阐述了一种超声-光纤监测方法。

该方法利用光纤传感器接收测量信息，具有较好的抗干扰性和较高的可靠性。

标签：电力变压器；局部放电；超声波监测；光纤传感器1 引言根据我国能源资源分布特点，电力系统向着高电压、高容量、大规模互联的趋势不断发展，系统规模的不断扩大对电网元件的可靠运行提出了更高的要求。

电力变压器作为电网中电能传输的枢纽器件，其运行可靠性直接决定了电网安全稳定水平，因此保证电力变压器的正常运行至关重要。

但是电力变压器由众多复杂部件组成，其中不乏存在一些安全隐患，比如局部放电现象便可能导致变压器寿命缩短甚至出现烧损[1]。

电力变压器局部放电现象的存在极大影响了其正常运行，开展对电力变压器局部放电的在线监测工作具有重要意义。

2 局部放电在线监测方法电力变压器局部放电在线监测可以通过识别放电时产生的化学、物理及电气变化来判别。

常见的在线监测方法如下：变压器油色谱在线监测方法通过鉴别局放产生的故障气体的组分来判断变压器是否发生了局放现象并且判别故障的类型[2]。

变压器油色谱分析方法已经形成了较为完善的油色谱判别标准，并且在实践中取得了较好效果。

但是，由于气体传感器容易受干扰，所以故障气体的准确提取存在很大问题。

另外，由于脱气环节占用时间较长，因此，油色谱分析方法在线实时监测能力相对较弱。

脉冲电流法通过检测变压器局部放电时检测回路中的脉冲电流信息来获得局放相关信息[3]。

脉冲电流法的优点是可以通过定量测定放电量来快速判定变压器局部放电的严重程度，并且具有很高的灵敏度。

但是脉冲电流法对脉冲电流的检测环境相当苛刻，且抗干扰能力差，因此在实际中应用效果较差。

光纤传感器监测系统设计和优化一、介绍随着科技的不断发展，光纤传感器在监测领域得到了广泛应用。

它具有高灵敏度、高精度、抗干扰性强、可扩展性高等优点，特别适用于实时监测工业生产中液位、温度、振动、压力等参数变化。

本文将详细介绍光纤传感器监测系统的设计和优化。

二、光纤传感器的基本原理光纤传感器是指利用光纤的光学特性，通过光信号的传输和调制来实现对物理量、化学量的测量和控制。

常见的光纤传感器包括光纤光栅传感器、拉曼光纤传感器、布里渊光纤传感器等。

光纤传感器的基本原理是利用光的传播特性，通过光纤传输技术将光信号源引入光纤中间传输，并在光纤的一端接收和分析光信号，进而实现对物理参数的测量。

根据测量原理的不同，光纤传感器又可分为菲涅尔光纤传感器、干涉型光纤传感器、功率调制型光纤传感器等多种类型。

三、光纤传感器在监测系统中的应用1.液位监测在工业生产中，对于流程管道或储罐中的液位变化，及时的监测和控制非常重要。

利用光纤传感器可以实现对液位变化的实时监控，同时对于液位的高度进行校准，保证生产过程的稳定性。

2.温度监测光纤传感器可以实现对温度的高精度监测。

经过优化的光纤传感器可以在高温和极低温的环境下进行稳定的温度检测，并且具有很高的防干扰能力，可以保证监测数据的准确性和实时性。

3.振动监测在工业设备中，振动问题会对设备的稳定性和寿命产生影响。

通过安装在设备上的光纤传感器可以监测设备运行时的振动情况，提供数据支持来优化设备的运行，并且可预测可能出现的问题，提早进行维修和更换。

4.压力监测使用光纤传感器可以实现对压力的高精度在线监测，进行负载监测、管道泄漏率检测等工作。

对于工业管道、气体中压力波动的监测可以通过光纤压力传感器实现。

能够提高工业设备的生产效率，保障生产过程的稳定性。

四、光纤传感器监测系统的设计和优化1. 光纤传感器的选型在进行光纤传感器监测系统的设计时，需要根据实际需求选定合适的光纤传感器。

光纤传感器的类型、灵敏度、测量范围、温度环境等参数需考虑。

