聲發(fā)射技術(shù)在絕緣子放電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

薛宇箭，趙彥平

（山西省電力公司超（特）高壓輸變電分公司，山西 太原 030031）

電力系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)之一，關(guān)系著國(guó)計(jì)民生，一旦電網(wǎng)發(fā)生事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)影響千家萬戶。由于絕緣子污穢放電對(duì)電力系統(tǒng)的危害極大，對(duì)絕緣子污穢監(jiān)測(cè)方法的研究一直受到電力部門和研究機(jī)構(gòu)的重視。污閃事故的發(fā)生，通常會(huì)造成大面積停電，所造成的損失和影響極大。為了防止污閃事故發(fā)生，有關(guān)部門在相關(guān)研究中投入了大量的技術(shù)和資金，并取得了一定的成果。

至今已有以超聲波檢測(cè)法、激光多普勒振動(dòng)法及紅外熱像儀法為代表的非電量測(cè)量法和以電壓分布檢測(cè)法、絕緣電阻法及脈沖電流法為代表的電量測(cè)量法，以上方法在解決絕緣子在線檢測(cè)問題上都有應(yīng)用，它們各有其特點(diǎn)，也存在各自的不足。由于超聲波檢測(cè)法具有造價(jià)低廉、可靠性高等特點(diǎn)，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值，本文主要針對(duì)超聲波檢測(cè)法進(jìn)行分析。超聲波檢測(cè)法的主要應(yīng)用之一是基于聲發(fā)射技術(shù)的絕緣子污穢監(jiān)測(cè)方法，該方法是通過監(jiān)測(cè)污穢放電時(shí)發(fā)出的超聲波信號(hào)來判斷絕緣子運(yùn)行狀態(tài)，在閃絡(luò)發(fā)生之前找出污穢度較高、對(duì)絕緣威脅較大的系統(tǒng)薄弱點(diǎn)，并發(fā)出報(bào)警，使工作人員能及時(shí)采取措施防止污閃的發(fā)生，達(dá)到保護(hù)電網(wǎng)的目的。

1 防止絕緣子污穢閃絡(luò)的方法

防止絕緣子污穢閃絡(luò)的方法主要?dú)w納為兩類：一是預(yù)防性的，二是監(jiān)測(cè)性的。預(yù)防性的方法是從污閃形成的條件入手，使污閃條件無法滿足，污閃也就不會(huì)發(fā)生。預(yù)防性方法可以概括為3個(gè)字：爬、掃、涂。它是針對(duì)污閃必須經(jīng)過的4個(gè)階段，即：積污、濕潤(rùn)、出現(xiàn)干區(qū)和局部電弧、局部電弧發(fā)展至閃絡(luò)。爬：指的是調(diào)整爬距，即泄漏比距，降低絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)；掃：是清掃絕緣子，防止積污；涂：是在絕緣子表面敷施憎水涂料，使污層不易被濕潤(rùn)。使用合成絕緣子不僅提高泄漏比距，而且合成絕緣子本身就具有憎水性，因此效果較好。但是從實(shí)際運(yùn)行的情況來看，這些方法還不足以完全防止污閃的發(fā)生。

以上方法的成本非常高，采用耐污絕緣子或者合成絕緣子，以及增加絕緣子的個(gè)數(shù)，意味著線路的造價(jià)提高；清掃絕緣子不僅耗費(fèi)大量的人力，而且效果不盡如人意，有些絕緣子表面的污層很難被清洗掉；而涂料和合成絕緣子的憎水性會(huì)在運(yùn)行一段時(shí)間后消失，不能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。

對(duì)于第二種監(jiān)測(cè)性的方法，它是第一種方法的補(bǔ)充，用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)污閃出現(xiàn)的苗頭，在其尚未形成和對(duì)系統(tǒng)造成危害之前就找出來，使工作人員能夠及時(shí)采取相應(yīng)措施制止污閃的發(fā)生。從運(yùn)行情況來看，預(yù)防性方法還不能完全防止污閃的發(fā)生，因此，監(jiān)測(cè)性方法的研究和應(yīng)用就具有非常重要的意義。

