高壓設(shè)備局放超聲檢測(cè)的信號(hào)增益研究

王永強(qiáng), 夏添, 周龍興

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義桐梓供電局，貴陽(yáng) 563200)

0 引言

高壓設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)存在局部放電現(xiàn)象，這一現(xiàn)象對(duì)高壓設(shè)備和整個(gè)電網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生一定程度的不良影響，例如設(shè)備損傷和報(bào)廢、電網(wǎng)癱瘓等[1-2]。通過(guò)對(duì)處于絕緣狀態(tài)下的高壓設(shè)備進(jìn)行非接觸式快速掃面巡檢，捕捉其放電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其局部放電的監(jiān)測(cè)[3-4]。這一監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，有利于及時(shí)采取有效方案進(jìn)行維護(hù)，是一種保障高壓設(shè)備和整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的有效手段。據(jù)不同的檢測(cè)原理，可將目前常見(jiàn)的高壓設(shè)備局部放電檢測(cè)方法分為絕緣油溶解氣體分析法、無(wú)線電干擾電壓法、脈沖電流法、化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法等[5-9]。其中紅外檢測(cè)法是對(duì)局部放電時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行檢測(cè)，超聲波檢測(cè)法是對(duì)局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這兩種方法實(shí)施較為簡(jiǎn)單，近年來(lái)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[10-12]。

高壓設(shè)備的局部放電現(xiàn)象主要由電弧、電痕和電暈3種方式，其中電弧和較為嚴(yán)重的電痕會(huì)同時(shí)產(chǎn)生超聲波信號(hào)和較高熱量，因此用超聲波檢測(cè)器和紅外檢測(cè)器均可進(jìn)行檢測(cè)；但輕微的電痕和電暈只會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生熱量，無(wú)法利用紅外檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)；另外，當(dāng)高壓設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，熱量無(wú)法傳遞到外界，亦無(wú)法利用紅外檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。因此，與紅外檢測(cè)法相比，超聲波檢測(cè)法的應(yīng)用更為廣泛。超聲波探測(cè)器是利用超聲波傳感器對(duì)設(shè)備局部放電產(chǎn)生的聲波信號(hào)進(jìn)行采集并傳輸至計(jì)算機(jī)。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所收集的信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)其故障類型和等級(jí)進(jìn)行分析后，最后輸出檢測(cè)結(jié)果。該方案能夠在不對(duì)設(shè)備進(jìn)行停電的情況下對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，而且還可以有效避免機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的聲波干擾，在提高工作人員工作效率的同時(shí)又能夠高度保障其人身安全，是一種高效、準(zhǔn)確、安全的檢測(cè)方法。

不過(guò)高壓設(shè)備局部放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的能量不到總能量的1%，而且在傳遞過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)自身能量衰減，或被其他物質(zhì)吸收、反射，因此超聲探頭能接收到的能量更加微小。為了保證超聲波探測(cè)器的靈敏度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種聲波信號(hào)放大裝置，將其加入到超聲波探測(cè)器中可以有效提高探測(cè)器所接收到的聲波信號(hào)。

1 檢測(cè)器工作原理

本文所設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 超聲波檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

本方案采用聲電聯(lián)用檢測(cè)方案。檢測(cè)器的超聲接收探頭接收到高壓設(shè)備局部放電產(chǎn)生的聲波信號(hào)后，經(jīng)檢波器前端的前置放大設(shè)備對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行放大，然后傳輸至信號(hào)處理器；電信號(hào)檢測(cè)器收集的電信號(hào)也傳輸?shù)叫盘?hào)處理器。信號(hào)處理器對(duì)聲波信號(hào)和電磁信號(hào)進(jìn)行處理后輸出脈沖，并在顯示器顯示處理結(jié)果。由于聲波信號(hào)和電磁信號(hào)的傳播速度不同，可利用兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差對(duì)局部放電的位置進(jìn)行定位。

2 天線的聲波信號(hào)增益效果

如圖2所示。

圖2 拋物面型天線示意圖

本文所設(shè)計(jì)的超聲波信號(hào)探測(cè)器中的超聲接收天線為拋物面型天線，拋物面的焦點(diǎn)處于F點(diǎn)。當(dāng)天線接收到聲波信號(hào)后，天線的拋物面接收到的所有信號(hào)均將反射至拋物面焦點(diǎn)F點(diǎn)處。而拋物面的開(kāi)口θ和口徑R則在很大程度上影響著天線的有效反射面積，從而影響信號(hào)的采集效果。

