聲發射技術在絕緣子放電監測中的應用

薛宇箭，趙彥平

（山西省電力公司超（特）高壓輸變電分公司，山西 太原 030031）

電力系統是國民經濟的重要基礎之一，關系著國計民生，一旦電網發生事故，不僅會造成巨大的經濟損失，而且會影響千家萬戶。由于絕緣子污穢放電對電力系統的危害極大，對絕緣子污穢監測方法的研究一直受到電力部門和研究機構的重視。污閃事故的發生，通常會造成大面積停電，所造成的損失和影響極大。為了防止污閃事故發生，有關部門在相關研究中投入了大量的技術和資金，并取得了一定的成果。

至今已有以超聲波檢測法、激光多普勒振動法及紅外熱像儀法為代表的非電量測量法和以電壓分布檢測法、絕緣電阻法及脈沖電流法為代表的電量測量法，以上方法在解決絕緣子在線檢測問題上都有應用，它們各有其特點，也存在各自的不足。由于超聲波檢測法具有造價低廉、可靠性高等特點，具有很好的工程應用價值，本文主要針對超聲波檢測法進行分析。超聲波檢測法的主要應用之一是基于聲發射技術的絕緣子污穢監測方法，該方法是通過監測污穢放電時發出的超聲波信號來判斷絕緣子運行狀態，在閃絡發生之前找出污穢度較高、對絕緣威脅較大的系統薄弱點，并發出報警，使工作人員能及時采取措施防止污閃的發生，達到保護電網的目的。

1 防止絕緣子污穢閃絡的方法

防止絕緣子污穢閃絡的方法主要歸納為兩類：一是預防性的，二是監測性的。預防性的方法是從污閃形成的條件入手，使污閃條件無法滿足，污閃也就不會發生。預防性方法可以概括為3個字：爬、掃、涂。它是針對污閃必須經過的4個階段，即：積污、濕潤、出現干區和局部電弧、局部電弧發展至閃絡。爬：指的是調整爬距，即泄漏比距，降低絕緣子表面場強；掃：是清掃絕緣子，防止積污；涂：是在絕緣子表面敷施憎水涂料，使污層不易被濕潤。使用合成絕緣子不僅提高泄漏比距，而且合成絕緣子本身就具有憎水性，因此效果較好。但是從實際運行的情況來看，這些方法還不足以完全防止污閃的發生。

以上方法的成本非常高，采用耐污絕緣子或者合成絕緣子，以及增加絕緣子的個數，意味著線路的造價提高；清掃絕緣子不僅耗費大量的人力，而且效果不盡如人意，有些絕緣子表面的污層很難被清洗掉；而涂料和合成絕緣子的憎水性會在運行一段時間后消失，不能滿足長期運行的要求。

對于第二種監測性的方法，它是第一種方法的補充，用于及時發現污閃出現的苗頭，在其尚未形成和對系統造成危害之前就找出來，使工作人員能夠及時采取相應措施制止污閃的發生。從運行情況來看，預防性方法還不能完全防止污閃的發生，因此，監測性方法的研究和應用就具有非常重要的意義。

2 絕緣子污穢放電機理

絕緣子在運行過程中一直暴露在空氣中，大氣中的懸浮顆粒沉積在絕緣子表面，日積月累形成污穢層。遇到霧、露、細雨等濕潤的氣候條件時，污穢中的電解質溶解，污穢層成為導電層，造成絕緣水平下降，甚至發生閃絡，這被稱為污穢放電。在放電過程中，帶電質點在電場作用下加速，電弧產生高溫，空氣分子劇烈的熱運動，與放電通道相鄰的空氣產生了壓力，使之向外運動，而由于空氣的彈性阻力，使這部分空氣在平衡位置附近產生振動，并通過相鄰空氣媒質一直傳播下去，形成聲波，由于放電的時間非常短，因此產生的聲波的頻譜很寬，可以從幾十赫茲至幾兆赫茲。高于20 kHz超聲波信號必須用超聲波傳感器接收。污穢閃絡放電及其產生的聲信號都有一定程度的隨機性，頻譜峰值對應的頻率是變化的。

從污穢放電的機理可知，污穢放電的初期是微弱的輝光放電，此時泄漏電流釋放的能量很小，放電的后期出現強烈的電弧放電，此時泄漏電流很大及釋放的能量也很大。可見污穢放電過程中放電釋放的能量從小到大變化，聲發射信號的聲壓是由小到大變化，信號脈沖由稀疏到密集變化。根據聲發射信號的特征，判斷污穢放電的強度以及對系統威脅的大小，就可以在污穢程度較輕時，發現它并采取措施，將事故消滅在萌芽狀態，避免更大的損失。

