油浸式变压器的爆炸燃烧事故通常由内部绝缘缺陷的局部放电引发，并逐渐发展至火花放电和电弧放电[1,2]。主保护作为一种"被动"保护主要动作于绝缘击穿之后，为了在主绝缘击穿前主动保护跳闸，一种通过局部放电信号触发保护与声光报警的技术被提出，这对局部放电监测装置的准确性提出了更高的要求。接触式超声波传感器作为变压器局部放电监测及定位的核心器件之一[3,4]，超声信号数据受到传感器性能的影响，其中影响比较明显的是灵敏度[5]。为了能够即时并快速地明确超声波传感器的灵敏度等关键性能参数，有必要对超声波传感器开展现场校验工作。 目前，针对接触式超声波传感器的校验主要应用于产品的入网试验与返厂校验，且校验工作主要在实验室内展开。研究人员基于校验钢块搭建了相应的校验系统，分别以表面波和纵波的形式对传感器的灵敏度进行了校验[6,7]，同时建立了相应的标准[8-10]。对于超声波局放传感器的现场校验方法，有研究人员提出了一种将待测传感器取下后，与标准传感器进行"面对面校验"的方式。但是局放超声波传感器通常通过玻璃胶等介质牢固安装在变压器上，这对传感器的拆卸造成阻碍，上述方式无法对传感器在现场进行快速的原位校验。因此，应用于油浸式变压器局部放电检测的超声波传感器的现场校验方法仍有待研究。 与实验室相比，现场的噪声情况较为复杂[11,12]。目前，多种传感器的校验技术研究中已经考虑了噪声对校验过程及结果的干扰。文献[13]通过网分仪同时记录数据和校验信号来抑制时变误差，但是在高频下，相位噪声会影响校验信号的测量。文献[14]中发现噪声会对地磁传感器的校准系数矩阵的计算造成较大误差，使其难以获取准确的信号，降低了校验效果。文献[15]在对星载多波束天线进行校准中发现，由噪声本振施加的随机相位噪声会导致基于TDMS的校准系统的性能显著下降。文献[16]对微波辐射测量系统进行外部校准时发现，背景噪声对于确定接收器的刻度的参考原点参数具有显著影响。综上所述，噪声是传感器在校验过程中有必要考虑的重要影响因素之一。然而，不同工况下的噪声类型与强度也不尽相同，在电力领域，有学者探究了随机噪声和变电站中复杂的电磁干扰环境对电流互感器在线校验结果的影响[17]，但变电站的现场噪声对于局放超声波传感器校验结果的影响及程度仍不明确。 为了实现超声波传感器在现场进行即时、快速的校验，并且明确现场噪声对校验结果的影响，本文基于实验室的校验标准与流程，提出了面向变压器的局放超声波传感器的现场校验流程。建立了变压器局部仿真模型，同时构建了超声波传感器模型并将其布置于变压器外壁上，用于接收校验信号。在此基础上，计算分析了不同种类的现场噪声对超声波传感器灵敏度校验结果的影响，为后续提出针对性的去噪方法提供理论基础。 1 超声波传播特性分析 1.1 超声波的声学特性与噪声分析 变压器内部发生局部放电产生的超声波信号通常以纵波、横波、表面波这三种形式存在。纵波在介质中质点的运动方向与波的传播方向一致，在固体、液体、气体介质中均能传播；横波在介质中质点的运动方向与波的传播方向垂直，但其只能在固体中传播，超声波在变压器外壳中传播时就以这种形式存在；表面波则通常沿介质交界处的表面传播[18,19]。 超声波在介质中传播时，与声波传播方向垂直的通过单位面积的声波能量值称为声强 II，它不仅与声波本身性质有关，也与介质密度有联系[20]，见式(1)。 I=12ρcA2ω2=12pn2Z(1)I=21ρcA2ω2=21Zpn2(1) 式中，ρnρn 与 ZZ 分别代表声压极大值与声特性阻抗，ρρ 为介质密度，cc 为声速，AA 为质点位移振幅，ωω 为角频率。声特性阻抗 ZZ 的计算见式(2)，它是影响超声波在不同介质间传播规律的重要参数。 Z=ρc(2)Z=ρc(2) 由于现场中存在多种不确定的干扰源，所以超声波信号会受到噪声干扰，甚至发生失真。