楊祿

【摘 要】傳統(tǒng)的超聲波法是用固定在變壓器油箱壁上的超聲波傳感器接收變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲脈沖，由此來檢測(cè)局部放電的大小和位置。由于此方法受電氣干擾的影響比較小以及它在局部放電定位中的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)超聲波法的研究比較深入。超聲波法用于變壓器局部放電檢測(cè)最早始于上世紀(jì)40年代，但因?yàn)殪`敏度低，易于受到外界干擾等原因一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。本文主要論述了局部放電的種類及特點(diǎn)、超聲波檢測(cè)常見的干擾信號(hào)及其特性、超聲波檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、放大電路的設(shè)計(jì)及電源設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】超聲波檢測(cè)；局部放電；電氣設(shè)備

近幾年以來，出現(xiàn)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(lián)合起來進(jìn)行局放定位的趨勢(shì)。在澳大利亞的西門子研究機(jī)構(gòu)使用局部放電產(chǎn)生的超聲波和射頻電磁波聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)變壓器中的局部放電活動(dòng)。其關(guān)鍵依據(jù)是：超聲波和電磁波在變壓器介質(zhì)中的傳播速度是不一致的，因而可以測(cè)量?jī)煞N波到達(dá)傳感器的時(shí)間間隔。國內(nèi)方面，西安交通大學(xué)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(cè)超高頻和超聲波信號(hào)的相控接收陣構(gòu)成平面?zhèn)鞲衅?，接收到的超高頻信號(hào)為時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)而得到超聲波的傳輸時(shí)延，這樣可計(jì)算出局放電點(diǎn)與超聲波傳感器間的距離，再根據(jù)相控陣掃描的方位角和仰角就得出放電的空間幾何位置。

1 局部放電的基本原理

交聯(lián)電纜的絕緣體內(nèi)部在制造或施工過程中可能會(huì)殘留一些氣泡或滲入其他雜質(zhì)，在這些有氣泡或雜質(zhì)的區(qū)域，它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低于平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此在這些區(qū)域首先有可能發(fā)生放電現(xiàn)象。在電場(chǎng)作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電現(xiàn)象，而沒有貫穿在施加電壓的導(dǎo)體之間，即尚未擊穿的這種現(xiàn)象我們稱之為局部放電。這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短（路橋）接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對(duì)絕緣介質(zhì)都會(huì)有一些影響，輕微的局部放電對(duì)電力設(shè)備絕緣的影響較小，絕緣強(qiáng)度的下降較慢；而強(qiáng)烈的局部放電，則會(huì)使絕緣強(qiáng)度很快下降。這是使高壓電力設(shè)備絕緣損壞的一個(gè)重要因素。

2 局部放電的種類及特點(diǎn)

2.1 電暈放電

電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式，是極不均勻電場(chǎng)的特征之一。電力系統(tǒng)中所遇到的絕緣結(jié)構(gòu)大多是不均勻的，不均勻電場(chǎng)的形式很多，絕大多數(shù)是不對(duì)稱電場(chǎng)。在電場(chǎng)極不均勻時(shí)，隨間隙上所加電壓的升高，在大曲率電極附近很小范圍內(nèi)的電場(chǎng)足以使空氣發(fā)生游離，而間隙中大部分區(qū)域的電場(chǎng)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(chǎng)作用繼續(xù)進(jìn)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(nèi)，而整個(gè)間隙尚未擊穿。

2.2 沿面放電

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

沿面放電是一種特殊的氣體放電現(xiàn)象，沿面閃絡(luò)電壓比氣體或者固體單獨(dú)作為絕緣介質(zhì)時(shí)的擊穿電壓都低。影響沿面放電電壓的主要因素有：電場(chǎng)分布情況、電壓波形、介質(zhì)表面狀態(tài)、空氣污穢程度、氣候條件等等。

3 局部放電的檢測(cè)方法

局部放電的檢測(cè)是通過局部放電所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象為依據(jù)。通常在絕緣內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)伴隨出現(xiàn)許多現(xiàn)象，如電脈沖、電磁波、超聲波、光和熱等。根據(jù)上述的特征，目前常用的檢測(cè)方法主要有：脈沖電流法、高頻電流法、超聲波法、化學(xué)檢測(cè)法、射頻檢測(cè)法、光測(cè)法等多種方法。

