朱健 劉寧 劉恒門 高曉寧 王昊一 席傲然

摘 ?要：電纜因其具有良好的電氣特性、機(jī)械性能、傳輸容量大與運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于高壓供電。運(yùn)行中一旦發(fā)生故障將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。研究發(fā)現(xiàn)電纜故障90%是因?yàn)殡娎|絕緣發(fā)生局部放電引起的。電纜絕緣發(fā)生局部放電時(shí)除了發(fā)出電信號(hào)，還會(huì)發(fā)出超聲波信號(hào)。文章將對(duì)電纜故障信號(hào)——超聲波的產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律及檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：電纜;局部放電;超聲波

中圖分類號(hào)：TM855 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0158-03

Abstract： Cable is widely used in high voltage power supply because of its good electrical characteristics， mechanical properties， large transmission capacity and convenient operation and maintenance. Once the failure occurs in operation， it will cause great economic losses. It is found that 90% of the cable faults are caused by partial discharge of cable insulation. When partial discharge occurs in cable insulation， in addition to sending out electrical signals， it will also send out ultrasonic signals. In this paper， the cable fault signal， that is， thegeneration mechanism， transmission law and detection technology of ultrasonic wave， will be deeply studied.

Keywords： cable; partial discharge; ultrasonic wave

引言

超聲波具有能量高、方向性好、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無損檢測。但是超聲波作為波的一種，在傳播過程中會(huì)發(fā)生反射、透射等現(xiàn)象。電纜絕緣發(fā)生局部放電產(chǎn)生的超聲波需要穿過層層不同聲阻抗的絕緣層、屏蔽層才能到達(dá)外界被檢測到，而且電纜發(fā)生局放電的時(shí)間很短，這就需要檢測裝置具有很高的靈敏度。

1 超聲波產(chǎn)生機(jī)理

電纜的絕緣材料為固態(tài)塑料結(jié)構(gòu)。在制造過程中如果因?yàn)橹谱鞴に嚥痪蓟烊牍腆w雜質(zhì)，或者出現(xiàn)氣泡都會(huì)引起高壓場強(qiáng)分布不均，在長時(shí)間帶電運(yùn)行后會(huì)引起絕緣局部放電。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，在放電的區(qū)域內(nèi)，分子間產(chǎn)生劇烈的撞擊，從而產(chǎn)生超聲波信號(hào)。局部放電原理圖如圖1：

2.2 超聲波在異質(zhì)界面的傳播規(guī)律

超聲波在異質(zhì)界面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，反射率和透射率由介質(zhì)的聲阻抗決定。當(dāng)超聲波由聲阻抗低的介質(zhì)傳播到聲阻抗高的介質(zhì)，反射率低，基本會(huì)全部透射;當(dāng)超聲波由聲阻抗高的介質(zhì)傳播到聲阻抗低的介質(zhì)，透射率低，基本會(huì)全部反射回去。電纜絕緣發(fā)生局部放電產(chǎn)生的超聲波時(shí)需要穿過屏蔽層，再經(jīng)過空氣到達(dá)超聲波傳感器，空氣聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜絕緣，超聲波會(huì)發(fā)生大量的反射。

3 超聲波檢測

針對(duì)電纜絕緣局部放電特性及超聲波的傳播規(guī)律。本文所設(shè)計(jì)的電纜絕緣狀態(tài)在線檢測裝置主要包括四個(gè)部分，其一為故障信號(hào)采集，其二為信號(hào)處理，其三為信號(hào)傳輸，其四為信號(hào)顯示。檢測辦法特征為：基于超聲波傳感器檢測電纜接頭絕緣發(fā)生局部放電時(shí)發(fā)出的超聲波信號(hào)強(qiáng)弱，作為電纜接頭絕緣狀態(tài)是否良好的判據(jù)，實(shí)時(shí)檢測電纜狀況。其檢測原理圖如圖3所示。

3.1 超聲波傳感器

當(dāng)電纜絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，發(fā)出的超聲波信號(hào)的頻率一般在20-60kHz之間，環(huán)境中所存在的干擾噪聲，如機(jī)械振動(dòng)噪聲約為120Hz-4kHz，電暈噪聲9-18kHz。本文所設(shè)計(jì)的超聲傳感器的期望中心頻率為37kHz帶寬為20kHz。

超聲波傳感器主要由金屬外殼和壓電體構(gòu)成，壓電體將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)輸出。其壓電體采用切割壓電陶瓷并填充有機(jī)物的方法制作成弧形，曲率可根據(jù)切割深度進(jìn)行調(diào)整。弧形壓電體可增大超聲波傳感器接收廣角，提高檢測效率和精度。超聲波傳感器金屬殼底部也成凹曲面，并用環(huán)氧樹脂緊密貼合在電纜接頭表面。排除空氣薄膜對(duì)超聲波的反射干擾，提高檢測精度。

3.2 超聲波信號(hào)調(diào)理電路

電纜絕緣發(fā)生局部放電時(shí)所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)很微弱，在傳播過程中因?yàn)樾盘?hào)的反射、散射等原因會(huì)造成信號(hào)能量的衰減。為了減少有用信號(hào)的損耗、以及降低噪聲干擾需要調(diào)理電路。

本文所設(shè)計(jì)的調(diào)理電路如圖4所示，主要包含電壓跟隨器、一級(jí)放大電路、帶通濾波電路、二級(jí)放大電路。由于A/D模塊額定輸入電壓為0-3V，而超聲波傳感器產(chǎn)生的為交流電壓，存在負(fù)半周期，所以要加入1.5V電壓進(jìn)行電位抬升，并在電路輸出端加3V穩(wěn)壓二極管，保證A/D模塊運(yùn)行安全。

3.2.1 阻抗匹配

超聲波傳感器所生成的電壓很微弱，在mv級(jí)別，傳輸時(shí)需要進(jìn)行阻抗匹配，避免超聲波信號(hào)被反射回源點(diǎn)，造成有用信號(hào)的損失。電壓跟隨器的輸入阻抗非常大，而輸出阻抗又非常小，可以作為超聲波信號(hào)的阻抗匹配電路。

3.2.2 放大電路

超聲波產(chǎn)生的電壓在mv級(jí)別，需要進(jìn)行相應(yīng)的放大處理，才能更好的濾波，濾波之后部分雜波被濾除，電壓的有效值降低，需要進(jìn)行二次放大，如圖4所示。

4 下位機(jī)控制及上位機(jī)顯示

調(diào)理電路處理過的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)入下位機(jī)，下位機(jī)進(jìn)行處理后經(jīng)過光纖傳輸給上位機(jī)，之所以選用光纖傳輸，是因?yàn)楣饫w傳輸抗干擾性強(qiáng)，可減小電磁信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾。上位機(jī)具有用C#編寫的顯示界面，具有數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警功能，可對(duì)電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測及故障報(bào)警。

5 結(jié)論

局部放電會(huì)造成絕緣電解質(zhì)損壞，長期帶病運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電纜故障，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。基于超聲波的電纜絕緣局部放電檢測法，實(shí)現(xiàn)電纜故障在線檢測，在保證檢測精度的前提下，提供可參考的檢測數(shù)據(jù)和運(yùn)行趨勢(shì)來判斷電纜運(yùn)行的狀態(tài)，預(yù)警故障隱患和先兆，為電纜的安全運(yùn)行提供依據(jù)，從而可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電纜的合理、安全動(dòng)態(tài)增容，實(shí)現(xiàn)電纜的“智能化”運(yùn)行，同時(shí)緊密結(jié)合工作實(shí)際，可提升電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。

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