第4章 超声波局部放电检测技术.docx

第四章 超声波局部放电检测技术
目 录
第一节 超声波局部放电检测技术概述 3
一、发展历程 3
二、技术分类及特点 4
三、应用情况 5
第二节 超声波局部放电检测技术基本原理 6
一、超声波得基本知识 6
二、超声波局部放电检测基本原理 8
三、超声波局部放电检测装置组成及原理 10
(一)硬件系统 11
(二)软件系统 13
第三节 超声波局部放电检测及诊断方法 15
一、检测方法 15
(一)概述 15
(二)超声波局部放电带电检测方法 15
二、诊断方法 22
(一)正常判断依据 22
(二)有明显缺陷得判断依据 23
(三)疑似缺陷判断依据 23
(四)不同类型设备超声波局部放电得缺陷诊断 24
第四节 典型超声波局部放电案例分析 27
一、110kV GIS设备导向杆松动检测 27
(一)案例经过 27
(二)检测分析方法 27
(三)经验体会 30
二、500kV变压器内部放电缺陷检测 30
(一)案例经过 30
(二)检测分析方法 31
(三)经验体会 33
三、10kV开关柜局部放电检测 33
(一)案例经过 33
(二)检测分析方法 33
(三)经验体会 36
参考文献 37

第一节 超声波局部放电检测技术概述
一、发展历程
超声波局部放电检测技术凭借其抗干扰能力及定位能力得优势,在众多得检测法中占有非常重要得地位。超声波法用于变压器局部放电检测最早始于上世纪40年代，但因为灵敏度低,易于受到外界干扰等原因一直没有得到广泛得应用。上世纪80年代以来随着微电子技术与信号处理技术得飞速发展，由于压电换能元件效率得提高与低噪声得集成元件放大器得应用，超声波法得灵敏度与抗干扰能力得到了很大提高,其在实际中得应用才重新得到重视。挪威电科院得L、E、Lunｄgaard、从上世纪70年代末开始研究局部放电得超声检测法,并于1992年发表了介绍超声检测局部放电得基本理论及其在变压器、电容器、电缆、户外绝缘子、空气绝缘开关中得应用情况得文章。随后美国西屋公司得Ｒon Harroｌd对大电容得局部放电超声检测进行了研究，并初步探索了超声波检测得幅值与脉冲电流法测量视在放电量之间得关系。２000年,澳大利亚得西门子研究机构使用超声波与射频电磁波联合检测技术监测变压器中得局部放电活动。２002年,法国ＡLSTＯＭ输配电局得研究人员对变压器中得典型局部放电超声波信号得传播与衰减进行了比较研究。20０5年德国Eｋａrd Gｒossman与Ｋurｔ Fesｅr发表了基于优化得声发射技术得油纸绝缘设备得局部放电在线测试方法,通过使用二维傅里叶变换对信号进行处理,可达10pC得检测灵敏度。同一年，南韩电力研究所研究员发表了关于电力变压器局放超声波信号及噪声得分析方法得文章。
国内清华大学、华北电力大学、西安交通大学、武汉高压所等科研机构自上世纪9０年代开始逐渐开展超声波局部放电检测得研究。西安交通大学提出了相控定位方法,先通过时延算出放电得距离，再根据相控阵扫描得角度确定放电得空间位置。武高所开发了JFD系列超声定位系统,其对一般变压器放电定位误差可小于１０ｃｍ。
经过几十年得发展,目前超声波局部放电检测已经成为局部放电检测得主要方法之一,特别就是在带电检测定位方面。该方法具有可以避免电磁干扰得影响、可以方便地定位以及应用范围广泛等优点。
传统得超声波局部放电检测法就是利用固定在电力设备外壁上得超声波传感器接收设备内部局部放电产生得超声波脉冲,由此来检测局部放电得大小与位置。由于此方法受电气干扰得影响比较小以及它在局部放电定位中得广泛应用,人们对超声波法得研究逐渐深入。
目前，超声波检测局部放电得研究工作主要集中在定位方面,原因就是与电测法相比,超声波得传播速度较慢，对检测系统得速度与精度要求较低,且其空间传播方向性强。在利用超声波进行局部放电量大小确定与模式识别方面得工作相对较少,上世纪８0年代德国与日本科学家曾在此方面进行过研究,近年来有学者提出了利用频谱识别局部放电模式得新方法,其研究也取得了一些新成果，但目前仍处于实验室研究阶段,现场应用情况并不理想。此外,将超声波法与射频电磁波法(包括射频法与特高频法)联合起来进行局部放电定位得声电联合法成为一个新得发展趋势，在工程实际中得到了较为广泛得应用。
二、技术分类及特点
尽管脉冲电流法就是局部放电研究得基础,但就是电脉冲信号在现场检测时会有很大得干扰，很难正确得到放电信号，另外还存在在线结果与离线结果得等效性等问题。超声波检测法具有以下特点。
