高壓設備局放超聲波探測器設計及應用

祝 銳

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

高壓設備是一種十分常見的機械工具，但由于運作時容易發生局部放電問題，這對器械的運行效率及電網都會造成一定影響，嚴重情況甚至導致設備故障及電路系統的癱瘓[1-2]。因而，可通過安裝信號檢測器來實現對高壓設備放電信號的實時監測，從而得知設備的工作狀態，并隨時進行信號調整[3-4]。這既可對設備的工作狀況進行全程監測，也可及時識別設備的問題故障，并采取措施加以調試，以保障設備的正常運作。而當前常見的檢測方法包括：紅外檢測法、超聲波檢測法、化學檢測法、脈沖電流法等方法[5-9]。以前2種方法為例，其主要是對設備在局部運作時的放電問題，所產生的熱量及發射的聲波信號，進行實時監測，且檢測過程簡單快捷，效果顯著，因而得到較廣泛的應用[10-12]。

局部放電的表現形式，通常分為3種：電弧、電痕、電暈。其中電弧和較為嚴重的電痕會同時產生超聲波信號和較高熱量，因此用超聲波檢測器和紅外檢測器均可進行檢測；但輕微的電痕和電暈只會產生超聲波信號，不會產生熱量，無法利用紅外檢測法進行檢測；另外，當高壓設備內部發生局部放電現象時，熱量無法傳遞到外界，亦無法利用紅外檢測法進行檢測。鑒于此，就需要利用超聲波檢測法來取代紅外檢測法，這是由于該檢測方法既可對設備的工作狀態進行全程監測，并實現及時信號采集，對于設備的故障程度和風險等級，也可進行有效的判斷，并且檢測結果也較為準確。超聲波探測器具有智能化檢測作用，不僅可提高設備的工作效率，也可在檢測過程中減少聲波干擾，因而相較傳統檢測方法得到更廣泛的應用。

但通常情況下，高壓設備在發生放電現象時，其放電熱量較少，但在散熱過程中也因其他因素的干擾，熱量自身發生衰減等問題，因而超聲探測器最終所檢測到的熱量信號值也相對較少。為提高信號檢測的準確度，本文通過添加信號增益設備，以更準確地接收高壓設備的聲波工作信號。

1 檢測器工作原理

超聲波檢測器工作原理如圖1所示。首先，檢測器超聲波信號探頭，可對設備運作時，所產生的放電熱量進行檢測；然后，再由安裝在檢波器的前置放大器，對信號進一步進行放大處理并發送至信號處理器，由其對電磁信號和超聲波信號進一步處理；最后，在顯示器上顯示出最終的脈沖數值。考慮到電磁、聲波這2種信號有不同的傳播特點及速率，應根據兩者的時間差，來實現對高壓設備局部放電節點的定位。

圖1 超聲波檢測器工作原理Fig.1 Working principle of ultrasonic detector

2 天線的聲波信號增益效果

拋物面型天線增益示例如圖2所示。圖2中的θ、R分別表示天線拋物面的開口及口徑。本設計通過將天線的拋物面位于F這一焦點位置，在進行信號采集的過程中，天線的拋物面會將采集的數值，進一步進行處理，即將信號傳遞至F點位置。而由于天線拋物面的開口θ、口徑R都可能對信號的反射效果，帶來一定的影響，繼而也將導致信號采集結果有一定的差異。

圖2 拋物面型天線增益示例Fig.2 Example of parabolic antenna gain

本設計將天線的口徑和焦距分別設置為550 mm和30 mm，z軸表示天線拋物面的焦軸。若原點發射頻率產生的信號脈沖為40 Hz時，在120 mm× 120 mm× 120 mm范圍內，超聲探頭將會移動并對信號的變化進行實時探測。經本次實驗之后，得知信號處理器若沒有添加天線，其可探測到的信號峰值為50 mV；而添加了天線之后，超聲器的檢測探頭，可在z軸這一節點位置，前后運作，當運作至焦點前后位置的10～20 mm時，最終可檢測到53～57 mV的信號峰值。但這一結果，相較沒天線有一定的增益，但效果不顯著。但當超聲探頭處于焦點時，則探測到的信號峰值大約為500 mV，增益效果明顯，且提高了10倍左右。這主要是天線在檢測到信號之后，經過反射處理，使信號都集中在F這一焦點位置，從而增強了信號增益效果。

表1 不同接收點的聲波信號增益效果Tab.1 Effect of acoustic signal gain at different receiving points

3 聲波信號放大器的增益效果

聲波放大器在進行信號采集之時，可能受干擾因素的影響，從而影響到對聲波信號放大倍數的處理，即與理想倍數有一定差異。為提高信號收集增益的有效性，因而要優化放大器的性能。通常在進行局放超聲波檢測時，探測器接收的超聲波頻率約為40 kHz，但若使用FG-513A函數信號發生器來進行調試，則可實現信號增益效果。此外，若使用FG-513A函數信號發生器則容易有較高的信號系數值，而當高壓設備在運作條件下，其發生的局部放電現象的信號系數較小，那么，就需要增設當中的信號衰減調試裝置，如圖3所示。

圖3 信號衰減模塊結構Fig.3 Structure of signal attenuation module

圖3中的R1、R2分別表示電阻；uil和uo指輸入信號和增益信號。而當聲波信號通過2個電阻的位置之后，信號將發生衰減，其后再經過放大器的處理，接著再由示波器對輸入信號、增益放大信號峰值進行檢測接收。式(1)當中，可對放大器的直接輸入信號ui進行計算。

(1)

根據式(1)，可計算出輸入信號uil、經增益放大號的uo信號峰值及ui的峰值結果，具體見表2。最后將ui峰值、uo值的計算結果，進行比對如圖4所示。

表2 輸入信號uil、增益信號uo及直接輸入信號ui峰值Tab.2 Peak values of input signal uil，gain signal uo and direct input signal ui mV

圖4 聲波信號放大器的增益Fig.4 Gain of acoustic signal amplifier

從圖4中可看到直線斜率其本質上是聲波信號放大器的放大倍數，該數值在2倍左右。此外，可看到增益效果十分顯著，且相較為穩定，從此次實驗中也可發現，18組測試數據的數值差異也較小，標準差僅為0.003 69。由此說明，在添加天線、增設了聲波放大器之后，所檢測的聲波信號，最終放大了20倍以上。

5 結論

本文的信號增益方案，是通過在高壓設備中分別設置拋物面型天線及聲波放大器，來實現對設備超聲波信號的實時檢測并對信號值進行增益放大。相較于沒有使用天線的設備，本次所接收的聲波信號直接放大了10倍左右；同時在增設了放大器之后，其所檢測到的聲波信號峰值也相較原本的數值放大了10倍左右。最終接收信號的處理器，也增大了2倍以上的波信號峰值。整體而言，在使用該技術優化方案后，超聲探頭可更好地檢測設備的熱量和聲波信號，且信號檢測也可放大至20倍以上。