超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法及系统
阅读说明：本技术 超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法及系统 (Method and system for detecting inner lead of transformer bushing focused by ultrasonic synthetic aperture ) 是由 张继国 郝成钢 孙沃野 李凯 孙刚 李爽 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法,包括如下步骤：S1：通过单个探头向待测变压器套管内引线进行弧形扫描,发送超声信号并接收回波信号。S2：基于回波信号获取相对应的弧形扫描数据。S3：沿待测变压器套管周向方向移动探头,并重复步骤S1和S2。S4：将探头各个位置所对应的弧形扫描数据进行数据处理,获得图像数据值。S5：对图像数据值的进行叠加得到若干聚焦点P,并基于若干聚焦点P形成扫描图像,根据扫描图像判断待测变压器套管内引线是否正常。本发明可以实现在线、定量地检测,以高成像分辨率获取变形情况,减少了计算量,更加方便与快捷。(The invention discloses a method for detecting an inner lead of a transformer bushing focused by ultrasonic synthetic aperture, which comprises the following steps: s1: and carrying out arc scanning on the inner lead of the transformer bushing to be tested through a single probe, sending an ultrasonic signal and receiving an echo signal. S2: and acquiring corresponding arc scanning data based on the echo signals. S3: and moving the probe along the circumferential direction of the transformer bushing to be tested, and repeating the steps S1 and S2. S4: and carrying out data processing on the arc scanning data corresponding to each position of the probe to obtain an image data value. S5: and superposing the image data values to obtain a plurality of focusing points P, forming a scanning image based on the plurality of focusing points P, and judging whether the inner lead of the transformer bushing to be detected is normal or not according to the scanning image. The invention can realize on-line and quantitative detection, obtain the deformation condition with high imaging resolution, reduce the calculated amount and is more convenient and rapid.)
技术领域
本发明属于电气设备检测领域，尤其涉及超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法及系统。
背景技术
近年来国家经济的快速增长，伴随着是人民、企业、国家对于电力的需求不断提高。为了保障电力可以有保障地传输给用户，电力系统十分重视电力设备的安全可靠性，电力设备的可靠性直接决定了电力系统的可靠性。变压器作为电力系统中最重要的电力设备之一，是输电线路的枢纽，承担着电能传输和分配的责任，当变压器发生故障，整个电力系统的安全稳定性就受到威胁，严重时将会发生大范围停电事故。根据统计，变压器所发生的故障部分是由于变压器的绝缘损坏所导致的，并且故障率逐年升高。