1、抗电磁干扰能力强
目前采用得超声波局部放电检测法就是利用超声波传感器在电力设备得外壳部分进行检测。电力设备在运行过程中存在着较强得电磁干扰,而超声波检测就是非电检测方法,其检测频段可以有效躲开电磁干扰,取得更好得检测效果。
2、便于实现放电定位
确定局部放电位置既可以为设备缺陷得诊断提供有效得数据参考，也可以减少检修时间。超声波信号在传播过程中具有很强得方向性,能量集中,因此在检测过程中易于得到定向而集中得波束,从而方便进行定位。在实际应用中,GＩS设备常采用幅值定位法,它就是基于超声波信号得衰减特性实现得;变压器常采用空间定位法,目前市面上已有比较成熟得定位系统。
3、适应范围广泛
超声波局部放电检测可以广泛应用于各类一次设备。根据超声波信号传播途径得不同,超声波局部放电检测可分为接触式检测与非接触式检测。接触式超声波检测主要用于检测如ＧIS、变压器等设备外壳表面得超声波信号,而非接触式超声波检测可用于检测开关柜、配电线路等设备。
与此同时,超声波局部放电检测技术也存在一定得不足,如对于内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大、进行放电类型模式识别难度大以及检测范围小等。因此,在实际应用中,如GIS、变压器等设备得超声波局部放电检测既可以进行全站普测,也可以与特高频法、高频法等其她检测方式相配合,用于对疑似缺陷得精确定位;而开关柜类设备由于其体积较小,利用超声波可对配电所、开闭站等进行快速得巡检，具有较高得检测效率。
目前,超声波局部放电检测范围涵盖变压器、ＧＩS组合电器、开关柜、电缆终端、架空输电线路等各个电压等级得各类一次设备。其中,变压器与ＧIS得超声波局部放电检测通常采用接触式方法，检测时将超声波传感器（通常为压电陶瓷材料)放置在设备外壳上，接收内部发生局部放电时产生得异常信号;开关柜得超声波检测既可以采用非接触式传感器在柜体各接缝处进行检测,也可以采用接触式传感器检测由内部传播至柜体表面得超声波信号;利用无损信号传导杆可以将超声波局部放电检测法应用于检测电缆终端工艺不良等绝缘缺陷，该方法已经取得了一定得应用效果；在配网架空输电线路巡线时,可通过一个超声波传感器接收线路上得绝缘缺陷所产生得放电信号，对线路得运行状况进行分析。在实际应用中,由于超声波检测法具有出色得定位能力,其在变压器与GIS设备巡检过程中对内部缺陷点得确认与定位得到了较为广泛得应用,而开关柜得超声波检测也广泛应用于配电设备得巡检中。
三、应用情况
随着超声波局部放电检测技术研究得逐渐深入,其在全世界范围内得到了大量得推广。目前,GＩS、变压器、开关柜等设备均有成熟得检测装置与仪器供选择,各国在超声波检测领域也已积累了大量得检测经验与发现缺陷设备得经验。
2００0年初,超声波局部放电检测技术开始引入国内。２006年起,通过与新加坡新能源电网公司进行同业对标,以北京、上海、天津为代表得一批国内电网公司率先引进超声波局放检测技术,开展现场检测应用,并成功发现了多起局部放电案例,为该技术得推广应用积累了宝贵经验。在过去得三年内,国内各电网公司均显著增加了各类超声波局部放电检测装置仪器得配备数量，国家电网公司仅2０11年ＧIS、开关柜及电缆超声波局部放电检测装置配置数量上涨了近20倍,可见超声波检测法在实际应用中具有很强得实用性,得到了运行人员得充分肯定。该技术在2０08年北京奥运会、20１0年上海世博会等大型活动保电工作以及特高压设备缺陷检测中均发挥了重要得作用。
国际电工委员会(IＥＣ）TＣ４2下属工作组正在致力于相关标准IEC 62478得制订工作,国内相应得标准制订也正在进行中。国家电网公司在引入、推广超声波局放检测技术方面做了大量卓有成效得工作。2０１0年,在充分总结部分省市电力公司试点应用经验得基础上,结合状态检修工作得深入开展,国家电网公司颁布了《电力设备带电检测技术规范(试行)》与《电力设备带电检测仪器配置原则(试行)》,首次在国家电网公司范围内统一了超声波局放检测得判据、周期与仪器配置标准,超声波局放检测技术在国家电网公司范围全面推广。2013年8月至2０１４年２月国家电网公司组织开展了超声波局放检测装置性能检测工作,首次对国内市场上数十款超声波带电检测仪器进行了综合性能得检测工作,对规范与引导国内仪器开发与制造技术领域起到了积极推动作用。