通常现场噪声包含白噪声和窄带噪声。窄带噪声主要由电力系统的载波通信、无线通讯广播等产生，此类噪声信号带宽很窄，其波形在时域上表现为数个不同频率的正弦波叠加[21]，如图1(a)所示为叠加了四种不同频率的窄带噪声。白噪声则主要由检测线路中的散弹噪声、变压器绕组热噪声等引起，它的时频特性与局部放电信号类似，具有连续的频谱分布，在时域上分布杂乱[22]，图1(b)是功率约为21dBW的白噪声波形图，它能够干扰到各个频率的有效局部放电超声波信号。 1.2 超声信号传播特性分析 超声波信号在不同的介质中的传播特性不同，当声信号在两种不同的介质中传播时，其反射与透射过程如图2所示。 声强的反射系数与透射系数反映了声信号从一种介质传播到另一种介质的多少，声强反射系数 RR 可用反射声强和入射声强的比值来描述： R=I1I0=p12p02=(Z2−Z1Z2+Z1)2(3)R=I0I1=p02p12=(Z2+Z1Z2−Z1)2(3) 式中，I0,I1I0,I1 分别为入射声强和反射声强，p1p1 和 p0p0 分别为入射声压和反射声压，Z1,Z2Z1,Z2 分别为介质1、介质2的声阻抗。透射系数 TT 则用透射声强和入射声强的比值来描述，见式（4）。 T=I2I0=p22Z1p12Z2=4Z1Z2(Z2+Z1)2(4)T=I0I2=p12Z2p22Z1=(Z2+Z1)24Z1Z2(4) 式中，I2I2 为透射声强，p2p2 为透射声压。由上两式可得 R+T=1R+T=1，即同一界面上声强满足能量守恒定律。 结构钢、绝缘油、空气的密度分别为 7.85×1037.85×103 kg/m3kg/m3、1.04×103kg/m31.04×103kg/m3、1.29×10−3kg/m31.29×10−3kg/m3，空气中的声速为 340 m/s340 m/s。超声波在绝缘油中传播时，只能传递纵波，其波速计算见式（5）。 Vp=1ρBa(5)Vp=ρBa1(5) 式中，BaBa 为绝对压缩系数；25∘C25∘C 时，Vp=1.43×103Vp=1.43×103 m/sm/s。钢块的纵波声速和横波声速则可以根据杨氏模量与泊松比计算得到，见式（6）和式（7）。 Vs=E(1−μ)ρ(1−2μ)(1+μ)(6)Vs=ρ(1−2μ)(1+μ)E(1−μ)(6) Vp=E2ρ(1+μ)(7)Vp=2ρ(1+μ)E(7) 式中，EE 为杨氏模量，取 200GPa200GPa；μμ 为泊松比，取0.3。计算可得钢块纵波声速与横波声速分别为 5856.36m/s5856.36m/s、3130.35m/s3130.35m/s。根据式（2）计算可得结构钢、绝缘油和空气这三种介质间的声特性阻抗比约为 105776:3391:1105776:3391:1。结合式（3）、式（4）分析可以发现，当超声波从结构钢中向绝缘油中传播时，声强反射系数和投射系数分别为 0.88,0.120.88,0.12。说明大部分声波在两种介质的界面处发生反射，只有小部分透过界面向油中传播，又考虑到界面处声吸收现象的存在，声波能量会产生损失，因此超声波的能量会随着传播的进行产生衰减。当超声波从结构钢中向空气中传播时，声强反射系数达到了0.9958，说明在这两种介质的交界面处，超声波几乎不会通过透射进入空气。 2 变压器局放超声波传感器的灵敏度现场校验流程设计 2.1 超声波传感器灵敏度校验指标选择 灵敏度是用于描述超声波传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数，见式（8）。 D=20logUV(8)D=20logVU(8) 式中，DD 为位移灵敏度，V/(m/s)V/(m/s)；UU 为传感器输出电压值；VV 为传感器表面振动速度。 