針對(duì)目前變壓器油界面張力的傳統(tǒng)檢測(cè)方法檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，提出了基于多頻超聲檢測(cè)技術(shù)和人工智能算法的界面張力預(yù)測(cè)方法。對(duì)選取的175組變壓器油樣進(jìn)行圓環(huán)法界面張力檢測(cè)和多頻超聲波檢測(cè)，分析了多頻超聲波信號(hào)的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)和界面張力之間的相關(guān)性。通過(guò)核主成分分析（KPCA）預(yù)處理多頻超聲波數(shù)據(jù)，劃分樣本集為140組的訓(xùn)練集和35組的測(cè)試集，并建立麻雀搜索算法（SSA）優(yōu)化Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ENN）的界面張力預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差為6.53%,預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到93.47%.

變壓器作為電力系統(tǒng)中電能轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹匾姎庠O(shè)備，其運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定運(yùn)行性和可靠性對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

油浸式變壓器中的主要液體絕緣介質(zhì)為變壓器油，是經(jīng)石油加工后的多種天然烴類的混合物，具有良好的絕緣性、冷卻性和流動(dòng)性。界面張力在一定程度上可以反映變壓器油中油和水的親和力的大小，油水兩相界面上的分子排列狀態(tài)會(huì)受親水性極性分子的含量影響，一旦被改變會(huì)影響變壓器油的絕緣性能。所以，變壓器油絕緣的劣化程度可以通過(guò)界面張力的大小來(lái)衡量。

針對(duì)變壓器油界面張力的檢測(cè)方法，GB/T6541規(guī)定了圓環(huán)法為其現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。界面張力的其他測(cè)定方法，有毛細(xì)管上升法、最大氣泡壓法、懸滴法、滴體積法和Wilhelmy吊片法等。以上傳統(tǒng)的測(cè)定方法需要昂貴的檢測(cè)設(shè)備和較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，在一定程度上會(huì)增加變壓器的運(yùn)行成本，所以研究一種檢測(cè)時(shí)間短、運(yùn)行成本低的檢測(cè)界面張力的方法對(duì)于判斷變壓器油的品質(zhì)狀態(tài)具有重要意義。超聲波檢測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在待測(cè)介質(zhì)中傳播時(shí)對(duì)介質(zhì)無(wú)損傷，且檢測(cè)的速度快、對(duì)環(huán)境的抗干擾能力強(qiáng)，在液體檢測(cè)領(lǐng)域有著充分的發(fā)展和應(yīng)用。

2005年，Elvira等針對(duì)檢測(cè)牛奶中微生物的生長(zhǎng)情況問(wèn)題，利用超聲波的振幅和延遲信息，在不打開(kāi)包裝的前提下開(kāi)發(fā)了一種八通道超聲波設(shè)備。

2014年，王娜利用牛奶與超聲波衰減機(jī)理，研究了成分含量正常的牛奶與加入食品添加劑或者變質(zhì)的牛奶對(duì)不同頻率超聲波的聲衰減譜特性，實(shí)現(xiàn)了牛奶質(zhì)量在線與現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損傷檢測(cè)與評(píng)估。

2019年，Baesso等針對(duì)生物柴油的質(zhì)量和純度評(píng)估問(wèn)題，利用超聲波在傳播過(guò)程中的聲速和衰減系數(shù)的變化情況，檢測(cè)出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的污染物。除了在液體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用外，在變壓器狀態(tài)檢測(cè)方面超聲波也有一定的應(yīng)用和發(fā)展，主要是將超聲波應(yīng)用在變壓器局部放電檢測(cè)和變壓器繞組變形檢測(cè)等方面。

近年來(lái)，超聲波檢測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用到變壓器油的檢測(cè)上。2019年，Yang等針對(duì)變壓器油中的微水含量問(wèn)題，利用多頻超聲波在具有不同特性的變壓器油中傳播時(shí)聲衰減情況的不同，分析幅值和相位等聲學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，并結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器油中微水含量的有效預(yù)測(cè)。2022年，陳越利用超聲波接收波形的峰值對(duì)水泥砂漿的均勻度進(jìn)行了檢測(cè)判斷，相較于目前對(duì)凝固后固態(tài)水泥的檢測(cè)，對(duì)于攪拌質(zhì)量的檢測(cè)更有實(shí)際意義。2022年，Li等利用多頻超聲檢測(cè)技術(shù)提出了PSOElman模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器油介損因數(shù)的有效預(yù)測(cè)。

