电气设备局部放电的超声波检测方法分析
摘要:传统的超声波法是用固定在变压器油箱壁上的超声波传感器接收变压器内部局部放电产生的超声脉冲,由此来检测局部放电的大小和位置。由于此方法受电气干扰的影响比较小以及它在局部放电定位中的广泛应用,人们对超声波法的研究比较深入。超声波法用于变压器局部放电检测最早始于上世纪40年代,但因为灵敏度低,易于受到外界干扰等原因一直没有得到广泛的应用。本文主要论述了局部放电的种类及特点、超声波检测常见的干扰信号及其特性、超声波检测系统结构、放大电路的设计及电源设计。
关键词:超声波检测;局部放电;电气设备
1 引言
目前超声波检测局部放电的研究工作主要集中在定位方面,原因是与电测法相比,超声波的传播速度较慢,对检测系统的速度与精度要求较低。在利用超声波进行局部放电的放电量的大小确定和模式识别方面的工作相对较少,提出了利用频谱识别局部放电模式的新方法,其研究也取得了一些新成果。近几年以来,还出现了一种把超声波法与射频电磁波法(包括射频法和超高频法)联合起来进行局放定位的趋势。在澳大利业的西门子研究机构使用局部放电产生的超声波和射频电磁波联合检测技术监测变压器中的局部放电活动。其关键依据是:超声波和电磁波在变压器介质中的传播速度是不一致的,因而可以测量两种波到达传感器的时间间隔。国内方面,西安交通大学提出了一种基于超高频和超声波的相控接收阵的局放电定位法,利用分别检测超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器,接收到的超高频信号为时间基准,进而得到超声波的传输时延,这样可计算出局放电点与超声波传感器间的距离,再根据相控阵扫描的方位角和仰角就得出放电的空间几何位置。
2 局部放电的种类及特点
2.1 电晕放电
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式,是极不均匀电场的特征之一。电力系统中所遇到的绝缘结构大多是不均匀的,不均匀电场的形式很多,绝大多数是不对称电场。在电场极不均匀时,随间隙上所加电压的升高,在大曲率电极附近很小范围内的电场足以使空气发生游离,而间隙中大部分区域的电场仍然很小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电(即外界游离因素不存在,间隙中的放电仅靠电场作用继续进行下去)的条件。放电仅局限在大曲率电极周围很小的范围内,而整个间隙尚未击穿。
易产生电晕放电的电气设备是高压输电线路。通常均将空气视为非导体,但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子,带正电的导体会吸引周围空气中的负离子而自行徐徐中和。若带电导体有尖端,该处附近空气中的电场强度它与其他形式的放电有本质的区别,电晕放电时的电流强度并不取决于电路中的阻抗,而取决于电极外气体空间的电导。这就取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体的性质和密度(天气湿度以及空气的流动速度)等。
2.2 沿面放电
电气设备中用来固定支撑带电部分的固体介质,多数是在空气中。当电压超过一定限制时,常在固体介质和空气的分界面上出现沿着固体介质表面的放电现象,称为沿面放电(或称沿面闪络)。下面以具有代表性的绝缘子为例描述沿面放电发展的过程。
沿面放电是一种特殊的气体放电现象,沿面闪络电压比气体或者固体单独作为绝缘介质时的击穿电压都低。影响沿面放电电压的主要因素有:电场分布情况、电压波形、介质表面状态、空气污秽程度、气候条件等等。
3 超声波检测常见的干扰信号及其特性
现场的干扰信号是多种多样的,按频带可分为窄带干扰和宽带干扰,而按其时域波形特征可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪3类。
3.1 连续的周期性干扰包括
3.1.1 电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰。
3.1.2 无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波,有固定的谐振频率和频带宽度。
