基于超聲波技術(shù)的絕緣子污穢放電檢測(cè)方法

1、基于超聲波技術(shù)的絕緣子污穢放電檢測(cè)方法    摘要:通過(guò)絕緣子污穢放電的產(chǎn)生機(jī)理及放電過(guò)程中聲發(fā)射現(xiàn)象的研究,對(duì)絕緣子污穢放電過(guò)程中所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)分析,提出基于超聲波技術(shù)的絕緣子污穢放電檢測(cè)方法,并設(shè)計(jì)一種能夠?qū)^緣子污穢放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的特殊傳感器。根據(jù)傳感器檢測(cè)到的超聲波信號(hào)的變化來(lái)判斷污穢放電是否存在,放電的嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì),最終實(shí)現(xiàn)絕緣子污穢放電的帶電檢測(cè)和預(yù)警。關(guān)鍵詞:絕緣子;污穢放電;超聲波;帶電檢測(cè)0引言絕緣子廣泛應(yīng)用于輸電線路中,在長(zhǎng)期運(yùn)行中,因空氣污染、粉塵等原因,導(dǎo)致絕緣子表面污染程度加大,最終絕緣劣化,電

2、氣絕緣強(qiáng)度降低,甚至發(fā)生閃絡(luò)。測(cè)試絕緣子的污穢放電特征是目前預(yù)防電氣設(shè)備故障的一種好方法。長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)絕緣子污穢放電主要是采取預(yù)防性試驗(yàn),或是設(shè)備在發(fā)生故障后才做相關(guān)的試驗(yàn),這就存在以下兩個(gè)問(wèn)題。a)這些試驗(yàn)均是在停電狀況下進(jìn)行的,試驗(yàn)結(jié)果不能反映真實(shí)的運(yùn)行狀況。b)試驗(yàn)電壓可能較高,這可能會(huì)對(duì)絕緣子造成損傷。預(yù)防性試驗(yàn)周期的時(shí)間間隔可能較長(zhǎng),很難發(fā)現(xiàn)在兩次預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)間間隔之間發(fā)展的缺陷,這都容易造成絕緣不良事故?，F(xiàn)場(chǎng)絕緣子進(jìn)行表面放電測(cè)量較為困難,且費(fèi)用較高,停電對(duì)輸電線路進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。1絕緣子污穢放電絕緣子污穢是在運(yùn)行過(guò)程中逐漸積累形成的,空氣中一些顆粒較大的污穢,在風(fēng)力、重

3、力、電場(chǎng)力的作用下會(huì)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(xiàn)象十分嚴(yán)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(dǎo)電的,只有在污層受潮使電解質(zhì)電離的條件下,才能形成導(dǎo)電膜,因此,污層的濕潤(rùn)也是污穢放電的關(guān)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(guān)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(pán)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(yuǎn)比濕區(qū)大,因此改變了絕緣子的電壓分布,整個(gè)絕緣子上的電壓幾乎全部集中在干區(qū)上,產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度很大,形成了局部放電的條件。干區(qū)出現(xiàn)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(rùn)的氣候條件持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),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(shí),就會(huì)產(chǎn)生污穢放電,最終發(fā)展成閃絡(luò)。對(duì)絕緣子產(chǎn)生極大的危害。2絕緣子污穢放電的聲發(fā)射現(xiàn)象從能量的角度來(lái)看,放電是一個(gè)能量瞬時(shí)爆發(fā)的過(guò)程,是電能以聲能、光能、熱能、電磁能等形式釋放出去的過(guò)程。在空氣間隙中發(fā)生電氣擊穿時(shí),放電瞬時(shí)完成,其電能瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致放電中心氣體的膨脹,這種瞬時(shí)膨脹的結(jié)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(nèi)的氣體被加熱,形成一個(gè)等溫區(qū),其溫度高于環(huán)境溫度當(dāng)這些氣體冷卻時(shí),氣體

5、又開(kāi)始收縮,收縮的結(jié)果就是較低頻率和強(qiáng)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(dòng)頻率大于20 kHz以上的,人在自然環(huán)境下無(wú)法聽(tīng)到和感受到的聲波。由于每次放電的時(shí)間很短,因此,它產(chǎn)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(hào)能夠被人耳聽(tīng)到,而高于這一頻率的超聲波信號(hào)必須用聲傳感器才能接收到。由于高頻超聲信號(hào)在空氣中衰減很大,而且聲波信號(hào)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(cè)到污穢放電所產(chǎn)生的超聲波1。3絕緣子污穢放電超聲波檢測(cè)原理絕緣子污穢放電期間,超聲波發(fā)射信號(hào)由弱到強(qiáng),該信號(hào)可看成點(diǎn)聲源,在空氣

