王慶華

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高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電超聲波傳感器的研制及其抗干擾的研究

王慶華

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350003）

本文以局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)局部放電產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行頻譜分析，得知低頻段所包含的分量較為豐富，因此選取了中心頻率為40kHz的SR40M型壓電轉(zhuǎn)換裝置作為該局部放電測(cè)量系統(tǒng)的超聲傳感器?；谠搨鞲衅鬏敵鲎杩勾蟆⑤敵鲂盘?hào)非常微弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了放大電路；同時(shí)為了降低噪聲，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的有源帶通濾波電路，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后得到了比較滿意的結(jié)果。利用有限元分析軟件建立了超聲波屏蔽罩的仿真模型。仿真結(jié)果表明，超聲波屏蔽罩能降低外界干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，提高了傳感器的抗干擾能力。

高壓開(kāi)關(guān)柜；超聲波傳感器；抗干擾；有源濾波器；超聲屏蔽罩

高壓開(kāi)關(guān)柜是配網(wǎng)中重要的電氣設(shè)備，它的安全運(yùn)行直接關(guān)系著供電的質(zhì)量和可靠性。開(kāi)關(guān)柜中絕緣介質(zhì)的缺陷和老化是威脅設(shè)備安全運(yùn)行、造成事故的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在6～10kV開(kāi)關(guān)柜事故中，有超過(guò)50%是由于絕緣失效引起的[1-4]。大量實(shí)踐表明，設(shè)備的局部放電水平跟自身的絕緣狀態(tài)直接相關(guān)。絕緣失效越嚴(yán)重對(duì)應(yīng)的局部放電水平就越明顯。因此，可通過(guò)檢測(cè)電氣設(shè)備的局部放電水平間接地評(píng)估其絕緣狀態(tài)。檢測(cè)局部的原理主要有暫態(tài)對(duì)地電壓（transient earth voltage, TEV）法、超高頻（ultra high frequency, UHF）法、超聲波法 等[5-7]。暫態(tài)對(duì)地電壓法具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但電磁波在柜體表面?zhèn)鞑ニ俣容^快，容易出現(xiàn)定位不準(zhǔn)確的情況，并且該傳感器抗電磁干擾的能力較弱，給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量造成了不小的挑戰(zhàn)。超高頻法頻帶的選擇性具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于超高頻法是基于射頻法的原理，只能定性地分析局放的強(qiáng)弱，限制了它的推廣使用，而超聲波法檢測(cè)的是超聲信號(hào)，因此對(duì)于電磁干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力。并且超聲波在空氣中傳播速度較慢，有利于減小定位誤差，這為開(kāi)關(guān)柜中局部放電的精確定位提供了可能。因此，利用超聲波法檢測(cè)局部放電強(qiáng)度及其放電點(diǎn)的位置具有重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。

目前，利用超聲波有效檢測(cè)電力設(shè)備內(nèi)部局部放電的儀器不少，其中英國(guó)EA公司的Ultra TEV Plus聲電聯(lián)合檢測(cè)儀是目前電力行業(yè)廣泛使用的局部放電檢測(cè)設(shè)備。雖然該設(shè)備具有一定的定位功能，但是定位不夠準(zhǔn)確。國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)羅勇芬教授曾利用超聲波檢測(cè)和定位變壓器內(nèi)部的局部放電，取得了一些重大成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)。利用超聲波檢測(cè)局部放電的便攜式儀器也不少，但是這些儀器都只是定性的判斷電力設(shè)備內(nèi)部有無(wú)放點(diǎn)而沒(méi)有定位功能，其精度、靈敏度和可操作性都有待提高。且開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，不僅有電磁干擾，還存在大量的機(jī)械振動(dòng)等干擾，而超聲波法雖然對(duì)于電磁干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但對(duì)于機(jī)械振動(dòng)比較敏感。綜合考慮以上各種因素，本文根據(jù)局部放電產(chǎn)生超聲波的頻譜范圍，確定其能量主要集中在哪個(gè)頻帶內(nèi)，并利用這一結(jié)論選擇合適的超聲傳感器，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)預(yù)處理單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)探頭進(jìn)行了抗干擾研究。

1 超聲傳感器的基本原理

超聲探頭的主要部分是超聲傳感器，同時(shí)它也是該系統(tǒng)能夠測(cè)量局部放電的關(guān)鍵所在。超聲傳感器內(nèi)部的壓電晶體為超聲波信號(hào)和電信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)換的起到了橋梁紐帶作用，其轉(zhuǎn)化能力用轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)表示[8]，即

