电气设备局部放电的超声波检测的研究
摘要：近年来，国家电力工业迅速发展，国家电网规模不断扩大，电压等级也在不断地提高，同时也对电气设备的运行提出了较高要求，基于此，本文针对电气设备局部放电的超声波检测进行了详细研究。首先从超声波检测原理和超声波检测系统两个方面分析超声波检测技术，然后通过具体的实验，得出实验结果，从而明确电气设备局部放电中的超声波检测技术特点，以此确定有效检测电气设备局部放电的手段。
关键词：超声波检测原理；局部放電；声波分量；压电传感器
局部放电会对电气设备造成不良影响，如果长期存在局部放电，那么电气设备的老化速度就会加快，因此必须要定期对电气设备进行局部放电实验，以此保证设备的正常运行。通过局部放电实验确定检测电气设备局部放电的有效技术，也能够了解设备的绝缘状况。而在电气设备局部放电时，会产生电脉冲、超声波、局部过热等情况，因此出现了多种不同的检测方法，而本文主要针对超声波检测方法进行分析。
一、电气设备局部放电的超声波检测原理和系统分析
（一）超声波检测原理
造成电气设备出现局部放电的原因是因为绝缘故障，所以当发生局部放电时，区域内的分子会形成剧烈的撞击，同时介质也会受到影响，发生瞬时体积改变的情况，还会产生反射和折射现象，在分子介质等因素下，从宏观上产生一定的脉冲压力波，超声波就是其中的声波分量之一。[1]如果此时在设备外部安装相应的声电转换器，就可以将声音信号转化为电信号，从而将声音信号转变为电信号，经过相应的处理后，就可以得到局部放电信息的特征量。在常见的设备局部放电实验中，超声波检测方法不会受到电气干扰，也可以实现远距离无线测量，和其他几种传统检测方法相比，具有着无法替代的优点，不仅如此，超声波检测在检测大容量电容器时，灵敏度较高，甚至高于电脉冲法。
（二）超声波检测系统
超声波系统中包括了压电传感器、前置仪表放大、滤波电路、数字存储示波器、主放大电路等部分，在完成具体的检测后，得到的检测结果就会输入到计算机中进行处理。在超声波检测系统中可以将压电传感器转换为超声波换能器，利用该超声波换能器将超声信号转换为电信号，需要注意的是检测系统中的核心部位为进口镀膜压电晶片，以此将频率误差控制在最小范围内。而在外部结构中采用了多层阻抗匹配、被衬材料，以此提高信号接收灵敏度，保证换能器的稳定性，在对电气设备局部放电的超声波信号进行频谱分析后，发现局部放电信号能量一般集中在40～200kHz频率内。因此，本文选择了两种不同的传感器型号进行检测，分别为40kHz和50kHz频率，宽带约为2kHz。
二、电气设备局部放电的超声波检测实验结果及分析
为了进一步验证电气设备局部放电的超声波检测的有效性，在实际应用过程中，分别针对低压放电（<100V）和高压放电（>20kV）两个方面展开具体的分析。首先以低压放电检测为例，根据实际的结可以看出，随着检测距离逐渐加大，信号的幅值得到全面的减小，可以说是原有的一半比例，将信号幅值和声信号进行转换，以此可以得到超声波在空气中的传播，根据声信号能量和信号幅值平方之间的正比例关系，可知信号强弱和放电源距离平方属于反比例关系。在此基础上，分别针对40kHz～50kHz频率的传感器进行分析，可以发现50kHz频率监测到幅值小于40kHz频率。但是需要注意的是，超声波信号传输过程中穿透障碍物和金属物的能力相对较差，如果障碍物的体积、厚度等相对较大，就要使用强放电源重新进行检测。下图为40kHz传感器在强放电源4m处的检测结果，根据40kHz传感器在弱放电源和强放电源4m处的检测结果可知，当放电强度发生变化后，检测到的信号幅值发生了变化，强放电源的信号传播距离更远，幅值更大，但是二者持续的时间相同，且衰减过程也较为相似，时间只有1ms。最后选择构造极为简单的压电传感器进行测量，虽然传感器体积减小，灵敏度相对提高，但是因为压电晶片直接暴露在空气中，导致传感器的抗干扰能力下降，适用范围也受到了一定的限制。[2]由此可知，压电传感器中心频率越小、体积越大，超声波检测的有效距离就会随之提高，并且对信号方向极为敏感，但随着偏移角度的增加，信号也会迅速减小，因此必须要有效调整传感器可以接收信号的角度。此外，当电器设备出现局部放电时，会产生近40kHz频率分量的超声波信号，而且信号从开始到消失经历的时间并不确定，也不会因为其他因素而发生改变，因此在使用超声波对电气设备局部放电进行分析时，必须要注意以上几点问题，以此保证检测结果的准确性。
三、总结
综上所述，如果电气设备中长期存在局部放电问题，会对设备的使用寿命造成严重的影响，严重的情况下还会造成绝缘破坏，继而影响到设备的正常运行。通过本文对超声波检测法的分析，作为一种独特的非电量测量法，其中融合了高电压技术、传感器技术、电子测量技术等知识，因此超声波信号的传播较为复杂，但是利用这种检测方式可以对不同放电点进行在线监测，保证电气设备的安全运行，延长使用寿命。
参考文献：
[1]肖英伟，冯迎春，冯海清，等.电气设备局部放电的超声波检测方法研究[J].工程技术：文摘版，2016（1）：00120.
[2]吴一帆，魏震，张琪，等.SF6气体绝缘电气设备局部放电超声波检测与应用[J].通讯世界，2016（23）：170171.
作者简介：莫志鹏（1989），男，汉族，江苏宜兴人，本科，助理工程师，电气工程及其自动化，毕业于南京航空航天大学。
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