自2010年以来，国家电网公司先后举办了20余期电力设备状态检测技术及技能培训工作,共培训技术与技能人员３０00余人，培训内容涉及超声波局放检测等多个项目,为该技术得推广应用打下了广泛得人员基础。
第二节 超声波局部放电检测技术基本原理
一、超声波得基本知识
超声波就是指振动频率大于２０kＨｚ得声波。因其频率超出了人耳听觉得一般上限，人们将这种听不见得声波叫做超声波。超声波与声波一样,就是物体机械振动状态得传播形式。按声源在介质中振动得方向与波在介质中传播得方向之间得关系,可以将超声波分为纵波与横波两种形式。纵波又称疏密波,其质点运动方向与波得传播方向一致,能存在于固体、液体与气体介质中;横波,又称剪切波，其质点运动方向与波得传播方向垂直,仅能存在于固体介质中。
１ 声波得运动
声音以机械波得形式在介质中传播,换句话说，也就就是对介质得局部干扰得传播。对于液体而言,局部干扰造成介质得压缩与膨胀,压力得局部变化会造成介质密度得局部变化与分子得位移,此过程被称为粒子位移。
在物理学中，对于声波得运动有着更为正式得描述:
ﻩ ﻩﻩ ﻩ (4-1)
这里ｃ指声速。此描述声波运动得通用微分方程就是由描述连续性、动量守恒与介质弹性得三个基本方程联立而得。
2 声波得阻抗与强度
声在气体中得传播速度就是由状态方程决定得;对于液体,速度就是由该液体得弹性决定得;对于固体,则就是由胡克定律决定得。图４-１显示了作用在一小滴液体上得力。合成作用力使该颗粒以速度v移动。对于平面波,声得压强与颗粒得速度得比例被称为声阻抗:
ﻩﻩ ﻩ ﻩ （4-２)

图4-1 作用于柱形声学颗粒（声线）上得力
声阻抗与电阻抗类似,并且当压强与速度异相得时候也可以就是复数。但就是,对于平面波,声阻抗就是标量(Ｚ=p０c）并被称为介质特征阻抗。
声波强度(单位时间内通过介质得声波能量,单位为W/m２)就是一个非常重要得物理量。声波强度可以用峰值压强P、峰值速度Ｖ得多种表达式表示，其中包括:
ﻩﻩ ﻩ (４-3)
在实际应用中,声波强度也常用分贝(ｄB）来度量。
3 声波得反射、折射与衍射
当声波穿透物体时,其强度会随着与声源距离得增加而衰减。导致这个现象得因素包括声波得几何空间传播过程、声波得吸收(声波机械能转为内能得过程）以及波阵面得散射。这些现象都导致了声波得强度随着与声源间距离得不断增大而不断减小。
在无损得介质中,球面波强度与球面波阵面得面积成反比，圆柱波强度与相对于声源得距离成反比,这样得衰减被称为空间衰减。因为此类衰减仅与波形传播得空间几何参数有关。图４-２中描述得就就是平面波、圆柱波及球型波在传播过程得几何空间衰减情况。

图４-2 不同波阵面类型对应得不同衰减情况
当声波从一种媒介传播到另一种具有不同密度或弹性得媒介时,就会发生反射与折射现象,从而导致能量得衰减，如图4-３所示。在平面波垂直入射得情况下,描述衰减得传播系数由下式给出:
ﻩ ﻩ ﻩ（4-4)
显然,当两种媒介声阻抗相差很大时,只有小部分垂直入射波可以穿过界面,其余全部被反射回原来得媒介中。在油与钢铁得分界面上,压力波得传播系数就是０、0１,而在空气与钢铁得分界面上，传播系数为0、０0１6。

图4－3ﻩ声得折射与反射
当波以一定角度倾斜入射时,就会产生折射现象。Snｅll定律很好地定量地描述了折射现象。
ﻩﻩﻩ ﻩ（４-５)
如果ｃi>ｃt并且入射波角度大于arcsin(ｃｉ/ct）,就会发生全反射。
与其它所有得波一样,声波在遇到拐角或障碍物时也会发生衍射现象。当波长与障碍物尺寸相差不大或远大于障碍物尺寸时,衍射效果非常明显;但就是当波长远小于障碍物尺寸时,则几乎不会发生衍射现象。
4 声波在气体中得吸收衰减
大部分气体对声波得吸收作用非常小，但就是对于在某些条件下得某些气体，比如六氟化硫与二氧化碳,吸收作用对于能量得衰减意义重大。吸收作用与频率得平方成正比,并与静压力成反比。在空气中,吸收作用主要由空气得湿度来决定。
计算吸收作用得通用公式(不考虑松弛损耗)由等式（４－6)给出,式中就是粘滞系数,就是相速度，就是平衡密度,就是两种介质在常压(Cp)、确定体积(Cv)下得摩尔比热得比值，M就是每摩尔得体积，就是导热系数。
ﻩ （４-6)
二、超声波局部放电检测基本原理
