超声波局部放电带电检测方法的研究现状与发展

杜 伟，陈 珉，于 淼，王鸿学，林 敏

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315000；3.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

超声波局部放电带电检测方法的研究现状与发展

杜 伟1，陈 珉1，于 淼1，王鸿学2，林 敏3

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315000；3.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

超声波检测法作为局部放电检测的重要手段，近年来备受重视并得到快速发展。通过陈述超声波带电检测技术的发展历程、技术特点及实际应用情况；从超声波产生机理、传播特性、检测原理及装置入手阐述了超声波局部放电检测技术的基本原理；对超声波带电检测的诊断技术、缺陷定位技术及现场干扰排除方法进行了归纳；最后提出研究中有待解决的问题及未来发展方向。

超声波；局部放电；带电检测

0 引言

PD（局部放电）一般是由于绝缘体内部或表面局部区域电场集中引起绝缘击穿导致的放电现象。局部放电表现为持续时间小于1μs的脉冲，是电气设备绝缘劣化的初始现象[1]。通常表现为尖端放电、悬浮放电、空穴放电以及自由颗粒放电是局部放电4种形式。杂质、气泡是导致电力设备绝缘体内部出现不均匀的高场强，引起设备内部局部区域击穿，出现局部放电现象的主要原因。局部放电严重威胁到电气设备安全可靠运行，易引起电气设备事故的发生，因此，如何快速、可靠、准确地检测电气设备内局部放电现象是近几年研究的主要内容。

随着特高压电网的大力建设，设备安全可靠运行愈加受到重视。超声波局部放电检测技术作为最常用的局部放电检测技术之一，其传感技术、定位技术、数据分析技术是高校学者研究的主要内容。针对超声波局部放电检测技术，结合近几年研究成果，阐述超声波检测技术的发展历程、检测原理以及技术成果，探讨现阶段存在的主要问题，提出了今后的研究方向。

1 检测技术发展概况

1.1 检测技术发展历程

二十世纪四十年代，超声波检测技术首次用于电力设备局部放电检测中，但由于当时电力电子技术不够发达，传感器换能原件效率低，导致检测灵敏度无法达到相关要求。直到八十年代，电力电子技术与信号处理技术全面起飞，德国Vallen、美国物理声学等公司相继推出声发射信号传感器，提高了超声波检测的灵敏度与抗干扰能力，超声波局部放电检测技术逐渐广泛应用于电力设备实际检测中[2]。九十年代，关于超声波局部放电检测理论在电力设备应用的研究取得了长足进步，对超声波信号在电力设备内的传播规律、机理有了初步的认知[3-4]。基于以上研究，有学者指出，不同缺陷类型超声波信号时域、频域谱图存在差异，通过超声波检测法可以检测出内部缺陷。

进入二十一世纪后，关于超声波局部放电信号的检测已经卓有成效。2000年，澳大利西门子研究机构对典型超声波局部放电信号的传播及衰减进行了比较研究。2005年，德国科学家Ekard Grossman与Kurt Feser通过二维傅里叶变换对信号进行处理，优化了超声波局部放电在线监测方法，将检测灵敏度提高至10 pC。同年，韩国科学家发表了关于电力变压器局部放电超声波信号及噪声分析的论文[5]。

随着光纤技术的发展，近年来有学者开始研究利用光纤本身或者外部敏感元件将超声波信号转化为光强信号的变化，通过光敏元件进行局部放电的超声-光检测。目前为止，超声-光检测技术通常采用 Fabry-perot，Michelson和 Machzehnde等3种干涉原理[6-7]。

1.2 检测手段

在保证设备外壳可靠接地的前提下，现场对超声波局部放电检测时，检测过程不会对设备产生任何影响。被检设备与传感器之间的连接分为有线、无线2种连接形式。有线连接使用的连接线具有良好的绝缘性能，能够有效隔离被检设备，确保现场检测人员人身安全。

