針對目前變壓器油界面張力的傳統(tǒng)檢測方法檢測時(shí)間長、成本高等問題，提出了基于多頻超聲檢測技術(shù)和人工智能算法的界面張力預(yù)測方法。對選取的175組變壓器油樣進(jìn)行圓環(huán)法界面張力檢測和多頻超聲波檢測，分析了多頻超聲波信號的幅頻響應(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)測模型，預(yù)測平均相對誤差為6.53%,預(yù)測準(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)行過程中的安全穩(wěn)定運(yùn)行性和可靠性對于電力系統(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界面張力的大小來衡量。

針對變壓器油界面張力的檢測方法，GB/T6541規(guī)定了圓環(huán)法為其現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。界面張力的其他測定方法，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)的測定方法需要昂貴的檢測設(shè)備和較長的檢測時(shí)間，在一定程度上會(huì)增加變壓器的運(yùn)行成本，所以研究一種檢測時(shí)間短、運(yùn)行成本低的檢測界面張力的方法對于判斷變壓器油的品質(zhì)狀態(tài)具有重要意義。超聲波檢測技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，在待測介質(zhì)中傳播時(shí)對介質(zhì)無損傷，且檢測的速度快、對環(huán)境的抗干擾能力強(qiáng)，在液體檢測領(lǐng)域有著充分的發(fā)展和應(yīng)用。

2005年，Elvira等針對檢測牛奶中微生物的生長情況問題，利用超聲波的振幅和延遲信息，在不打開包裝的前提下開發(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)場無損傷檢測與評估。

2019年，Baesso等針對生物柴油的質(zhì)量和純度評估問題，利用超聲波在傳播過程中的聲速和衰減系數(shù)的變化情況，檢測出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的污染物。除了在液體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用外，在變壓器狀態(tài)檢測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和變壓器繞組變形檢測等方面。

近年來，超聲波檢測技術(shù)逐漸應(yīng)用到變壓器油的檢測上。2019年，Yang等針對變壓器油中的微水含量問題，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)了對變壓器油中微水含量的有效預(yù)測。2022年，陳越利用超聲波接收波形的峰值對水泥砂漿的均勻度進(jìn)行了檢測判斷，相較于目前對凝固后固態(tài)水泥的檢測，對于攪拌質(zhì)量的檢測更有實(shí)際意義。2022年，Li等利用多頻超聲檢測技術(shù)提出了PSOElman模型，實(shí)現(xiàn)了對變壓器油介損因數(shù)的有效預(yù)測。

2019年，楊壯等利用多頻超聲波技術(shù)對變壓器油進(jìn)行檢測，并結(jié)合GABPNN對變壓器油界面張力進(jìn)行預(yù)測，但該研究針對聲學(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)提出對變壓器油的界面張力的檢測方法，綜合分析超聲波信號幅值、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)測模型，以采集到的多頻超聲波數(shù)據(jù)為輸入、圓環(huán)法測得的界面張力為輸出，并劃分訓(xùn)練集和測試集，以測試集的預(yù)測準(zhǔn)確率驗(yàn)證界面張力預(yù)測模型的可行性。

1變壓器油界面張力的多頻超聲檢測

1.1多頻超聲檢測平臺(tái)

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

圖1檢測平臺(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)生超聲波信號的超聲波發(fā)射模塊和用于接收超聲波信號的超聲波接收模塊，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輸出口相連接的超聲波發(fā)射器將電信號經(jīng)過延遲線中的超聲換能器轉(zhuǎn)換為聲波信號，并進(jìn)入測量室中的待測介質(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，40個(gè)頻率點(diǎn)如表1所示。

表1多頻超聲波的檢測頻率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、測量室和超聲波發(fā)射器組成，其中位于測量室兩端的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，超聲波發(fā)射器進(jìn)行信號發(fā)射。為保證超聲波實(shí)驗(yàn)檢測的精度，變壓器油的多頻超聲檢測是在27.5℃的水浴恒溫環(huán)境中進(jìn)行的，由位于測量室的溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。數(shù)據(jù)處理單元通過數(shù)字信號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。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元處理的超聲波信號，主要包括不同接收器所接收到的超聲波信號的幅值、相位以及超聲波信號在油中傳播時(shí)的聲速和飛行時(shí)間。

在多頻超聲變壓器油檢測實(shí)驗(yàn)中，利用多頻超聲檢測平臺(tái)，將超聲波反射檢測法和超聲波透射檢測法相結(jié)合，對實(shí)驗(yàn)所選取的175組變壓器油樣進(jìn)行檢測。對于變壓器油的檢測，多頻超聲波檢測技術(shù)無需對油樣進(jìn)行預(yù)處理，檢測的重復(fù)性好，在一定程度上縮短了檢測時(shí)間。超聲波反射檢測法和超聲波透射檢測法的不同之處在于，相對于待測介質(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介質(zhì)的同側(cè)，而后者則位于待測介質(zhì)變壓器油的兩側(cè)。超聲波信號經(jīng)過延遲線到達(dá)測量室的待測介質(zhì)變壓器油界面前，在基準(zhǔn)介質(zhì)和測量室的變壓器油界面之間反射，該反射信號反向傳播至超聲波接收器T1,為相信號L1;沒有發(fā)生反射的另一部分超聲波信號發(fā)生透射在待測介質(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L3;經(jīng)過透射傳播至超聲波接收器T2的超聲波信號，一部分再次經(jīng)過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L2.

1.2多頻超聲檢測變壓器油的聲衰減原理

多頻超聲檢測變壓器油利用的主要是超聲波在傳播過程中的聲衰減特性。引起超聲波在待測介質(zhì)傳播過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程，其僅取決于波面的形狀，與變壓器油本身的特性無關(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。

對于變壓器油這種液體絕緣介質(zhì)，超聲波傳播過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)射的超聲波信號垂直入射至變壓器油的分界面處時(shí)，一部分超聲波信號透射入變壓器油中繼續(xù)傳播，其余部分的超聲波信號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)和待測介質(zhì)變壓器油的聲阻抗。

圖2超聲波信號在變壓器油中傳播時(shí)的反射和透射示意圖

當(dāng)超聲波信號從聲阻抗低的基準(zhǔn)介質(zhì)傳播進(jìn)入聲阻抗高的待測介質(zhì)時(shí)，反射超聲波信號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)超聲波信號從聲阻抗高的基準(zhǔn)介質(zhì)進(jìn)入聲阻抗低的待測介質(zhì)時(shí)，反射超聲波信號的聲壓的絕對值小于入射聲壓，但反射的超聲波信號與入射超聲波信號的傳播方向相反，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

超聲波信號在傳播的過程中，其透射和反射能量的大小與基準(zhǔn)介質(zhì)和待測介質(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)行過程中，由于電場作用、氧化反應(yīng)、高溫環(huán)境以及水分等對變壓器油的影響，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