3.1 脈沖電流法

脈沖電流法是通過檢測(cè)阻抗、檢測(cè)變壓器套管接地線、外殼接地線、鐵心接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流來獲得實(shí)在放電量。是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測(cè)方法。該電流傳感器通常按頻帶可分為窄帶和寬帶兩種。窄帶傳感器一般在10KHZ左右，具有高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出波形嚴(yán)重畸形。寬帶傳感器帶寬為IOOKHZ左右，具有脈分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但信噪比低。該方法的主要缺點(diǎn)一是由于檢測(cè)阻抗和放大器對(duì)測(cè)量的靈敏度、準(zhǔn)確度、分辨率以及動(dòng)態(tài)范圍等都有影響。因此，當(dāng)試樣的電容量比較大時(shí)，受耦合阻抗的限制，靈敏度也受到了一定的限制；二是測(cè)試頻率低，一般小于1MHZ，因而包含的信息量少；三是在離線狀態(tài)其靈敏度較高，而現(xiàn)場(chǎng)中易受外界干擾噪聲的影響，抗干擾能力差；

3.2 高頻電流法

高頻電流法是較為常見的檢測(cè)方法，但檢測(cè)的話只能檢測(cè)兩個(gè)地方：電纜本體和電纜接地線。當(dāng)電纜內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，會(huì)有部分電流通過外屏蔽層接地線流入大地。因此可以在接地線上安置高頻電流傳感器，以此來感應(yīng)接地線上的局部放電電流，判斷局部放電的發(fā)生。由于電纜本體相當(dāng)于一根感應(yīng)天線，因此這種檢測(cè)方法會(huì)受到大量的廣播干擾，需要做一定的數(shù)據(jù)處理才能夠分辨電纜中的局部放電脈沖。

3.3 超聲波法

電力電纜內(nèi)部發(fā)生局部放電的時(shí)候，同時(shí)會(huì)伴隨有聲波發(fā)射現(xiàn)象。所以我們用超聲波傳感器來探測(cè)電纜中的局部放電現(xiàn)象。這種方法避免了與高壓電纜等的直接電氣連接，適用于電纜無需斷電的在線檢測(cè)。但變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種聲介質(zhì)對(duì)聲波的衰減及對(duì)聲速的影響都不一樣。目前使用的檢測(cè)超聲波傳感器抗電磁干擾能力較差，靈敏度也不高，這就增加了檢測(cè)難度。近年來，由于聲電換能元件效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)的靈敏度有了較大的提高，因而該方法的發(fā)展應(yīng)用是非常有希望的。

3.4 化學(xué)檢測(cè)法

當(dāng)變壓器中發(fā)生局部放電時(shí)，各種絕緣材料會(huì)發(fā)生分解破壞，產(chǎn)生新的生成物，通過檢測(cè)生成物的組成和濃度，可以判斷局部放電的狀態(tài)。目前，該方法已廣泛應(yīng)用于變壓器的在線故障診斷中。故障類型不同，故障程度也不同，氣體的組成和濃度也不相同，由此建立起來的模式識(shí)別系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)識(shí)別。但直到目前，仍然沒有形成統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樗鼘?duì)發(fā)現(xiàn)早期潛伏性故障較靈敏，但不能反映突發(fā)性故障。

3.5 射頻檢測(cè)法

它從變壓器的中性點(diǎn)處測(cè)取信號(hào)。測(cè)量的信號(hào)頻率可以達(dá)30MHZ，大大提高了局部放電的測(cè)量頻率。同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)安裝方便，檢測(cè)設(shè)備不改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，對(duì)于三相局部放電信號(hào)的總合無法進(jìn)行分辨，而且信號(hào)易受外界干擾。但隨著數(shù)字化濾波技術(shù)的發(fā)展，射頻檢測(cè)法在局部放電在線檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.6 光測(cè)法

它是用局部放電產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行的。在變壓器油中，各種放電發(fā)出的光波長(zhǎng)不同。研究表明，通常在500～700mm之間。光電轉(zhuǎn)換后通過檢測(cè)光電流特性，可以實(shí)現(xiàn)局部放電的識(shí)別。雖然，在實(shí)驗(yàn)室中利用光測(cè)法來分析局部放電特征及絕緣劣化機(jī)理等方面取得了很大進(jìn)展，但由于光測(cè)法設(shè)備復(fù)雜昂貴，靈敏度低，且需要被檢測(cè)物質(zhì)對(duì)光來說是透明的，因而不可能在實(shí)際中得以廣泛應(yīng)用。

對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗(yàn)是電氣設(shè)備制造和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要預(yù)防性試驗(yàn)。局部放電如果長(zhǎng)期存在，會(huì)加速設(shè)備老化，在一定條件下甚至?xí)斐山^緣破壞，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行。超聲波檢測(cè)法作為一種非電量測(cè)量法，有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文的主要內(nèi)容是基于壓電傳感器的高壓電氣設(shè)備局部放電信號(hào)的超聲波檢測(cè)方法研究，主要涉及了高電壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)以及硬件電路設(shè)計(jì)等方面的相關(guān)知識(shí)。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(diǎn)及使用方法；在此基礎(chǔ)上完成了高壓電氣設(shè)備局部放電信號(hào)的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[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(cè)量系統(tǒng)，電壓技術(shù)，2001年.

（作者單位：遼河油田建設(shè)有限公司）