高压设备局放超声检测的信号增益研究

王永强, 夏添, 周龙兴

(贵州电网有限责任公司 遵义桐梓供电局，贵阳 563200)

0 引言

高压设备在使用过程中会存在局部放电现象，这一现象对高压设备和整个电网都会产生一定程度的不良影响，例如设备损伤和报废、电网瘫痪等[1-2]。通过对处于绝缘状态下的高压设备进行非接触式快速扫面巡检，捕捉其放电信号，从而实现对其局部放电的监测[3-4]。这一监测方法能够实现对高压设备运转情况的实时监控，从而及时发现设备的故障，有利于及时采取有效方案进行维护，是一种保障高压设备和整个电网系统安全运转的有效手段。据不同的检测原理，可将目前常见的高压设备局部放电检测方法分为绝缘油溶解气体分析法、无线电干扰电压法、脉冲电流法、化学检测法、红外检测法和超声波检测法等[5-9]。其中红外检测法是对局部放电时产生的热量进行检测，超声波检测法是对局部放电时产生的超声波信号进行检测，这两种方法实施较为简单，近年来受到越来越广泛的关注[10-12]。

高压设备的局部放电现象主要由电弧、电痕和电晕3种方式，其中电弧和较为严重的电痕会同时产生超声波信号和较高热量，因此用超声波检测器和红外检测器均可进行检测；但轻微的电痕和电晕只会产生超声波信号，不会产生热量，无法利用红外检测法进行检测；另外，当高压设备内部发生局部放电现象时，热量无法传递到外界，亦无法利用红外检测法进行检测。因此，与红外检测法相比，超声波检测法的应用更为广泛。超声波探测器是利用超声波传感器对设备局部放电产生的声波信号进行采集并传输至计算机。通过计算机对所收集的信号进行处理，并对其故障类型和等级进行分析后，最后输出检测结果。该方案能够在不对设备进行停电的情况下对故障进行检测，而且还可以有效避免机械振动所产生的声波干扰，在提高工作人员工作效率的同时又能够高度保障其人身安全，是一种高效、准确、安全的检测方法。

不过高压设备局部放电现象所产生的能量不到总能量的1%，而且在传递过程中还会出现自身能量衰减，或被其他物质吸收、反射，因此超声探头能接收到的能量更加微小。为了保证超声波探测器的灵敏度，我们设计了一种声波信号放大装置，将其加入到超声波探测器中可以有效提高探测器所接收到的声波信号。

1 检测器工作原理

本文所设计的超声波检测器的结构示意图，如图1所示。

图1 超声波检测器结构示意图

本方案采用声电联用检测方案。检测器的超声接收探头接收到高压设备局部放电产生的声波信号后，经检波器前端的前置放大设备对声波信号进行放大，然后传输至信号处理器；电信号检测器收集的电信号也传输到信号处理器。信号处理器对声波信号和电磁信号进行处理后输出脉冲，并在显示器显示处理结果。由于声波信号和电磁信号的传播速度不同，可利用两个信号之间的时间差对局部放电的位置进行定位。

2 天线的声波信号增益效果

如图2所示。

图2 抛物面型天线示意图

本文所设计的超声波信号探测器中的超声接收天线为抛物面型天线，抛物面的焦点处于F点。当天线接收到声波信号后，天线的抛物面接收到的所有信号均将反射至抛物面焦点F点处。而抛物面的开口θ和口径R则在很大程度上影响着天线的有效反射面积，从而影响信号的采集效果。

在本方案中天线口径为550 mm，焦距为30 mm，天线抛物面的焦轴即为Z轴。当在原点发射频率为40 Hz的脉冲，在120 mm×120 mm×120 mm的接收空间内移动超声探头，并对接收信号的幅值进行记录。实验结果表明，在未使用天线时，信号处理器所接收到的信号峰值约为50 mV左右；而当加入抛物面型天线后，将超声探头在天线的焦轴上(即图2中的Z轴)前后移动，当超声探头处于焦点前方或后方10-20 mm时，信号处理器所接收到的信号峰值为53-57 mV，与未安装天线时所接收到的信号峰值相比略有增加，但增益不明显；当超声探头处于焦点时，信号处理器所接收到的信号峰值明显增强，高达500 mV，与未安装天线时所接收到的信号峰值相比，增益高达10倍。这是由于抛物面所接收到的信号经反射后均聚焦于焦点(F点)处，并且由焦点到抛物面各点的路径相等，因此增益效果明显。不同接收点的声波信号增益效果如表1所示。

表1 不同接收点的声波信号增益效果

3 声波信号放大器的增益效果

声波放大器对声波信号的放大倍数受到频率等因素的制约，所以在实际操作过程中的放大倍数和理论值之间有所差距。为了提高声波信号放大器对声波信号放大的准确性，需要对放大器的增益效果进行测试。由于局放超声波检测中使用中心频频为40 kHz超声波接收探头，我们以FG-513A函数信号发生器产生的40 kHz的正弦波对前置放大电路的实际增益进行了测试。另外，FG-513A函数信号发生器产生的信号幅值较大，但高压设备局部放电所产生的信号为微弱信号，本文在放大器前端加载了一个信号衰减模块，结构,如图3所示。

图3 信号衰减模块结构

声波信号经过电阻R1(1 MΩ)和R2(10 kΩ)衰减后再传输至信号放大器，利用示波器分别检测到输入信号uil和放大后的增益信号uo的峰值。利用公式1可计算出放大器的直接输入信号ui,如式(1)

×ui1

(1)

实验所测得的输入信号uil和放大后的增益信号uo的峰值以及利用公式所计算的ui的峰值如表2所示。

利用公式所计算的ui的峰值对uo的值作图，并进行线性拟合，结果如图4所示。

图中直线的斜率即为声波信号放大器的放大倍数，约为2.21倍。另外，该声波放大器的增益效果较为稳定，实验所测试的18组数据之间的标准差仅为0.003 69。因此将天线与声波放大器联用时，可将信号放大22.1倍左右。

表2 输入信号uil、增益信号uo及直接输入信号ui数值

图4 声波信号放大器的增益

4 总结

本文设计一种抛物面型天线与声波放大器联用的声波放大装置。与未使用天线时信号处理器所接收到的信号峰值相比，将超声探头置于天线的焦点处，信号处理器所接收到的声波信号峰值约增加了10倍；而当在加入声波放大器后，信号处理器所接受到声波信号峰值约增加了2.21倍。因此当在超声波探测器中同时使用抛物面型天线和声波放大器时，可以将超声探头所接收到的的超声波信号放大22.1倍左右。