2019年，楊壯等利用多頻超聲波技術(shù)對(duì)變壓器油進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合GABPNN對(duì)變壓器油界面張力進(jìn)行預(yù)測(cè)，但該研究針對(duì)聲學(xué)參數(shù)和界面張力之間相關(guān)性的分析只考慮了超聲波信號(hào)的幅值，未考慮聲速、相位等參數(shù)信息。

因此，基于多頻超聲波技術(shù)，并結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出對(duì)變壓器油的界面張力的檢測(cè)方法，綜合分析超聲波信號(hào)幅值、相位等參數(shù)與界面張力之間的關(guān)系，建立以核主成分分析（kernelprincipalcomponentanalysis,KPCA）預(yù)處理數(shù)據(jù)、麻雀搜索算法（sparrowsearchalgorithm,SSA）優(yōu)化Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ENN）參數(shù)的界面張力預(yù)測(cè)模型，以采集到的多頻超聲波數(shù)據(jù)為輸入、圓環(huán)法測(cè)得的界面張力為輸出，并劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，以測(cè)試集的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率驗(yàn)證界面張力預(yù)測(cè)模型的可行性。

1變壓器油界面張力的多頻超聲檢測(cè)

1.1多頻超聲檢測(cè)平臺(tái)

用于檢測(cè)變壓器油的多頻超聲檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由3部分組成：超聲波傳感器、多頻超聲波控制單元和數(shù)據(jù)處理單元。多頻超聲波控制單元包括產(chǎn)生超聲波信號(hào)的超聲波發(fā)射模塊和用于接收超聲波信號(hào)的超聲波接收模塊，其中超聲波傳感器的輸入端與超聲波發(fā)射模塊連接，超聲波傳感器的輸出端與超聲波接收模塊連接。與多頻控制單元的信號(hào)輸出口相連接的超聲波發(fā)射器將電信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線中的超聲換能器轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，并進(jìn)入測(cè)量室中的待測(cè)介質(zhì)變壓器油中進(jìn)行傳播。超聲波發(fā)射模塊每20s產(chǎn)生40個(gè)頻率范圍為590——1000kHz的超聲波信號(hào)，40個(gè)頻率點(diǎn)如表1所示。

表1多頻超聲波的檢測(cè)頻率kHz

圖1所示的超聲波傳感器由超聲波接收器、

超聲波發(fā)射器、溫度傳感器、測(cè)量室和超聲波發(fā)射器組成，其中位于測(cè)量室兩端的2個(gè)超聲波接收器用于接收在變壓器油中傳播的超聲波信號(hào)，超聲波發(fā)射器進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。為保證超聲波實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的精度，變壓器油的多頻超聲檢測(cè)是在27.5℃的水浴恒溫環(huán)境中進(jìn)行的，由位于測(cè)量室的溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理電路與多頻超聲控制單元進(jìn)行連接，用于處理多頻超聲波接收模塊接收到的超聲波信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理單元處理的超聲波信號(hào)，主要包括不同接收器所接收到的超聲波信號(hào)的幅值、相位以及超聲波信號(hào)在油中傳播時(shí)的聲速和飛行時(shí)間。

在多頻超聲變壓器油檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，利用多頻超聲檢測(cè)平臺(tái)，將超聲波反射檢測(cè)法和超聲波透射檢測(cè)法相結(jié)合，對(duì)實(shí)驗(yàn)所選取的175組變壓器油樣進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于變壓器油的檢測(cè)，多頻超聲波檢測(cè)技術(shù)無(wú)需對(duì)油樣進(jìn)行預(yù)處理，檢測(cè)的重復(fù)性好，在一定程度上縮短了檢測(cè)時(shí)間。超聲波反射檢測(cè)法和超聲波透射檢測(cè)法的不同之處在于，相對(duì)于待測(cè)介質(zhì)，超聲波發(fā)射器和超聲波接收器放置的位置有所不同。前者的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器位于待測(cè)介質(zhì)的同側(cè)，而后者則位于待測(cè)介質(zhì)變壓器油的兩側(cè)。超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線到達(dá)測(cè)量室的待測(cè)介質(zhì)變壓器油界面前，在基準(zhǔn)介質(zhì)和測(cè)量室的變壓器油界面之間反射，該反射信號(hào)反向傳播至超聲波接收器T1,為相信號(hào)L1;沒(méi)有發(fā)生反射的另一部分超聲波信號(hào)發(fā)生透射在待測(cè)介質(zhì)變壓器油中傳播，傳播至超聲波接收器T2處被接收，為相信號(hào)L3;經(jīng)過(guò)透射傳播至超聲波接收器T2的超聲波信號(hào)，一部分再次經(jīng)過(guò)反射在變壓器油中進(jìn)行傳播至超聲波接收器T1,為相信號(hào)L2.

