超聲波局部放電帶電檢測方法的研究現狀與發展

杜 偉，陳 珉，于 淼，王鴻學，林 敏

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；3.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

超聲波局部放電帶電檢測方法的研究現狀與發展

杜 偉1，陳 珉1，于 淼1，王鴻學2，林 敏3

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；3.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

超聲波檢測法作為局部放電檢測的重要手段，近年來備受重視并得到快速發展。通過陳述超聲波帶電檢測技術的發展歷程、技術特點及實際應用情況；從超聲波產生機理、傳播特性、檢測原理及裝置入手闡述了超聲波局部放電檢測技術的基本原理；對超聲波帶電檢測的診斷技術、缺陷定位技術及現場干擾排除方法進行了歸納；最后提出研究中有待解決的問題及未來發展方向。

超聲波；局部放電；帶電檢測

0 引言

PD（局部放電）一般是由于絕緣體內部或表面局部區域電場集中引起絕緣擊穿導致的放電現象。局部放電表現為持續時間小于1μs的脈沖，是電氣設備絕緣劣化的初始現象[1]。通常表現為尖端放電、懸浮放電、空穴放電以及自由顆粒放電是局部放電4種形式。雜質、氣泡是導致電力設備絕緣體內部出現不均勻的高場強，引起設備內部局部區域擊穿，出現局部放電現象的主要原因。局部放電嚴重威脅到電氣設備安全可靠運行，易引起電氣設備事故的發生，因此，如何快速、可靠、準確地檢測電氣設備內局部放電現象是近幾年研究的主要內容。

隨著特高壓電網的大力建設，設備安全可靠運行愈加受到重視。超聲波局部放電檢測技術作為最常用的局部放電檢測技術之一，其傳感技術、定位技術、數據分析技術是高校學者研究的主要內容。針對超聲波局部放電檢測技術，結合近幾年研究成果，闡述超聲波檢測技術的發展歷程、檢測原理以及技術成果，探討現階段存在的主要問題，提出了今后的研究方向。

1 檢測技術發展概況

1.1 檢測技術發展歷程

二十世紀四十年代，超聲波檢測技術首次用于電力設備局部放電檢測中，但由于當時電力電子技術不夠發達，傳感器換能原件效率低，導致檢測靈敏度無法達到相關要求。直到八十年代，電力電子技術與信號處理技術全面起飛，德國Vallen、美國物理聲學等公司相繼推出聲發射信號傳感器，提高了超聲波檢測的靈敏度與抗干擾能力，超聲波局部放電檢測技術逐漸廣泛應用于電力設備實際檢測中[2]。九十年代，關于超聲波局部放電檢測理論在電力設備應用的研究取得了長足進步，對超聲波信號在電力設備內的傳播規律、機理有了初步的認知[3-4]。基于以上研究，有學者指出，不同缺陷類型超聲波信號時域、頻域譜圖存在差異，通過超聲波檢測法可以檢測出內部缺陷。

進入二十一世紀后，關于超聲波局部放電信號的檢測已經卓有成效。2000年，澳大利西門子研究機構對典型超聲波局部放電信號的傳播及衰減進行了比較研究。2005年，德國科學家Ekard Grossman與Kurt Feser通過二維傅里葉變換對信號進行處理，優化了超聲波局部放電在線監測方法，將檢測靈敏度提高至10 pC。同年，韓國科學家發表了關于電力變壓器局部放電超聲波信號及噪聲分析的論文[5]。

隨著光纖技術的發展，近年來有學者開始研究利用光纖本身或者外部敏感元件將超聲波信號轉化為光強信號的變化，通過光敏元件進行局部放電的超聲-光檢測。目前為止，超聲-光檢測技術通常采用 Fabry-perot，Michelson和 Machzehnde等3種干涉原理[6-7]。

1.2 檢測手段

在保證設備外殼可靠接地的前提下，現場對超聲波局部放電檢測時，檢測過程不會對設備產生任何影響。被檢設備與傳感器之間的連接分為有線、無線2種連接形式。有線連接使用的連接線具有良好的絕緣性能，能夠有效隔離被檢設備，確保現場檢測人員人身安全。