在校验过程中，由于无法直接测得传感器表面振动速度 VV，灵敏度一般通过对比标准传感器与被测传感器的检测信号得到。基于Q/GDW11304.9-2023《电力设备带电检测仪器技术规范第9部分：超声波局部放电检测仪》标准，被测传感器灵敏度曲线 S2(f)S2(f) 的计算见式（9）。 S2(f)=S1(f)+20log[U2(f)U1(f)](9)S2(f)=S1(f)+20log[U1(f)U2(f)](9) 式中，U1(f)U1(f) 和 U2(f)U2(f) 分别为标准传感器与被测传感器的频率响应；S1(f)S1(f) 为标准传感器的灵敏度曲线，dB（通常由传感器厂家或第三方检测机构给出）。 标准中给出了均值灵敏度和峰值灵敏度这两个指标来衡量传感器的灵敏度特性，考虑到现场噪声会对检测信号的波形产生影响，仅考虑上述两指标的数值并不能完全反应传感器的真实特性，因此本文引入了灵敏度曲线的均方根波动率（RMSF）来辅助校验。它能衡量数据相对于其均值的波动程度，也能够体现噪声对灵敏度曲线造成的影响，其计算式如下： RMSF=1n∑i=1n(xi−x‾)2(10)RMSF=n1i=1∑n(xi−x)2(10) 式中，nn 为数据点总数，xixi 为第 ii 个频率点对应的灵敏度值，x‾x 为各频率点灵敏度数值的均值。 2.2 超声波传感器布置方式及校验流程设计 GB/T19801-2005《无损检测 声发射检测 声发射传感器的二级校准》给出了适用于实验室的声发射传感器二级校验方法，校准装置如图3（a）所示。声发射装置安装在钢制试块的上表面，它与标准传感器以及待测传感器安装在试块的同一表面上。标准传感器和待测传感器放置在距离声源距离相等但方向相反的位置上，通过记录两个传感器的频率响应并进行对比分析来完成校验工作。 Q/GDW11304.9-2023给出了如图3（b）所示的实验室校验的试验接线方式。声发射传感器安装在钢制试块一侧的中心点，并连接声发射系统。标准传感器和被测传感器对称放置于试块的另一侧。校验过程中，声发射系统输出一组脉冲宽度不小于1s、幅值不小于5V的脉冲信号，通过测得被测传感器和标准传感器的频率响应并进行对比分析，从而得出灵敏度的校验结果。 由于在换流站等现场中，用于变压器局部放电超声波检测及定位的传感器通过玻璃胶或金属夹件等方式固定在变压器的器身上，短时间内较难取下。因此本文在基于上述标准的限定下，提出了在变压器本体上开展的局部放电超声波传感器的现场校验方法，校验方法中所涉及的声传播介质主要为变压器外壳以及其中的绝缘油。由于变压器的正面通常安装有散热器及风扇，因此局部放电超声波传感器一般安装在变压器的侧面，如图4所示。 考虑到变压器的横向距离较长，且内部存在绕组、铁心等复杂结构会影响声传播路径，Q/GDW11304.9-2023中给出的传感器布置方式并不适用于现场。因此基于GB/T19801-2005，本文设计了适用于现场校验方法的传感器布置方式。又考虑到变压器外壳上存在纵向的金属凸起结构，若将声发射传感器、标准超声波传感器与待测超声波传感器在同一水平线上放置，金属凸起结构会导致两传感器间的安装距离无法达到国标的要求，且会影响超声波的传播过程。因此将传感器纵向排列，如图5所示为变压器局放超声波传感器的现场校验方法的硬件安装及接线示意图。 超声波传感器现场校验方法的流程如图6所示，声发射传感器输出一组幅值不小于 10V10V 的校验源信号，测得标准超声波传感器和待测超声波传感器的接收信号 U1(t),U2(t)U1(t),U2(t)，将其通过频域分析方法转换为频率响应 U1(f),U2(f)U1(f),U2(f)，通过式(10)可计算得到待测传感器的灵敏度曲线。 3 噪声模式的影响分析 3.1 模型搭建及参数设计 3.1.1 模型几何结构建立及仿真细节设计 基于2.1节中的传感器布置方式对变压器局部结构及接触式超声波传感器进行建模。