现场检测中，可通过时差定位法、幅值强度定位法对设备局部放电源进行精确定位。进行定位时，主要是根据放电过程中产生的声信号时间差以及声信号传播过程中衰减导致的信号强度变化达到定位的目的[8]。局放源定位可以准确判断放电源位置，缩短检修时间。

超声波局部放电检测能够实现模式识别与定量分析。在利用超声波对局部放电进行检测时，如何通过超声波信号进行的模式识别与定量分析是重点研究内容，日本和德国早在上世纪八十年代就已经进行过相关的研究[9-10]，结果甚微。为了对其进行深入研究，通过频谱识别方法进行定量分析和模式识别诊断，借助于非确定和非线性科学的不断发展，获得了较为可人的研究成果[11]。由于数学分析工具和传感器的不断发展和升级，使得针对局部放电进行的模式识别与定量分析成为可能。

在电脉冲穿过检测样本时，能够产生超声波信号，该信号与样本表面电荷分布有很大的关联，与空间电荷亦存在一定的比例关系。如此，对超声波中含有的信息进行分析就可以得到样本电荷的组成以及具体位置。所以，在测量绝缘材料的电荷分布时可以使用超声波检测法，这种方法所达到的效果是电脉冲所不能比拟的；不仅如此，考虑到局部放电通过辉光和亚辉光放电[12]产生超声波信号的具体机理，超声波局部放电检测可以弥补电脉冲法的不足，同时能针对局部放电问题产生新的测量依据和标准[13]。

1.3 实际应用情况

随着超声波局部放电检测技术的逐渐成熟，其在世界范围内得到了广泛的推广。在实际应用中，超声波局部放电检测范围涵盖GIS、变压器、电缆终端、开关柜等一次设备，既能高效完成上述设备的普测工作，又能配合特高频法、高频法等检测方法，进行缺陷诊断及定位。

自2000年超声波局部放电检测技术引入国内后，国家电网公司广泛使用该技术开展缺陷诊断与现场检测，效果显著。由于超声波检测法的实用性、高效性以及灵敏性，在实际应用中得到越来越多运行人员的肯定，对超声波检测法的依赖也越来越高。为了更及时准确地发现局部放电缺陷，国家电网公司为各省、市级电力公司大量配备GIS、变压器及开关柜超声波检测装置，仅2011年，装置配置数量就上涨近20倍[5]。

2 检测技术基本原理

2.1 超声波产生机理

电力设备正常运行时，设备内部介质应力、电场应力、粒子力处于动态平衡的状态，不会引起振动。当设备内部出现局部放电时，放电源附近电荷快速释放、中和、迁移，其周围介质应力、电场应力、粒子力的平衡状态被打破，产生陡峭的电流脉冲，电流脉冲导致放电源周围区域瞬间受热膨胀，局部放电结束之后，膨胀区域迅速恢复至原来的体积，这种规律的体积张缩变化使周围介质出现振动，从而产生超声波。信号以放电源为球心，通过球面波的方式传播至四周[14]。

在GIS设备中，局部放电不是产生超声波信号的唯一原因。金属颗粒碰撞GIS外壳，或者由于操作引起的机械振动等均可以产生超声波信号。图1为SF6气体中局部放电引起超声波信号产生的原理。

图1 超声波信号产生原理

2.2 超声波传播特性

局部放电产生的声波信号频谱分布广泛，约10～107Hz，具有一定的随机性，但信号频谱大多集中在20～200 kHz频段。此外，由于电气设备、传播介质、放电状态以及环境条件的不同，现场检测到的超声波信号频率也会不同。

超声波与声波一样，通过物体机械振动的方式进行传播。超声波分为纵波、横波2种，纵波能存在与气体、液体和固体介质中，横波仅能在固体介质中传播。电力设备中超声波信号主要通过2条路径传播：一条由放电源通过气体或液体介质以纵波的形式传播至设备外壳，即直达波；另一条先通过纵波传至设备外壳，再以横波的形式通过设备外壳进行传播，称为复合波[15]。