式中，為電壓，V；為壓力，bar；為壓電晶體的厚度，m。

當(dāng)壓電晶體在某一方向受到外力時(shí)，其兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生極性相反大小相等的電荷；在外力消失后，壓電晶體恢復(fù)為不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力大小或者方向發(fā)生改變時(shí)，晶體兩表面所產(chǎn)生的電荷也會(huì)成比例的發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)作壓電效應(yīng)[9-10]。利用這種壓電效應(yīng)把局部放電產(chǎn)生的超聲波轉(zhuǎn)換成能夠方便識(shí)別和處理的電信號(hào)，從顯示屏上得知局部放電的劇烈程度。圖1所示為超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其中，壓電晶片多為圓形板，兩面敷有銀層，作為導(dǎo)電的極板，晶體底面接地線，晶片上面接導(dǎo)線引至電路上。為避免晶片與工件直接接觸而磨損晶片，在晶片下粘合一層保護(hù)膜，當(dāng)保護(hù)膜的厚度為1/2波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)（在保護(hù)膜中的波長(zhǎng)），聲波穿透率最大。厚度為1/4波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，穿透率最小。保護(hù)膜材料的性質(zhì)要與聲阻抗匹配，令保護(hù)膜的聲阻抗為，晶片的聲阻抗為1，被測(cè)工件的聲阻抗為2，當(dāng)吸收塊的聲阻抗等于晶片的聲阻抗時(shí)，壓電效應(yīng)最明顯，檢測(cè)的效果也最好，最佳條件為[11]

2 超聲波傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 超聲探頭的選型

超聲傳感器的主要性能指標(biāo)有靈敏度、工作頻率和工作溫度，這3項(xiàng)指標(biāo)都是由超聲傳感器里的壓電晶體決定。壓電材料的居里點(diǎn)較高，可以長(zhǎng)時(shí)間的工作而不會(huì)失去壓電特性。靈敏度主要取決于壓電晶體本身，其與機(jī)電耦合系數(shù)密切相關(guān)，機(jī)電耦合系數(shù)是表示壓電材料機(jī)械能和電能之間耦合關(guān)系的一個(gè)重要參數(shù)，意思是在單位體積的壓電材料中，可進(jìn)行壓電轉(zhuǎn)換的能量與儲(chǔ)存在該材料中的總能量之比[12]。機(jī)電耦合系數(shù)定義為

由于壓電材料具有彈性、介電性、壓電性，因此存在3種形式的能量，e為機(jī)械彈性波，d為介電電場(chǎng)能量，2t為壓電互換的能量。則單位體積中壓電材料的內(nèi)能為

（4）

機(jī)電耦合系數(shù)表示為

機(jī)電耦合系數(shù)越大，靈敏度也就越高。

另一個(gè)性能是工作頻率。工作頻率就是壓電晶體的共振頻率，共振頻率是與材料和幾何尺寸有關(guān)的物理量，設(shè)為晶片的厚度，則共振頻率與的乘積為一常數(shù)，又稱(chēng)頻率厚度常數(shù)。幾種常見(jiàn)壓電晶體頻率厚度常數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)壓電晶體頻率厚度常數(shù)

一旦給出晶體厚度，就可計(jì)算出共振頻率。例如計(jì)算切割石英片為例，若其厚度為1mm，則其共振頻率為

當(dāng)超聲波的頻率與晶體共振頻率相同時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。本文選擇超聲傳感器的工作頻率主要基于以下方面考慮：①超聲波在空氣中的衰減對(duì)頻率很敏感，頻率越高衰減也就越快，根據(jù)一般高壓開(kāi)關(guān)柜的尺寸大小，選擇工作頻率在40kHz左右，頻率太高的超聲波無(wú)法在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)傳播開(kāi)去；②由于介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收與其頻率的平方成正比，為了減少聲波能量的損失，應(yīng)盡量降低工作頻率；③工作頻率越高，對(duì)于相同尺寸的傳感器來(lái)說(shuō)，方向性越敏銳，分辨率也就越高，這就要求工作頻率盡量提高；④工作頻率越低，傳感器的尺寸也就越大，制造的難度也就越大。圖2所示為典型針板放電超聲波信號(hào)的頻譜。