1.2多頻超聲檢測(cè)變壓器油的聲衰減原理

多頻超聲檢測(cè)變壓器油利用的主要是超聲波在傳播過(guò)程中的聲衰減特性。引起超聲波在待測(cè)介質(zhì)傳播過(guò)程中衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。擴(kuò)散衰減是指超聲波在變壓器油傳播的過(guò)程中，由于波束的擴(kuò)散，隨著傳播距離的增加超聲波的能量逐漸衰減的過(guò)程，其僅取決于波面的形狀，與變壓器油本身的特性無(wú)關(guān)。

散射衰減是由于變壓器油中如雜質(zhì)粒子和帶點(diǎn)膠體等的存在，超聲波在油中傳播時(shí)，遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散射而造成的能量大量衰減。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間摩擦的黏滯性和熱傳導(dǎo)引起的能量衰減為吸收衰減。

對(duì)于變壓器油這種液體絕緣介質(zhì)，超聲波傳播過(guò)程中的超聲波衰減主要是吸收衰減造成的，其衰減系數(shù)滿足：

式中：f為超聲波信號(hào)的頻率，η為黏滯系數(shù)，c和ρ分別為超聲波在變壓器油中的聲速和變壓器油的密度。主要影響吸收衰減系數(shù)的是黏滯系數(shù)η,與衰減系數(shù)成正比；與黏滯系數(shù)相反，ρ和c與吸收衰減系數(shù)成反比。

由超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號(hào)垂直入射至變壓器油的分界面處時(shí)，一部分超聲波信號(hào)透射入變壓器油中繼續(xù)傳播，其余部分的超聲波信號(hào)垂直反射回超聲波接收器，如圖2所示。變壓器油分界面處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)的振速滿足連續(xù)原則，則可求得聲壓反射系數(shù)和聲壓透射系數(shù)分別為：

式中：γP和τP分別為聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)，Z1和Z2分別代表基準(zhǔn)介質(zhì)和待測(cè)介質(zhì)變壓器油的聲阻抗。

圖2超聲波信號(hào)在變壓器油中傳播時(shí)的反射和透射示意圖

當(dāng)超聲波信號(hào)從聲阻抗低的基準(zhǔn)介質(zhì)傳播進(jìn)入聲阻抗高的待測(cè)介質(zhì)時(shí)，反射超聲波信號(hào)的聲壓小于超聲波的入射聲壓，則透射超聲波的聲壓大；當(dāng)超聲波信號(hào)從聲阻抗高的基準(zhǔn)介質(zhì)進(jìn)入聲阻抗低的待測(cè)介質(zhì)時(shí)，反射超聲波信號(hào)的聲壓的絕對(duì)值小于入射聲壓，但反射的超聲波信號(hào)與入射超聲波信號(hào)的傳播方向相反，會(huì)產(chǎn)生相互抵消的作用，使得透射超聲波信號(hào)的聲壓很小。當(dāng)Z1>>Z2或Z2>>Z1時(shí)，超聲波幾乎全反射。而當(dāng)2種介質(zhì)的聲阻抗約相等時(shí)，可看做2種介質(zhì)連續(xù)，超聲波近似發(fā)生全透射。

聲強(qiáng)是一種單位能量，用來(lái)表示能量分配的聲強(qiáng)反射率和透射率，由于超聲波能量傳播時(shí)滿足能量守恒定律的關(guān)系，滿足R+T=1,其中

超聲波信號(hào)在傳播的過(guò)程中，其透射和反射能量的大小與基準(zhǔn)介質(zhì)和待測(cè)介質(zhì)2種介質(zhì)的聲阻抗的差異有關(guān)。兩者的差異越小，超聲波傳播時(shí)聲強(qiáng)的透射率越大，反射率越小。

變壓器油作為液體絕緣介質(zhì)，在變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，由于電場(chǎng)作用、氧化反應(yīng)、高溫環(huán)境以及水分等對(duì)變壓器油的影響，油中會(huì)產(chǎn)生極性雜質(zhì)和帶電膠體，而超聲波在變壓器油中傳播時(shí)，極性雜質(zhì)和帶電膠體的存在會(huì)引起如圖3所示的超

聲波的散射和吸收衰減，在一定程度上加劇了超聲波在變壓器油中傳輸時(shí)的衰減。

圖3超聲波在變壓器油中傳輸?shù)穆曀p示意圖