超声波信号的传播速度在不同介质、温度下，存在明显差别。频率类型对超声波传播速度也有影响，在同种介质中，频率越高，超声波传播的速度越快。此外，相同介质特定频率下，横波的传播速度比纵波快约1倍。表1给出了特定频率下，超声波信号在几种典型介质中的传播速度。

超声波信号传播过程中，由于波的扩散、反射、热传导等原因，随着传播距离的增大，信号能量逐渐减小。在固体中，衰减主要是由于分子间相互撞击散失的热量所致，固体介质中的衰减约正比于频率f；在气体和液体中，波的扩散是衰减的主要原因，空气中声波的衰减正比于频率的2次方和一次方的差，即f2-f，液体中衰减随着频率的平方f2增加[5]。纵波在几种常见介质的衰减情况如表2所示。

表1 超声波信号的传播速度[15]

表2 纵波在几种常见介质中传播衰减情况[5]

由表2可知，声波在不同介质中的衰减情况差异很大。在50 kHz频率下，超声波在SF6气体中的衰减很大，约为空气中的20倍，且低频分量远小于高频分量的衰减，现场检测到的声波低频分量较为丰富。

2.3 超声波检测机理

局部放电形成的超声波信号极为微弱，其能量一般为μJ级，检测过程中必须通过前置放大器将信号进行放大。由于声信号不易放大，需要通过具有压电效应的传感器进行声—电转换。传感器中的压电元件材料通常采用锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体或者钛酸锂、碘酸锂等单晶体。其中，锆钛酸铅灵敏度高，是最常用的压电材料。在超声波局部放电检测使用的传感器有单端式传感器和差分式传感器，超声波压电式传感器结构如图2所示。

对于不同设备，传感器的谐振频率不同，在现场检测中，GIS用的传感器频响宽度一般为20～80 kHz，谐振频率选择在45 kHz，变压器用传感器频响宽度一般为80～200 kHz，谐振频率为160 kHz。

图2 超声波压电式传感器结构

近年来，随着光纤技术的发展，局部放电的超声-光检测成为热门研究对象。有学者[12]研究出一种基于基于熔锥耦合原理的超声-光传感器，其结构如图3所示。

图3 光纤熔锥耦合超声波传感器结构[16]

由于以光纤材料具有良好的温度稳定性，传输光信号安全性高可用于高电压、强电磁场干扰等恶劣环境；同时光信号衰减小，便于长距离传输，适合电力设备运行状态下得连续在线监测。

2.4 超声波检测原理

在超声波局部放电检测时，在设备外壳或者腔体上安装超声波传感器，传感器将声信号转换为模拟信号，通过同轴电缆传输至检测系统，检测系统对传入的信号进行AM调制，使用检波器进行处理后，由人机交换界面将最终的测量结果呈现出来。其流程和基本单元如图4所示。

图4 超声波检测原理单元

3 超声波局部放电检测方法

3.1 检测技术

超声波局部放电检测常用模式有连续检测模式、相位检测模式、脉冲检测模式、特征指数检测模式等。局部放电为复杂的物理现象，在诊断中应结合上述检测模式谱图进行全面分析，尽量减少误判。

表3给出了几种常见缺陷类型的判断标准。由于超声波局部放电检测对绝缘类缺陷灵敏度较低，因此在表格里不做体现。

表3 超声波局部放电缺陷类型判定标准

此外，超声波局部放电检测遵循图5所示的基本流程。

图5 超声波局部放电检测流程

3.2 缺陷定位技术

超声波信号定位技术是一种行之有效的定位方法，目前已经积累了大量的现场经验。传统的超声波定位技术分为5种，即：频率定位技术、幅值定位技术、时间定位技术、相位定位技术和超声相控阵列技术。

