基于超聲波技術的絕緣子污穢放電檢測方法

1、基于超聲波技術的絕緣子污穢放電檢測方法    摘要:通過絕緣子污穢放電的產生機理及放電過程中聲發(fā)射現象的研究,對絕緣子污穢放電過程中所產生的超聲波信號進行系統(tǒng)分析,提出基于超聲波技術的絕緣子污穢放電檢測方法,并設計一種能夠對絕緣子污穢放電所產生的超聲波信號進行檢測的特殊傳感器。根據傳感器檢測到的超聲波信號的變化來判斷污穢放電是否存在,放電的嚴重程度及發(fā)展趨勢,最終實現絕緣子污穢放電的帶電檢測和預警。關鍵詞:絕緣子;污穢放電;超聲波;帶電檢測0引言絕緣子廣泛應用于輸電線路中,在長期運行中,因空氣污染、粉塵等原因,導致絕緣子表面污染程度加大,最終絕緣劣化,電

2、氣絕緣強度降低,甚至發(fā)生閃絡。測試絕緣子的污穢放電特征是目前預防電氣設備故障的一種好方法。長期以來,對絕緣子污穢放電主要是采取預防性試驗,或是設備在發(fā)生故障后才做相關的試驗,這就存在以下兩個問題。a)這些試驗均是在停電狀況下進行的,試驗結果不能反映真實的運行狀況。b)試驗電壓可能較高,這可能會對絕緣子造成損傷。預防性試驗周期的時間間隔可能較長,很難發(fā)現在兩次預防性試驗時間間隔之間發(fā)展的缺陷,這都容易造成絕緣不良事故?，F場絕緣子進行表面放電測量較為困難,且費用較高,停電對輸電線路進行預防性試驗是不現實的。1絕緣子污穢放電絕緣子污穢是在運行過程中逐漸積累形成的,空氣中一些顆粒較大的污穢,在風力、重

3、力、電場力的作用下會沉積在絕緣子表面,形成絕緣子污穢,尤其在一些大型工礦企業(yè)、化工廠附近,絕緣子污穢現象十分嚴重。從大氣中沉積到絕緣子表面的污穢物在干燥狀態(tài)下大部分是不導電的,只有在污層受潮使電解質電離的條件下,才能形成導電膜,因此,污層的濕潤也是污穢放電的關鍵因素。由于污穢沿絕緣子表面分布的不均勻,以及絕緣子形狀的關系,絕緣子表面各處泄漏電流密度是不同的。在電流密度較大的部位,如盤型懸式絕緣子的鋼腳、鋼帽附近,發(fā)熱較大,污層可能被烘干,形成干區(qū)。干區(qū)的電阻遠比濕區(qū)大,因此改變了絕緣子的電壓分布,整個絕緣子上的電壓幾乎全部集中在干區(qū)上,產生的電場強度很大,形成了局部放電的條件。干區(qū)出現后,雖然

4、絕緣子表面平均電位梯度不高,但在干區(qū)上的電位梯度足以使空氣發(fā)生局部放電。如果濕潤的氣候條件持續(xù)時間較長,污層繼續(xù)受潮,泄漏電流繼續(xù)增大,使得干區(qū)上的電壓增大到一定程度時,就會產生污穢放電,最終發(fā)展成閃絡。對絕緣子產生極大的危害。2絕緣子污穢放電的聲發(fā)射現象從能量的角度來看,放電是一個能量瞬時爆發(fā)的過程,是電能以聲能、光能、熱能、電磁能等形式釋放出去的過程。在空氣間隙中發(fā)生電氣擊穿時,放電瞬時完成,其電能瞬時轉化為熱能導致放電中心氣體的膨脹,這種瞬時膨脹的結果以聲波的形式傳播出去,就是最初的聲源。隨著最初的聲波傳播,傳播區(qū)域內的氣體被加熱,形成一個等溫區(qū),其溫度高于環(huán)境溫度當這些氣體冷卻時,氣體

5、又開始收縮,收縮的結果就是較低頻率和強度的后續(xù)波,它可以是可聞聲波或超聲波。超聲波是指振動頻率大于20 kHz以上的,人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波。由于每次放電的時間很短,因此,它產生的聲波的頻譜很寬,可以從幾十Hz到幾MHz,其中頻率低于20 kHz的信號能夠被人耳聽到,而高于這一頻率的超聲波信號必須用聲傳感器才能接收到。由于高頻超聲信號在空氣中衰減很大,而且聲波信號能量主要集中在3050 kHz,因此選用中心頻率為40 kHz左右的超聲傳感器可以更好地檢測到污穢放電所產生的超聲波1。3絕緣子污穢放電超聲波檢測原理絕緣子污穢放電期間,超聲波發(fā)射信號由弱到強,該信號可看成點聲源,在空氣

