開關(guān)柜局放的超聲波及地電波檢測技術(shù)研究

李路培 楊萬里 周健

（紀(jì)年科技股份有限公司，河南 許昌 461000）

絕緣技術(shù)是電力系統(tǒng)高壓一次設(shè)備的基本技術(shù)問題之一。為了確保高壓導(dǎo)體與地面之間具有足夠的絕緣強(qiáng)度，可以分別選擇空氣，絕緣油和SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。絕緣設(shè)備處理過程質(zhì)量的好壞或在運(yùn)行過程中環(huán)境的潮濕和老化會(huì)影響設(shè)備的整體壽命。部分放電是這種問題的跡象。因此，進(jìn)行帶電局部放電的實(shí)時(shí)檢測，有利于掌握設(shè)備的絕緣狀態(tài)，消除了潛在的萌芽事故。

一、暫態(tài)地電壓檢測技術(shù)基本原理

（一）暫態(tài)地電波產(chǎn)生機(jī)理。當(dāng)配電設(shè)備中發(fā)生局部放電時(shí)，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(shè)備的機(jī)柜,并在非帶電體上產(chǎn)生高頻電流行波,并以光速向各個(gè)方向快速傳播。由于集膚效應(yīng)，電流行進(jìn)波通常集中在金屬柜的內(nèi)表面上,并且不會(huì)直接穿透金屬柜。然而，當(dāng)電流行波遇到不連續(xù)的金屬斷開或絕緣連接時(shí),電流行波將從金屬柜的內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面,并以電磁波的形式傳播到自由空間,并產(chǎn)生瞬態(tài)金屬機(jī)柜外表面上的接地電壓,可以通過特殊設(shè)計(jì)的瞬態(tài)接地電壓傳感器進(jìn)行檢測。

由于配電設(shè)備柜體存在電阻，局部放電產(chǎn)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(chǎn)生的暫態(tài)地電壓也就不僅與局部放電量有關(guān)，還會(huì)受到放電位置、傳播途徑以及箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和金屬斷口大小的影響。因此，暫態(tài)地電壓信號(hào)的強(qiáng)弱雖與局部放電量呈正比，但比例關(guān)系卻復(fù)雜、多變且難以預(yù)見，也就無法根據(jù)暫態(tài)地電壓信號(hào)的測量結(jié)果定量推算出局部放電量的多少。

暫態(tài)地電壓傳感器類似于傳統(tǒng)的RF耦合電容器，其殼體兼做絕緣和保護(hù)雙重功能。當(dāng)金屬柜體外表面出現(xiàn)快速變化的暫態(tài)地電壓信號(hào)時(shí)，傳感器內(nèi)置的金屬極板上就會(huì)感生出高頻脈沖電流信號(hào)，此電流信號(hào)經(jīng)電子電路處理后即可得到局部放電的強(qiáng)度。

如果在配電設(shè)備柜體表面同時(shí)放置兩只暫態(tài)地電壓傳感器，則局部放電源發(fā)出的電磁波脈沖經(jīng)過不同的路徑先后傳播到兩只暫態(tài)地電壓傳感器，儀器通過比較或者測量電磁脈沖到達(dá)兩只傳感器的時(shí)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(tài)地電壓檢測的量度指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜局部放電嚴(yán)重程度的帶電檢測，并考慮間接法檢測的實(shí)際特點(diǎn)和檢測設(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，其指標(biāo)體系經(jīng)常采用無線電電子學(xué)的測量單位，最經(jīng)常使用的單位主要有dBmV、dBμV和 dBm。

（三）暫態(tài)地電壓傳感器的工作原理。暫態(tài)地電壓傳感器本質(zhì)上是一個(gè)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(dāng)耦合電容器的絕緣材料，二是對(duì)傳感器本體起保護(hù)和支撐作用。現(xiàn)場測量時(shí)，暫態(tài)地電壓傳感器緊密垂直地抵觸在開關(guān)柜金屬柜體表面。此時(shí)裸露的金屬柜體可看作耦合電容器的一個(gè)極板，而暫態(tài)地電壓傳感器則可看作耦合電容器的另一個(gè)極板，中間的填充物則為絕緣塑料。

對(duì)于由金屬柜體、絕緣材料和暫態(tài)地電壓傳感器構(gòu)成的耦合電容器來說，金屬柜體表面出現(xiàn)的任何電荷變化均會(huì)在暫態(tài)地電壓傳感器的金屬盤上感應(yīng)出同樣數(shù)量的電荷變化，并形成一定的高頻感應(yīng)電流。該高頻電流經(jīng)引出線輸入到檢測儀器內(nèi)部并經(jīng)檢測阻抗轉(zhuǎn)換為與放電強(qiáng)度成正比的高頻電壓信號(hào)。經(jīng)檢測儀器處理后，則可得到開關(guān)柜局部放電的放電強(qiáng)度、放電頻度等特征參數(shù)。

二、超聲波檢測技術(shù)基本原理

（一）超聲波檢測產(chǎn)生機(jī)理。聲波是一種能夠在固體、液體和氣體中傳播的機(jī)械振動(dòng)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(jī)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(yīng)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(yīng)。一方面當(dāng)外施電壓作用于壓電材料時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致壓電材料發(fā)生隨電壓和頻率而變化的機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)外部振引起壓電材料機(jī)械變形時(shí)，也會(huì)在其兩端產(chǎn)生電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。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(hào)，也可以用于產(chǎn)生超聲波信號(hào)。

電氣設(shè)備狀態(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大差別，技術(shù)性能、應(yīng)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(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是一個(gè)喇叭形諧振器以及由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的結(jié)合體。諧振器設(shè)計(jì)為喇叭形的目的是有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，或者有效地使收集到的超聲波信號(hào)聚集在振動(dòng)器的中央部位。金屬盒體部分對(duì)傳感器本體起保護(hù)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(hào)。由于諧振器設(shè)計(jì)為能夠與特定頻率的超聲波信號(hào)產(chǎn)生諧振，因此能夠有效地耦合特定成分的超聲波信號(hào)并抑制其它頻帶的干擾。

三、結(jié)語

狀態(tài)評(píng)價(jià)的目的，是在掌握設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備的健康狀況做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，以便制定合理的停電及檢修計(jì)劃，因此帶電檢測作為一種掌握設(shè)備狀態(tài)的手段，在實(shí)施過程中應(yīng)達(dá)到對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定性、定量和定位的目標(biāo)。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(fā)生的部位，三者缺一不可。