現場檢測中，可通過時差定位法、幅值強度定位法對設備局部放電源進行精確定位。進行定位時，主要是根據放電過程中產生的聲信號時間差以及聲信號傳播過程中衰減導致的信號強度變化達到定位的目的[8]。局放源定位可以準確判斷放電源位置，縮短檢修時間。

超聲波局部放電檢測能夠實現模式識別與定量分析。在利用超聲波對局部放電進行檢測時，如何通過超聲波信號進行的模式識別與定量分析是重點研究內容，日本和德國早在上世紀八十年代就已經進行過相關的研究[9-10]，結果甚微。為了對其進行深入研究，通過頻譜識別方法進行定量分析和模式識別診斷，借助于非確定和非線性科學的不斷發展，獲得了較為可人的研究成果[11]。由于數學分析工具和傳感器的不斷發展和升級，使得針對局部放電進行的模式識別與定量分析成為可能。

在電脈沖穿過檢測樣本時，能夠產生超聲波信號，該信號與樣本表面電荷分布有很大的關聯，與空間電荷亦存在一定的比例關系。如此，對超聲波中含有的信息進行分析就可以得到樣本電荷的組成以及具體位置。所以，在測量絕緣材料的電荷分布時可以使用超聲波檢測法，這種方法所達到的效果是電脈沖所不能比擬的；不僅如此，考慮到局部放電通過輝光和亞輝光放電[12]產生超聲波信號的具體機理，超聲波局部放電檢測可以彌補電脈沖法的不足，同時能針對局部放電問題產生新的測量依據和標準[13]。

1.3 實際應用情況

隨著超聲波局部放電檢測技術的逐漸成熟，其在世界范圍內得到了廣泛的推廣。在實際應用中，超聲波局部放電檢測范圍涵蓋GIS、變壓器、電纜終端、開關柜等一次設備，既能高效完成上述設備的普測工作，又能配合特高頻法、高頻法等檢測方法，進行缺陷診斷及定位。

自2000年超聲波局部放電檢測技術引入國內后，國家電網公司廣泛使用該技術開展缺陷診斷與現場檢測，效果顯著。由于超聲波檢測法的實用性、高效性以及靈敏性，在實際應用中得到越來越多運行人員的肯定，對超聲波檢測法的依賴也越來越高。為了更及時準確地發現局部放電缺陷，國家電網公司為各省、市級電力公司大量配備GIS、變壓器及開關柜超聲波檢測裝置，僅2011年，裝置配置數量就上漲近20倍[5]。

2 檢測技術基本原理

2.1 超聲波產生機理

電力設備正常運行時，設備內部介質應力、電場應力、粒子力處于動態平衡的狀態，不會引起振動。當設備內部出現局部放電時，放電源附近電荷快速釋放、中和、遷移，其周圍介質應力、電場應力、粒子力的平衡狀態被打破，產生陡峭的電流脈沖，電流脈沖導致放電源周圍區域瞬間受熱膨脹，局部放電結束之后，膨脹區域迅速恢復至原來的體積，這種規律的體積張縮變化使周圍介質出現振動，從而產生超聲波。信號以放電源為球心，通過球面波的方式傳播至四周[14]。

在GIS設備中，局部放電不是產生超聲波信號的唯一原因。金屬顆粒碰撞GIS外殼，或者由于操作引起的機械振動等均可以產生超聲波信號。圖1為SF6氣體中局部放電引起超聲波信號產生的原理。

圖1 超聲波信號產生原理

2.2 超聲波傳播特性

局部放電產生的聲波信號頻譜分布廣泛，約10～107Hz，具有一定的隨機性，但信號頻譜大多集中在20～200 kHz頻段。此外，由于電氣設備、傳播介質、放電狀態以及環境條件的不同，現場檢測到的超聲波信號頻率也會不同。

超聲波與聲波一樣，通過物體機械振動的方式進行傳播。超聲波分為縱波、橫波2種，縱波能存在與氣體、液體和固體介質中，橫波僅能在固體介質中傳播。電力設備中超聲波信號主要通過2條路徑傳播：一條由放電源通過氣體或液體介質以縱波的形式傳播至設備外殼，即直達波；另一條先通過縱波傳至設備外殼，再以橫波的形式通過設備外殼進行傳播，稱為復合波[15]。

