電氣設(shè)備局部放電的超聲波檢測方法分析

陶文斌

（中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

目前超聲波檢測局部放電的研究工作主要集中在定位方面，原因是與電測法相比，超聲波的傳播速度較慢，對檢測系統(tǒng)的速度與精度要求較低。在利用超聲波進(jìn)行局部放電的放電量的大小確定和模式識別方面的工作相對較少，提出了利用頻譜識別局部放電模式的新方法，其研究也取得了一些新成果。近幾年以來，還出現(xiàn)了一種把超聲波法與射頻電磁波法(包括射頻法和超高頻法)聯(lián)合起來進(jìn)行局放定位的趨勢。在澳大利業(yè)的西門子研究機(jī)構(gòu)使用局部放電產(chǎn)生的超聲波和射頻電磁波聯(lián)合檢測技術(shù)監(jiān)測變壓器中的局部放電活動。其關(guān)鍵依據(jù)是:超聲波和電磁波在變壓器介質(zhì)中的傳播速度是不一致的，因而可以測量兩種波到達(dá)傳感器的時間間隔。國內(nèi)方面，西安交通大學(xué)提出了一種基于超高頻和超聲波的相控接收陣的局放電定位法，利用分別檢測超高頻和超聲波信號的相控接收陣構(gòu)成平面?zhèn)鞲衅?，接收到的超高頻信號為時間基準(zhǔn)，進(jìn)而得到超聲波的傳輸時延，這樣可計算出局放電點(diǎn)與超聲波傳感器間的距離，再根據(jù)相控陣掃描的方位角和仰角就得出放電的空間幾何位置。

2 局部放電的種類及特點(diǎn)

2.1 電暈放電

電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式，是極不均勻電場的特征之一。電力系統(tǒng)中所遇到的絕緣結(jié)構(gòu)大多是不均勻的，不均勻電場的形式很多，絕大多數(shù)是不對稱電場。在電場極不均勻時，隨間隙上所加電壓的升高，在大曲率電極附近很小范圍內(nèi)的電場足以使空氣發(fā)生游離，而間隙中大部分區(qū)域的電場仍然很小。于是在大曲率電極附近很薄一層空氣中將具備自持放電(即外界游離因素不存在，間隙中的放電僅靠電場作用繼續(xù)進(jìn)行下去)的條件。放電僅局限在大曲率電極周圍很小的范圍內(nèi)，而整個間隙尚未擊穿。

易產(chǎn)生電暈放電的電氣設(shè)備是高壓輸電線路。通常均將空氣視為非導(dǎo)體，但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子，帶正電的導(dǎo)體會吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行徐徐中和。若帶電導(dǎo)體有尖端，該處附近空氣中的電場強(qiáng)度它與其他形式的放電有本質(zhì)的區(qū)別，電暈放電時的電流強(qiáng)度并不取決于電路中的阻抗，而取決于電極外氣體空間的電導(dǎo)。這就取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體的性質(zhì)和密度(天氣濕度以及空氣的流動速度)等。

2.2 沿面放電

電氣設(shè)備中用來固定支撐帶電部分的固體介質(zhì)，多數(shù)是在空氣中。當(dāng)電壓超過一定限制時，常在固體介質(zhì)和空氣的分界面上出現(xiàn)沿著固體介質(zhì)表面的放電現(xiàn)象，稱為沿面放電(或稱沿面閃絡(luò))。下面以具有代表性的絕緣子為例描述沿面放電發(fā)展的過程。

沿面放電是一種特殊的氣體放電現(xiàn)象，沿面閃絡(luò)電壓比氣體或者固體單獨(dú)作為絕緣介質(zhì)時的擊穿電壓都低。影響沿面放電電壓的主要因素有:電場分布情況、電壓波形、介質(zhì)表面狀態(tài)、空氣污穢程度、氣候條件等等。

3 超聲波檢測常見的干擾信號及其特性

現(xiàn)場的干擾信號是多種多樣的，按頻帶可分為窄帶干擾和寬帶干擾，而按其時域波形特征可分為連續(xù)的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪3類。

3.1 連續(xù)的周期性干擾包括

3.1.1 電力系統(tǒng)載波通信和高頻保護(hù)信號引起的干擾。

3.1.2 無線電干擾。此類干擾的波形通常是高頻正弦波，有固定的諧振頻率和頻帶寬度。

3.2 脈沖型干擾信號包括:供電線路或高壓端的電暈放電；電網(wǎng)中的開關(guān)、晶閘管整流設(shè)備閉合或開斷引起的脈沖干擾；電力系統(tǒng)中其它非檢測設(shè)備放電引起的干擾。

3.3 白噪包括各種隨機(jī)噪聲，如電氣設(shè)備的熱噪聲、配電線路及變壓器繼電保護(hù)信號線路中由于藕合進(jìn)入的各種噪聲以及監(jiān)測線路中的半導(dǎo)體器件的散粒噪聲等。

