電氣設(shè)備局部放電的超聲波檢測(cè)方法分析

1、電氣設(shè)備局部放電的超聲波檢測(cè)方法分析    關(guān)鍵詞:超聲波檢測(cè);局部放電;電氣設(shè)備 1 引言 目前超聲波檢測(cè)局部放電的研究工作主要集中在定位方面,原因是與電測(cè)法相比,超聲波的傳播速度較慢,對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的速度與精度要求較低。在利用超聲波進(jìn)行局部放電的放電量的大小確定和模式識(shí)別方面的工作相對(duì)較少,提出了利用頻譜識(shí)別局部放電模式的新方法,其研究也取得了一些新成果。近幾年以來(lái),還出現(xiàn)了一種把超聲波法與射頻電磁波法(包括射頻法和超高頻法)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行局放定位的趨勢(shì)。在澳大利業(yè)的西門子研究機(jī)構(gòu)使用局部放電產(chǎn)生的超聲波和射頻電磁波聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)變壓器中的局部放電活動(dòng)。

2、其關(guān)鍵依據(jù)是:超聲波和電磁波在變壓器介質(zhì)中的傳播速度是不一致的,因而可以測(cè)量?jī)煞N波到達(dá)傳感器的時(shí)間間隔。國(guó)內(nèi)方面,西安交通大學(xué)提出了一種基于超高頻和超聲波的相控接收陣的局放電定位法,利用分別檢測(cè)超高頻和超聲波信號(hào)的相控接收陣構(gòu)成平面?zhèn)鞲衅?接收到的超高頻信號(hào)為時(shí)間基準(zhǔn),進(jìn)而得到超聲波的傳輸時(shí)延,這樣可計(jì)算出局放電點(diǎn)與超聲波傳感器間的距離,再根據(jù)相控陣掃描的方位角和仰角就得出放電的空間幾何位置。 2 局部放電的種類及特點(diǎn) 2.1 電暈放電 電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式,是極不均勻電場(chǎng)的特征之一。電力系統(tǒng)中所遇到的絕緣結(jié)構(gòu)大多是不均勻的,不均勻電場(chǎng)的形式很多,絕大多數(shù)是不對(duì)稱電場(chǎng)

3、。在電場(chǎng)極不均勻時(shí),隨間隙上所加電壓的升高,在大曲率電極附近很小范圍內(nèi)的電場(chǎng)足以使空氣發(fā)生游離,而間隙中大部分區(qū)域的電場(chǎng)仍然很小。于是在大曲率電極附近很薄一層空氣中將具備自持放電(即外界游離因素不存在,間隙中的放電僅靠電場(chǎng)作用繼續(xù)進(jìn)行下去)的條件。放電僅局限在大曲率電極周圍很小的范圍內(nèi),而整個(gè)間隙尚未擊穿。 易產(chǎn)生電暈放電的電氣設(shè)備是高壓輸電線路。通常均將空氣視為非導(dǎo)體,但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子,帶正電的導(dǎo)體會(huì)吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行徐徐中和。若帶電導(dǎo)體有尖端,該處附近空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度它與其他形式的放電有本質(zhì)的區(qū)別,電暈放電時(shí)的電流強(qiáng)度并不取決于電路中的阻抗,而取決于電極外

4、氣體空間的電導(dǎo)。這就取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體的性質(zhì)和密度(天氣濕度以及空氣的流動(dòng)速度)等。 2.2 沿面放電 電氣設(shè)備中用來(lái)固定支撐帶電部分的固體介質(zhì),多數(shù)是在空氣中。當(dāng)電壓超過一定限制時(shí),常在固體介質(zhì)和空氣的分界面上出現(xiàn)沿著固體介質(zhì)表面的放電現(xiàn)象,稱為沿面放電(或稱沿面閃絡(luò))。下面以具有代表性的絕緣子為例描述沿面放電發(fā)展的過程。 沿面放電是一種特殊的氣體放電現(xiàn)象,沿面閃絡(luò)電壓比氣體或者固體單獨(dú)作為絕緣介質(zhì)時(shí)的擊穿電壓都低。影響沿面放電電壓的主要因素有:電場(chǎng)分布情況、電壓波形、介質(zhì)表面狀態(tài)、空氣污穢程度、氣候條件等等。 3 超聲波檢測(cè)常見的干擾信號(hào)及其特性 現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)是多種

5、多樣的,按頻帶可分為窄帶干擾和寬帶干擾,而按其時(shí)域波形特征可分為連續(xù)的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪3類。 3.1 連續(xù)的周期性干擾包括 3.1.1 電力系統(tǒng)載波通信和高頻保護(hù)信號(hào)引起的干擾。 3.1.2 無(wú)線電干擾。此類干擾的波形通常是高頻正弦波,有固定的諧振頻率和頻帶寬度。 3.2 脈沖型干擾信號(hào)包括:供電線路或高壓端的電暈放電;電網(wǎng)中的開關(guān)、晶閘管整流設(shè)備閉合或開斷引起的脈沖干擾;電力系統(tǒng)中其它非檢測(cè)設(shè)備放電引起的干擾。 3.3白噪包括各種隨機(jī)噪聲,如電氣設(shè)備的熱噪聲、配電線路及變壓器繼電保護(hù)信號(hào)線路中由于藕合進(jìn)入的各種噪聲以及監(jiān)測(cè)線路中的半導(dǎo)體器件的散粒噪聲等。 4超聲波檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從