2 絕緣子污穢放電機(jī)理

絕緣子在運(yùn)行過程中一直暴露在空氣中，大氣中的懸浮顆粒沉積在絕緣子表面，日積月累形成污穢層。遇到霧、露、細(xì)雨等濕潤(rùn)的氣候條件時(shí)，污穢中的電解質(zhì)溶解，污穢層成為導(dǎo)電層，造成絕緣水平下降，甚至發(fā)生閃絡(luò)，這被稱為污穢放電。在放電過程中，帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下加速，電弧產(chǎn)生高溫，空氣分子劇烈的熱運(yùn)動(dòng)，與放電通道相鄰的空氣產(chǎn)生了壓力，使之向外運(yùn)動(dòng)，而由于空氣的彈性阻力，使這部分空氣在平衡位置附近產(chǎn)生振動(dòng)，并通過相鄰空氣媒質(zhì)一直傳播下去，形成聲波，由于放電的時(shí)間非常短，因此產(chǎn)生的聲波的頻譜很寬，可以從幾十赫茲至幾兆赫茲。高于20 kHz超聲波信號(hào)必須用超聲波傳感器接收。污穢閃絡(luò)放電及其產(chǎn)生的聲信號(hào)都有一定程度的隨機(jī)性，頻譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率是變化的。

從污穢放電的機(jī)理可知，污穢放電的初期是微弱的輝光放電，此時(shí)泄漏電流釋放的能量很小，放電的后期出現(xiàn)強(qiáng)烈的電弧放電，此時(shí)泄漏電流很大及釋放的能量也很大?？梢娢鄯x放電過程中放電釋放的能量從小到大變化，聲發(fā)射信號(hào)的聲壓是由小到大變化，信號(hào)脈沖由稀疏到密集變化。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特征，判斷污穢放電的強(qiáng)度以及對(duì)系統(tǒng)威脅的大小，就可以在污穢程度較輕時(shí)，發(fā)現(xiàn)它并采取措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，避免更大的損失。

3 超聲波傳感器

聲發(fā)射技術(shù)作為無損檢測(cè)的重要手段獲得了廣泛的應(yīng)用，近年來，聲發(fā)射技術(shù)在電力系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)方面的應(yīng)用越來越多，如變壓器、電容器、氣體絕緣開關(guān)裝置等設(shè)備的絕緣檢測(cè)?；诼暟l(fā)射技術(shù)的絕緣子污穢放電監(jiān)測(cè)方法，簡(jiǎn)稱聲學(xué)監(jiān)測(cè)法，是根據(jù)絕緣子污穢放電時(shí)會(huì)發(fā)出超聲波信號(hào)這一現(xiàn)象提出的，通過監(jiān)測(cè)絕緣子污穢放電時(shí)發(fā)出的超聲波信號(hào)，分析出放電的強(qiáng)弱，推斷當(dāng)時(shí)的污穢程度和污穢放電對(duì)電力系統(tǒng)的威脅程度，并發(fā)出報(bào)警，使工作人員能及時(shí)采取措施，防止污閃事故的發(fā)生。這種方法的缺點(diǎn)是：在沒有濕潤(rùn)的氣候條件時(shí)，即使污穢度很高也不會(huì)有污穢放電，也就無法監(jiān)測(cè)污穢情況，在長(zhǎng)時(shí)間的積污后，當(dāng)濕潤(rùn)的氣候條件突然來到時(shí)，可能就沒有時(shí)間采取措施防止污閃的發(fā)生，因此，這種方法不應(yīng)用于干旱地區(qū)。

聲傳感器的作用是接收空氣傳播的聲信號(hào)，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它實(shí)現(xiàn)了能量形式轉(zhuǎn)換，所以又稱為換能器。聲傳感器一般可以分為：①壓電式傳感器；②磁致伸縮式傳感器；③電磁換能器；④靜電換能器；⑤其他種類的換能器，包括熱聲換能器、化學(xué)聲換能器及光聲換能器等。其中，采用壓電陶瓷作為敏感元件的壓電式聲傳感器具有體積小、性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用，以下主要針對(duì)壓電式聲傳感器的應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.1 傳感器頻率的選擇

為了達(dá)到不受到外界噪聲干擾的目的，所取的頻段必須避開可聽聲的頻率范圍，即選取頻率大于20 kHz的超聲波信號(hào)。

為了提高靈敏度，應(yīng)選擇頻譜分量最大的頻率，所以頻率應(yīng)當(dāng)在20～150 kHz，考慮到信號(hào)頻率越高，在空氣中傳播時(shí)的衰減越快，一般選擇40 kHz這一頻率作為傳感器的中心頻率。

