超聲波檢測(cè)技術(shù)在電力設(shè)備絕緣診斷中的應(yīng)用
引 言

電力設(shè)備是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中zui重要的裝置之一， 一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，就有可能引起工業(yè)系統(tǒng)的癱瘓，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。目前，我國電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備，主要按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》定期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，以診斷絕緣狀態(tài)，確定設(shè)備是否可以繼續(xù)投入運(yùn)行。這些方法對(duì)保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起到了重要的作用。但是，隨著電氣設(shè)備的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)需求的變化，這些傳統(tǒng)的絕緣診斷方法顯得不再適應(yīng)，被測(cè)試的設(shè)備在測(cè)試期間要斷電，這樣就不能完全真實(shí)地反映設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的電場(chǎng)、溫度、環(huán)境等的影響作用，不容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下絕緣缺陷，并且存在“檢測(cè)過度”的缺點(diǎn)。因此，目前國內(nèi)外都十分重視設(shè)備絕緣的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。在線監(jiān)測(cè)可在不變動(dòng)設(shè)備接線，不影響設(shè)備運(yùn)行的情況下，快速、方便地進(jìn)行，減輕了試驗(yàn)、檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)試效率。更為重要的是，在線監(jiān)測(cè)能更真實(shí)地反映設(shè)備絕緣運(yùn)行中的狀態(tài)，更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣的隱患。已被越來越多的電力部門所采用。超聲波檢測(cè)技術(shù)作為設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的主要手段已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮了重要的作用。在高壓設(shè)備絕緣在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，它以非接觸，遠(yuǎn)距離檢測(cè)為主要優(yōu)點(diǎn)，正好克服了高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中不易靠近，不易接觸的困難，保證了檢測(cè)人員和檢測(cè)設(shè)備的安全，對(duì)高壓設(shè)備的正常運(yùn)行又不產(chǎn)生影響，是理想的檢測(cè)手段。

一、電力高壓絕緣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

近年來，狀態(tài)監(jiān)測(cè)在電力系統(tǒng)中越來越受到有關(guān)管理、科研、運(yùn)營和工程技術(shù)人員的重視?？梢钥隙ǖ卣f，廣泛采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著科技的發(fā)展和用戶的需求，目前電力系統(tǒng)中的一些技術(shù)和裝置，已涉及狀態(tài)監(jiān)測(cè)，例如一些在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)能起到一定的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，但還不能完全滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。針對(duì)不同的電力設(shè)備，已經(jīng)提出了眾多狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其中有許多是通用的，如振動(dòng)分析法、油中氣體分析法、局部放電檢測(cè)法、絕緣恢復(fù)電壓法等。在高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，局部放電檢測(cè)法是主要的檢測(cè)手段。局部放電既是設(shè)備絕緣系統(tǒng)老化的征兆，也是造成絕緣老化的一個(gè)重要機(jī)理。所以局部放電的測(cè)量成為高壓設(shè)備絕緣性能檢測(cè)的主要特征。專門對(duì)局部放電進(jìn)行測(cè)量是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方面。常用的局部放電檢測(cè)方法有聲學(xué)檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、化學(xué)檢測(cè)、電氣測(cè)量等方法。國外zui常用的一種在線局部放電檢測(cè)法是聲學(xué)檢測(cè)法。

二、電力高壓絕緣設(shè)備非接觸檢測(cè)的方法

非接觸檢測(cè)方法的zui大特點(diǎn)是傳感器與被測(cè)物無需接觸和電線連接，所以非接觸檢測(cè)在高溫、高壓、遠(yuǎn)距離等人不易接近的地方有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通常非接觸檢測(cè)的通信媒介主要有：聲波、電波、光波、射線等在空氣中可傳輸?shù)牟?。檢測(cè)的物理量主要也是：聲波、電波、光波、射線等被檢測(cè)物輻射的物理量。

非接觸檢測(cè)對(duì)象主要具有如下特征：

(1)遠(yuǎn)距離物體；

(2)高溫或高壓狀態(tài)下的物體；

(3)運(yùn)動(dòng)中的物體；

(4)密封裝置中的物體；

(5)大量分布的物體；

(6)特殊環(huán)境下無法接觸的物體。

通常處于高壓狀態(tài)下的電力高壓設(shè)備，對(duì)它的檢測(cè)作業(yè)及檢測(cè)系統(tǒng)，必須采取絕緣措施。所以，從安全性和經(jīng)濟(jì)方面考慮，采用非接觸的檢測(cè)方式是高壓設(shè)備檢測(cè)的zui佳選擇。電力高壓設(shè)備的非接觸檢測(cè)中，采用的檢測(cè)方式主要有聲波、光波、熱能、電波、氣體等。