圖2 典型局部放電超聲波信號(hào)頻譜

根據(jù)以上影響工作頻率的因素以及局部放電的聲頻譜特性，可以看出，局部放電產(chǎn)生的超聲波的低頻段所包含的分量較為豐富，其中心工作頻率大致為40kHz，因此選擇的超聲波傳感器的頻率范圍應(yīng)盡量以該頻率為中心頻率。工作溫度是超聲波傳感器的又一重要指標(biāo)，由于高壓開(kāi)關(guān)柜大多直接安裝在變電站及室外，考慮到四季溫差變化及開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱，因此傳感器的工作溫度范圍只要能涵蓋上述的溫度變化即可。在選擇傳感器時(shí)優(yōu)先考慮頻帶選擇和工作溫度，并在此基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)實(shí)用為原則盡量選擇靈敏度較高的傳感器。綜上所述，本文選擇了中心頻率為40kHz、頻帶寬度在15～70kHz之間的SR40M型超聲傳感器。

雖然傳播損失相對(duì)于低頻有所增加，但不影響傳感器的正常接收。圖3所示是SR40M型超聲傳感器的實(shí)物圖，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 SR40M型超聲傳感器

表2 SR40M技術(shù)參數(shù)

2.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

超聲傳感器的輸出阻抗很大，一般在兆歐級(jí)別，而且輸出信號(hào)很弱，在幾百mV或者一兩個(gè)mV的水平，這就要求前置放大器不僅具有很大的輸入阻抗，而且具有很低的噪聲。因此，在選擇阻抗變換的方法、信號(hào)放大的方式和器件時(shí)都要特別注意這些問(wèn)題[13]。經(jīng)過(guò)對(duì)不同型號(hào)運(yùn)算放大器的性能比對(duì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，最終選擇OPA211作為信號(hào)放大電路的運(yùn)算放大器。OPA211是雙極性輸入運(yùn)算放大器，它只需提供3.6mA的電流就可以實(shí)現(xiàn)1.1nV/Hz超低噪聲和80MHz增益帶寬（GBW）的優(yōu)秀性能。該運(yùn)放還具有低至100mV的失調(diào)電壓、0.2nV/℃失調(diào)電壓漂移和低于1ms的建立時(shí)間，這些特點(diǎn)都非常適合應(yīng)用于采集系統(tǒng)中前端小信號(hào)的放大。圖4所示是OPA211的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 OPA211的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

基于這款運(yùn)算放大器OPA211，設(shè)計(jì)了如圖5所示的仿真放大電路。該放大電路分為兩級(jí)放大，每一級(jí)都采用反相放大器的連接方法，放大出來(lái)的信號(hào)是正相100倍的放大信號(hào)。利用美國(guó)NI公司推出的Multisim仿真工具，進(jìn)行了放大電路的仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。從輸出信號(hào)的有效值準(zhǔn)確的達(dá)到1000mV，并且波形沒(méi)有發(fā)生畸變，較好地完成了理論上的信號(hào)放大功能。

圖5 放大電路仿真圖

圖6 仿真原始信號(hào)和放大信號(hào)

3 抗干擾研究

由于開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，周?chē)嬖谥罅康母蓴_信號(hào)，且超聲波傳感器對(duì)于機(jī)械振動(dòng)尤其敏感，因此有必要對(duì)超聲波傳感器的抗干擾措施進(jìn)行研究[14-16]。

3.1 有源帶通濾波器的設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行的環(huán)境周?chē)嬖诤芏喔蓴_信號(hào)，比如說(shuō)用電器的啟動(dòng)和停止，需要有濾波電路進(jìn)行濾波處理，使得噪音更小，因此本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波電路。傳統(tǒng)的濾波器多采用無(wú)源濾波器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。然而，國(guó)內(nèi)缺少專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)，集成工藝和材料工業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上現(xiàn)在電子通信行業(yè)的需求。有源濾波器的濾波效果不會(huì)隨著頻率的變化而變化。本文選擇了有源濾波器。

設(shè)計(jì)的有源濾波器如圖7所示。該電路的優(yōu)點(diǎn)是增加了一個(gè)電阻就能夠自由地設(shè)定電路增益，而且只需微調(diào)這個(gè)電阻，就能實(shí)現(xiàn)中心頻率的調(diào)整而不會(huì)影響值。其中運(yùn)算放大器仍然采用超低噪聲運(yùn)放器件OPA211，采用兩級(jí)帶通級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)如圖8所示的頻域特性。

圖7 有源濾波器原理圖

圖8 有源濾波器頻率特性

將超聲傳感器、有源濾波器和放大電路連接好以后都裝進(jìn)屏蔽殼中，以減小噪聲，然后進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，打開(kāi)電源后，圖9所示為信號(hào)放大前與放大后超聲信號(hào)的對(duì)比圖。從圖中可以看出，其噪聲在4mV以下，放大濾波前的原始信號(hào)中幾乎看不到超聲信號(hào)，因?yàn)檫@時(shí)顯然超聲信號(hào)被完全淹沒(méi)在了外部的噪聲中。而放大濾波后的信號(hào)幅值能達(dá)到50mV的水平，并且可以清晰地分辨出超聲探頭檢測(cè)到的局部放電信號(hào)，由此說(shuō)明所設(shè)計(jì)的帶通濾波器能夠達(dá)到放大濾波的預(yù)期效果。