变压器套管内引线是变压器中最重要的组成部件之一，变压器通过套管内引线与外部相连接，通过引线输入或者输出电能，变压器套管组成了变压器主绝缘的主要部分。近年来，有多起变压器事故是由于变压器套管绝缘损坏所导致的。变压器套管内引线的状态直接影响到了套管内的电场分布，如果变压器套管内引线状态发生了改变，套管内变压器油中的电场强度分布不均匀，严重时会发生火花放电的现象，最终导致整个套管发生绝缘击穿，所以对变压器套管内引线的状态进行实时检测具有重大的实际意义。
现有针对变压器套管内引线的检测技术主要有：定期预防性试验、红外成像法、超声波法、油色谱分析等。
定期预防性试验是最早应用于实际工程的方法，通过定时停运变压器，对变压器进行整体大范围的检修，必要时拆解部分器件直接对变压器进行维修。定期预防性试验的缺点是停运、人工成本高，检修周期也比较长，检测的结果靠专业人士的经验判断，对检修人员的专业能力要求比较高，因此需要一种能够带电检测方法。
红外成像法可以完成带电检测的任务，通过远距离不接触进行红外成像测试，能够检测变压器套管内引线的发热情况，提前发现局部过热现象套管引线发生故障。虽然红外成像法可以达到带电检测的目的，但是由于红外成像针对引线整体进行温度成像，不能够判断故障发生具体位置；并且变压器在运行过程中温度变化幅度大，红外成像方法可能误判检测结果，因此需要一种更准确地检测方法。
油色谱分析法是通过分析套管内变压器油溶解气体的产生速率、组成含量来判断变压器套管及引线的故障类型，油色谱分析法是一种化学方法，检测精度较高，较为准确判断变压器套管及引线是否发生了潜伏性的故障，但是油色谱分析法借用了变压器套管内的变压器油，正常情况下变压器套管内变压器油不能大量提取，会导致引线暴露在空气中，绝缘能力减弱，因此需要一种基于物理信息的检测方法。
超声波法是基于测距原理所实现的，根据自相关算法计算超声波信号的传输时间，从而根据距离转换算法转换为套管引线至套管外壳之间的距离，从而判断套管内引线的实时状态。然而现有的超声波法虽然可以初步对套管内引线状态进行在线检测，但存在检测效率低、速度慢，并且检测效果差的缺点。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法及系统，以解决检测效率低、速度慢以及精度低的技术问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法，包括如下步骤：
S1：通过单个探头向待测变压器套管内引线进行弧形扫描，发送超声信号并接收回波信号。
S2：基于回波信号获取相对应的弧形扫描数据。
S3：沿待测变压器套管周向方向移动探头，并重复步骤S1和S2。
S4：将探头各个位置所对应的弧形扫描数据进行数据处理，获得图像数据值。
S5：对图像数据值的进行叠加得到若干聚焦点P，并基于若干聚焦点P形成扫描图像，根据扫描图像判断待测变压器套管内引线是否正常。
其中，步骤S4中获得图像数据值的公式为
S(arc(si,ti))＝ωisi(ti)/ri
其中，ωi为第i个探头位置时接收到的回波信号的变迹函数，si为回波信号的弧形扫描数据，ti为延迟时间，ri为第i个探头位置至弧形扫描处的距离。
其中，在步骤S1中，弧形扫描为沿探头指向待测变压器套管内引线方向进行扫描，探头在每个扫描处得到若干个扫描层，若干扫描层均为弧形且圆心为探头。
其中，同一扫描层上的每一点的图像数据均相同，且均可通过步骤S4的图像数据值公式获得。
较优地，在步骤S3与步骤S4之间还包括对弧形扫描数据进行滤波处理，将小于阈值的弧形扫描数据定义为零。
其中，在步骤S5中，对若干扫描层的相同位置的图像数据值进行叠加，各个扫描层上得到一聚焦点P，聚焦点P大于所对应的扫描层上其它所有点的各自叠加后的图像数据值。
一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测系统，采取满足上述任意一项的超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法，其特征在于，包括FPGA芯片、功率放大电路、信号调理电路、数据采集电路和换能器。
FPGA芯片受控于外部上位机向功放电路输出低脉冲信号。
功放电路用于接收低脉冲信号并进行功率放大，输出高脉冲信号至换能器。
换能器用于接收高脉冲信号向待测变压器套管内引线输出，并接收回波信号。
信号调理电路用于接收回波信号，进行信号处理。
数据采集电路用于接收信号处理后的回波信号并采集得到采集信号。
FPGA芯片还用于接收采集信号，基于超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法得到扫描图像，并上传至外部上位机以进行显示。
其中，换能器的中心频率为400kHz的收发一体换能器，换能器的半功率波束角为5.0°，极限电压为700V，直径为43mm。
其中，信号调理电路用于依次对回波信号进行卷积滤波、通过希尔伯特变换提取包络信号、以及对数放大。