频率定位技术常常用于GIS设备。利用SF6气体对超声波信号高频信号的吸收作用，通过分析超声波信号高频部分（50～100 kHz）的比例来判断缺陷位于中心导体还是外壳。通常，现场检测中将超声波仪器的检测上限频率从100 kHz减小到50 kHz，若超声波信号幅值无明显降低，证明超声波信号中的高频信号不受SF6气体吸收作用的影响，判断局部放电源应位于GIS壳体上，反之，证明局部放电源应位于GIS中心导体上。频率定位技术不能对局放源进行精确定位。

幅值定位技术是利用超声波信号在传播过程中的衰减特性，对局部放电源进精确定位的一种常用方法。通常，超声波信号幅值最大处对应的便是局部放电源位置。对GIS设备而言，若信号幅值最高水品集中于一个极小区域，则可初步判断局放源位于壳体；若信号幅值最高水平在一个大范围内集中出现，则证明局放源位于中心导体。

时间定位技术是根据超声波信号的时间差求取放电源位置的一种诊断手段。定位时通过测量局部放电产生的超声信号传播至多个不同位置的超声传感器的时间差，根据时间差和超声波信号的传播速度，利用空间解析几何法计算局部放电源的位置，实现绝缘缺陷精确定位。由于超声波在电力设备常用材料介质中衰减较大，所能测量得有效范围较小[15]。

在GIS现场超声波定位中，通常根据运行GIS的结构特点，可采用UHF（特高频）法与超声波法相互配合的声电联合法进行定位。由于声电联合法同时检测局部放电的超声波信号与电磁波信号，可以更加有效地排除现场干扰，有利于提高现场定位的准确性，发现绝缘缺陷。

对于GIS设备，由于超声波信号传播过程中，几乎无法通过盆式绝缘子从一个气室传至相邻的气室。在同一气室内，GIS局部放电发出的超声波信号一般通过直达波和复合波传播至传感器。由于复合波通过筒壁传播速度快且衰减大，往往先到达传感器，但其幅值比直达波小很多，信号谱图不明显。在现场测量时，超声波时间差定位中常常以直达波为准。

相位定位技术是对时间定位技术的一种补充。相比于时间定位技术，相位定位技术可以不通过示波器对局放源进行初步定位。主要通过不同检测点的相角差，通过公式（1）进行计算，计算局放源的位置。

式中：Δδ为相角差；Δx为距离差；v为超声波在不同介质中传播速度。

超声相控阵列技术在近几年获得了快速发展，定位精度高，能够实现对多个局部放电源的分别定位。可应用于变压器超声波定位中。图6给出了超声相控阵列技术的定位原理。

图6 超声相控阵列定位原理[17]

如图6所示，相控阵列定位技术采用N×N个阵列传感器组成平面相控矩阵。N×N个阵元对局部放电源的接收信号空间相位差可以表示成矩阵形式。在进行局放源定位时，以特高频信号为基准，计算同一方向超声波信号的传播时延，通过波速计算出局放源与传感器间的距离，最后根据相控矩阵计算出局放源的空间几何位置。有学者[17]认为该定位技术可达到1 cm的定位精度。

3.3 现场干扰排除方法

一般的，超声波局部放电检测现场干扰排除应遵循图7所示的基本流程。

现场进行超声波局部放电检测时，通常受到EMI（电磁干扰）信号、环境噪声、设备自身超声波信号的干扰，严重影响对现场超声波检测准确度，现场检测中应重点关注。

超声波检测仪具有抗电磁干扰能力强的特点，但并不意味着不受EMI信号的影响，尤其在使用外置放大器的检测仪器，在高处进行测量时，EMI信号可通过前置放大器的接口端子耦合进入仪器，通过传导耦合的方式传至检测仪器敏感器，对仪器的测量信号产生影响。现场检测时，常常使用铝箔包裹外置放大器接口端子，屏蔽EMI信号。

