熊濤

[摘 要]局部放電的超聲陣列檢測方法是將陣列傳感器與陣列信號處理技術應用于局部放電超聲檢測中的一種新方法。其中，聲學性能良好、陣列結構合理的局部放電超聲陣列傳感器是檢測技術的基礎和關鍵。重點研發(fā)適用于局部放電檢測的平面方形與圓環(huán)形超聲陣列傳感器，并開發(fā)了相應的局部放電定位系統(tǒng)。建立了局部放電超聲陣列傳感器聲學性能的量化評價模型，實現(xiàn)了超聲陣列傳感器聲學性能的定量評價；通過權重比較，確定了定向準確度與最大旁瓣幅值的最優(yōu)分配。通過對目前國內(nèi)外變壓器局部放電檢測系統(tǒng)中超聲傳感器的應用現(xiàn)狀及適用條件，以及各種傳感器的靈敏度及工作頻帶等的實驗和對比分析，指出了變壓器局部放電檢測系統(tǒng)中超聲傳感器的發(fā)展方向。

[關鍵詞]電力變壓器；研發(fā)；設計；傳感器

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0066-01

隨著國家電力的迅速發(fā)展，電力變壓器的使用范圍越來越廣，電力變壓器的檢測就顯得相當?shù)闹匾?，電力變壓器中的局部放電能夠充分反映絕緣結構的薄弱環(huán)節(jié)，假如它長期存在肯定會損壞絕緣可能會造成重大的供電事故，因此我們高度重視如何防止事故發(fā)生，通過科技和經(jīng)驗我們設計出在線檢測超聲傳感器，它可以利用局部放電時產(chǎn)生的超聲作為信息再利用超聲傳感器電力變壓器外壁的檢測，做到無損、在線、實時監(jiān)視，保證電力變壓器的安全可靠少干擾。

一、傳感器的設計理念

如何設計出一款安全性能高使用方便的傳感器成了我們首要研究的問題，首先我們介紹下傳感器的設計原理，傳感器陣元的材料、中心頻率、厚度以及半徑等參數(shù)，并設計了單個超聲陣列傳感器陣元與方形、圓環(huán)形局部放電超聲陣列傳感器裝配體；接著，制作了局部放電超聲陣列傳感器，并搭建了陣列傳感器測試平臺， 對其進行了靈敏度測試，測試結果表明所研制的局部放電超聲陣列傳感器的頻響特性與一致性良好；然后，開發(fā)了一套完整的局部放電超聲陣列定位系統(tǒng)，包括超聲陣列傳感器、便攜式局部放電檢測系統(tǒng)與陣列定位軟件系統(tǒng)，為后續(xù)研究奠定了基礎。研究了一種局部放電超聲陣列傳感器稀疏設計方法。以圓形、方形、十字形和線形局部放電超聲陣列傳感器為例，以聲學性能評價值最優(yōu)為目標，通過分析研究得出各陣型在稀疏度為2時的聲學性能變化規(guī)律，從而確定各陣形在稀疏度，陣列傳感器的最優(yōu)稀疏分布結構通過仿真與實驗研究發(fā)現(xiàn)：稀疏度一定時，最優(yōu)稀疏結構下的圓環(huán)形局部放電超聲陣列傳感器的聲學性能均優(yōu)于方形陣列；陣元個數(shù)相同時，滿圓環(huán)形陣列的聲學性能最優(yōu)，最后，設計研制適用于局部放電檢測的超聲陣列傳感器，并搭建了相應的實驗平臺，開展大量實驗研究，實驗結果驗證了局部放電超聲陣列傳感器聲學性能定量評價方法及稀疏設計方法的正確性。