超聲波信號的傳播速度在不同介質、溫度下，存在明顯差別。頻率類型對超聲波傳播速度也有影響，在同種介質中，頻率越高，超聲波傳播的速度越快。此外，相同介質特定頻率下，橫波的傳播速度比縱波快約1倍。表1給出了特定頻率下，超聲波信號在幾種典型介質中的傳播速度。

超聲波信號傳播過程中，由于波的擴散、反射、熱傳導等原因，隨著傳播距離的增大，信號能量逐漸減小。在固體中，衰減主要是由于分子間相互撞擊散失的熱量所致，固體介質中的衰減約正比于頻率f；在氣體和液體中，波的擴散是衰減的主要原因，空氣中聲波的衰減正比于頻率的2次方和一次方的差，即f2-f，液體中衰減隨著頻率的平方f2增加[5]。縱波在幾種常見介質的衰減情況如表2所示。

表1 超聲波信號的傳播速度[15]

表2 縱波在幾種常見介質中傳播衰減情況[5]

由表2可知，聲波在不同介質中的衰減情況差異很大。在50 kHz頻率下，超聲波在SF6氣體中的衰減很大，約為空氣中的20倍，且低頻分量遠小于高頻分量的衰減，現場檢測到的聲波低頻分量較為豐富。

2.3 超聲波檢測機理

局部放電形成的超聲波信號極為微弱，其能量一般為μJ級，檢測過程中必須通過前置放大器將信號進行放大。由于聲信號不易放大，需要通過具有壓電效應的傳感器進行聲—電轉換。傳感器中的壓電元件材料通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等多晶體或者鈦酸鋰、碘酸鋰等單晶體。其中，鋯鈦酸鉛靈敏度高，是最常用的壓電材料。在超聲波局部放電檢測使用的傳感器有單端式傳感器和差分式傳感器，超聲波壓電式傳感器結構如圖2所示。

對于不同設備，傳感器的諧振頻率不同，在現場檢測中，GIS用的傳感器頻響寬度一般為20～80 kHz，諧振頻率選擇在45 kHz，變壓器用傳感器頻響寬度一般為80～200 kHz，諧振頻率為160 kHz。

圖2 超聲波壓電式傳感器結構

近年來，隨著光纖技術的發展，局部放電的超聲-光檢測成為熱門研究對象。有學者[12]研究出一種基于基于熔錐耦合原理的超聲-光傳感器，其結構如圖3所示。

圖3 光纖熔錐耦合超聲波傳感器結構[16]

由于以光纖材料具有良好的溫度穩定性，傳輸光信號安全性高可用于高電壓、強電磁場干擾等惡劣環境；同時光信號衰減小，便于長距離傳輸，適合電力設備運行狀態下得連續在線監測。

2.4 超聲波檢測原理

在超聲波局部放電檢測時，在設備外殼或者腔體上安裝超聲波傳感器，傳感器將聲信號轉換為模擬信號，通過同軸電纜傳輸至檢測系統，檢測系統對傳入的信號進行AM調制，使用檢波器進行處理后，由人機交換界面將最終的測量結果呈現出來。其流程和基本單元如圖4所示。

圖4 超聲波檢測原理單元

3 超聲波局部放電檢測方法

3.1 檢測技術

超聲波局部放電檢測常用模式有連續檢測模式、相位檢測模式、脈沖檢測模式、特征指數檢測模式等。局部放電為復雜的物理現象，在診斷中應結合上述檢測模式譜圖進行全面分析，盡量減少誤判。

表3給出了幾種常見缺陷類型的判斷標準。由于超聲波局部放電檢測對絕緣類缺陷靈敏度較低，因此在表格里不做體現。

表3 超聲波局部放電缺陷類型判定標準

此外，超聲波局部放電檢測遵循圖5所示的基本流程。

圖5 超聲波局部放電檢測流程

3.2 缺陷定位技術

超聲波信號定位技術是一種行之有效的定位方法，目前已經積累了大量的現場經驗。傳統的超聲波定位技術分為5種，即：頻率定位技術、幅值定位技術、時間定位技術、相位定位技術和超聲相控陣列技術。