6、介質中以球面波的形式向外傳播,該超聲波信號的能力必然是污穢放電所釋放能量的一部分,文獻2認為聲能與放電釋放的能量之間是成比例的,文獻3也以實驗證明了這一點,雖然在實際中,各種因素的影響會使這個比例不確定,但從統(tǒng)計的角度來看,二者之間的比例關系是確定的。因此,通過檢測絕緣子污穢放電所產生的超聲波信號的特征,可以判斷污穢放電的強度以及對絕緣子危害的大小,就可以在污穢程度較輕時,或僅出現微弱的放電時,發(fā)現問題并采取措施,避免更大的損失。絕緣子污穢放電超聲波檢測技術檢測放電所產生的超聲波信號的大小,并利用外差技術(Heterodyning),將被接收的超聲波信號轉換成耳朵可聽見的聲音信號(如有污穢放電

7、現象,可以在耳機中聽到爆裂的聲音),使用者通過分析耳機中傳來的放電聲音以及所檢測到超聲波的大小來判斷絕緣子是否存在表面放電現象。外差法原理就像是收音機,可將信號準確地轉換成聲音,讓人們容易辨認及了解。傳感器接收到超聲波信號,經過主機選頻后,選出要接收的超聲波信號;同時,在主機中,有一個本地振蕩器,產生一個跟接收頻率差不多的本振信號,它跟接收信號混頻,產生差頻,這個差頻就是中頻信號。中頻信號再經過中頻選頻放大,然后再檢波,就得到了原來的音頻信號。音頻信號通過功率放大之后,就可送至耳機發(fā)聲了。4超聲波信號檢測裝置超聲波信號檢測裝置原理框圖及結構如圖1、圖2所示。超聲波傳感器是聲發(fā)射信號監(jiān)測裝置的重

8、要元件,其作用是拾取污穢放電所產生的超聲波信號并將聲信號轉換為電子信號。傳感器為了與空氣較好地實現阻抗匹配,采用了彎曲振動方式,具有較高的靈敏度和很小的尺寸。壓電陶瓷晶片和阻尼匹配金屬圓片組成阻尼匹配振動組件,自振頻率較高的壓電陶瓷晶片與金屬圓片膠粘在一起,形成一個整體。由于金屬片的阻尼作用,使壓電元件在受迫情況下做阻尼彎曲振動,推向錐使得聲能集中于晶片的中心,可提高接收靈敏度。污穢放電所產生的聲波信號頻率范圍很寬,但聲波信號的能量集中在3050 kHz的頻率范圍,且高頻段聲波信號在空氣中傳播時的衰減很大,聲波傳感器難以監(jiān)測到4。因此,選擇聲波傳感器的頻率約為40 kHz,靈敏度為-65 dB

9、。由于聲波傳感器的轉換元件是壓電陶瓷晶片,所以傳感器具有很高的輸出阻抗,為使信號有效地傳輸,前置放大器的輸入阻抗要足夠大。聲波傳感器裝置的前置放大電路選用精密儀用放大器,不僅具有高輸入阻抗,而且具有低噪聲系數,為了獲得更高的靈敏度,在濾波電路后,又增加了一級由運算放大器構成的放大電路。濾波器采用三階切比雪夫帶通濾波器,中心頻率40 kHz,濾波后的信號經外差電路后輸出頻率為10 kHz左右可聞聲音信號,通過耳機直接監(jiān)聽到放電的強弱。5現場測試及結果分析利用超聲波信號檢測裝置,選取了山西省電力公司重點關注的某些輸電線路桿塔上的絕緣子進行了污穢放電測試工作,測試結果如表1所示。比較現場檢測結果與電

10、力公司的檢修結果,兩者基本一致。6結論超聲波信號可以反映出絕緣子是否發(fā)生了污穢放電,根據聲波信號的變化可以判斷污穢放電的發(fā)展趨勢,因此,可以實現絕緣子污穢放電的檢測和預警?；诼暟l(fā)射技術的絕緣子污穢放電監(jiān)測方法是非接觸測量,與絕緣子沒有電氣上的接觸,工作人員無需登高登塔,也無需對絕緣子進行改造,操作簡單方便,監(jiān)測裝置體積小、重量輕、攜帶方便,適用于現場作業(yè)。參考文獻:1李明,舒乃秋.基于聲發(fā)射技術的絕緣子污穢放電監(jiān)測J.電力自動化設備, 2004, 24 (6): 98100.2LUNDGAARD L E. Acoustic partial discharge detectionpractical application J. IEEE Electrical I