3 超聲波傳感器

聲發射技術作為無損檢測的重要手段獲得了廣泛的應用，近年來，聲發射技術在電力系統設備檢測方面的應用越來越多，如變壓器、電容器、氣體絕緣開關裝置等設備的絕緣檢測。基于聲發射技術的絕緣子污穢放電監測方法，簡稱聲學監測法，是根據絕緣子污穢放電時會發出超聲波信號這一現象提出的，通過監測絕緣子污穢放電時發出的超聲波信號，分析出放電的強弱，推斷當時的污穢程度和污穢放電對電力系統的威脅程度，并發出報警，使工作人員能及時采取措施，防止污閃事故的發生。這種方法的缺點是：在沒有濕潤的氣候條件時，即使污穢度很高也不會有污穢放電，也就無法監測污穢情況，在長時間的積污后，當濕潤的氣候條件突然來到時，可能就沒有時間采取措施防止污閃的發生，因此，這種方法不應用于干旱地區。

聲傳感器的作用是接收空氣傳播的聲信號，將聲信號轉換為電信號，它實現了能量形式轉換，所以又稱為換能器。聲傳感器一般可以分為：①壓電式傳感器；②磁致伸縮式傳感器；③電磁換能器；④靜電換能器；⑤其他種類的換能器，包括熱聲換能器、化學聲換能器及光聲換能器等。其中，采用壓電陶瓷作為敏感元件的壓電式聲傳感器具有體積小、性能好、成本低等優點，所以被廣泛應用，以下主要針對壓電式聲傳感器的應用進行分析。

3.1 傳感器頻率的選擇

為了達到不受到外界噪聲干擾的目的，所取的頻段必須避開可聽聲的頻率范圍，即選取頻率大于20 kHz的超聲波信號。

為了提高靈敏度，應選擇頻譜分量最大的頻率，所以頻率應當在20～150 kHz，考慮到信號頻率越高，在空氣中傳播時的衰減越快，一般選擇40 kHz這一頻率作為傳感器的中心頻率。

3.2 傳感器的結構設計

聲傳感器的核心器件是壓電晶體，壓電晶體的振動模式采用了彎曲振動，該振動模式具有結構簡單、尺寸小、重量輕、機電耦合系數高Q值高、易于與空氣匹配等特點。壓電晶體邊界的處理一般有3種形式：夾支邊、簡支邊、自由邊。其中簡支邊結構輕便、結實，裝置的損耗低，是被使用最多的邊界支撐。傳感器的特性應具有阻抗低、弱接收和大輸出等，傳感器的總體結構形式對接收性能影響很大，一般設計成敞開式，見圖1，該方式具有靈敏度高、體積小、易于制作等優點。

4 基于聲發射的絕緣子放電檢測

絕緣子在發生絕緣故障前，總會表現出一定的局部放電特征，通過對這些局部放電特征進行采樣分析，可以有效的了解絕緣子的非正常運行狀態。根據氣體放電理論，當發生放電時，會出現發聲現象。實際上，放電總伴隨著聲發射現象，因此，根據運行的輸電線路中（包括絕緣子）是否有聲發射現象，可以判斷是否有放電發生。擊穿放電的產生需要時間，放電是一個逐步發展的過程。當絕緣下降到一定程度后，會出現預放電現象；當絕緣繼續下降到某一臨界值后，泄漏電流急劇增大，進入輝光放電區；若絕緣繼續下降，則可能轉變為局部電弧放電，局部電弧可在幾秒鐘內重復發生；若放電條件仍然存在，泄漏電流不斷增大，局部電弧的壓降不斷減小，每次重燃后能維持的電弧不斷增長，即局部電弧不斷向對方電極延伸，當達到某一臨界值時，電弧能自動而迅速地向對方電極發展，直至貫通兩極，形成電弧擊穿。

綜上所述，放電是一個逐步發展的過程，完全可以在發生電氣擊穿造成絕緣完全破壞之前，即在局部放電階段，甚至在預放電階段，依靠監測預放電聲發射波發出預警信號，避免災難性事故發生。

實驗數據表明，放電聲發射波的聲響大小與視在放電量近似呈線性關系，而放電量與介質的絕緣強度之間也存在確定關系。經理論分析及試驗可以確定，聲響應大小與介質絕緣強度之間的確切關系，通過傳感器實時在線監視放電聲發射波，根據接收波的大小就可確定介質的絕緣強度。