6、介質(zhì)中以球面波的形式向外傳播,該超聲波信號(hào)的能力必然是污穢放電所釋放能量的一部分,文獻(xiàn)2認(rèn)為聲能與放電釋放的能量之間是成比例的,文獻(xiàn)3也以實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn),雖然在實(shí)際中,各種因素的影響會(huì)使這個(gè)比例不確定,但從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)看,二者之間的比例關(guān)系是確定的。因此,通過(guò)檢測(cè)絕緣子污穢放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)的特征,可以判斷污穢放電的強(qiáng)度以及對(duì)絕緣子危害的大小,就可以在污穢程度較輕時(shí),或僅出現(xiàn)微弱的放電時(shí),發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(cè)技術(shù)檢測(cè)放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)的大小,并利用外差技術(shù)(Heterodyning),將被接收的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成耳朵可聽(tīng)見(jiàn)的聲音信號(hào)(如有污穢放電

7、現(xiàn)象,可以在耳機(jī)中聽(tīng)到爆裂的聲音),使用者通過(guò)分析耳機(jī)中傳來(lái)的放電聲音以及所檢測(cè)到超聲波的大小來(lái)判斷絕緣子是否存在表面放電現(xiàn)象。外差法原理就像是收音機(jī),可將信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成聲音,讓人們?nèi)菀妆嬲J(rèn)及了解。傳感器接收到超聲波信號(hào),經(jīng)過(guò)主機(jī)選頻后,選出要接收的超聲波信號(hào);同時(shí),在主機(jī)中,有一個(gè)本地振蕩器,產(chǎn)生一個(gè)跟接收頻率差不多的本振信號(hào),它跟接收信號(hào)混頻,產(chǎn)生差頻,這個(gè)差頻就是中頻信號(hào)。中頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)中頻選頻放大,然后再檢波,就得到了原來(lái)的音頻信號(hào)。音頻信號(hào)通過(guò)功率放大之后,就可送至耳機(jī)發(fā)聲了。4超聲波信號(hào)檢測(cè)裝置超聲波信號(hào)檢測(cè)裝置原理框圖及結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。超聲波傳感器是聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置的重

8、要元件,其作用是拾取污穢放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。傳感器為了與空氣較好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,采用了彎曲振動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng),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(chǎn)生的聲波信號(hào)頻率范圍很寬,但聲波信號(hào)的能量集中在3050 kHz的頻率范圍,且高頻段聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)的衰減很大,聲波傳感器難以監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)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(hào)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(shù),為了獲得更高的靈敏度,在濾波電路后,又增加了一級(jí)由運(yùn)算放大器構(gòu)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(hào)經(jīng)外差電路后輸出頻率為10 kHz左右可聞聲音信號(hào),通過(guò)耳機(jī)直接監(jiān)聽(tīng)到放電的強(qiáng)弱。5現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析利用超聲波信號(hào)檢測(cè)裝置,選取了山西省電力公司重點(diǎn)關(guān)注的某些輸電線路桿塔上的絕緣子進(jìn)行了污穢放電測(cè)試工作,測(cè)試結(jié)果如表1所示。比較現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與電

10、力公司的檢修結(jié)果,兩者基本一致。6結(jié)論超聲波信號(hào)可以反映出絕緣子是否發(fā)生了污穢放電,根據(jù)聲波信號(hào)的變化可以判斷污穢放電的發(fā)展趨勢(shì),因此,可以實(shí)現(xiàn)絕緣子污穢放電的檢測(cè)和預(yù)警。基于聲發(fā)射技術(shù)的絕緣子污穢放電監(jiān)測(cè)方法是非接觸測(cè)量,與絕緣子沒(méi)有電氣上的接觸,工作人員無(wú)需登高登塔,也無(wú)需對(duì)絕緣子進(jìn)行改造,操作簡(jiǎn)單方便,監(jiān)測(cè)裝置體積小、重量輕、攜帶方便,適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。參考文獻(xiàn):1李明,舒乃秋.基于聲發(fā)射技術(shù)的絕緣子污穢放電監(jiān)測(cè)J.電力自動(dòng)化設(shè)備, 2004, 24 (6): 98100.2LUNDGAARD L E. Acoustic partial discharge detectionpractical application J. IEEE Electrical I