6、硬件結(jié)構(gòu)組成上,超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分:a. 傳感器部分:由壓電傳感器及屏蔽導(dǎo)線組成,傳感器可隨時(shí)拆卸,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)具體要求選擇更換不同型號(hào);b. 電源模塊:為實(shí)現(xiàn)便攜檢測(cè),采用電池供電,電路包括對(duì)各種芯片所需電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換;c. 模擬信號(hào)預(yù)處理電路:由前置放大器,帶通濾波,后置主放大電路等組成,可通過數(shù)字示波器得到清晰的模擬信號(hào);d. 數(shù)字電路:由單片機(jī)及其外圍電路組成,電路已設(shè)計(jì)完成,部分性能通過測(cè)試,但目前的工作對(duì)A/D轉(zhuǎn)換之后數(shù)字信號(hào)的處理上存在困難,不能像數(shù)字示波器一樣得到有較高價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),需要進(jìn)行后續(xù)的深入研究。 為了檢測(cè)不同位置傳感器接收同一局部放電源所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)

7、的的傳播時(shí)間,需要設(shè)計(jì)兩套性能盡可能接近的檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)作為對(duì)比。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示: 5 放大電路的設(shè)計(jì) 局部放電超聲波傳感器輸出的信號(hào)一般很微弱,因此要求放大電路具有高增益、低噪聲的特點(diǎn),以便盡可能多的減小信號(hào)的失真,得到較真實(shí)的局部放電信號(hào)信息。        5.1 前置放大電路 壓電晶體輸出信號(hào)的電壓有時(shí)低至微伏數(shù)量級(jí),這樣微弱的信號(hào)若經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸必須經(jīng)放大后傳輸,才能減弱干擾信號(hào)對(duì)它的影響,并提高信噪比。因?yàn)閴弘娋w的輸出阻抗較高,帶負(fù)載能力差,則要求前置放大電路不僅要有較大的輸入阻抗,而且噪音要低,并滿

8、足檢測(cè)頻帶寬度和具有一定的放大倍數(shù)。 5.2 后置主放大電路 本系統(tǒng)后置放大電路由TL084芯片和一個(gè)精密可調(diào)電位器組成,電路如下圖所示,通過該精密可調(diào)電位器可對(duì)后置放大增益進(jìn)行微調(diào),以減少偏差。 6 電源設(shè)計(jì) 在檢測(cè)系統(tǒng)的電路板上,需要各種電壓等級(jí)的電源。模擬電路部分主要是各種集成放大器,統(tǒng)一使用正負(fù)SV的直流電源供電,數(shù)字電路部分使用3.3V直流電壓。針對(duì)以上需求,考慮到檢測(cè)系統(tǒng)的體積要小以及便于攜帶移動(dòng),選用9V的干電池作為系統(tǒng)的總電源,通過不同的電源轉(zhuǎn)換芯片得到各種等級(jí)的所需電壓,并且在電源芯片的輸出端采用II型濾波電路和對(duì)地電容進(jìn)行處理,減小紋波,提高電源質(zhì)量。 5V直流電壓采用德州

9、儀器公司的TPS76850穩(wěn)壓器,通過干電池9V電壓直接得到。TPS76850的輸入電壓為2.7V-10V,適合干電池9V的輸入電壓,其最大的優(yōu)點(diǎn)在于低壓差,在輸出電流1A的時(shí)候,電壓下降僅為230mV。由于使用5V電壓的模擬器件較多,其輸出電流很大,較低的電壓下降對(duì)穩(wěn)定輸出電壓,提高測(cè)量精度有很大的意義。此外,其靜態(tài)電流僅為85uA,具有關(guān)斷保護(hù)功能。 7 總結(jié) 對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行局部放電試驗(yàn)是電氣設(shè)備制造和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要預(yù)防性試驗(yàn)。局部放電如果長(zhǎng)期存在,會(huì)加速設(shè)備老化,在一定條件下甚至?xí)斐山^緣破壞,嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行。超聲波檢測(cè)法作為一種非電量測(cè)量法,有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文的主要內(nèi)容是基于壓電傳感器的高壓電氣設(shè)備局部放電信號(hào)的超聲波檢測(cè)方法研究,主要涉及了高電壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)以及硬件電路設(shè)計(jì)等方面的相關(guān)知識(shí)。本文主要分析了三種局部放電的原理;研究了壓電傳感器的工作原理和特點(diǎn)及使用方法;在此基礎(chǔ)上完成了高壓電氣設(shè)備局部放電信號(hào)的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) 1王國(guó)利,郝艷捧,劉味果,李彥明,電力變壓器超高頻局部放電測(cè)量系統(tǒng),電壓技術(shù),2001年. 2覃劍等,特高頻在電力設(shè)備局部放電在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,電網(wǎng)