进一步优选地，还包括电源模块，电源模块为变压器套管内引线检测系统提供电力支持。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明提出使用超声合成孔径聚焦技术对变压器套管内引线的实时状态进行成像分析，可以实现在线、定量地检测，并且可以解决传统超声波法的弊端，能以高成像分辨率的方式检测变压器绕组的变形情况，检测精度达到0.1mm等级，该系统检测时间仅为传统超声检测方法的。另外，使用单探头进行弧形扫描，无需预先获取聚焦点，减少本发明的计算量，更加方便与快捷。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法流程图；
图2为本发明的SAFT检测引线原理示意图；
图3为本发明的一种有效孔径长度与半功率角的关系示意图；
图4为本发明的另一种有效孔径长度与半功率角的关系示意图；
图5为本发明的单探头扫描区域示意图；
图6为本发明的超声波回波信号示意图；
图7为本发明的一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测系统结构示意图；
图8为本发明的信号调理电路的波形变换示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法及系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1
本实施例提供一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法。
首先，参看图2，对超声合成孔径聚焦技术进行说明。合成孔径技术是将单一的超声换能器在不同位置扫描得到的图像数据加以重叠，通过使用较小孔径的换能器来模拟较大孔径，使得成像的分辨率仅与换能器有关，不再随着检测深度的提高而模糊。合成孔径成像由数据的采集和图像的叠加两个部分组成。
超声合成孔径聚焦技术原理如图1所示，u0,u1,…,uL-1为换能器每次移动的编号，z为换能器透射的深度，换能器沿着套管外壳每移动一次，向着引线方向进行深度为z的一次扫描。假设在引线上的成像聚焦点P的坐标为(x,R),其中，R为该聚焦点的竖向深度，编号ui的换能器到聚焦点的距离为ri。
扫描位置ui的换能器到聚焦点的距离r1的计算公式为：
超声信号从扫描位置ui发射到聚焦点，经引线反射回到ui位置的传播时间ti为：
扫描位置ui的延时时间为：
其中，上述公式中的i＝0,1,…,L-1，c为超声信号在变压器油中的传播速度。假设在各个扫描位置ui发射后接收到的超声回波信号为s(ui,t)，将每个位置扫描得到的回波信号根据延时进行重叠，得到聚焦点处的图像数据为
其中，δ(t-τi)为扫描位置ui的时延冲激函数，ωn为变迹函数，该公式即为超声合成孔径聚焦的数学模型。
使用传统的超声合成孔径聚焦技术进行聚焦成像时探头在多次移动中扫描聚焦点造成了计算量增加。可以根据半功率角提前计算实际有效孔径长度，减少探头的放置，从而减少信号采集次数。
实际有效孔径长度与半功率角的关系如图3所示。在扫描位置u0处，聚焦点P开始进入扫描区域，在扫描位置uL-1处,聚焦点P离开扫描区域，在合成孔径L之外，换能器扫描不到聚焦点P。合成孔径L的长度可以由下式计算：
可知，合成孔径L的长度仅与换能器本身和透射深度有关。
在本实施中，对变压器套管内引线检测具体为如下步骤
首先，在步骤S1中，选取引线上一聚焦点P1(x,R)，该聚焦点P1(x,R)为已知量。
接着，在步骤S2中，根据合成孔径L计算公式进行计算，得到合成孔径L。
然后，在步骤S3中以聚焦点P1为中心，确定合成孔径L范围内换能器的位置u0,u1,…,uL-1。
此后，在步骤S4中，对于每个换能器位置ui(i＝0,1,…,L-1)计算各自对应的距离r1、传播时间ti、延时时间τi以及采样得到的数据值s(ui,ti)。
然后，进入步骤S5，将各换能器位置ui处的数据值进行叠加，得到聚焦点P1的图像数据值。
最后，步骤S6，在可扫描范围内，确认是否还有剩余聚焦点，若有则重复步骤S1值S5，若无则结束检测并输出结果。
实施例2
参看图1，本实施例提供一种基于实施例1的一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法的改进方法。由于超声合成孔径聚焦算法是一种卷积运算，成像的时间长、计算量大，对硬件的要求高。另外，实施例1的计算过程的先决条件是已知聚焦点的位置，但是实际中的检测点是未知的，并且超声换能器每次采集的数据不只作用于聚焦点，还参与了其他点的成像计算，导致超声合成孔径聚焦算法流程计算量大，并且实际操作复杂，故本实施例在保障引线成像分辨率上使用了单探头弧形扫描算法来减少计算量。
参看图1，具体包括如下步骤：
首先，在步骤S1中，通过单个探头向待测变压器套管内引线进行弧形扫描，发送超声信号并接收回波信号。在本实施例中，探头即为换能器。弧形扫描为沿探头指向待测变压器套管内引线方向进行扫描，探头的扫描范围内会得到若干个扫描层，若干扫描层均为弧形且圆心为探头位置。
参看图4，为三个不同的换能器位置u0,u1,ui在聚焦点P采集的数据s0(t0),s1(t1),si(ti)不仅作用于聚焦点P，这些数据同时作用于弧线arc(s0,t0)，arc(s1,t1),arc(si,ti)上的所有点,同一弧线上的点与各自对应的换能器位置距离ri相同，传播时间ti也相同。