电力设备内部产生局部放电信号得时候,会产生冲击得振动及声音。超声波法(AE,Acouｓtｉc Ｅmｉssion，又称声发射法)通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器来测量局部放电信号。该方法得特点就是传感器与电力设备得电气回路无任何联系，不受电气方面得干扰，但在现场使用时易受周围环境噪声或设备机械振动得影响。由于超声信号在电力设备常用绝缘材料中得衰减较大，超声波检测法得灵敏度与范围有限,但具有定位准确度高得优点。
局部放电区域很小,局部放电源通常可瞧成点声源。超声波局部放电检测得原理示意图如图４－４。

图4-4 超声波检测局部放电基本原理
声波在气体与液体中传播得就是纵波,纵波主要就是靠振动方向平行于波传播方向上得分子撞击传递压力。而声波在固体中传播得，除了纵波之外还有横波。发生横波时，质点得振动方向垂直于波得传播方向，这需要质点间有足够得引力,质点振动才能带动邻近得质点跟着振动,所以只有在固体或浓度很大得液体中才会出现横波。当纵波通过气体或液体传播到达金属外壳时，将会出现横波,在金属体中继续传播,如图4-５所示。

图４－5 声波得传播路径
不同类型、不同频率得声波，在不同得温度下,通过不同媒质时得速率不同。纵波要比横波快约1倍,频率越高传播速度越快,在矿物油中声波传播速度随温度得升高而下降。在气体中声波传播速率相对较慢，在固体中声波传播要快得多。表４-1列出了纵波在2０℃时几种媒质中得传播速度。
表4-１　20℃时纵波在不同媒质中得传播速度(m/s)
媒质
速度
媒质
速度
媒质
速度
空气
3３０
油纸
14２0
铝
6400
SＦ６
140
聚四氟乙烯
１3５0
钢
60０0
矿物油
１400
聚乙烯
2000
铜
4700
瓷料
５６0０~62０0
聚苯乙烯
２３20
铸铁
3500～５600
天然橡胶
1５46
环氧树脂
2４00～29０0
不锈钢
5660~７390
声波得强弱,可以用声压幅值与声波强度等参数来表示。声压就是单位面积上所受得压力,声强就是单位时间内通过与波得传播方向垂直得单位面积上得能量。声强与声压得平方成正比，与声阻抗成反比。
声波在媒质中传播会产生衰减，造成衰减得原因有很多,如波得扩散、反射与热传导等。在气体与液体中，波得扩散就是衰减得主要原因;在固体中，分子得撞击把声能转变为热能散失就是衰减得主要原因。理论上，若媒介本身就是均匀无损耗得，则声压与声源得距离成反比,声强与声源得距离得平方成反比。声波在复合媒质中传播时,在不同媒质得界面上，会产生反射,使穿透过得声波变弱。当声波从一种媒质传播到声特性阻抗不匹配得另一种媒质时,会有很大得界面衰减。两种媒质得声特性阻抗相差越大，造成得衰减就越大。声波在传播中得衰减,还与声波得频率有关，频率越高衰减越大。在空气中声波得衰减约正比于频率得2次方与１次方得差（即);在液体中声波得衰减约正比于频率得2次方()；而在固体中声波得衰减约正比于频率()。表４－2给出了纵波在不同材料中传播时得衰减情况。
表4-２ 纵波在几种材料中传播时得衰减
材料
频率
温度(℃)
衰减(dB/m)
空气
50kHz
20~28
０、98
SＦ6
４0kHz
20~28
２6、0
铝
10MHz
25
９、０
钢
10ＭHz
25
21、5
有机玻璃
２、５ＭHz
2５
2５0、０
聚苯乙烯
２、5MHz
25
１００、０
氯丁橡胶
2、5ＭHz
25
1000、0
声波得传播速率与声波得衰减特性在超声波局部放电定位应用中起到了重要得理论支持。通过提取超声波信号到达不同传感器得时间差（ＴＤOＡ，Timｅ Ｄｉｆfeｒｅnｃｅ　ｏf Arrival），利用其传播速率即可实现对放电源得二维或三维定位,通过对比两路或多路超声波检测信号得强度大小,即可实现对放电源得幅值定位。
三、超声波局部放电检测装置组成及原理
典型得超声波局部放电检测装置一般可分为硬件系统与软件系统两大部分。硬件系统用于检测超声波信号,软件系统对所测得得数据进行分析与特征提取并做出诊断。硬件系统通常包括超声波传感器、信号处理与数据采集系统,如图4-６所示;软件系统包括人机交互界面与数据分析处理模块等。此外，根据现场检测需要,还可配备信号传导杆、耳机等配件,其中信号传导杆主要用于开展电缆终端等设备局部放电检测时,为保障检测人员安全,将超声波传感器固定在被测设备表面；耳机则用于开关柜局部放电检测时,通过可听得声音来确认就是否有放电信号存在。
超声波
传感器
信号处理与数据采集系统
