超声波检测技术在电力设备绝缘诊断中的应用

深度解析

引言

电力设备是现代化工业生产中Z重要的装置之一，一旦设备出现故障，就有可能引起工业系统的瘫痪，造成重大经济损失。目前，我国电力系统的电气设备，主要按照《电力设备预防性试验规程》定期进行预防性试验，以诊断绝缘状态，确定设备是否可以继续投入运行。这些方法对保证电力系统安全运行起到了重要的作用。但是，随着电气设备的发展和经济需求的变化，这些传统的绝缘诊断方法显得不再适应，被测试的设备在测试期间要断电，这样就不能完全真实地反映设备在运行状态下的电场、温度、环境等的影响作用，不容易发现设备在运行状态下绝缘缺陷，并且存在“检测过度”的缺点。因此，目前国内外都十分重视设备绝缘的在线监测技术的研究。在线监测可在不变动设备接线，不影响设备运行的情况下，快速、方便地进行，减轻了试验、检修人员的劳动强度，提高了测试效率。更为重要的是，在线监测能更真实地反映设备绝缘运行中的状态，更容易发现设备绝缘的隐患。已被越来越多的电力部门所采用。超声波检测技术作为设备状态检测的主要手段已广泛应用于各个领域，发挥了重要的作用。在高压设备绝缘在线状态监测中，它以非接触，远距离检测为主要优点，正好克服了高压设备在线监测中不易靠近，不易接触的困难，保证了检测人员和检测设备的安全，对高压设备的正常运行又不产生影响，是理想的检测手段。

一、电力高压绝缘设备的状态监测的现状

近年来，状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。可以肯定地说，广泛采用状态监测技术是电力系统发展的必然趋势。随着科技的发展和用户的需求，目前电力系统中的一些技术和装置，已涉及状态监测，例如一些在线监测系统和故障诊断系统。虽然这些系统能起到一定的状态监测的目的，但还不能完全满足状态监测的要求。针对不同的电力设备，已经提出了众多状态监测方法，其中有许多是通用的，如振动分析法、油中气体分析法、局部放电检测法、绝缘恢复电压法等。在高压设备绝缘状态监测方面，局部放电检测法是主要的检测手段。局部放电既是设备绝缘系统老化的征兆，也是造成绝缘老化的一个重要机理。所以局部放电的测量成为高压设备绝缘性能检测的主要特征。专门对局部放电进行测量是设备状态监测的一个重要方面。常用的局部放电检测方法有声学检测、光学检测、化学检测、电气测量等方法。国外Z常用的一种在线局部放电检测法是声学检测法。

二、电力高压绝缘设备非接触检测的方法

非接触检测方法的Zda特点是传感器与被测物无需接触和电线连接，所以非接触检测在高温、高压、远距离等人不易接近的地方有其独特的优势。通常非接触检测的通信媒介主要有：声波、电波、光波、射线等在空气中可传输的波。检测的物理量主要也是：声波、电波、光波、射线等被检测物辐射的物理量。

非接触检测对象主要具有如下特征：

(1)远距离物体；

(2)高温或高压状态下的物体；

(3)运动中的物体；

(4)密封装置中的物体；

(5)大量分布的物体；

(6)特殊环境下无法接触的物体。

通常处于高压状态下的电力高压设备，对它的检测作业及检测系统，必须采取绝缘措施。所以，从安全性和经济方面考虑，采用非接触的检测方式是高压设备检测的Z佳选择。电力高压设备的非接触检测中，采用的检测方式主要有声波、光波、热能、电波、气体等。