因此，单探头弧形扫描可以理解为：以每一个探头位置ui作为中心，随着半径ri从零变大依次在图像上画同心弧线。如此不需要先根据未知的聚焦点来求解合成孔径的有效长度，而是直接对在每个位置的换能器进行画弧操作采集数据。
参看图5，自圆弧与变压器套管内引线的相切点A时刻开始采集数据，当半径ri逐渐增大，弧线开始向下扫描，在位置ui处换能器可以扫描到变压器套管内引线上圆弧arc(LAR)上所有点。
接着，在步骤S2中，将接收的回波信号进行处理，得到相对应的弧形扫描数据，也就是将回波信号转换为模拟信号。
然后，进入步骤S3中，让探头沿着待测变压器套管周向方向移动，并重复步骤S1和S2，采集u0,u1,…,uL-1多个位置的弧形扫描数据，直到将可扫描区域全部扫描后进入步骤S4。
参看图6，较优地，由于在半径ri从零变大的过程中，会出现很多无效数据，图6是1000个采样点的超声波回波波形，可以看出回波信号中无效数据占到了80％，无效数据不参与算法的计算，因此还需要对弧形扫描数据进行滤波处理，将小于阈值的弧形扫描数据定义为零，以减少后续的计算量，提高计算速度。
在步骤S4中，将探头各个位置所对应的弧形扫描数据进行数据处理，获得图像数据值。其中，同一扫描层上的每一点的图像数据均相同，且均可通过如下公式获得图像数据值
S(arc(si,ti))＝ωisi(ti)/ri
其中，ωi为第i个探头位置时接收到的回波信号的变迹函数，si为回波信号的弧形扫描数据，ti为延迟时间，ri为第i个探头位置至弧形扫描处的距离。
最后，在步骤S5中，对各扫描层的相同位置的图像数据值进行叠加，即如图4中的三条圆弧在聚焦点P交叉，各个扫描层上得到一聚焦点P，聚焦点P远大于所对应的扫描层上其它未聚焦点的图像数据值的叠加。基于若干聚焦点P所形成扫描图像，根据扫描图像判断待测变压器套管内引线是否正常。
实施例3
参看图2，本实施例提供一种基于实施例1和2的一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测系统，该系统采用如实施例2中任意一项要求的一种超声合成孔径聚焦的变压器套管内引线检测方法。
参看图7，具体包括FPGA芯片、功率放大电路、信号调理电路、数据采集电路和换能器。
FPGA芯片受控于外部上位机向功放电路输出低脉冲信号，外部上位机通过USB与FPGA芯片连接，从而达成通讯。为了透射变压器套管外壳和补偿能量的衰减，功放电路用于接收FPGA芯片输出的低脉冲信号并进行功率放大，得到高脉冲信号，该高脉冲信号的功率大约为200V。换能器用于接收高脉冲信号向待测变压器套管内引线输出，并接收经引线反弹的回波信号。信号调理电路用于接收回波信号，进行信号处理。参看图8，信号调理电路具体对回波信号进行卷积滤波，过滤了部分噪声，波形变得更加平滑；然后对波形信号使用希尔伯特变换提取包络信号，减少了延时与相位带来的误差，信号的幅值全部变为正值，防止信号正负幅值叠加抵消，最后进行对数放大。数据采集电路用于接收信号处理后的回波信号并采集得到采集信号，采样频率为fc＝20MHz，约为超声换能器中心频率的50倍。
FPGA芯片还用于接收采集信号，其内部写有超声合成孔径聚焦算法，实现波束的叠加，将计算结果导入上位机呈现。由于采集的数据庞大，借助FPGA片外SDRAM缓存读写数据。
现对换能器的选择进行说明
超声信号在穿透变压器套管外壳和在变压器油中传播的时候会产生能量损失。穿透变压器套管外壳时发生散射衰减，变压器套管外壳的声阻抗为Z1＝4.6×107N·/m3，变压器油的声阻抗为Z2＝1.28×106N·/m3，空气的声阻抗为Z3＝415N·/m3，为了保证换能器能接收到完整的回波波形，既需要在空气和变压器外壳之间涂抹超声波耦合剂，也需要硬件发出更高能量的电压信号激励换能器。
在变压器油中传播时发生吸收衰减，声压衰减随着传播距离呈现指数形式的衰减：
P(x+dx)＝P(x)e-αdx
其中，α为衰减系数，P(x)为传播距离x处的声压。衰减系数的计算如下：
其中，f为换能器的频率，η为粘滞系数。可以看出，吸收衰减与换能器的频率的平方成正比，换能器的频率越高，声波能量衰减越迅速。
横向分辨率由波束本身决定，换能器的直径越小，产生的波束直径越小，横向分辨率越高。纵向分辨率由换能器的频率决定，一般情况下纵向分辨率为:
其中,c为超声波声束在介质中传播的速度，τp为脉冲时间，Bω为脉冲频带的宽度。综上，为了保证换能器能够成功透射变压器套管外壳、尽可能减少在变压器油中的衰减、提高成像分辨率，综合考虑后检测采用中心频率为400kHz的一发一收换能器，半功率波束角为5.0°，换能器的极限电压为700V，换能器的直径为43mm。
较优秀地，还包括电源模块，电源模块为变压器套管内引线检测系统提供电力支持。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。