图7 超声波局部放电检测干扰排除流程

变电站内母线等裸露金属处的电晕放电亦会产生声信号，在电晕放电强烈时，容易对现场超声波检测造成干扰。由于这些声信号与电气设备内部局部放电超声波信号特征谱图一致，难以分别。现场检测中，可借助紫外仪检测附近裸露设备放电强度，初步判断干扰源位置。同时，通过与空气背景、附近构架处超声波信号进行比对，结合超声波信号时间定位技术、相位定位技术进行进一步确认。

设备正常工作状况下，电压互感器和电流互感器的内置绕组和铁芯会产生周期性的交变电磁场，引起磁致伸缩现象[18]。由于磁致伸缩的作用，磁性物质尺寸在各方面发生变化，产生特有的超声波信号，该信号一般具有强的单倍频和多倍频信号规律，波形具有定性对称性。故在现场超声波局部放电检测中，若电压互感器气室和电流互感器气室的超声波异常信号，应通过纵向、横向比较的方式，对照历史数据，综合分析。

4 结语

电力设备超声波局部放电检测技术经过近几年的快速发展已经成为局部放电检测的主要方法之一，形成了一套成熟的检测流程与检测方法。在实际应用中，发现了诸多局部放电缺陷，避免了电力设备事故发生，积累了大量现场经验。超声波光纤技术的快速的发展，大大提高了超声波检测的灵敏度与抗干扰能力，具有较大的发展空间。超声相控阵列定位技术逐渐应用于电力领域，进一步提高了对电力设备局放源的定位精度。但由于其传感器本身的复杂性，限制了该项定位技术的实际应用，如何在不影响电力设备运行的情况下，快速便捷的布置传感器仍是目前急需解决的问题。

尽管近几年各高校及相关学者对超声波局部放电检测进行了大量研究，取得了很多成绩，但仍有许多值得更加深入探索的内容：

（1）超声波局部放电检测仪器的参数界定、传感器灵敏度校验、局部放电源定位方法均没有定论，目前暂未形成正式严谨的标准文件。针对上述问题应进行更加深入细致的研究，以期形成一份完善的标准。

（2）对重要的电力设备进行持续的在线监测是保证其安可全靠运行的重要环节。目前，国内的在线监测系统较多的是对特高频信号进行实时监测，超声波信号的实时监测极少。如何利用超声波检测法，提高在线监测系统的可靠性、灵敏性、准确性，做到局部放电监测不漏判、不误判应该是今后研究的主要方向。

（3）交流电压作用下超声波局部放电检测技术已经研究了很多年，理论体系与分析方法较为成熟。但随着特高压直流输电工程的发展，直流电压或者复合电压作用下局部放电机理，超声波检测、数据分析方法的研究还非常少，需引起足够的重视。

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2017-07-19

杜 伟（1988），男，工程师，主要从事带电检测及变压器大数据的相关研究工作。

（本文编辑：徐 晗）

Research Status and Development of Ultrasonic Partial Discharge Live Detection Method

DU Wei1， CHEN Min1， YU Miao1， WANG Hongxue2， LIN Min3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.State Gird Ningbo Power Supply Company， Ningbo Zhejiang 315000， China；3.State Grid Hangzhou Power Supply Company， Hangzhou 310009， China）

As an important means for partial discharge detection，ultrasonic detection in recent years has drawn attention and develops rapidly.In this paper， the development history，technical characteristics and practical application of ultrasonic live detection are presented；the basic principle of ultrasonic partial discharge detection is discussed from four aspects including generation mechanism,propagation characteristics，detection principle and devices；the diagnosis technology，defect location technology and the field interference elimination method of ultrasonic live detection are also concluded.Finally，unsolved problems and the future development direction are proposed.

ultrasonic；partial discharge；live detection

10.19585/j.zjdl.201710009

1007-1881（2017）10-0043-07

TM835.4

A