高壓設(shè)備局放超聲波探測(cè)器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

祝 銳

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

高壓設(shè)備是一種十分常見(jiàn)的機(jī)械工具，但由于運(yùn)作時(shí)容易發(fā)生局部放電問(wèn)題，這對(duì)器械的運(yùn)行效率及電網(wǎng)都會(huì)造成一定影響，嚴(yán)重情況甚至導(dǎo)致設(shè)備故障及電路系統(tǒng)的癱瘓[1-2]。因而，可通過(guò)安裝信號(hào)檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓設(shè)備放電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而得知設(shè)備的工作狀態(tài)，并隨時(shí)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整[3-4]。這既可對(duì)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，也可及時(shí)識(shí)別設(shè)備的問(wèn)題故障，并采取措施加以調(diào)試，以保障設(shè)備的正常運(yùn)作。而當(dāng)前常見(jiàn)的檢測(cè)方法包括：紅外檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、脈沖電流法等方法[5-9]。以前2種方法為例，其主要是對(duì)設(shè)備在局部運(yùn)作時(shí)的放電問(wèn)題，所產(chǎn)生的熱量及發(fā)射的聲波信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，效果顯著，因而得到較廣泛的應(yīng)用[10-12]。

局部放電的表現(xiàn)形式，通常分為3種：電弧、電痕、電暈。其中電弧和較為嚴(yán)重的電痕會(huì)同時(shí)產(chǎn)生超聲波信號(hào)和較高熱量，因此用超聲波檢測(cè)器和紅外檢測(cè)器均可進(jìn)行檢測(cè)；但輕微的電痕和電暈只會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生熱量，無(wú)法利用紅外檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)；另外，當(dāng)高壓設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，熱量無(wú)法傳遞到外界，亦無(wú)法利用紅外檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。鑒于此，就需要利用超聲波檢測(cè)法來(lái)取代紅外檢測(cè)法，這是由于該檢測(cè)方法既可對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)及時(shí)信號(hào)采集，對(duì)于設(shè)備的故障程度和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，也可進(jìn)行有效的判斷，并且檢測(cè)結(jié)果也較為準(zhǔn)確。超聲波探測(cè)器具有智能化檢測(cè)作用，不僅可提高設(shè)備的工作效率，也可在檢測(cè)過(guò)程中減少聲波干擾，因而相較傳統(tǒng)檢測(cè)方法得到更廣泛的應(yīng)用。

但通常情況下，高壓設(shè)備在發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，其放電熱量較少，但在散熱過(guò)程中也因其他因素的干擾，熱量自身發(fā)生衰減等問(wèn)題，因而超聲探測(cè)器最終所檢測(cè)到的熱量信號(hào)值也相對(duì)較少。為提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度，本文通過(guò)添加信號(hào)增益設(shè)備，以更準(zhǔn)確地接收高壓設(shè)備的聲波工作信號(hào)。

1 檢測(cè)器工作原理

超聲波檢測(cè)器工作原理如圖1所示。首先，檢測(cè)器超聲波信號(hào)探頭，可對(duì)設(shè)備運(yùn)作時(shí)，所產(chǎn)生的放電熱量進(jìn)行檢測(cè)；然后，再由安裝在檢波器的前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行放大處理并發(fā)送至信號(hào)處理器，由其對(duì)電磁信號(hào)和超聲波信號(hào)進(jìn)一步處理；最后，在顯示器上顯示出最終的脈沖數(shù)值?？紤]到電磁、聲波這2種信號(hào)有不同的傳播特點(diǎn)及速率，應(yīng)根據(jù)兩者的時(shí)間差，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓設(shè)備局部放電節(jié)點(diǎn)的定位。

圖1 超聲波檢測(cè)器工作原理Fig.1 Working principle of ultrasonic detector

2 天線的聲波信號(hào)增益效果

拋物面型天線增益示例如圖2所示。圖2中的θ、R分別表示天線拋物面的開口及口徑。本設(shè)計(jì)通過(guò)將天線的拋物面位于F這一焦點(diǎn)位置，在進(jìn)行信號(hào)采集的過(guò)程中，天線的拋物面會(huì)將采集的數(shù)值，進(jìn)一步進(jìn)行處理，即將信號(hào)傳遞至F點(diǎn)位置。而由于天線拋物面的開口θ、口徑R都可能對(duì)信號(hào)的反射效果，帶來(lái)一定的影響，繼而也將導(dǎo)致信號(hào)采集結(jié)果有一定的差異。