变压器局部放电超声定位中的自适应优化算法
过程中，当内部绝缘的某些薄弱部位在高场强作用下发生局部放电时，有超声波能量放出，球形超声波在不同介质中向外传播，处于变压器外围不同点的传感器能接收到超声信号，通过GPRS 网络传输给后台，后台测量超声信号传播的时延，联立求解定位方程组便可得到局部放电点的位置。

1 变压器局部放电超声定位数学模型
设电力变压器中局部放电点为S(x，y，z)，x，y，z 均为未知量;共有8 个传感器贴装于变压器表面接收超声信号，见图1。

他们的坐标为Ri(xi，yi，zi)，其中i=1，2，…，8;当传感器接收到超声信号后，传回后台程序，根据相关函数法计算其中某路超声信号和其余信号的时间差，用△ti1=ti-t1 表示第i(i=2，3，…，8)个接收端与第1 个接收端之间的时延，见图2;υ表示超声波传播速度，由于变压器内部结构复杂，超声传播速度为未知量。

1.1 模型建立
理想情况下，8 个传感器均能接收到超声信号并能计算时延，则局放定位算
法的方程组为：
实际上，由于超声波在传播过程中的绕射、透射、反射以及衰减等，通常能接收到信号的接收端少于8 个，不妨设实际采集过程中，有m+1 个接收端接收到信号。

则有m 个非线性定位方程：
1.2 无约束优化
定位方程组有4 个未知量(x，y，z,υ)，当4m=7 时，为非线性超定方程组，超定方程组没有精确解。

将超定方程组转化为无约束最优化问题，目标函数为：。

超声法在电力变压器局部放电检测中的应用与展望发表时间：2019-09-11T09:55:25.733Z 来源：《中国电业》2019年第10期作者：穆晓龙[导读] 阐述了超声检测法的概念和优点，着重介绍了超声法在局放检测中的应用，分析了当前存在的问题并对它的应用前景进行了展望。

辽宁清河电力检修有限责任公司辽宁省铁岭市 112003 摘要：当前对变压器局部放电的检测方法层出不穷，大致可以分为电测法和非电测法两大类。

本文中笔者在简单阐述现有检测方法的基础上，阐述了超声检测法的概念和优点，着重介绍了超声法在局放检测中的应用，分析了当前存在的问题并对它的应用前景进行了展望。

关键词：电力变压器；局部放电；超声波一、现有检测方法简介现有的局部放电检测方法大多以发生局部放电时产生的电磁波、光及超声等现象为依据，寻找能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态，大致可以分为电测法和非电测法。

电测法主要检测局放时产生的电磁波信号，包括脉冲电流法、超高频检测法及超宽频检测法等。

以脉冲电流法为代表，脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器，检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量，它是研究较早、应用较广泛的一种检测方法，IEC 专门制定了IEC-60270 作为局部放电测量标准。

非电检测法主要检测局放产生的超声、光及热等非电信号，包括气相色谱法和超声波法等。

目前以超声波法的应用较为广泛。

下文着重介绍超声法在局放检测中的应用。

二、超声法在局放检测中的应用局放检测作为局放定位的基础，其作用不言而喻。

使用超声法进行局部放电检测，首先应该充分了解超声波在变压器内部的传播规律；继而通过紧贴于变压器箱体上的超声传感器接收超声信号；由压电转换装置将声信号变为电信号后采用合适的方法进行局放定位处理。

1. 超声波在变压器内部的传播规律为了得到变压器内部放电源产生的超声信号的准确信息，作为基础，首先应该研究超声波在变压器内部的传播规律。