開關柜局放的超聲波及地電波檢測技術研究

李路培 楊萬里 周健

（紀年科技股份有限公司，河南 許昌 461000）

絕緣技術是電力系統高壓一次設備的基本技術問題之一。為了確保高壓導體與地面之間具有足夠的絕緣強度，可以分別選擇空氣，絕緣油和SF6氣體作為絕緣介質。絕緣設備處理過程質量的好壞或在運行過程中環境的潮濕和老化會影響設備的整體壽命。部分放電是這種問題的跡象。因此，進行帶電局部放電的實時檢測，有利于掌握設備的絕緣狀態，消除了潛在的萌芽事故。

一、暫態地電壓檢測技術基本原理

（一）暫態地電波產生機理。當配電設備中發生局部放電時，帶電粒子將迅速從帶電體遷移到接地的非帶電體，例如配電設備的機柜,并在非帶電體上產生高頻電流行波,并以光速向各個方向快速傳播。由于集膚效應，電流行進波通常集中在金屬柜的內表面上,并且不會直接穿透金屬柜。然而，當電流行波遇到不連續的金屬斷開或絕緣連接時,電流行波將從金屬柜的內表面轉移到外表面,并以電磁波的形式傳播到自由空間,并產生瞬態金屬機柜外表面上的接地電壓,可以通過特殊設計的瞬態接地電壓傳感器進行檢測。

由于配電設備柜體存在電阻，局部放電產生的電流行波在傳播過程中必然存在功率損耗，金屬柜體表面產生的暫態地電壓也就不僅與局部放電量有關，還會受到放電位置、傳播途徑以及箱體內部結構和金屬斷口大小的影響。因此，暫態地電壓信號的強弱雖與局部放電量呈正比，但比例關系卻復雜、多變且難以預見，也就無法根據暫態地電壓信號的測量結果定量推算出局部放電量的多少。

暫態地電壓傳感器類似于傳統的RF耦合電容器，其殼體兼做絕緣和保護雙重功能。當金屬柜體外表面出現快速變化的暫態地電壓信號時，傳感器內置的金屬極板上就會感生出高頻脈沖電流信號，此電流信號經電子電路處理后即可得到局部放電的強度。

如果在配電設備柜體表面同時放置兩只暫態地電壓傳感器，則局部放電源發出的電磁波脈沖經過不同的路徑先后傳播到兩只暫態地電壓傳感器，儀器通過比較或者測量電磁脈沖到達兩只傳感器的時間先后或者大小，則可以判斷出局部放電源的空間位置。

（二）暫態地電壓檢測的量度指標。為了實現對高壓開關柜局部放電嚴重程度的帶電檢測，并考慮間接法檢測的實際特點和檢測設備設計的復雜性，其指標體系經常采用無線電電子學的測量單位，最經常使用的單位主要有dBmV、dBμV和 dBm。

（三）暫態地電壓傳感器的工作原理。暫態地電壓傳感器本質上是一個金屬盤，其前端覆蓋有絕緣塑料,并用同軸屏蔽電纜引出。絕緣塑料的作用一是充當耦合電容器的絕緣材料，二是對傳感器本體起保護和支撐作用。現場測量時，暫態地電壓傳感器緊密垂直地抵觸在開關柜金屬柜體表面。此時裸露的金屬柜體可看作耦合電容器的一個極板，而暫態地電壓傳感器則可看作耦合電容器的另一個極板，中間的填充物則為絕緣塑料。

對于由金屬柜體、絕緣材料和暫態地電壓傳感器構成的耦合電容器來說，金屬柜體表面出現的任何電荷變化均會在暫態地電壓傳感器的金屬盤上感應出同樣數量的電荷變化，并形成一定的高頻感應電流。該高頻電流經引出線輸入到檢測儀器內部并經檢測阻抗轉換為與放電強度成正比的高頻電壓信號。經檢測儀器處理后，則可得到開關柜局部放電的放電強度、放電頻度等特征參數。

二、超聲波檢測技術基本原理

（一）超聲波檢測產生機理。聲波是一種能夠在固體、液體和氣體中傳播的機械振動波。按照頻率范圍劃分，聲波可分為次聲波(<16Hz)、聲波（16Hz～20kHz）和超聲波（>20kHz）三種。顧名思義，超聲波傳感器就是能夠檢測頻率大于20kHz機械波的傳感器。按照工作原理分類，超聲波傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，但最常用的傳感器屬于壓電式。

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的，如壓電陶瓷和壓電晶體。壓電材料具有雙壓電效應。一方面當外施電壓作用于壓電材料時，就會導致壓電材料發生隨電壓和頻率而變化的機械變形。另一方面，當外部振引起壓電材料機械變形時，也會在其兩端產生電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產生一個電信號。因此，從原理上來說，超聲波傳感器即可以用于接收超聲波信號，也可以用于產生超聲波信號。

電氣設備狀態檢修最常用的超聲波傳感器有兩種：封閉式超聲波傳感器和敞開式傳感器。盡管這兩種傳感器的核心元件都是壓電陶瓷，但超聲波傳感器的結構設計存在較大差別，技術性能、應用范圍和使用方法也存在較大的差異。

（二）敞開式超聲波傳感器。敞開式超聲波傳感器也成為空氣超聲傳感器。一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是一個喇叭形諧振器以及由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的結合體。諧振器設計為喇叭形的目的是有效地輻射由于振動而產生的超聲波，或者有效地使收集到的超聲波信號聚集在振動器的中央部位。金屬盒體部分對傳感器本體起保護作用，而前端的鏤空部分可用于高效地耦合空氣中傳播的超聲波信號。由于諧振器設計為能夠與特定頻率的超聲波信號產生諧振，因此能夠有效地耦合特定成分的超聲波信號并抑制其它頻帶的干擾。

三、結語

狀態評價的目的，是在掌握設備狀態的基礎上對設備的健康狀況做出準確評價，以便制定合理的停電及檢修計劃，因此帶電檢測作為一種掌握設備狀態的手段，在實施過程中應達到對故障點進行定性、定量和定位的目標。所謂定性就是確定局放的類型，定量就是確定放電量的大小，定位就是要知確定放電發生的部位，三者缺一不可。