齊欣，李思彬（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽(yáng)110006）

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高壓電力設(shè)備絕緣診斷的聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)

齊欣，李思彬
（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽(yáng)110006）

摘要：做好絕緣老化機(jī)理的研究，對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)是至關(guān)重要的。而聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)前絕緣狀態(tài)診斷最具有前景的一種技術(shù)手段。通過(guò)對(duì)高壓電力設(shè)備絕緣診斷的聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類，對(duì)各類聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行粗淺的闡述，顯示出絕緣狀態(tài)診斷低頻超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性，以供參考。

關(guān)鍵詞：高壓；電力設(shè)備；絕緣診斷；聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)

目前我國(guó)的高壓電力設(shè)備，在絕緣上主要使用的是聚合物復(fù)合材料，但由于聚合物復(fù)合材料在實(shí)際的制造加工過(guò)程中，難免會(huì)存有氣泡。而這些氣泡在高壓設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中又極易引起局部放電，不僅會(huì)加速絕緣老化，還會(huì)造成絕緣擊穿等問(wèn)題。也正因如此，做好絕緣老化機(jī)理的研究，對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)則顯得至關(guān)重要。而聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)前絕緣狀態(tài)診斷最具有前景的一種技術(shù)手段。

1 聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)

1.1 聲學(xué)敲擊檢測(cè)技術(shù)

作為一種最為常見(jiàn)的對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法，聲學(xué)敲擊檢測(cè)技術(shù)因其檢測(cè)簡(jiǎn)單易行，所以常常作為其他檢測(cè)方法的補(bǔ)充手段。其原理在于利用物體輕輕叩擊被測(cè)試材料，以此判斷被測(cè)試材料是否存在缺陷問(wèn)題。存在缺陷的被測(cè)試材料，其叩擊聲響與完好材料聲響不同，頻率較低。很久以來(lái)，都是依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，利用人耳對(duì)叩擊聲響進(jìn)行分辨，因此，在準(zhǔn)確度上也容易存在一定的偏差。而隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛快發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也得到了十分迅猛的發(fā)展，因此，利用該檢測(cè)技術(shù)原理經(jīng)過(guò)現(xiàn)代技術(shù)的融合，制作出用聲傳感器，以此提高聲學(xué)敲擊檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中的準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果證明，聲學(xué)敲擊檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)出因絕緣老化而產(chǎn)生的氣隙、分層等缺陷。但是，不可避免地會(huì)受到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)聲波的干擾。

1.2 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射現(xiàn)象，是由于材料受到的外力或者是內(nèi)部殘余應(yīng)力過(guò)于集中，使材料發(fā)生變形、破壞等問(wèn)題，而作用在材料上的很多現(xiàn)象都是由于多余的彈性波釋放。聲發(fā)射技術(shù)主要是指在電力設(shè)備中通過(guò)聲波發(fā)射而進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)，主要通過(guò)運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)此規(guī)律來(lái)判定絕緣規(guī)律、發(fā)展規(guī)律，從而進(jìn)行研究的一種技術(shù)。尤其是在電應(yīng)力的作用下，局部放電脈沖電流持續(xù)時(shí)間較短，伴有超聲波能量釋放。因此，利用聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)^緣性能的好壞進(jìn)行測(cè)量。雖然目前國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)先對(duì)變壓器聲發(fā)射法局部放電定位展開了研究，局部放電發(fā)射技術(shù)在理論上已經(jīng)十分成熟，但是由于在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，變壓器油中會(huì)有多個(gè)放電源存在，因此，其數(shù)字信號(hào)處理十分復(fù)雜，極易給后期的結(jié)果分析帶來(lái)巨大的困難。

1.3 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)技術(shù)，主要依靠的是超聲波在物體傳播中的物理特性（當(dāng)超聲波遇到界面時(shí)，就會(huì)相應(yīng)的發(fā)生反射、折射現(xiàn)象），而對(duì)現(xiàn)物體內(nèi)部不連續(xù)性進(jìn)行發(fā)現(xiàn)的一種方法。目前，我們以超聲波波形為分類點(diǎn)，可將超聲波檢測(cè)分為橫波檢測(cè)法、縱波檢測(cè)法兩種。