二、超聲傳感器的組成

超聲傳感器的組成主要是由他探頭、天線、放大單元、濾波單元、微波單元和鎖相方法單元組成。超高頻法由于所檢測的對象不同，使用的超高頻傳感器也各有差異，從安裝位置來看，超頻傳感器有內(nèi)部耦合器和外部天線，天線若安裝在變壓器內(nèi)部，則內(nèi)部電磁信號易于接收而且外部干擾幾乎被完全屏蔽，靈敏度很好，但內(nèi)部天線可能會改變內(nèi)部電場分布，引起擊穿。變壓器金屬外殼絕緣縫隙處會泄露出局部放電高頻電磁波，因此，外部天線檢測局部放電超高頻信號也是一種有效途徑。外部傳感器雖然抗干擾能力和靈敏度比內(nèi)部傳感器低，但是不影響內(nèi)部電場分布和系統(tǒng)密封，移動方便和教師傳感器即可實現(xiàn)局部放電源定位。傳感器的性能直接決定著信號的提取，因此應具有良好的頻率響應特性和較高的抗干擾能力和信號檢測靈敏度，并且結構尺寸靈巧，在不影響變壓器運行和不改變變壓器結構的前提下可以實現(xiàn)在線檢測，分為內(nèi)置式和外置式。目前常用的如拉桿式傳感器可以用過變壓器油閥插入箱體中，還有通過介質(zhì)窗裝置變壓器外部的圓形傳感器。傳感器接收到局部放電信號后通過同軸電纜傳送到前置放大器，這時就需要通過阻抗轉換器使得傳感器和電纜還有前置放大器之間有良好的匹配，信號功率才能被完全接收，電纜中只有傳感器向前置放大器傳輸?shù)娜肷洳?。?jīng)方大單元處理后的信號通過檢波器得到超高頻信號幅值的包絡線，檢波得到的高頻信號中的低頻分量，這樣檢測裝置可以用較低采樣率的模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉換，最后由計算機做統(tǒng)一分析處理。

三、超高頻傳感器天線的設計目標

要實現(xiàn)對變壓器局部放電的超高頻監(jiān)測，一個重要的途徑就是對局部放電產(chǎn)生的TEM波形傳播的電磁波進行耦合，并且要求對這種耦合器具備以下基本特性：結構尺寸靈巧，在不改變變壓器運行和變壓器結構的前提下實現(xiàn)在線監(jiān)測；能實現(xiàn)帶寬為500-1500MHZ的局部放電信號檢測，VSWR<3.0，增益為3-6dB，具有良好的頻率響應特性；具有較高的抗干擾能力及干擾信號區(qū)分能力；具有較高的信號檢測靈敏度；能將局部放電特性明顯的頻段加以區(qū)分和提前。

根據(jù)變壓器局部放電的特性及變壓器的實際結構，設計了可用于變壓器局部放電超高頻檢測的天線傳感器，即雙臂阿基米德螺旋天線。并且內(nèi)置式超高頻天線的設計，主要是有其一用于GIS、電機、電纜的超高頻法，檢測頻帶較窄（通常為幾十MHZ），從而丟失了大量的放電信息，因而檢測靈敏度受到一定的限制。局部放電脈沖能量幾乎與頻帶寬度成正比，當只考慮檢測儀元件（如放大器等）的熱噪聲對靈敏度的影響時，用寬頻帶檢測有更高的靈敏度，例如對在半峰值處有1.5ns寬度的局部放電脈沖，在1MHZ帶寬的局部放電靈敏度為0.1PC，在350MHZ帶寬靈敏度大0.01PC。因而檢測店里變壓器局部放電用的超高頻天線選用寬頻帶是有利的。在檢測現(xiàn)場，干擾源多且干擾信號幅值大，這極大地增加了局部放電信號提取的難度，大量研究表明，在變壓器試用現(xiàn)場，變電站背景噪聲的頻率以及空氣中電暈干擾的頻率通常小于300MHZ。因此，選擇天線的下限截止頻率為300MHZ，這樣可以較好地抑制噪聲干擾（電臺和移動通信干擾有固定的頻率，可以通過軟件加以去除）。對于變壓器內(nèi)部的局部放電，到達接收天線的電磁信號經(jīng)多次折、反射和衰減后已發(fā)生畸變，高頻分量不易精確提取，因此選擇天線的上限截止頻率為3000MZH。這樣既能有效地抑制大部分外部干擾，又能獲取盡可能多的局部放電信息。

四、總結

通過對傳感器的研究和設計，也充分認識到傳感器的選擇對局部放電在線檢測中的重要性，在實際選用中我們必須結合工作頻帶、靈敏度、分辨率以及現(xiàn)場的安裝難易程度和經(jīng)濟效益問題等進行綜合衡量，對于那些靈敏度不高的場合我們可選擇內(nèi)置諧振式傳感器性能更好的，新型傳感器作為新型發(fā)展的技術有著很好的發(fā)展前景，但還存在一定困難，所以我們必須加強科技投入去研發(fā)靈敏度更好性能更可靠的超聲長傳感器，能為電力變壓器提供安全監(jiān)測技術。

參考文獻

[1] 曹曉雯，電氣絕緣測試技術，機械工程出版社，2008.

[2] 劉明軍，變壓器局部放電超高頻監(jiān)測技術方法研究，華中科技，2011.

[3] 袁飛，小型平面螺旋天線在傳感器應用，西南電子設備研究所，2009.