4 超聲波檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從硬件結(jié)構(gòu)組成上，超聲檢測系統(tǒng)主要包括四個部分：a.傳感器部分:由壓電傳感器及屏蔽導(dǎo)線組成，傳感器可隨時拆卸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場具體要求選擇更換不同型號；b.電源模塊:為實(shí)現(xiàn)便攜檢測，采用電池供電，電路包括對各種芯片所需電壓等級的轉(zhuǎn)換；c.模擬信號預(yù)處理電路:由前置放大器，帶通濾波，后置主放大電路等組成，可通過數(shù)字示波器得到清晰的模擬信號；d.數(shù)字電路:由單片機(jī)及其外圍電路組成，電路已設(shè)計完成，部分性能通過測試，但目前的工作對A/D轉(zhuǎn)換之后數(shù)字信號的處理上存在困難，不能像數(shù)字示波器一樣得到有較高價值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行后續(xù)的深入研究。

為了檢測不同位置傳感器接收同一局部放電源所產(chǎn)生的超聲波信號的的傳播時間，需要設(shè)計兩套性能盡可能接近的檢測系統(tǒng)來作為對比。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示:

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)流程圖

5 放大電路的設(shè)計

局部放電超聲波傳感器輸出的信號一般很微弱，因此要求放大電路具有高增益、低噪聲的特點(diǎn)，以便盡可能多的減小信號的失真，得到較真實(shí)的局部放電信號信息。

5.1 前置放大電路

壓電晶體輸出信號的電壓有時低至微伏數(shù)量級，這樣微弱的信號若經(jīng)過長距離傳輸必須經(jīng)放大后傳輸，才能減弱干擾信號對它的影響，并提高信噪比。因?yàn)閴弘娋w的輸出阻抗較高，帶負(fù)載能力差，則要求前置放大電路不僅要有較大的輸入阻抗，而且噪音要低，并滿足檢測頻帶寬度和具有一定的放大倍數(shù)。

5.2 后置主放大電路

本系統(tǒng)后置放大電路由TL084芯片和一個精密可調(diào)電位器組成，電路如下圖所示,通過該精密可調(diào)電位器可對后置放大增益進(jìn)行微調(diào)，以減少偏差。

后置放大電路

6 電源設(shè)計

在檢測系統(tǒng)的電路板上，需要各種電壓等級的電源。模擬電路部分主要是各種集成放大器，統(tǒng)一使用正負(fù)SV的直流電源供電，數(shù)字電路部分使用3.3V直流電壓。針對以上需求，考慮到檢測系統(tǒng)的體積要小以及便于攜帶移動，選用9V的干電池作為系統(tǒng)的總電源，通過不同的電源轉(zhuǎn)換芯片得到各種等級的所需電壓，并且在電源芯片的輸出端采用II型濾波電路和對地電容進(jìn)行處理，減小紋波，提高電源質(zhì)量。

5V直流電壓采用德州儀器公司的TPS76850穩(wěn)壓器，通過干電池9V電壓直接得到。TPS76850的輸入電壓為2.7V--10V，適合干電池9V的輸入電壓，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于低壓差，在輸出電流1A的時候，電壓下降僅為230mV。由于使用5V電壓的模擬器件較多，其輸出電流很大，較低的電壓下降對穩(wěn)定輸出電壓，提高測量精度有很大的意義。此外，其靜態(tài)電流僅為85uA，具有關(guān)斷保護(hù)功能。

7 總結(jié)

對電氣設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗(yàn)是電氣設(shè)備制造和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要預(yù)防性試驗(yàn)。局部放電如果長期存在，會加速設(shè)備老化，在一定條件下甚至?xí)斐山^緣破壞，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行。超聲波檢測法作為一種非電量測量法，有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文的主要內(nèi)容是基于壓電傳感器的高壓電氣設(shè)備局部放電信號的超聲波檢測方法研究，主要涉及了高電壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子測量技術(shù)以及硬件電路設(shè)計等方面的相關(guān)知識。本文主要分析了三種局部放電的原理；研究了壓電傳感器的工作原理和特點(diǎn)及使用方法；在此基礎(chǔ)上完成了高壓電氣設(shè)備局部放電信號的超聲波檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計。

[1]王國利，郝艷捧，劉味果，李彥明，電力變壓器超高頻局部放電測量系統(tǒng)，電壓技術(shù)，2001年.

[2]覃劍等，特高頻在電力設(shè)備局部放電在線監(jiān)測中的應(yīng)用，電網(wǎng)技術(shù)，1997年.陶文斌（中國計量學(xué)院 杭州市 310018）Tao Wen bin(China Jiliang University Hangzhou 310018).