三、超声波检测技术在高压设备绝缘状态监测中的应用

电力设备中高压绝缘体发生劣化时会发生局部放电，从而产生超声波。当发电设备材料发生龟裂，电站蒸气管道出现泄漏，机器运行产生异常的振动，这时也会发出超声波信号。通过对超声的检测可以发现设备的故障。通常使用被动的检测方式能够检测出导体和绝缘体的老化、污秽的程度、表面的放电、开关装置的轻微振动、导线的节点等的在线故障。使用主动的检测方式，向机器和材料发射一定频率的超声波，通过检测其反射波的强度，相位和频谱可以检测导体和绝缘体的内部损伤和绝缘内部的空隙。传统的非接触高压绝缘状态检测方法是使用红外热成像仪或红外测温仪显示绝缘的发热点。但是在高压绝缘设备中，电晕，火花放电并不一定产生大的热量，绝缘体周围的高温可能会掩盖这些发热点，给检测带来困难。但是，可以肯定的是绝缘体发生故障时会产生超声波，使用超声波检测技术能够检测到发出超声波的故障绝缘位置。目前超声波测量法已得到广泛应用，如绝缘材料放电的研究，气隙的放电和树脂主通道上的放电研究，高压测量，电力设备局部放电的测量与定位等。在欧美国家，近年来超声波检测技术在电力设备的在线监测中应用越来越多，例如：美国、加拿大利用超声波检测技术诊断电力电容器、GIS、互感器、变压器的绝缘缺陷，对电力传输线路的绝缘子、线路电晕、节点松懈振动的在线监测和定位，对变电站绝缘立柱表面放电，切换开关触电放电等的检测与定位等等。并且这些发达国家的技术专家会同IEEE的相关专家一起着手起草相关的标准，超声波检测技术作为电力设备在线检测的重要手段越来越受到大家的重视。

四、超声波检测仪的测量原理

超声波检测高压设备的绝缘故障是通过检测绝缘局部放电的辐射信号来进行。无论是电力线路上大的火花或电弧，还是即使靠近也无法听见的微弱火花放电。通过超声波检测仪都可以检测到这些很小的放电声。超声波检测的基本原理是使用高灵敏度的窄带超声波换能器，采用超外差接收机的工作原理，将超声波高频信号变换为音频信号，经过一定的信号处理通过音频放大将信号显示或播放出来。用于高压绝缘设备局部放电测量的超声波检测系统，主要分为传感器、信号变换与放大、信号处理、显示及数据接口五部分。在非接触测量中，传感器应具有信号收集功能和信号定向功能。一般的超声波检测器其方向性很差，无法定位故障位置。但增加了特殊的超声波收集器（UWC）后，其方向性变得很好，能够准确定位故障点，定位精度Z好可以达到2°以内，很好地解决了非接触检测中定位不准确的问题。在设计中我们使用高灵敏度的窄带超声波换能器，采用雷达接收机的工作原理，很好地提高了仪器的信号噪声比。例如对绝缘子在线监测中在10m以内可以准确定位一串绝缘子中哪一片绝缘子发生故障。

五、结论

超声波检测技术是一种有效的、低成本的高压传输和配电设备绝缘状态的检测手段，它测试方法简便，在线使用，绝缘故障定位准确。在欧美等发达国家超声波绝缘状态检测的仪器已使用多年。

其优点：

1．可以不用与高压设备相接触。

2．可以在线监测，不用停电。

3．在安全距离的范围可以准确定位。

4．Z好的应用是可以准确定位绝缘子的表面放电位置。

5．Z好的使用是对绝缘子串故障的扫描定位。

6．带有远距离信号收集器（UWC）时检测距离可达30m以上。

其缺点：

1．定位容易受到周围墙体反射的影响。

2．定性检测，无标准刻度。

超声波检测技术既适合于户内设备，也适合于户外变电站，特别是增加了超声波远距离信号收集器，检测空中高压传输设备的绝缘已毫无问题。这种方法也可以适用于全封闭组合电器的检测，使用了频谱分析技术和神经网络识别技术后可更加广泛地使用于电力系统。特别是超声波检测仪可以远距离，非接触检测，对高压设备的绝缘检测更加适用，更加安全。

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2004-11-22