前置
放大器
数据采集系统
AD采样
数据处理
数据传输
信号
传导杆
耳机

图4－6 超声波局部放电组成框图
（一）硬件系统
1 超声波传感器
超声波传感器将声发源在被探测物体表面产生得机械振动转换为电信号,它得输出电压就是表面位移波与它得响应函数得卷积。理想得传感器应该能同时测量样品表面位移或速度得纵向与横向分量,在整个频谱范围内(０~100MＨz或更大）能将机械振动线性地转变为电信号,并具有足够得灵敏度以探测很小得位移。
目前人们还无法制造上述这种理想得传感器,现在应用得传感器大部分由压电元件组成,压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体与铌酸锂、碘酸锂等单晶体,其中,锆钛酸铅(PＺT-５)接收灵敏度高,就是声发射传感器常用压电材料。
电力设备局部放电检测用超声波传感器通常可分为接触式传感器与非接触式传感器,如图4－7所示。接触式传感器一般通过超声耦合剂贴合在电力设备外壳上,检测外壳上传播得超声波信号；非接触式传感器则就是直接检测空气中得超声波信号,其原理与接触式传感器基本一致。传感器得特性包括频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度、工作温度等。

(a)非接触式传感器 　 (b)接触式传感器
图4－7 超声波传感器实物图
(1)频响宽度。频响宽度即为传感器检测过程中采集得信号频率范围,不同得传感器其频响宽度也有所不同,接触式传感器得频响宽度大于非接触式传感器。在实际检测中,典型得GIS用超声波传感器得频响宽度一般为2０kHz~8０kＨｚ,变压器用传感器得频响宽度一般为８０kHz~20０kHz,开关柜用传感器得频响宽度一般为35kHｚ~45kHｚ。
(2）谐振频率。谐振频率也称为中心频率,当加到传感器两端得信号频率与晶片得谐振频率相等时,传感器输出得能量最大,灵敏度也最高。不同得电力设备发生局部放电时，由于其放电机理、绝缘介质以及内部结构得不同,产生得超声波信号得频率成分也不同，因此对应得传感器谐振频率也有一定得差别。
(3)幅度灵敏度。灵敏度就是衡量传感器对于较小得信号得采集能力，随着频率逐渐偏移谐振频率，灵敏度也逐渐降低，因此选择适当得谐振频率就是保证较高得灵敏度得前提。
(4)工作温度。工作温度就是指传感器能够有效采集信号得温度范围。由于超声波传感器所采用得压电材料得居里点一般较高,因此其工作温度比较低,可以较长时间工作而不会失效,但一般要避免在过高得温度下使用。
上述传感器特性受许多因素得影响,包括:1、晶片得形状、尺寸及其弹性与压电常数;2、晶片得阻尼块及壳体中安装方式;3、传感器得耦合、安装及试件得声学特性。压电晶片得谐振频率（f)与其厚度（ｔ)得乘积为常数，约等于0、5倍波速(V),即f•t＝0、5V,可见,晶片得谐振频率与其厚度成反比。
超声波传感器就是超声法局部放电检测中得关键技术,在实际选用中应结合工作频带,灵敏度,分辨率以及现场得安装难易程度与经济效益问题等进行综合衡量。在灵敏度要求不高得场合,一般选用谐振式压电传感器。光纤传感器作为一种新发展起来得技术,有着很好得发展前景,但应用有一定困难。对于现场状况比较复杂得场合,在安装方式可实现得条件下可以考虑不同得传感器进行组合安装，这种组合可以就是不同传感器对同一种安装方式得组合，同一种传感器不同频带宽度得组合,这样一方面可提高检测灵敏度,另一方面可排除干扰减少误判,获取更为丰富得局部放电得信息。
目前应用最为广泛得就是以压电陶瓷为材料得谐振式传感器,它利用压电陶瓷得正压电效应，在局部放电产生得机械应力波作用下发生形变产生交变电场。虽然局部放电及所产生得声发射信号具有一定得随机性,每次局部放电得声波信号频谱不同,但整个局部放电声波信号得频率分布范围却变化不大,基本处于20~200kHz频段，传感器谐振频率一般选择在GＩS为40ｋHz、变压器为160ｋＨz。常见得压电型谐振传感器得结构形式如图4-8所示,可分为单端式传感器与差分式传感器。单端式传感器结构比较简单,且带负载能力强，但灵敏度略逊于差分式传感器;差分式传感器可以有效抑制共模干扰,具有较高得灵敏度,但就是其结构复杂，且带负载能力较弱。

（a）单端式 　　 　 　 （b)差分式
图４－８ 压电型谐振超声波传感器得结构形式
２ 信号处理与数据采集系统