3.2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聲傳感器的核心器件是壓電晶體，壓電晶體的振動(dòng)模式采用了彎曲振動(dòng)，該振動(dòng)模式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、機(jī)電耦合系數(shù)高Q值高、易于與空氣匹配等特點(diǎn)。壓電晶體邊界的處理一般有3種形式：夾支邊、簡(jiǎn)支邊、自由邊。其中簡(jiǎn)支邊結(jié)構(gòu)輕便、結(jié)實(shí)，裝置的損耗低，是被使用最多的邊界支撐。傳感器的特性應(yīng)具有阻抗低、弱接收和大輸出等，傳感器的總體結(jié)構(gòu)形式對(duì)接收性能影響很大，一般設(shè)計(jì)成敞開式，見圖1，該方式具有靈敏度高、體積小、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。

4 基于聲發(fā)射的絕緣子放電檢測(cè)

絕緣子在發(fā)生絕緣故障前，總會(huì)表現(xiàn)出一定的局部放電特征，通過對(duì)這些局部放電特征進(jìn)行采樣分析，可以有效的了解絕緣子的非正常運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)氣體放電理論，當(dāng)發(fā)生放電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)發(fā)聲現(xiàn)象。實(shí)際上，放電總伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象，因此，根據(jù)運(yùn)行的輸電線路中（包括絕緣子）是否有聲發(fā)射現(xiàn)象，可以判斷是否有放電發(fā)生。擊穿放電的產(chǎn)生需要時(shí)間，放電是一個(gè)逐步發(fā)展的過程。當(dāng)絕緣下降到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)預(yù)放電現(xiàn)象；當(dāng)絕緣繼續(xù)下降到某一臨界值后，泄漏電流急劇增大，進(jìn)入輝光放電區(qū)；若絕緣繼續(xù)下降，則可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫植侩娀》烹?，局部電弧可在幾秒鐘?nèi)重復(fù)發(fā)生；若放電條件仍然存在，泄漏電流不斷增大，局部電弧的壓降不斷減小，每次重燃后能維持的電弧不斷增長(zhǎng)，即局部電弧不斷向?qū)Ψ诫姌O延伸，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，電弧能自動(dòng)而迅速地向?qū)Ψ诫姌O發(fā)展，直至貫通兩極，形成電弧擊穿。

綜上所述，放電是一個(gè)逐步發(fā)展的過程，完全可以在發(fā)生電氣擊穿造成絕緣完全破壞之前，即在局部放電階段，甚至在預(yù)放電階段，依靠監(jiān)測(cè)預(yù)放電聲發(fā)射波發(fā)出預(yù)警信號(hào)，避免災(zāi)難性事故發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，放電聲發(fā)射波的聲響大小與視在放電量近似呈線性關(guān)系，而放電量與介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度之間也存在確定關(guān)系。經(jīng)理論分析及試驗(yàn)可以確定，聲響應(yīng)大小與介質(zhì)絕緣強(qiáng)度之間的確切關(guān)系，通過傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)視放電聲發(fā)射波，根據(jù)接收波的大小就可確定介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度。

5 聲發(fā)射絕緣子污穢放電監(jiān)測(cè)裝置

聲發(fā)射信號(hào)在空氣長(zhǎng)距離傳播過程中會(huì)產(chǎn)生衰減，導(dǎo)致傳感器無法有效接收。為解決這一問題，必須縮短傳感器與絕緣子之間的距離，將傳感器安裝在桿塔上是有效的解決方法，在此情況下監(jiān)測(cè)裝置也必須安裝在桿塔上。因此監(jiān)測(cè)裝置必須能夠?qū)鞲衅鬏敵龅哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并將處理結(jié)果傳輸至遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)中心，使工作人員能夠及時(shí)了解絕緣子的工作情況。監(jiān)測(cè)裝置原理框圖及其各部分的功能見圖2。