圖2 拋物面型天線增益示例Fig.2 Example of parabolic antenna gain

本設(shè)計(jì)將天線的口徑和焦距分別設(shè)置為550 mm和30 mm，z軸表示天線拋物面的焦軸。若原點(diǎn)發(fā)射頻率產(chǎn)生的信號(hào)脈沖為40 Hz時(shí)，在120 mm× 120 mm× 120 mm范圍內(nèi)，超聲探頭將會(huì)移動(dòng)并對(duì)信號(hào)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。經(jīng)本次實(shí)驗(yàn)之后，得知信號(hào)處理器若沒(méi)有添加天線，其可探測(cè)到的信號(hào)峰值為50 mV；而添加了天線之后，超聲器的檢測(cè)探頭，可在z軸這一節(jié)點(diǎn)位置，前后運(yùn)作，當(dāng)運(yùn)作至焦點(diǎn)前后位置的10～20 mm時(shí)，最終可檢測(cè)到53～57 mV的信號(hào)峰值。但這一結(jié)果，相較沒(méi)天線有一定的增益，但效果不顯著。但當(dāng)超聲探頭處于焦點(diǎn)時(shí)，則探測(cè)到的信號(hào)峰值大約為500 mV，增益效果明顯，且提高了10倍左右。這主要是天線在檢測(cè)到信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)反射處理，使信號(hào)都集中在F這一焦點(diǎn)位置，從而增強(qiáng)了信號(hào)增益效果。

表1 不同接收點(diǎn)的聲波信號(hào)增益效果Tab.1 Effect of acoustic signal gain at different receiving points

3 聲波信號(hào)放大器的增益效果

聲波放大器在進(jìn)行信號(hào)采集之時(shí)，可能受干擾因素的影響，從而影響到對(duì)聲波信號(hào)放大倍數(shù)的處理，即與理想倍數(shù)有一定差異。為提高信號(hào)收集增益的有效性，因而要優(yōu)化放大器的性能。通常在進(jìn)行局放超聲波檢測(cè)時(shí)，探測(cè)器接收的超聲波頻率約為40 kHz，但若使用FG-513A函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來(lái)進(jìn)行調(diào)試，則可實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益效果。此外，若使用FG-513A函數(shù)信號(hào)發(fā)生器則容易有較高的信號(hào)系數(shù)值，而當(dāng)高壓設(shè)備在運(yùn)作條件下，其發(fā)生的局部放電現(xiàn)象的信號(hào)系數(shù)較小，那么，就需要增設(shè)當(dāng)中的信號(hào)衰減調(diào)試裝置，如圖3所示。

圖3 信號(hào)衰減模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of signal attenuation module

圖3中的R1、R2分別表示電阻；uil和uo指輸入信號(hào)和增益信號(hào)。而當(dāng)聲波信號(hào)通過(guò)2個(gè)電阻的位置之后，信號(hào)將發(fā)生衰減，其后再經(jīng)過(guò)放大器的處理，接著再由示波器對(duì)輸入信號(hào)、增益放大信號(hào)峰值進(jìn)行檢測(cè)接收。式(1)當(dāng)中，可對(duì)放大器的直接輸入信號(hào)ui進(jìn)行計(jì)算。

(1)

根據(jù)式(1)，可計(jì)算出輸入信號(hào)uil、經(jīng)增益放大號(hào)的uo信號(hào)峰值及ui的峰值結(jié)果，具體見(jiàn)表2。最后將ui峰值、uo值的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行比對(duì)如圖4所示。

表2 輸入信號(hào)uil、增益信號(hào)uo及直接輸入信號(hào)ui峰值Tab.2 Peak values of input signal uil，gain signal uo and direct input signal ui mV

圖4 聲波信號(hào)放大器的增益Fig.4 Gain of acoustic signal amplifier

從圖4中可看到直線斜率其本質(zhì)上是聲波信號(hào)放大器的放大倍數(shù)，該數(shù)值在2倍左右。此外，可看到增益效果十分顯著，且相較為穩(wěn)定，從此次實(shí)驗(yàn)中也可發(fā)現(xiàn)，18組測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)值差異也較小，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.003 69。由此說(shuō)明，在添加天線、增設(shè)了聲波放大器之后，所檢測(cè)的聲波信號(hào)，最終放大了20倍以上。

5 結(jié)論

本文的信號(hào)增益方案，是通過(guò)在高壓設(shè)備中分別設(shè)置拋物面型天線及聲波放大器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備超聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)并對(duì)信號(hào)值進(jìn)行增益放大。相較于沒(méi)有使用天線的設(shè)備，本次所接收的聲波信號(hào)直接放大了10倍左右；同時(shí)在增設(shè)了放大器之后，其所檢測(cè)到的聲波信號(hào)峰值也相較原本的數(shù)值放大了10倍左右。最終接收信號(hào)的處理器，也增大了2倍以上的波信號(hào)峰值。整體而言，在使用該技術(shù)優(yōu)化方案后，超聲探頭可更好地檢測(cè)設(shè)備的熱量和聲波信號(hào)，且信號(hào)檢測(cè)也可放大至20倍以上。