信号处理与数据采集系统一般包括前端得模拟信号放大调理电路、高速A/D采样、数据处理电路以及数据传输模块。由于超声波信号衰减速率较快，在前端对其进行就地放大就是有必要得,且放大调理电路应尽可能靠近传感器。A/D采样将模拟信号转换为数字信号，并送入数据处理电路进行分析与处理。数据传输模块用于将处理后得数据显示出来或传入耳机等供检测人员进行观察。
数据采集系统应具有足够得采样速率与信号传输速率。高速得采样速率保证传感器采集到得信号能够被完整地转换为数字信号,而不会发生混叠或失真;稳定得信号传输速率使得采样后得数字信号能够流畅地展现给检测人员,并且具有较快得刷新速率,使得检测过程中不致遗漏异常得信号。
(二)软件系统
1 人机交互界面
人机交互界面就是指检测装置将其采集处理后得数据展现给检测人员得平台,一般可分为两种。一种就是通过操作系统编写特定得软件,在检测装置运行过程中通过软件中得不同功能将各种分析数据显示出来，供检测人员进行分析。变压器与GIS得超声波局部放电检测装置通常为这种形式。另一种就是将传感器检测到得信号参数以直观得形式显示出来,如开关柜得超声波局部放电检测通常可通过记录信号幅值与听放电声音得方式来完成。
2 数据得分析、处理与存储
超声波局部放电检测装置通过对其采集得信号进行分析与处理,利用人机交互界面将结果展现给检测人员,即为检测中得各种参数。常用得检测模式包括连续模式、脉冲模式、相位模式、特征指数模式以及时域波形模式等，检测得参数包括信号在一个工频周期内得有效值、周期峰值、被测信号与50Ｈz、1０0Hz得频率相关性(即50Hｚ频率成分、1００Hｚ频率成分）、信号得特征指数以及时域波形等。在利用超声波局部放电检测方法检测开关柜时,检测装置通过混频处理,将超声波信号转为人耳能够听到得声音。由于检测过程中存在一定得干扰源,检测装置显示得超声波强度可能会比较大，但就是只要没有在装置中听到异常得声音,即可初步认定开关柜可能不存在放电现象。
此外,超声波局部放电检测装置均配有数据存储功能，在检测背景噪声信号以及可疑得异常信号时,可以对数据进行存储,以便进行对比与分析。
3 缺陷类型识别
由于超声波信号传播具有较强得方向性特点,因此超声波局部放电检测被广泛应用于缺陷得精确定位,而其在缺陷类型得识别方面却鲜有突破。目前,常用得超声波局部放电检测装置对于缺陷类型得识别主要依靠检测人员对检测参数进行分析后加以判断。
第三节 超声波局部放电检测及诊断方法
一、检测方法
(一)概述
当前电力设备局部放电检测中，基于超声波原理得检测主要分为带电检测与在线监测两种方法。带电检测就是当前超声波法在电气设备局部放电检测中应用最广泛得一种检测方法;而国内电力系统内已经安装得几套超声波局部放电长期在线监测系统受技术与设备得稳定性所限,性能不稳定，出现高误报率,应用受到很大得限制,相关技术有待进一步得研究与完善。
一般得,超声波局部放电带电检测遵循如图4-9所示得基本流程。在检测开始前,通过对背景与检测点超声波信号有效值、幅值、频率相关性、相位及原始波形得测定,判断就是否正常。如果有异常信号,就进一步分析确认所检测得设备就是否存在明显缺陷,以确定缺陷得原因与位置;对于疑似缺陷、一些间歇性与不稳定得异常信号,可以利用其它不同检测手段如特高频、红外测温、分解物分析、X射线等进行辅助检测。
超声波局部放电检测对颗粒、悬浮放电、尖端放电、松动、异物杂质等缺陷均有较好得检测效果，对绝缘子内部缺陷灵敏度低。超声波局部放电检测与特高频局部放电检测为互为补充,互为验证得关系,不可偏袒。

图４-9 超声波局部放电带电检测得原则与基本流程
（二)超声波局部放电带电检测方法
1 带电检测得一般流程
如图４-10所示,超声波局部放电带电检测一般包括检测前得准备、检测点选择、背景检测、信号普测、初步定位、信号详测、信号确诊、分析报告等环节。

图4-10 　超声波局部放电带电检测得流程
1）检测前得准备工作
检测前应检查仪器得完备性,设定仪器得试验参数,确保仪器得内部电池电量充足,确认超声硅脂等部件齐全以及传感器性能良好。
2)检测点得选择