在本方案中天線口徑為550 mm，焦距為30 mm，天線拋物面的焦軸即為Z軸。當(dāng)在原點(diǎn)發(fā)射頻率為40 Hz的脈沖，在120 mm×120 mm×120 mm的接收空間內(nèi)移動(dòng)超聲探頭，并對(duì)接收信號(hào)的幅值進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在未使用天線時(shí)，信號(hào)處理器所接收到的信號(hào)峰值約為50 mV左右；而當(dāng)加入拋物面型天線后，將超聲探頭在天線的焦軸上(即圖2中的Z軸)前后移動(dòng)，當(dāng)超聲探頭處于焦點(diǎn)前方或后方10-20 mm時(shí)，信號(hào)處理器所接收到的信號(hào)峰值為53-57 mV，與未安裝天線時(shí)所接收到的信號(hào)峰值相比略有增加，但增益不明顯；當(dāng)超聲探頭處于焦點(diǎn)時(shí)，信號(hào)處理器所接收到的信號(hào)峰值明顯增強(qiáng)，高達(dá)500 mV，與未安裝天線時(shí)所接收到的信號(hào)峰值相比，增益高達(dá)10倍。這是由于拋物面所接收到的信號(hào)經(jīng)反射后均聚焦于焦點(diǎn)(F點(diǎn))處，并且由焦點(diǎn)到拋物面各點(diǎn)的路徑相等，因此增益效果明顯。不同接收點(diǎn)的聲波信號(hào)增益效果如表1所示。

表1 不同接收點(diǎn)的聲波信號(hào)增益效果

3 聲波信號(hào)放大器的增益效果

聲波放大器對(duì)聲波信號(hào)的放大倍數(shù)受到頻率等因素的制約，所以在實(shí)際操作過(guò)程中的放大倍數(shù)和理論值之間有所差距。為了提高聲波信號(hào)放大器對(duì)聲波信號(hào)放大的準(zhǔn)確性，需要對(duì)放大器的增益效果進(jìn)行測(cè)試。由于局放超聲波檢測(cè)中使用中心頻頻為40 kHz超聲波接收探頭，我們以FG-513A函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的40 kHz的正弦波對(duì)前置放大電路的實(shí)際增益進(jìn)行了測(cè)試。另外，F(xiàn)G-513A函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)幅值較大，但高壓設(shè)備局部放電所產(chǎn)生的信號(hào)為微弱信號(hào)，本文在放大器前端加載了一個(gè)信號(hào)衰減模塊，結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 信號(hào)衰減模塊結(jié)構(gòu)

聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R1(1 MΩ)和R2(10 kΩ)衰減后再傳輸至信號(hào)放大器，利用示波器分別檢測(cè)到輸入信號(hào)uil和放大后的增益信號(hào)uo的峰值。利用公式1可計(jì)算出放大器的直接輸入信號(hào)ui,如式(1)

×ui1

(1)

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的輸入信號(hào)uil和放大后的增益信號(hào)uo的峰值以及利用公式所計(jì)算的ui的峰值如表2所示。

利用公式所計(jì)算的ui的峰值對(duì)uo的值作圖，并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖4所示。

圖中直線的斜率即為聲波信號(hào)放大器的放大倍數(shù)，約為2.21倍。另外，該聲波放大器的增益效果較為穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的18組數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.003 69。因此將天線與聲波放大器聯(lián)用時(shí)，可將信號(hào)放大22.1倍左右。

表2 輸入信號(hào)uil、增益信號(hào)uo及直接輸入信號(hào)ui數(shù)值

圖4 聲波信號(hào)放大器的增益

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一種拋物面型天線與聲波放大器聯(lián)用的聲波放大裝置。與未使用天線時(shí)信號(hào)處理器所接收到的信號(hào)峰值相比，將超聲探頭置于天線的焦點(diǎn)處，信號(hào)處理器所接收到的聲波信號(hào)峰值約增加了10倍；而當(dāng)在加入聲波放大器后，信號(hào)處理器所接受到聲波信號(hào)峰值約增加了2.21倍。因此當(dāng)在超聲波探測(cè)器中同時(shí)使用拋物面型天線和聲波放大器時(shí)，可以將超聲探頭所接收到的的超聲波信號(hào)放大22.1倍左右。