高壓設備局放超聲檢測的信號增益研究

王永強, 夏添, 周龍興

(貴州電網有限責任公司 遵義桐梓供電局，貴陽 563200)

0 引言

高壓設備在使用過程中會存在局部放電現象，這一現象對高壓設備和整個電網都會產生一定程度的不良影響，例如設備損傷和報廢、電網癱瘓等[1-2]。通過對處于絕緣狀態下的高壓設備進行非接觸式快速掃面巡檢，捕捉其放電信號，從而實現對其局部放電的監測[3-4]。這一監測方法能夠實現對高壓設備運轉情況的實時監控，從而及時發現設備的故障，有利于及時采取有效方案進行維護，是一種保障高壓設備和整個電網系統安全運轉的有效手段。據不同的檢測原理，可將目前常見的高壓設備局部放電檢測方法分為絕緣油溶解氣體分析法、無線電干擾電壓法、脈沖電流法、化學檢測法、紅外檢測法和超聲波檢測法等[5-9]。其中紅外檢測法是對局部放電時產生的熱量進行檢測，超聲波檢測法是對局部放電時產生的超聲波信號進行檢測，這兩種方法實施較為簡單，近年來受到越來越廣泛的關注[10-12]。

高壓設備的局部放電現象主要由電弧、電痕和電暈3種方式，其中電弧和較為嚴重的電痕會同時產生超聲波信號和較高熱量，因此用超聲波檢測器和紅外檢測器均可進行檢測；但輕微的電痕和電暈只會產生超聲波信號，不會產生熱量，無法利用紅外檢測法進行檢測；另外，當高壓設備內部發生局部放電現象時，熱量無法傳遞到外界，亦無法利用紅外檢測法進行檢測。因此，與紅外檢測法相比，超聲波檢測法的應用更為廣泛。超聲波探測器是利用超聲波傳感器對設備局部放電產生的聲波信號進行采集并傳輸至計算機。通過計算機對所收集的信號進行處理，并對其故障類型和等級進行分析后，最后輸出檢測結果。該方案能夠在不對設備進行停電的情況下對故障進行檢測，而且還可以有效避免機械振動所產生的聲波干擾，在提高工作人員工作效率的同時又能夠高度保障其人身安全，是一種高效、準確、安全的檢測方法。

不過高壓設備局部放電現象所產生的能量不到總能量的1%，而且在傳遞過程中還會出現自身能量衰減，或被其他物質吸收、反射，因此超聲探頭能接收到的能量更加微小。為了保證超聲波探測器的靈敏度，我們設計了一種聲波信號放大裝置，將其加入到超聲波探測器中可以有效提高探測器所接收到的聲波信號。

1 檢測器工作原理

本文所設計的超聲波檢測器的結構示意圖，如圖1所示。

圖1 超聲波檢測器結構示意圖

本方案采用聲電聯用檢測方案。檢測器的超聲接收探頭接收到高壓設備局部放電產生的聲波信號后，經檢波器前端的前置放大設備對聲波信號進行放大，然后傳輸至信號處理器；電信號檢測器收集的電信號也傳輸到信號處理器。信號處理器對聲波信號和電磁信號進行處理后輸出脈沖，并在顯示器顯示處理結果。由于聲波信號和電磁信號的傳播速度不同，可利用兩個信號之間的時間差對局部放電的位置進行定位。

2 天線的聲波信號增益效果

如圖2所示。

圖2 拋物面型天線示意圖

本文所設計的超聲波信號探測器中的超聲接收天線為拋物面型天線，拋物面的焦點處于F點。當天線接收到聲波信號后，天線的拋物面接收到的所有信號均將反射至拋物面焦點F點處。而拋物面的開口θ和口徑R則在很大程度上影響著天線的有效反射面積，從而影響信號的采集效果。

在本方案中天線口徑為550 mm，焦距為30 mm，天線拋物面的焦軸即為Z軸。當在原點發射頻率為40 Hz的脈沖，在120 mm×120 mm×120 mm的接收空間內移動超聲探頭，并對接收信號的幅值進行記錄。實驗結果表明，在未使用天線時，信號處理器所接收到的信號峰值約為50 mV左右；而當加入拋物面型天線后，將超聲探頭在天線的焦軸上(即圖2中的Z軸)前后移動，當超聲探頭處于焦點前方或后方10-20 mm時，信號處理器所接收到的信號峰值為53-57 mV，與未安裝天線時所接收到的信號峰值相比略有增加，但增益不明顯；當超聲探頭處于焦點時，信號處理器所接收到的信號峰值明顯增強，高達500 mV，與未安裝天線時所接收到的信號峰值相比，增益高達10倍。這是由于拋物面所接收到的信號經反射后均聚焦于焦點(F點)處，并且由焦點到拋物面各點的路徑相等，因此增益效果明顯。不同接收點的聲波信號增益效果如表1所示。

表1 不同接收點的聲波信號增益效果

3 聲波信號放大器的增益效果

聲波放大器對聲波信號的放大倍數受到頻率等因素的制約，所以在實際操作過程中的放大倍數和理論值之間有所差距。為了提高聲波信號放大器對聲波信號放大的準確性，需要對放大器的增益效果進行測試。由于局放超聲波檢測中使用中心頻頻為40 kHz超聲波接收探頭，我們以FG-513A函數信號發生器產生的40 kHz的正弦波對前置放大電路的實際增益進行了測試。另外，FG-513A函數信號發生器產生的信號幅值較大，但高壓設備局部放電所產生的信號為微弱信號，本文在放大器前端加載了一個信號衰減模塊，結構,如圖3所示。

圖3 信號衰減模塊結構

聲波信號經過電阻R1(1 MΩ)和R2(10 kΩ)衰減后再傳輸至信號放大器，利用示波器分別檢測到輸入信號uil和放大后的增益信號uo的峰值。利用公式1可計算出放大器的直接輸入信號ui,如式(1)

×ui1

(1)

實驗所測得的輸入信號uil和放大后的增益信號uo的峰值以及利用公式所計算的ui的峰值如表2所示。

利用公式所計算的ui的峰值對uo的值作圖，并進行線性擬合，結果如圖4所示。

圖中直線的斜率即為聲波信號放大器的放大倍數，約為2.21倍。另外，該聲波放大器的增益效果較為穩定，實驗所測試的18組數據之間的標準差僅為0.003 69。因此將天線與聲波放大器聯用時，可將信號放大22.1倍左右。

表2 輸入信號uil、增益信號uo及直接輸入信號ui數值

圖4 聲波信號放大器的增益

4 總結

本文設計一種拋物面型天線與聲波放大器聯用的聲波放大裝置。與未使用天線時信號處理器所接收到的信號峰值相比，將超聲探頭置于天線的焦點處，信號處理器所接收到的聲波信號峰值約增加了10倍；而當在加入聲波放大器后，信號處理器所接受到聲波信號峰值約增加了2.21倍。因此當在超聲波探測器中同時使用拋物面型天線和聲波放大器時，可以將超聲探頭所接收到的的超聲波信號放大22.1倍左右。