（a）濾波放大前

（b）濾波放大后

圖9 放大前與放大后超聲信號(hào)的對(duì)比

3.2 超聲屏蔽罩的設(shè)計(jì)

超聲探頭是全方向性的，抗干擾能力較弱，在背景噪聲比較大的情況下，無(wú)法有效地進(jìn)行測(cè)量。為了提高超聲探頭的抗干擾能力，仿真設(shè)計(jì)了如圖10所示的超聲屏蔽罩。屏蔽外殼采用有機(jī)塑料，通過(guò)仿真進(jìn)一步優(yōu)化了超聲探頭罩的尺寸。加裝超聲屏蔽罩前后，超聲探頭接收到從不同角度入射的超聲波的聲壓分布分別如圖11和圖12所示。從仿真結(jié)果可以看出，無(wú)論有無(wú)超聲罩，正向入射時(shí)超聲傳感器接收到的信號(hào)都最強(qiáng)。而無(wú)超聲罩的超聲波傳感器表現(xiàn)出全向性的特點(diǎn)，隨著入射方向偏離垂直入射方向角度的增大，傳感器接收到的信號(hào)有所減弱，但并不明顯。有超聲罩時(shí)，傳感器具有了一定的方向性，能夠極大削弱偏離正向入射的干擾信號(hào)，提高了信噪比。

圖10 超聲傳感器裝配圖

為了驗(yàn)證屏蔽罩的效果，進(jìn)行了如下對(duì)比試驗(yàn)：在試驗(yàn)室中將兩個(gè)型號(hào)完全相同的超聲傳感器對(duì)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)柜的縫隙，其中一個(gè)傳感器安裝有設(shè)計(jì)的屏蔽罩，開(kāi)關(guān)柜體內(nèi)無(wú)放電，通過(guò)示波器觀察輸出信號(hào)的噪聲水平?？梢钥吹皆谥?chē)鷽](méi)有明顯嘈雜聲的情況下，未安裝超聲屏蔽罩的其噪聲水平已經(jīng)達(dá)到了10mV，而裝有超聲屏蔽罩的傳感器其噪聲水平明顯下降，大約在6mV，可以說(shuō)屏蔽殼的作用相當(dāng)明顯。

圖12 有超聲屏蔽罩時(shí)傳感器上聲壓分布

4 結(jié)論

本文分析了開(kāi)關(guān)柜典型局部放電信號(hào)產(chǎn)生超聲波的頻帶分布，并基于頻帶分布完成了超聲探頭的選型。由于超聲傳感器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易處理和顯示的電信號(hào)非常微弱，不容易測(cè)量和采集，必須將其放大后再進(jìn)行信號(hào)采集工作，因此本文設(shè)計(jì)了超聲傳感器的前置放大電路。同時(shí)超聲波檢測(cè)時(shí)，周?chē)嬖诖罅康母蓴_信號(hào)，為了提高測(cè)量的精度和可靠性，本文對(duì)超聲波檢測(cè)下的抗干擾進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的有源濾波電路和超聲波屏蔽罩。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)濾波和加裝屏蔽罩后傳感器接收到的干擾信號(hào)顯著減小，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

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Development of Ultrasonic Sensor and Anti-interference Research for Partial Discharge in High Voltage Switchgear

Wang Qinghua

(State Grid Fujian Electrical Power Company, Fuzhou 350003)

Based on ultrasonic signals generated by partial discharge，the ultrasonic spectrum of the partial discharge is analyzed in this paper. According to the ultrasonic spectrum, the ultrasonic sensor SR40M with center frequency 40kHz is chosen. And considering the high output resistance and the weak output signals of the sensor, an amplifying circuit has been designed in this paper. In order to reduce noise, the active band-pass filter circuit is chosen to filter out the noise. The simulation model of ultrasonic shield is established by using finite element analysis software. The results show that ultrasonic shield can greatly reduce the influence of the interference signal, and improve the anti-interference ability of the sensor.

switchgear; ultrasonic sensor; anti-interference; active filter; ultrasonic shield

王慶華（1968-），男，現(xiàn)為國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司科信部高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)檢測(cè)。