頻率定位技術常常用于GIS設備。利用SF6氣體對超聲波信號高頻信號的吸收作用，通過分析超聲波信號高頻部分（50～100 kHz）的比例來判斷缺陷位于中心導體還是外殼。通常，現場檢測中將超聲波儀器的檢測上限頻率從100 kHz減小到50 kHz，若超聲波信號幅值無明顯降低，證明超聲波信號中的高頻信號不受SF6氣體吸收作用的影響，判斷局部放電源應位于GIS殼體上，反之，證明局部放電源應位于GIS中心導體上。頻率定位技術不能對局放源進行精確定位。

幅值定位技術是利用超聲波信號在傳播過程中的衰減特性，對局部放電源進精確定位的一種常用方法。通常，超聲波信號幅值最大處對應的便是局部放電源位置。對GIS設備而言，若信號幅值最高水品集中于一個極小區域，則可初步判斷局放源位于殼體；若信號幅值最高水平在一個大范圍內集中出現，則證明局放源位于中心導體。

時間定位技術是根據超聲波信號的時間差求取放電源位置的一種診斷手段。定位時通過測量局部放電產生的超聲信號傳播至多個不同位置的超聲傳感器的時間差，根據時間差和超聲波信號的傳播速度，利用空間解析幾何法計算局部放電源的位置，實現絕緣缺陷精確定位。由于超聲波在電力設備常用材料介質中衰減較大，所能測量得有效范圍較小[15]。

在GIS現場超聲波定位中，通常根據運行GIS的結構特點，可采用UHF（特高頻）法與超聲波法相互配合的聲電聯合法進行定位。由于聲電聯合法同時檢測局部放電的超聲波信號與電磁波信號，可以更加有效地排除現場干擾，有利于提高現場定位的準確性，發現絕緣缺陷。

對于GIS設備，由于超聲波信號傳播過程中，幾乎無法通過盆式絕緣子從一個氣室傳至相鄰的氣室。在同一氣室內，GIS局部放電發出的超聲波信號一般通過直達波和復合波傳播至傳感器。由于復合波通過筒壁傳播速度快且衰減大，往往先到達傳感器，但其幅值比直達波小很多，信號譜圖不明顯。在現場測量時，超聲波時間差定位中常常以直達波為準。

相位定位技術是對時間定位技術的一種補充。相比于時間定位技術，相位定位技術可以不通過示波器對局放源進行初步定位。主要通過不同檢測點的相角差，通過公式（1）進行計算，計算局放源的位置。

式中：Δδ為相角差；Δx為距離差；v為超聲波在不同介質中傳播速度。

超聲相控陣列技術在近幾年獲得了快速發展，定位精度高，能夠實現對多個局部放電源的分別定位。可應用于變壓器超聲波定位中。圖6給出了超聲相控陣列技術的定位原理。

圖6 超聲相控陣列定位原理[17]

如圖6所示，相控陣列定位技術采用N×N個陣列傳感器組成平面相控矩陣。N×N個陣元對局部放電源的接收信號空間相位差可以表示成矩陣形式。在進行局放源定位時，以特高頻信號為基準，計算同一方向超聲波信號的傳播時延，通過波速計算出局放源與傳感器間的距離，最后根據相控矩陣計算出局放源的空間幾何位置。有學者[17]認為該定位技術可達到1 cm的定位精度。

3.3 現場干擾排除方法

一般的，超聲波局部放電檢測現場干擾排除應遵循圖7所示的基本流程。

現場進行超聲波局部放電檢測時，通常受到EMI（電磁干擾）信號、環境噪聲、設備自身超聲波信號的干擾，嚴重影響對現場超聲波檢測準確度，現場檢測中應重點關注。

超聲波檢測儀具有抗電磁干擾能力強的特點，但并不意味著不受EMI信號的影響，尤其在使用外置放大器的檢測儀器，在高處進行測量時，EMI信號可通過前置放大器的接口端子耦合進入儀器，通過傳導耦合的方式傳至檢測儀器敏感器，對儀器的測量信號產生影響。現場檢測時，常常使用鋁箔包裹外置放大器接口端子，屏蔽EMI信號。