第一，橫波檢測(cè)法。磁盤絕緣子、發(fā)電機(jī)定子絕緣缺陷檢測(cè)是橫波檢測(cè)法最為主要的兩種模式。而正是因?yàn)榇杀P絕緣子在實(shí)際的制作過(guò)程中，極易出現(xiàn)亞表面裂紋問(wèn)題，尤其是這些裂紋又往往隱匿在表面釉層之內(nèi)。因此，使用常規(guī)的檢測(cè)方法是很難準(zhǔn)確檢測(cè)到的。而超聲橫波檢測(cè)，因其能夠在絕緣內(nèi)部發(fā)出深度達(dá)到一個(gè)波長(zhǎng)的橫波，并且通過(guò)反射波的傳播時(shí)間，對(duì)瓷盤內(nèi)的亞表面裂縫進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，如若沒(méi)有缺陷，那么在一定位置上探傷儀的熒光屏就會(huì)出現(xiàn)瓷圓柱體斷面的反射波，而有裂紋時(shí)，瓷圓柱體的斷面則會(huì)出現(xiàn)缺陷波。定點(diǎn)發(fā)電機(jī)的缺陷主要是超聲橫波測(cè)試，對(duì)于斜探頭的檢測(cè)主要是針對(duì)超聲橫波的發(fā)射，另外一個(gè)則負(fù)責(zé)接收。圖1是入射角為θ0的超聲波在定子線棒中的傳播示意圖。而通過(guò)試驗(yàn)證明，在熱循環(huán)的加速老化作用下，定子線棒會(huì)產(chǎn)生脫殼缺陷，兩個(gè)探頭接收到的超聲波幅值均會(huì)明顯減小。如圖1所示。

圖1 聲波在定子線棒中的傳播示意圖Fig.1 The transmission sketch map of acoustic wave in stator bar

第二，縱波檢測(cè)法。超聲直探頭可以對(duì)電氣設(shè)備的多種絕緣微觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)。圖2為超聲直探頭在電力電纜檢測(cè)中的示意圖。而通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：縱波檢測(cè)法能夠?qū)穸仍?0mm～80mm的合成樹脂絕緣進(jìn)行很好的檢測(cè)。可以對(duì)厚度在20mm～30mm的樹脂浸漬紙進(jìn)行絕緣的氣隙、箔紙分層和裂紋檢測(cè)?？蓪?duì)厚度在15mm的低密度交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜進(jìn)行檢測(cè)。如圖2所示。

圖2 電力電纜絕緣缺陷超聲縱波檢測(cè)示意圖Fig.2 Detector schematic of electric cable insulation defect ultrasonic longitudinal wave

2 高壓電力設(shè)備絕緣狀態(tài)診斷的低頻超聲檢測(cè)技術(shù)

聲學(xué)檢測(cè)方法雖然具備對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行檢測(cè)的能力，但卻缺乏對(duì)絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷的能力。尤其是通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證分析，我們可以清楚地知道，造成高壓電力設(shè)備絕緣老化加速的原因，不僅與絕緣的微觀缺陷有著至關(guān)重要的聯(lián)系，更與固體絕緣材料的性能有著本質(zhì)的關(guān)系。對(duì)此，絕緣狀態(tài)下的有效檢測(cè)和診斷，更需要對(duì)絕緣材料進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)微觀缺陷。而目前低頻超聲縱波檢測(cè)技術(shù)則是絕緣診斷中最具有發(fā)展前景的檢測(cè)技術(shù)。

充分利用超聲波特性的低頻超聲縱波檢測(cè)技術(shù)，正是根據(jù)其在絕緣物質(zhì)中的傳播速度以及衰減系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，對(duì)高壓電力設(shè)備的絕緣密度與彈性進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。特別是這些絕緣參數(shù)會(huì)隨著絕緣微觀結(jié)構(gòu)的變化發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，從而能夠診斷出絕緣狀態(tài)。

可以說(shuō)，基于聲波反射特性的低頻超聲波檢測(cè)技術(shù)，就是利用超聲的縱波特性，發(fā)揮其在測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)，因此，低頻超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)絕緣診斷聲學(xué)技術(shù)中最具發(fā)展前景的技術(shù)手段。

3 結(jié)語(yǔ)

不同的聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)各有利弊，目前仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決、開發(fā)與研究，我們更應(yīng)該不斷加強(qiáng)對(duì)高壓電力設(shè)備絕緣診斷聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)與完善，使其能夠更好地應(yīng)用在高壓電力設(shè)備絕緣診斷中，以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］項(xiàng)添春，房向陽(yáng)，干耀生，等.聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用概況及前景［J］.華北電力技術(shù)，2007，(11):92.

［2］郝艷捧，謝恒，高乃奎.大電機(jī)主絕緣剩余壽命智能評(píng)估的超聲技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2005，(05)：84.

Acoustic detection technology of high voltage electrical equipment insulation diagnosis

QI Xin, LI Si- bin
(State Grid Electric Power Co., Ltd. of Liaoning Province, Electric Power Research Institute, Shenyang110006, China)

Abstract:Study of insulation aging mechanisms has essential significance on effective insulation defect detection. The emergence of acoustic detection technology has become the most promising means for insulation diagnosis. By classifying acoustic detection techniques of high voltage electrical equipment insulation diagnosis, this paper expounded the principles, advantages and disadvantages of various types of acoustic detection techniques, which shows that superiority of low- frequency ultrasound inspection technology.

Key words:High voltage; Electrical equipment; Insulation diagnosis; Acoustic detection technology

中圖分類號(hào)：TM320

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674- 8646（2016）09- 0022- 02

收稿日期：2016- 02- 12