超聲波檢測技術在電力設備絕緣診斷中的應用
引 言

電力設備是現代化工業生產中zui重要的裝置之一， 一旦設備出現故障，就有可能引起工業系統的癱瘓，造成重大經濟損失。目前，我國電力系統的電氣設備，主要按照《電力設備預防性試驗規程》定期進行預防性試驗，以診斷絕緣狀態，確定設備是否可以繼續投入運行。這些方法對保證電力系統安全運行起到了重要的作用。但是，隨著電氣設備的發展和經濟需求的變化，這些傳統的絕緣診斷方法顯得不再適應，被測試的設備在測試期間要斷電，這樣就不能完全真實地反映設備在運行狀態下的電場、溫度、環境等的影響作用，不容易發現設備在運行狀態下絕緣缺陷，并且存在“檢測過度”的缺點。因此，目前國內外都十分重視設備絕緣的在線監測技術的研究。在線監測可在不變動設備接線，不影響設備運行的情況下，快速、方便地進行，減輕了試驗、檢修人員的勞動強度，提高了測試效率。更為重要的是，在線監測能更真實地反映設備絕緣運行中的狀態，更容易發現設備絕緣的隱患。已被越來越多的電力部門所采用。超聲波檢測技術作為設備狀態檢測的主要手段已廣泛應用于各個領域，發揮了重要的作用。在高壓設備絕緣在線狀態監測中，它以非接觸，遠距離檢測為主要優點，正好克服了高壓設備在線監測中不易靠近，不易接觸的困難，保證了檢測人員和檢測設備的安全，對高壓設備的正常運行又不產生影響，是理想的檢測手段。

一、電力高壓絕緣設備的狀態監測的現狀

近年來，狀態監測在電力系統中越來越受到有關管理、科研、運營和工程技術人員的重視?？梢钥隙ǖ卣f，廣泛采用狀態監測技術是電力系統發展的必然趨勢。隨著科技的發展和用戶的需求，目前電力系統中的一些技術和裝置，已涉及狀態監測，例如一些在線監測系統和故障診斷系統。雖然這些系統能起到一定的狀態監測的目的，但還不能完全滿足狀態監測的要求。針對不同的電力設備，已經提出了眾多狀態監測方法，其中有許多是通用的，如振動分析法、油中氣體分析法、局部放電檢測法、絕緣恢復電壓法等。在高壓設備絕緣狀態監測方面，局部放電檢測法是主要的檢測手段。局部放電既是設備絕緣系統老化的征兆，也是造成絕緣老化的一個重要機理。所以局部放電的測量成為高壓設備絕緣性能檢測的主要特征。專門對局部放電進行測量是設備狀態監測的一個重要方面。常用的局部放電檢測方法有聲學檢測、光學檢測、化學檢測、電氣測量等方法。國外zui常用的一種在線局部放電檢測法是聲學檢測法。

二、電力高壓絕緣設備非接觸檢測的方法

非接觸檢測方法的zui大特點是傳感器與被測物無需接觸和電線連接，所以非接觸檢測在高溫、高壓、遠距離等人不易接近的地方有其獨特的優勢。通常非接觸檢測的通信媒介主要有：聲波、電波、光波、射線等在空氣中可傳輸的波。檢測的物理量主要也是：聲波、電波、光波、射線等被檢測物輻射的物理量。

非接觸檢測對象主要具有如下特征：

(1)遠距離物體；

(2)高溫或高壓狀態下的物體；

(3)運動中的物體；

(4)密封裝置中的物體；

(5)大量分布的物體；

(6)特殊環境下無法接觸的物體。

通常處于高壓狀態下的電力高壓設備，對它的檢測作業及檢測系統，必須采取絕緣措施。所以，從安全性和經濟方面考慮，采用非接觸的檢測方式是高壓設備檢測的zui佳選擇。電力高壓設備的非接觸檢測中，采用的檢測方式主要有聲波、光波、熱能、電波、氣體等。