3.2 脉冲型干扰信号包括:供电线路或高压端的电晕放电;电网中的开关、晶闸管整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰;电力系统中其它非检测设备放电引起的干扰。
3.3白噪包括各种随机噪声,如电气设备的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路中由于藕合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。
4超声波检测系统结构
从硬件结构组成上,超声检测系统主要包括四个部分:a. 传感器部分:由压电传感器及屏蔽导线组成,传感器可随时拆卸,根据实验现场具体要求选择更换不同型号;b. 电源模块:为实现便携检测,采用电池供电,电路包括对各种芯片所需电压等级的转换;c. 模拟信号预处理电路:由前置放大器,带通滤波,后置主放大电路等组成,可通过数字示波器得到清晰的模拟信号;d. 数字电路:由单片机及其外围电路组成,电路已设计完成,部分性能通过测试,但目前的工作对A/D转换之后数字信号的处理上存在困难,不能像数字示波器一样得到有较高价值的实验数据,需要进行后续的深入研究。
为了检测不同位置传感器接收同一局部放电源所产生的超声波信号的的传播时间,需要设计两套性能尽可能接近的检测系统来作为对比。系统结构如下图所示:
5 放大电路的设计
局部放电超声波传感器输出的信号一般很微弱,因此要求放大电路具有高增益、低噪声的特点,以便尽可能多的减小信号的失真,得到较真实的局部放电信号信息。
5.1 前置放大电路
压电晶体输出信号的电压有时低至微伏数量级,这样微弱的信号若经过长距离传输必须经放大后传输,才能减弱干扰信号对它的影响,并提高信噪比。因为压电晶体的输出阻抗较高,带负载能力差,则要求前置放大电路不仅要有较大的输入阻抗,而且噪音要低,并满足检测频带宽度和具有一定的放大倍数。
5.2 后置主放大电路
本系统后置放大电路由TL084芯片和一个精密可调电位器组成,电路如下图所示,通过该精密可调电位器可对后置放大增益进行微调,以减少偏差。
6 电源设计
在检测系统的电路板上,需要各种电压等级的电源。模拟电路部分主要是各种集成放大器,统一使用正负SV的直流电源供电,数字电路部分使用3.3V直流电压。针对以上需求,考虑到检测系统的体积要小以及便于携带移动,选用9V的干电池作为系统的总电源,通过不同的电源转换芯片得到各种等级的所需电压,并且在电源芯片的输出端采用II型滤波电路和对地电容进行处理,减小纹波,提高电源质量。
5V直流电压采用德州仪器公司的TPS76850稳压器,通过干电池9V电压直接得到。TPS76850的输入电压为2.7V--10V,适合干电池9V的输入电压,其最大的优点在于低压差,在输出电流1A的时候,电压下降仅为230mV。由于使用5V电压的模拟器件较多,其输出电流很大,较低的电压下降对稳定输出电压,提高测量精度有很大的意义。此外,其静态电流仅为85uA,具有关断保护功能。
7 总结
对电气设备进行局部放电试验是电气设备制造和运行中的一项重要预防性试验。局部放电如果长期存在,会加速设备老化,在一定条件下甚至会造成绝缘破坏,严重影响设备正常运行。超声波检测法作为一种非电量测量法,有着独特的优点。本文的主要内容是基于压电传感器的高压电气设备局部放电信号的超声波检测方法研究,主要涉及了高电压技术、传感器技术、电子测量技术以及硬件电路设计等方面的相关知识。本文主要分析了三种局部放电的原理;研究了压电传感器的工作原理和特点及使用方法;在此基础上完成了高压电气设备局部放电信号的超声波检测系统硬件设计。
参考文献
[1]王国利,郝艳捧,刘味果,李彦明,电力变压器超高频局部放电测量系统,电压技术,2001年.
[2]覃剑等,特高频在电力设备局部放电在线监测中的应用,电网技术,1997年.
陶文斌(中国计量学院 杭州市310018)Tao Wen bin(China Jiliang University Hangzhou 310018).
作者简介:陶文斌,出生于1987年10月、男、汉,浙江省杭州市、中国计量学院在校学生。