電氣設備局部放電的超聲波檢測方法分析

陶文斌

（中國計量學院，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，對檢測系統的速度與精度要求較低。在利用超聲波進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)聯合起來進行局放定位的趨勢。在澳大利業的西門子研究機構使用局部放電產生的超聲波和射頻電磁波聯合檢測技術監測變壓器中的局部放電活動。其關鍵依據是:超聲波和電磁波在變壓器介質中的傳播速度是不一致的，因而可以測量兩種波到達傳感器的時間間隔。國內方面，西安交通大學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成平面傳感器，接收到的超高頻信號為時間基準，進而得到超聲波的傳輸時延，這樣可計算出局放電點與超聲波傳感器間的距離，再根據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

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。電力系統中所遇到的絕緣結構大多是不均勻的，不均勻電場的形式很多，絕大多數是不對稱電場。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的電場足以使空氣發生游離，而間隙中大部分區域的電場仍然很小。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進行下去)的條件。放電僅局限在大曲率電極周圍很小的范圍內，而整個間隙尚未擊穿。

易產生電暈放電的電氣設備是高壓輸電線路。通常均將空氣視為非導體，但空氣中含有少數由宇宙線照射而產生的離子，帶正電的導體會吸引周圍空氣中的負離子而自行徐徐中和。若帶電導體有尖端，該處附近空氣中的電場強度它與其他形式的放電有本質的區別，電暈放電時的電流強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。這就取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體的性質和密度(天氣濕度以及空氣的流動速度)等。

2.2 沿面放電

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

沿面放電是一種特殊的氣體放電現象，沿面閃絡電壓比氣體或者固體單獨作為絕緣介質時的擊穿電壓都低。影響沿面放電電壓的主要因素有:電場分布情況、電壓波形、介質表面狀態、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的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪3類。

3.1 連續的周期性干擾包括

3.1.1 電力系統載波通信和高頻保護信號引起的干擾。

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；電網中的開關、晶閘管整流設備閉合或開斷引起的脈沖干擾；電力系統中其它非檢測設備放電引起的干擾。

3.3 白噪包括各種隨機噪聲，如電氣設備的熱噪聲、配電線路及變壓器繼電保護信號線路中由于藕合進入的各種噪聲以及監測線路中的半導體器件的散粒噪聲等。

4 超聲波檢測系統結構

從硬件結構組成上，超聲檢測系統主要包括四個部分：a.傳感器部分:由壓電傳感器及屏蔽導線組成，傳感器可隨時拆卸，根據實驗現場具體要求選擇更換不同型號；b.電源模塊:為實現便攜檢測，采用電池供電，電路包括對各種芯片所需電壓等級的轉換；c.模擬信號預處理電路:由前置放大器，帶通濾波，后置主放大電路等組成，可通過數字示波器得到清晰的模擬信號；d.數字電路:由單片機及其外圍電路組成，電路已設計完成，部分性能通過測試，但目前的工作對A/D轉換之后數字信號的處理上存在困難，不能像數字示波器一樣得到有較高價值的實驗數據，需要進行后續的深入研究。

為了檢測不同位置傳感器接收同一局部放電源所產生的超聲波信號的的傳播時間，需要設計兩套性能盡可能接近的檢測系統來作為對比。系統結構如下圖所示:

系統硬件結構流程圖

5 放大電路的設計

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，以便盡可能多的減小信號的失真，得到較真實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量級，這樣微弱的信號若經過長距離傳輸必須經放大后傳輸，才能減弱干擾信號對它的影響，并提高信噪比。因為壓電晶體的輸出阻抗較高，帶負載能力差，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。

5.2 后置主放大電路

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

后置放大電路

6 電源設計

在檢測系統的電路板上，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，統一使用正負SV的直流電源供電，數字電路部分使用3.3V直流電壓。針對以上需求，考慮到檢測系統的體積要小以及便于攜帶移動，選用9V的干電池作為系統的總電源，通過不同的電源轉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行處理，減小紋波，提高電源質量。

5V直流電壓采用德州儀器公司的TPS76850穩壓器，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，其最大的優點在于低壓差，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定輸出電壓，提高測量精度有很大的意義。此外，其靜態電流僅為85uA，具有關斷保護功能。

7 總結

對電氣設備進行局部放電試驗是電氣設備制造和運行中的一項重要預防性試驗。局部放電如果長期存在，會加速設備老化，在一定條件下甚至會造成絕緣破壞，嚴重影響設備正常運行。超聲波檢測法作為一種非電量測量法，有著獨特的優點。本文的主要內容是基于壓電傳感器的高壓電氣設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、傳感器技術、電子測量技術以及硬件電路設計等方面的相關知識。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及使用方法；在此基礎上完成了高壓電氣設備局部放電信號的超聲波檢測系統硬件設計。

[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，電壓技術，2001年.

[2]覃劍等，特高頻在電力設備局部放電在線監測中的應用，電網技術，1997年.陶文斌（中國計量學院 杭州市 310018）Tao Wen bin(China Jiliang University Hangzhou 310018).