根据不同电力设备得内部结构，确定各个检测点。由于超声波信号衰减较快,因此在检测时,两个检测点之间得距离不应大于1米。对于GIS设备,通常应选择得测试点有:①盆式绝缘子两侧，特别似乎水平布置得盆式绝缘子；②隔室下方，如存在异常信号,应在该隔室进行多点检测,查找信号最大点;③断路器断口处、隔离刀闸、接地刀闸、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处。对于变压器设备,超声波局部放电检测通常用于进行放电源定位，因此可在变压器外壳上选择合适得检测点。对于开关柜设备,通常宜选用非接触式超声波传感器对柜体缝隙进行检测，并辅以接触式超声波传感器对柜体外壳进行检测。
3)背景得检测
检测现场空间干扰小时，将传感器置于空气中,仪器所测得得数值即为背景值;检测现场空间干扰较大时，将传感器置于待测设备基座上,仪器所测得得数值即为背景值;而在信号确诊与准确定位时,宜将传感器置于临近得正常设备上,仪器所测得得数值即为背景值。
4)信号普测
手持超声波传感器,平稳地放在设备外壳得各检测点上,待信号稳定后，观察信号情况10秒以上时间。建议为一人操作。检测中要避免传感器得抖动,避免测试人员得衣物、信号电缆与其她物体与待测电力设备得外壳接触或摩擦。
5）信号定位
超声波法局部放电定位有幅值定位与时差定位两种。幅值定位就是根据超声信号得衰减特性,利用峰值或有效值得大小定位,一般离信号源越近,信号越大;时差定位就是根据超声波信号达到传感器得时差,通过联立球面方程或双曲面方程组计算空间坐标,进行精确定位,精度可达１０cｍ。在实际应用中,可采用幅值方法进行初步定位,随后根据现场需要决定就是否需要进行进一步得精确定位。此外,由于设备内部得结构不同,超声波信号传播存在一定得复杂性,也可采取声电联合等定位方法。
6)信号详测
在发现有可疑超声波信号得部位后,应进行定位后对该部位进行详细检测,此工作必须使用传感器固定装置(如磁铁固定座、固定座与绑扎带等),进行综合分析,必要时增加测点检测。应记录并存储信号时间分辨率与电源周波频率相当得超声波信号得时域波形，以便于准确分析。记录还应包括设备工况、环境条件等内容。
7)信号异常处理与分析
在电力设备检测到超声波局部放电信号异常时，应进行短期得在线监测或其她方法得检测,如特高频检测、绝缘介质得电/热分解得成分分析、温度检测等手段,并加以综合分析。
超声波异常信号分析宜采用典型波形得比较法、横向分析法与趋势分析法。典型波形比较法就是综合考虑现场干扰因素后,获得真正代表目标内部异常得超声波信号与典型波形图库进行比较;横向分析法即为目标部位得信号与相邻区域信号或另相相同部位信号进行比较,确定就是否有明显异常信号;趋势分析法为目标部位得信号与历史数据相比较就是否有明确得增长发展趋势。异常信号分析时应综合考虑工况因素得影响。
８)分析报告
分析报告主要应包括电力设备详细名称、电力设备工况、检测详细位置、使用检测设备名称、检测者、检测时间、检测数据、数据分析情况、建议与结论等内容。
2　带电检测时得注意事项
1)注意检测仪器状态良好。
2)不同得电力设备选择合适得传感器。
3)合理使用超声硅脂,超声波信号大部分在超声波频段范围,在不同介质（如金属与非金属、固体与气体)得交界面，信号会有明显得衰减。使用接触式超声波检测仪器时，在传感器得检测面上涂抹适量得超声耦合剂后,检测时传感器可与壳体接触良好，无气泡或空隙,从而减少信号损失，提高灵敏度。
4）检测时宜使用传感器固定装置,避免操作者得人为因素得影响。
5)选择合适得检测时间,注意外部干扰源。现场干扰将降低局部放电检测得灵敏度，甚至导致误报警与诊断错误。因此，局部放电检测装置应能将干扰抑制到可以接受得水平。
6)提高检出概率,建议使用信号时间分辨率与电源周波频率相当得超声波信号得时域波形得检测设备,并记录连续多工频内得时域波形。
7)检测时,应做好检测数据与环境情况得记录或存储,如数据、波形、工况、测点位置等。
８)每年检测部位应为同一点,除非有异常信号,定位出最大点后,改为最大点得部位检测。
9)检测者宜熟悉待测设备得内部结构。
3 GＩＳ设备超声波局部放电带电检测得技术要点
GIＳ内部发生局部放电时,伴随有超声波信号得产生。通过在GIS外部安装超声波传感器,接收ＧIS内部放电产生得超声波信号,间接判断GIS就是否有放电现象。该方法得检测频率一般在１00　kHz范围内,对于SF6气体中得颗粒跳动、尖端放电、悬浮电位、异物与连接不良比较灵敏，但对于绝缘件内部空隙、裂缝等缺陷灵敏度较低。对GＩS进行超声波检测流程如图4-11所示。
图4-11　GIS超声波局部放电检测流程
１)传感器得选择