三、超聲波檢測技術在高壓設備絕緣狀態監測中的應用

電力設備中高壓絕緣體發生劣化時會發生局部放電，從而產生超聲波。當發電設備材料發生龜裂，電站蒸氣管道出現泄漏，機器運行產生異常的振動，這時也會發出超聲波信號。通過對超聲的檢測可以發現設備的故障。通常使用被動的檢測方式能夠檢測出導體和絕緣體的老化、污穢的程度、表面的放電、開關裝置的輕微振動、導線的節點等的在線故障。使用主動的檢測方式，向機器和材料發射一定頻率的超聲波，通過檢測其反射波的強度，相位和頻譜可以檢測導體和絕緣體的內部損傷和絕緣內部的空隙。傳統的非接觸高壓絕緣狀態檢測方法是使用紅外熱成像儀或紅外測溫儀顯示絕緣的發熱點。但是在高壓絕緣設備中，電暈，火花放電并不一定產生大的熱量，絕緣體周圍的高溫可能會掩蓋這些發熱點，給檢測帶來困難。但是，可以肯定的是絕緣體發生故障時會產生超聲波，使用超聲波檢測技術能夠檢測到發出超聲波的故障絕緣位置。目前超聲波測量法已得到廣泛應用，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，高壓測量，電力設備局部放電的測量與定位等。在歐美國家，近年來超聲波檢測技術在電力設備的在線監測中應用越來越多，例如：美國、加拿大利用超聲波檢測技術診斷電力電容器、GIS、互感器、變壓器的絕緣缺陷，對電力傳輸線路的絕緣子、線路電暈、節點松懈振動的在線監測和定位，對變電站絕緣立柱表面放電，切換開關觸電放電等的檢測與定位等等。并且這些發達國家的技術專家會同IEEE的相關專家一起著手起草相關的標準，超聲波檢測技術作為電力設備在線檢測的重要手段越來越受到大家的重視。

四、超聲波檢測儀的測量原理

超聲波檢測高壓設備的絕緣故障是通過檢測絕緣局部放電的輻射信號來進行。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。通過超聲波檢測儀都可以檢測到這些很小的放電聲。超聲波檢測的基本原理是使用高靈敏度的窄帶超聲波換能器，采用超外差接收機的工作原理，將超聲波高頻信號變換為音頻信號，經過一定的信號處理通過音頻放大將信號顯示或播放出來。用于高壓絕緣設備局部放電測量的超聲波檢測系統，主要分為傳感器、信號變換與放大、信號處理、顯示及數據接口五部分。在非接觸測量中，傳感器應具有信號收集功能和信號定向功能。一般的超聲波檢測器其方向性很差，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，能夠準確定位故障點，定位精度可以達到2^°以內，很好地解決了非接觸檢測中定位不準確的問題。在設計中我們使用高靈敏度的窄帶超聲波換能器，采用雷達接收機的工作原理，很好地提高了儀器的信號噪聲比。例如對絕緣子在線監測中在10 m以內可以準確定位一串絕緣子中哪一片絕緣子發生故障。

五、結論

超聲波檢測技術是一種有效的、低成本的高壓傳輸和配電設備絕緣狀態的檢測手段，它測試方法簡便，在線使用，絕緣故障定位準確。在歐美等發達國家超聲波絕緣狀態檢測的儀器已使用多年。

其優點：

1．可以不用與高壓設備相接觸。

2．可以在線監測，不用停電。

3．在安全距離的范圍可以準確定位。

4．的應用是可以準確定位絕緣子的表面放電位置。

5．的使用是對絕緣子串故障的掃描定位。

6．帶有遠距離信號收集器（UWC）時檢測距離可達30m以上。

其缺點：

1．定位容易受到周圍墻體反射的影響。

2．定性檢測，無標準刻度。

超聲波檢測技術既適合于戶內設備，也適合于戶外變電站，特別是增加了超聲波遠距離信號收集器，檢測空中高壓傳輸設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，使用了頻譜分析技術和神經網絡識別技術后可更加廣泛地使用于電力系統。特別是超聲波檢測儀可以遠距離，非接觸檢測，對高壓設備的絕緣檢測更加適用，更加安全。