超声波传感器由不锈钢外壳、保护陶瓷盖板、压电陶瓷、铜片、填充胶组成，在建模过程中，考虑到细小部件对声发射和超声波信号采集的影响较小，因此对传感器进行简化建模。传感器模型的结构如图7所示，主要由匹配层、压电材料、背衬层和外壳组成。 由于传感器布置在变压器外壳的同一表面上，超声波主要通过变压器外壳和绝缘油传播到传感器中，此外，对铁心加入前后进行仿真分析，发现铁心并不影响本文传感器的接收信号，因此综合考虑变压器内部结构对声传播的影响以及仿真的计算效率，对变压器结构进行简化，主要由绕组、变压器油、变压器外壳以及空气域组成。模型中各结构的材料及部分参数见表1，其中变压器绕组主要由绝缘纸和铜绕组组成，由于超声波在绝缘纸中的传播速度与绝缘油中的速度差距不大，说明绝缘纸与变压器油的声特性阻抗相似，因此对绕组建模时材料选用铜。 考虑到超声波传感器、变压器外壳以及绕组的结构均为硬质性材料，所以本文在进行声场仿真时该部分应当使用固体力学中的应力波方程。而绝缘油与空气作为流体，该区域应该应用基于流体介质的声学方程。因此本文使用有限元仿真软件中的声-压电相互作用模块和电路模块对传感器的接收特性进行仿真，并且通过设置与标准传感器不同的介电损耗，来模拟性能退化的待测传感器。 3.1.2 校验源信号设计 GB19801和Q/GDW11304.9中提出声发射源可以是一个由声脉冲发生器驱动的换能器，且高斯脉冲通常被用来模拟实际的局部放电源信号[24]，因此本文选择一组高斯脉冲信号作为校验信号发生源，每隔 500μs500μs 触发一次脉冲，高斯脉冲的时域形式见式(11)。 A(t)=Ke−(t−t0)22σ2(11)A(t)=Ke−2σ2(t−t0)2(11) 式中，KK 为脉冲的幅值，t0t0 表示脉冲到达峰值所需要的时间；σσ 为时域标准差，它与脉冲宽度FWHM的关系见式(12)。 FWHM=22ln2σ(12)FWHM=22ln2σ(12) 3.2 仿真可行性分析 根据2.2节所述的GB19801中校验装置的安装方式，搭建包含校验钢块与超声波传感器的仿真模型，对声发射传感器注入3.1.2节中所述的一组高斯脉冲信号，超声波传感器采集到的信号如图8所示。从图中可以看出，在脉冲激励发出33.143μs后，接收信号达到峰值，即首个高斯脉冲到达超声波传感器。两传感器间的距离为 100mm100mm，可以计算出表面波在校验钢块上的传播速度为 3017.23m/s3017.23m/s，与1.2节中的理论计算速度基本相同。且文献[7]中进行表面波实验后计算的传播速度为 2886.84m/s2886.84m/s，考虑实验中耦合剂、时间测量等因素，误差在合理范围内。因此本文所建立的仿真模型具有可靠性。 3.3 噪声模式对现场校验结果的影响分析 3.3.1 窄带噪声干扰 窄带噪声一般具有固定的频率和幅值，由于现场的高频保护和载波通信所形成的窄带噪声信号的频率范围一般为 30kHz∼500kHz30kHz∼500kHz，因此根据窄带噪声特性，本文设计了多频率混合的窄带噪声，并针对噪声所包含的每种频率分量，使它们在固定的幅值区间中取随机值。 为模拟不同强度的噪声干扰，对含有窄带噪声的超声波传感器接收信号设置了四种信噪比等级，分别为 [5dB,6dB],[−1dB,0dB],[−7dB,−6dB],[−11dB,−10dB][5dB,6dB],[−1dB,0dB],[−7dB,−6dB],[−11dB,−10dB]。超声波传感器的原始接收信号与含噪接收信号以及它们的频谱图如图9所示。由信号时域图可知，随着信噪比的降低，噪声信号逐渐增强直至几乎淹没原始信号。在频域方面，窄带噪声对接收信号的影响主要与自身所包含的频率分量有关，对其他频段的影响较小，这符合它频谱较为集中且带宽较窄的特点。 