5 聲發射絕緣子污穢放電監測裝置

聲發射信號在空氣長距離傳播過程中會產生衰減，導致傳感器無法有效接收。為解決這一問題，必須縮短傳感器與絕緣子之間的距離，將傳感器安裝在桿塔上是有效的解決方法，在此情況下監測裝置也必須安裝在桿塔上。因此監測裝置必須能夠將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號進行處理并將處理結果傳輸至遠處的監測中心，使工作人員能夠及時了解絕緣子的工作情況。監測裝置原理框圖及其各部分的功能見圖2。

監測裝置的主要功能是將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號由單片機進行處理，并通過RS－485接口實現與監測中心的數據通信。其中前置放大的功能是實現與聲傳感器的阻抗匹配，使信號能有效傳輸；補償放大的功能是補償聲信號在空氣中傳播時發生的衰減，消除距離對信號的影響；濾波環節的功能是降低噪聲，去除干擾信號，如工頻干擾等；A/D轉換的功能是將模擬信號轉換為數字信號送入單片機進行處理；通信環節實現測量裝置與監測中心的聯系，使工作人員能夠及時掌握絕緣子的工作狀態。

圖1 傳感器結構示意圖

圖2 監測裝置原理框圖

6 抗干擾措施

裝置在硬件上可采用適當的防干擾措施，比如將前置處理電路就近安裝在傳感器內并進行屏蔽，對相應的電路采取隔離、濾波以及正確接地等。此外，可以在軟件及信號處理上采取適當的方法，識別干擾信號并進行相應的處理，達到抗干擾的目的。主要措施有以下3種：①選擇適當的工作頻率可以有效地減小干擾的影響；高頻段環境噪聲的影響較小，而絕大多數機械噪聲在可聞聲波范圍內，其頻率范圍一般在30 kHz以下，而根據實測結果，絕緣子放電聲發射波的主頻約在40 kHz，為此選擇諧振頻率為40 kHz的傳感器，并且在前置電路中設置帶通濾波電路，能有效克服噪聲的影響。②針對特定頻率的干擾進行濾波也是重要的抗干擾措施。目前，輸電線路本身是常用的電力系統載波通信通道，載波信號可能耦合到檢測系統中去。另外，有些干擾還可能來自周圍的一些固定無線電設備，如無線發射機等，針對這些頻率進行濾波后，這種干擾即被抑制。③鑒別放電聲發射波和干擾，干擾是瞬時非平穩噪聲，有效信號出現的時間較短，而絕緣子局部放電的聲發射信號通常是一個持續的間斷過程，持續時間較長，聲發射事件都具有典型的周期性，每工頻周期出現一到多次聲發射事件，由此可以鑒別干擾和放電聲發射波。

7 結束語

良好的絕緣水平是電力系統正常運行的基本條件之一，而所有的戶外絕緣由于工作環境較惡劣，都會在絕緣子表面積累污穢，在潮濕的氣候條件下可能發生污穢放電，對絕緣造成破壞。隨著大氣質量的繼續下降，這種威脅會越來越大。要減小污穢放電的威脅，除了日常維護之外，還應當對絕緣子進行在線監測，根據絕緣子的污穢程度有針對性地采取措施，提高工作效率，減小污閃事故發生的概率，提高電網可靠性。

絕緣子在發生絕緣故障前，總會表現出一定的局部放電聲發射特征，這些放電聲發射波能被特制的檢測系統檢測到，通過對這些局部放電伴隨聲發射信號的特征進行分析，可有效地判斷絕緣子的老化及劣化情況。發生在絕緣子上的局部放電有內部放電、表面污穢放電和電暈等多種形式，這些放電都伴隨有聲發射波。并且，不同放電形式對應的聲發射波之間存在差異，可以利用聲發射波間的差別來鑒別不同的放電形式。

采用聲學監測法對絕緣子污穢放電進行監測，是聲發射技術在電力系統中的又一應用。目前在電力系統中使用最多最成熟的是電量監測的方法，但是在某些情況下效果不好，如變壓器繞組變形、電容器的局部放電等，因此，引入某些非電量方法作為檢測手段可以彌補它的不足，達到更好的效果。

1 張仁豫.絕緣污穢放電[M].北京：水力電力出版社，1994

2 孫才新、司馬文霞、舒立春.人氣環境與外絕緣[M].北京：中國電力出版社，2002

3 張俊哲.無損檢測技術及其應用[M].北京：科學出版社，1993.5