監(jiān)測(cè)裝置的主要功能是將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過RS－485接口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)通信。其中前置放大的功能是實(shí)現(xiàn)與聲傳感器的阻抗匹配，使信號(hào)能有效傳輸；補(bǔ)償放大的功能是補(bǔ)償聲信號(hào)在空氣中傳播時(shí)發(fā)生的衰減，消除距離對(duì)信號(hào)的影響；濾波環(huán)節(jié)的功能是降低噪聲，去除干擾信號(hào)，如工頻干擾等；A/D轉(zhuǎn)換的功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理；通信環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置與監(jiān)測(cè)中心的聯(lián)系，使工作人員能夠及時(shí)掌握絕緣子的工作狀態(tài)。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 監(jiān)測(cè)裝置原理框圖

6 抗干擾措施

裝置在硬件上可采用適當(dāng)?shù)姆栏蓴_措施，比如將前置處理電路就近安裝在傳感器內(nèi)并進(jìn)行屏蔽，對(duì)相應(yīng)的電路采取隔離、濾波以及正確接地等。此外，可以在軟件及信號(hào)處理上采取適當(dāng)?shù)姆椒?，識(shí)別干擾信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理，達(dá)到抗干擾的目的。主要措施有以下3種：①選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率可以有效地減小干擾的影響；高頻段環(huán)境噪聲的影響較小，而絕大多數(shù)機(jī)械噪聲在可聞聲波范圍內(nèi)，其頻率范圍一般在30 kHz以下，而根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，絕緣子放電聲發(fā)射波的主頻約在40 kHz，為此選擇諧振頻率為40 kHz的傳感器，并且在前置電路中設(shè)置帶通濾波電路，能有效克服噪聲的影響。②針對(duì)特定頻率的干擾進(jìn)行濾波也是重要的抗干擾措施。目前，輸電線路本身是常用的電力系統(tǒng)載波通信通道，載波信號(hào)可能耦合到檢測(cè)系統(tǒng)中去。另外，有些干擾還可能來自周圍的一些固定無線電設(shè)備，如無線發(fā)射機(jī)等，針對(duì)這些頻率進(jìn)行濾波后，這種干擾即被抑制。③鑒別放電聲發(fā)射波和干擾，干擾是瞬時(shí)非平穩(wěn)噪聲，有效信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間較短，而絕緣子局部放電的聲發(fā)射信號(hào)通常是一個(gè)持續(xù)的間斷過程，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，聲發(fā)射事件都具有典型的周期性，每工頻周期出現(xiàn)一到多次聲發(fā)射事件，由此可以鑒別干擾和放電聲發(fā)射波。

7 結(jié)束語

良好的絕緣水平是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本條件之一，而所有的戶外絕緣由于工作環(huán)境較惡劣，都會(huì)在絕緣子表面積累污穢，在潮濕的氣候條件下可能發(fā)生污穢放電，對(duì)絕緣造成破壞。隨著大氣質(zhì)量的繼續(xù)下降，這種威脅會(huì)越來越大。要減小污穢放電的威脅，除了日常維護(hù)之外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)絕緣子進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)絕緣子的污穢程度有針對(duì)性地采取措施，提高工作效率，減小污閃事故發(fā)生的概率，提高電網(wǎng)可靠性。

絕緣子在發(fā)生絕緣故障前，總會(huì)表現(xiàn)出一定的局部放電聲發(fā)射特征，這些放電聲發(fā)射波能被特制的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到，通過對(duì)這些局部放電伴隨聲發(fā)射信號(hào)的特征進(jìn)行分析，可有效地判斷絕緣子的老化及劣化情況。發(fā)生在絕緣子上的局部放電有內(nèi)部放電、表面污穢放電和電暈等多種形式，這些放電都伴隨有聲發(fā)射波。并且，不同放電形式對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射波之間存在差異，可以利用聲發(fā)射波間的差別來鑒別不同的放電形式。

采用聲學(xué)監(jiān)測(cè)法對(duì)絕緣子污穢放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是聲發(fā)射技術(shù)在電力系統(tǒng)中的又一應(yīng)用。目前在電力系統(tǒng)中使用最多最成熟的是電量監(jiān)測(cè)的方法，但是在某些情況下效果不好，如變壓器繞組變形、電容器的局部放電等，因此，引入某些非電量方法作為檢測(cè)手段可以彌補(bǔ)它的不足，達(dá)到更好的效果。

1 張仁豫.絕緣污穢放電[M].北京：水力電力出版社，1994

2 孫才新、司馬文霞、舒立春.人氣環(huán)境與外絕緣[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002

3 張俊哲.無損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1993.5