对不同强度窄带噪声影响下的局部放电超声波传感器的灵敏度特性进行计算，灵敏度曲线如图10所示。其中，(a)、(b)分别为无噪声干扰下标准传感器和待测传感器的灵敏度(标准传感器的灵敏度由传感器厂家提供)，(c)~(f)分别为不同强度窄带噪声干扰下待测传感器的灵敏度曲线。从图中可知，待测传感器的灵敏度幅值有所下降，但灵敏度曲线的总体趋势与标准传感器的一致。随着信噪比的降低，灵敏度曲线的波动程度逐渐增大，特别表现在 140kHz140kHz 以上的频段，且灵敏度幅值也逐渐增大。 对各灵敏度曲线计算均方根波动率（如图11所示）可以发现，噪声干扰会导致该指标陡增，且随着信噪比降低，(c)∼(f)(c)∼(f) 组灵敏度曲线的 RMSFRMSF 不断上升。与（b）组相比，它们的误差率达到 134.98%134.98% 以上。 计算各组信号的均值灵敏度与峰值灵敏度，结果见表2。可以发现，无噪声影响下，当待测传感器性能下降时，其均值灵敏度与峰值灵敏度均下降。且峰值灵敏度已经小于Q/GDW11304.9-2023中要求的峰值灵敏度一般不小于 60dB60dB 的标准。但是在窄带噪声干扰下，校验所得的均值灵敏度与峰值灵敏度均上升，其中峰值灵敏度高于 60dB60dB，说明此时校验结果不准确，可能导致现场工作人员对传感器的性能造成误判。均值灵敏度与峰值灵敏度的误差分别达到 19.36%19.36%、61.18%61.18% 及以上。 3.3.2 白噪声干扰 现场中白噪声一般由各类随机噪声组成，分布在整个频带上。根据白噪声特性，本文设计了服从正态分布的高斯白噪声，并把它们叠加到超声波传感器的原始接收信号中。为模拟不同强度的白噪声干扰，对含有白噪声的接收信号设置了四种信噪比等级，分别为[5dB，6dB]、[0dB，1dB]、[- 5dB，- 4dB]、[- 10dB，- 9dB]。超声波传感器的原始接收信号与含噪接收信号以及它们的频谱图如图12所示。与叠加窄带干扰的接收信号相似，随着信噪比的降低，噪声信号逐渐增强直至淹没原始信号。但是与窄带干扰影响下的接收信号不同的是，从时域图中可以看出，信号的幅值存在随机性，并无规律。在频域方面，白噪声对接收信号的全频段均有影响，由于原始接收信号的频率主要分布在 160kHz160kHz 以下，因此当含噪信号的信噪比高于-5dB时，白噪声对接收信号的影响主要表现在 160kHz160kHz 以上部分。但是当噪声信号小于-9dB时，噪声对 160kHz160kHz 以下的频段也会有较大的影响，这符合白噪声的功率谱密度在整个频谱范围内均匀分布、频谱较为集中且带宽较宽的特点。 对不同强度白噪声影响下的超声波传感器的灵敏度特性进行计算，灵敏度曲线如图13所示。（c）～（f）分别为不同强度白噪声干扰下待测传感器的灵敏度曲线。灵敏度曲线的波动程度随着信噪比的降低而逐渐增大，且在全频段上均有体现。对各条灵敏度曲线计算均方根波动率，如图14所示，可以发现随着信噪比降低，（c）～（f）组灵敏度曲线的RMSF不断上升。与（b）组相比，它们的误差率达到 34.60%34.60% 以上。 计算各组信号的均值灵敏度与峰值灵敏度，结果见表3。可以发现，在白噪声干扰下，校验所得的均值灵敏度与峰值灵敏度均有上升，但是后者的增幅明显大于前者，峰值灵敏度的误差达到 20.47%20.47% 及以上，峰值灵敏度的校验结果仍然高于 60dB60dB，说明此时校验结果并不准确。 3.3.3 混合噪声干扰 考虑到现场存在混合噪声干扰的情况，因此本文将3.3.1节与3.3.2节中的各组噪声进行相应地叠加。混合噪声干扰下的传感器接收信号形成了四个信噪比等级，分别为[2dB，3dB]、[- 3dB，- 4dB]、[- 8dB，- 9dB]、[- 12dB，- 14dB]。对不同强度混合噪声干扰下的局部放电超声波传感器的灵敏度特性进行计算，灵敏度曲线如图15所示。 