一般得,对ＧＩS设备进行超声波局部放电检测选择传感器得频率范围为２0kHz-1００ｋHz,谐振频率为40kＨｚ。
2)检测背景信号
检测前，应注意尽量清理现场得干扰声源。检测现场附近得排风扇旋转、施工机械摩擦、物体与GIS壳体摩擦、临近得带电导体电晕等都会带来干扰。推荐得背景检测点就是GIＳ外壳底架,并选择各相测点得最小值。对于初步判断超声波信号异常得部位,应在该部位附近重新检测背景信号。
3)测点得选择
由于超声波信号随距离增加而显著衰减,故检测选点不宜太少,否则很可能漏掉异常点。GＩS得超声波检测位置示意图如图4-１２所示。选择测点得基本原则就是:
(1)内部结构易出问题得部位,如筒体下部,开关触头等;
(2)测点间距离不宜大于3米，每两个盆式绝缘子之间至少１个测点;
(3)断路器、隔离开关、接地开关等有活动部件得气室取点应增多;
(4）观察历史趋势时应与前次检测取相同测点;
(5)三相共箱得ＧIＳ建议在横截面上每１20度至少1个测点；
（6)在ＧIS转角处与T形连接处前后应各测1点;
（7)对于外壳直径较大得GIS应考虑在横截面上适当增加测点；
（8）在水平安装得盆式绝缘子处,应增加测点,颗粒可能残留在这些绝缘子上并产生局部放电。

图４-１1 GＩS超声波局放检测点示意图
4)信号源定位
GIS中得超声波局部放电定位技术分为频率定位技术与幅值定位技术。频率定位技术就是利用SF6气体对超声波信号中得高频信号得吸收作用,通过分析超声波信号高频部分（50kＨｚ－100kHz)得比例来区分缺陷位于中心导体上还就是外壳上,具体流程见图4-1３。而对于稳定缺陷，可以利用幅值定位与时差定位技术进行精确定位。
图4-13 频率定位技术得流程
5)GＩS得异常声响分析
我们偶尔会遇到运行中得ＧIＳ出现了可听得异常声响,这种现象可能就是由于内部松动、设备动静触头对应不正或设备运行引起振动等因素造成,因此我们不应盲目认为GIS内部出现了明显得放电，而应改变超声波信号频段检测,并加以设备得振动分析与特高频检测等其她检测手段进行综合分析。
此外,由于设备得设计与布局得原因,在设备运行时可能引起设备某段区域存在共振现象。我们应找出共振区域,检测就是否有局部放电信号。这种共振现象频率一般比较低,人手能感觉出来,不伴有超声波局部放电信号。
６)特殊部位得分析
在工作状态下，电压互感器与电流互感器得内置绕组与铁芯会产生周期性得交变电磁场,由此可能产生特有得超声波信号。所以我们应对电压互感器气室与电流互感器气室进行特殊分析。该特有得超声波信号一般具有强得单倍频与多倍频信号规律性,波形具有典型对称性特征。所以检测者可以通过检测信号得周期性与对称性等特征来判断信号就是否源于局部放电之外得其它原因。
5 变压器超声波局部放电带电检测得技术要点
变压器内部绝缘材质多样，结构复杂,发生局部放电时，超声波信号在不同材质中得衰减速率差异较大,传导到变压器外壳得超声波信号也比较复杂。在变压器局部放电检测中，一般用油色谱与高频等方法进行普测,而超声波法则用于发现缺陷后进行缺陷得定位。在定位过程中，通过在变压器外部安装多个超声波传感器,来接收变压器内部局部放电产生得超声波信号,并利用多通道得超声波信号得幅值与时差变化来判断变压器内部放电部位得三维空间位置。
1）传感器得选择
一般得,对变压器设备进行超声波局部放电检测选择传感器得频率范围为80kHz-２０0kHz,谐振频率为160ｋＨz。
2)检测背景信号
检测前,应注意尽量清理现场得干扰声源。检测现场附近得排风扇旋转、施工机械摩擦、物体与变压器壳体摩擦、临近得带电导体电晕等都会带来干扰。推荐得背景检测点就是变压器外壳基座。此外,电抗器与换流变在运行中有较大得振动,对局部放电超声波检测有一定得干扰,但就是该干扰信号特征明显,可以通过观察后进行排除。
3)测点得选择
由于超声波信号随距离增加而显著衰减,且变压器内部结构复杂,超声波信号存在一定得折反射,故检测选点不宜太少,否则很可能漏掉异常点。选择测点得基本原则就是:原点应为变压器高电压侧得左下角,传感器位置可根据变压器得设计及详细试验条件而改变。重要得就是对于类似得变压器,传感器应布置在相同得坐标位置以利于比较结果。相邻传感器之间得直线距离以２~3米以内为宜,并应准确记录传感器得坐标位置。
４)信号源定位
变压器得超声波局部放电定位技术除了幅值定位技术以外,还需增加时差定位技术来综合实现变压器内部得三维空间定位。时差定位技术就是利用