圖7 超聲波局部放電檢測干擾排除流程

變電站內母線等裸露金屬處的電暈放電亦會產生聲信號，在電暈放電強烈時，容易對現場超聲波檢測造成干擾。由于這些聲信號與電氣設備內部局部放電超聲波信號特征譜圖一致，難以分別。現場檢測中，可借助紫外儀檢測附近裸露設備放電強度，初步判斷干擾源位置。同時，通過與空氣背景、附近構架處超聲波信號進行比對，結合超聲波信號時間定位技術、相位定位技術進行進一步確認。

設備正常工作狀況下，電壓互感器和電流互感器的內置繞組和鐵芯會產生周期性的交變電磁場，引起磁致伸縮現象[18]。由于磁致伸縮的作用，磁性物質尺寸在各方面發生變化，產生特有的超聲波信號，該信號一般具有強的單倍頻和多倍頻信號規律，波形具有定性對稱性。故在現場超聲波局部放電檢測中，若電壓互感器氣室和電流互感器氣室的超聲波異常信號，應通過縱向、橫向比較的方式，對照歷史數據，綜合分析。

4 結語

電力設備超聲波局部放電檢測技術經過近幾年的快速發展已經成為局部放電檢測的主要方法之一，形成了一套成熟的檢測流程與檢測方法。在實際應用中，發現了諸多局部放電缺陷，避免了電力設備事故發生，積累了大量現場經驗。超聲波光纖技術的快速的發展，大大提高了超聲波檢測的靈敏度與抗干擾能力，具有較大的發展空間。超聲相控陣列定位技術逐漸應用于電力領域，進一步提高了對電力設備局放源的定位精度。但由于其傳感器本身的復雜性，限制了該項定位技術的實際應用，如何在不影響電力設備運行的情況下，快速便捷的布置傳感器仍是目前急需解決的問題。

盡管近幾年各高校及相關學者對超聲波局部放電檢測進行了大量研究，取得了很多成績，但仍有許多值得更加深入探索的內容：

（1）超聲波局部放電檢測儀器的參數界定、傳感器靈敏度校驗、局部放電源定位方法均沒有定論，目前暫未形成正式嚴謹的標準文件。針對上述問題應進行更加深入細致的研究，以期形成一份完善的標準。

（2）對重要的電力設備進行持續的在線監測是保證其安可全靠運行的重要環節。目前，國內的在線監測系統較多的是對特高頻信號進行實時監測，超聲波信號的實時監測極少。如何利用超聲波檢測法，提高在線監測系統的可靠性、靈敏性、準確性，做到局部放電監測不漏判、不誤判應該是今后研究的主要方向。

（3）交流電壓作用下超聲波局部放電檢測技術已經研究了很多年，理論體系與分析方法較為成熟。但隨著特高壓直流輸電工程的發展，直流電壓或者復合電壓作用下局部放電機理，超聲波檢測、數據分析方法的研究還非常少，需引起足夠的重視。

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2017-07-19

杜 偉（1988），男，工程師，主要從事帶電檢測及變壓器大數據的相關研究工作。

（本文編輯：徐 晗）

Research Status and Development of Ultrasonic Partial Discharge Live Detection Method

DU Wei1， CHEN Min1， YU Miao1， WANG Hongxue2， LIN Min3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.State Gird Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315000， China；3.State Grid Hangzhou Power Supply Company， Hangzhou 310009， China）

As an important means for partial discharge detection，ultrasonic detection in recent years has drawn attention and develops rapidly.In this paper， the development history，technical characteristics and practical application of ultrasonic live detection are presented；the basic principle of ultrasonic partial discharge detection is discussed from four aspects including generation mechanism,propagation characteristics，detection principle and devices；the diagnosis technology，defect location technology and the field interference elimination method of ultrasonic live detection are also concluded.Finally，unsolved problems and the future development direction are proposed.

ultrasonic；partial discharge；live detection

10.19585/j.zjdl.201710009

1007-1881（2017）10-0043-07

TM835.4

A