如图16所示，与灵敏度曲线的波动程度随着信噪比的降低逐渐增大，(c)∼(f)(c)∼(f) 组灵敏度曲线的 RMSFRMSF 与 (b)(b) 组相比，误差率达到 39.82%39.82% 以上。从图中可以看出，在信噪比相对较高时，例如 (c)(c) 组，主要是 140kHz140kHz 以上频段发生波动，说明主要是窄带噪声造成的影响。当信噪比降低时，全频段均会发生波动，说明此时两种噪声共同造成了干扰。 计算各组信号的均值灵敏度与峰值灵敏度，结果见表4。可以发现，在混合噪声干扰下，峰值灵敏度的上升幅度明显大于均值灵敏度，这是因为随着曲线 RMSFRMSF 的增大，数据的离散性提高，数据点虽然偏离均值，但是曲线并没有被总体提升。峰值灵敏度的误差达到 16.14%16.14% 及以上，峰值灵敏度的校验结果仍然高于 60dB60dB，说明此时校验结果与真实值相比仍不准确。 3.3.4 试验研究与分析 为进一步分析现场噪声对超声波传感器校验的影响，与上述结果进行对比验证，本文基于 35kV35kV 变压器搭建局放超声波传感器校验平台。如图17所示，根据图5所示的传感器及各类设备安装及接线图，首先将声发射传感器、标准传感器及待测传感器贴于变压器壳体表面。为了便于达到对比有、无噪声影响下结果的目的，本试验中以另一个标准传感器作为待测传感器，该传感器在无噪声影响下的灵敏度曲线由传感器厂家提供。接着将信号发生器与声发射传感器相连，将示波器与待测传感器、标准传感器相连，完成校验平台的安装。 根据本文所述的校验方法，信号发生器激励声发射传感器发出超声波信号，通过示波器获取标准传感器与待测传感器信号并进行分析。待测传感器的灵敏度校验结果如图18所示，噪声影响下灵敏度曲线的波动较大，RMSF由7.2280上升到9.1297，峰值灵敏度的误差率达到 14.61%14.61%。因此，在现场校验过程中噪声会导致校验结果产生较大偏差，与上述结果一致。 4 结论 1）基于实验室校验标准提出一种面向变压器的局放超声波传感器的灵敏度现场校验流程。首先，将声发射传感器与标准传感器布置于变压器外壳；其次，向声发射传感器注入大于 10V10V 的高斯脉冲作为校验信号；接着，同步采集标准与待测传感器的接收信号；最后，通过计算测得传感器性能。该方法无需拆卸待测传感器，可实现快速、原位校验。 2）建立了变压器局部结构仿真模型，包括外壳、绝缘油、绕组等。同时构建了超声波传感器模型并将其布置于变压器外壳上，用于接收校验信号。通过对比表面波传播速度验证了模型的可靠性和准确性。以此为基础，探究不同类型噪声对传感器校验过程及结果的影响。 3）计算分析了窄带噪声、白噪声以及混合噪声对超声波传感器接收信号及校验结果的影响。三类噪声干扰下，灵敏度曲线的均方根波动率误差分别达到 134.98%,34.60%,39.82%134.98%,34.60%,39.82% 以上，峰值灵敏度误差分别达到 61.18%,20.4%,16.14%61.18%,20.4%,16.14% 以上，均值灵敏度误差与上述指标相比则相对较小。噪声会导致校验结果产生较大偏差，甚至超过判断阈值，影响现场工作人员对传感器特性的准确辨识。下一步将通过研究针对性去噪方法来优化传感器校验方法。
参考文献：[1]杨海涛,吴兴旺,谢一鸣,等.噪声模式对变压器局放超声波传感器灵敏度现场校验的影响研究[J]. 声明：本文所用图片、文字均为转载，如有涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认并立即删除内容。本文内容系作者个人观点，不代表物联网123观点或立场。
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发表于 2026-8-3 07:00:10