三、超聲波檢測(cè)技術(shù)在高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

電力設(shè)備中高壓絕緣體發(fā)生劣化時(shí)會(huì)發(fā)生局部放電，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)發(fā)電設(shè)備材料發(fā)生龜裂，電站蒸氣管道出現(xiàn)泄漏，機(jī)器運(yùn)行產(chǎn)生異常的振動(dòng)，這時(shí)也會(huì)發(fā)出超聲波信號(hào)。通過對(duì)超聲的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障。通常使用被動(dòng)的檢測(cè)方式能夠檢測(cè)出導(dǎo)體和絕緣體的老化、污穢的程度、表面的放電、開關(guān)裝置的輕微振動(dòng)、導(dǎo)線的節(jié)點(diǎn)等的在線故障。使用主動(dòng)的檢測(cè)方式，向機(jī)器和材料發(fā)射一定頻率的超聲波，通過檢測(cè)其反射波的強(qiáng)度，相位和頻譜可以檢測(cè)導(dǎo)體和絕緣體的內(nèi)部損傷和絕緣內(nèi)部的空隙。傳統(tǒng)的非接觸高壓絕緣狀態(tài)檢測(cè)方法是使用紅外熱成像儀或紅外測(cè)溫儀顯示絕緣的發(fā)熱點(diǎn)。但是在高壓絕緣設(shè)備中，電暈，火花放電并不一定產(chǎn)生大的熱量，絕緣體周圍的高溫可能會(huì)掩蓋這些發(fā)熱點(diǎn)，給檢測(cè)帶來困難。但是，可以肯定的是絕緣體發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波，使用超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)到發(fā)出超聲波的故障絕緣位置。目前超聲波測(cè)量法已得到廣泛應(yīng)用，如絕緣材料放電的研究，氣隙的放電和樹脂主通道上的放電研究，高壓測(cè)量，電力設(shè)備局部放電的測(cè)量與定位等。在歐美國家，近年來超聲波檢測(cè)技術(shù)在電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)中應(yīng)用越來越多，例如：美國、加拿大利用超聲波檢測(cè)技術(shù)診斷電力電容器、GIS、互感器、變壓器的絕緣缺陷，對(duì)電力傳輸線路的絕緣子、線路電暈、節(jié)點(diǎn)松懈振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)和定位，對(duì)變電站絕緣立柱表面放電，切換開關(guān)觸電放電等的檢測(cè)與定位等等。并且這些發(fā)達(dá)國家的技術(shù)專家會(huì)同IEEE的相關(guān)專家一起著手起草相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，超聲波檢測(cè)技術(shù)作為電力設(shè)備在線檢測(cè)的重要手段越來越受到大家的重視。

四、超聲波檢測(cè)儀的測(cè)量原理

超聲波檢測(cè)高壓設(shè)備的絕緣故障是通過檢測(cè)絕緣局部放電的輻射信號(hào)來進(jìn)行。無論是電力線路上大的火花或電弧，還是即使靠近也無法聽見的微弱火花放電。通過超聲波檢測(cè)儀都可以檢測(cè)到這些很小的放電聲。超聲波檢測(cè)的基本原理是使用高靈敏度的窄帶超聲波換能器，采用超外差接收機(jī)的工作原理，將超聲波高頻信號(hào)變換為音頻信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)處理通過音頻放大將信號(hào)顯示或播放出來。用于高壓絕緣設(shè)備局部放電測(cè)量的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，主要分為傳感器、信號(hào)變換與放大、信號(hào)處理、顯示及數(shù)據(jù)接口五部分。在非接觸測(cè)量中，傳感器應(yīng)具有信號(hào)收集功能和信號(hào)定向功能。一般的超聲波檢測(cè)器其方向性很差，無法定位故障位置。但增加了特殊的超聲波收集器（UWC）后，其方向性變得很好，能夠準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，定位精度可以達(dá)到2^°以內(nèi)，很好地解決了非接觸檢測(cè)中定位不準(zhǔn)確的問題。在設(shè)計(jì)中我們使用高靈敏度的窄帶超聲波換能器，采用雷達(dá)接收機(jī)的工作原理，很好地提高了儀器的信號(hào)噪聲比。例如對(duì)絕緣子在線監(jiān)測(cè)中在10 m以內(nèi)可以準(zhǔn)確定位一串絕緣子中哪一片絕緣子發(fā)生故障。

五、結(jié)論

超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種有效的、低成本的高壓傳輸和配電設(shè)備絕緣狀態(tài)的檢測(cè)手段，它測(cè)試方法簡便，在線使用，絕緣故障定位準(zhǔn)確。在歐美等發(fā)達(dá)國家超聲波絕緣狀態(tài)檢測(cè)的儀器已使用多年。

其優(yōu)點(diǎn)：

1．可以不用與高壓設(shè)備相接觸。

2．可以在線監(jiān)測(cè)，不用停電。

3．在安全距離的范圍可以準(zhǔn)確定位。

4．的應(yīng)用是可以準(zhǔn)確定位絕緣子的表面放電位置。

5．的使用是對(duì)絕緣子串故障的掃描定位。

6．帶有遠(yuǎn)距離信號(hào)收集器（UWC）時(shí)檢測(cè)距離可達(dá)30m以上。

其缺點(diǎn)：

1．定位容易受到周圍墻體反射的影響。

2．定性檢測(cè)，無標(biāo)準(zhǔn)刻度。

超聲波檢測(cè)技術(shù)既適合于戶內(nèi)設(shè)備，也適合于戶外變電站，特別是增加了超聲波遠(yuǎn)距離信號(hào)收集器，檢測(cè)空中高壓傳輸設(shè)備的絕緣已毫無問題。這種方法也可以適用于全封閉組合電器的檢測(cè)，使用了頻譜分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)后可更加廣泛地使用于電力系統(tǒng)。特別是超聲波檢測(cè)儀可以遠(yuǎn)距離，非接觸檢測(cè)，對(duì)高壓設(shè)備的絕緣檢測(cè)更加適用，更加安全。