【正文】 個非常重要的物理量。圖41顯示了作用在一小滴液體上的力。對于液體而言，局部干擾造成介質(zhì)的壓縮和膨脹，壓力的局部變化會造成介質(zhì)密度的局部變化和分子的位移，此過程被稱為粒子位移。超聲波與聲波一樣，是物體機(jī)械振動狀態(tài)的傳播形式。2013年8月至2014年2月國家電網(wǎng)公司組織開展了超聲波局放檢測裝置性能檢測工作，首次對國內(nèi)市場上數(shù)十款超聲波帶電檢測儀器進(jìn)行了綜合性能的檢測工作，對規(guī)范和引導(dǎo)國內(nèi)儀器開發(fā)和制造技術(shù)領(lǐng)域起到了積極推動作用。該技術(shù)在2008年北京奧運(yùn)會、2010年上海世博會等大型活動保電工作以及特高壓設(shè)備缺陷檢測中均發(fā)揮了重要的作用。目前，GIS、變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備均有成熟的檢測裝置和儀器供選擇，各國在超聲波檢測領(lǐng)域也已積累了大量的檢測經(jīng)驗與發(fā)現(xiàn)缺陷設(shè)備的經(jīng)驗。目前，超聲波局部放電檢測范圍涵蓋變壓器、GIS組合電器、開關(guān)柜、電纜終端、架空輸電線路等各個電壓等級的各類一次設(shè)備。根據(jù)超聲波信號傳播途徑的不同，超聲波局部放電檢測可分為接觸式檢測和非接觸式檢測。便于實現(xiàn)放電定位確定局部放電位置既可以為設(shè)備缺陷的診斷提供有效的數(shù)據(jù)參考，也可以減少檢修時間。二、技術(shù)分類及特點盡管脈沖電流法是局部放電研究的基礎(chǔ)，但是電脈沖信號在現(xiàn)場檢測時會有很大的干擾，很難正確得到放電信號，另外還存在在線結(jié)果與離線結(jié)果的等效性等問題。由于此方法受電氣干擾的影響比較小以及它在局部放電定位中的廣泛應(yīng)用，人們對超聲波法的研究逐漸深入。武高所開發(fā)了JFD系列超聲定位系統(tǒng)，其對一般變壓器放電定位誤差可小于10cm。2005年德國Ekard Grossman和Kurt Feser發(fā)表了基于優(yōu)化的聲發(fā)射技術(shù)的油紙絕緣設(shè)備的局部放電在線測試方法，通過使用二維傅里葉變換對信號進(jìn)行處理，可達(dá)10pC的檢測靈敏度。并于1992年發(fā)表了介紹超聲檢測局部放電的基本理論及其在變壓器、電容器、電纜、戶外絕緣子、空氣絕緣開關(guān)中的應(yīng)用情況的文章。第四章 超聲波局部放電檢測技術(shù)目 錄第一節(jié) 超聲波局部放電檢測技術(shù)概述 3一、發(fā)展歷程 3二、技術(shù)分類及特點 4三、應(yīng)用情況 5第二節(jié) 超聲波局部放電檢測技術(shù)基本原理 6一、超聲波的基本知識 6二、超聲波局部放電檢測基本原理 8三、超聲波局部放電檢測裝置組成及原理 10（一）硬件系統(tǒng) 11（二）軟件系統(tǒng) 13第三節(jié) 超聲波局部放電檢測及診斷方法 15一、檢測方法 15（一）概述 15（二）超聲波局部放電帶電檢測方法 15二、診斷方法 22（一）正常判斷依據(jù) 22（二）有明顯缺陷的判斷依據(jù) 23（三）疑似缺陷判斷依據(jù) 23（四）不同類型設(shè)備超聲波局部放電的缺陷診斷 24第四節(jié) 典型超聲波局部放電案例分析 27一、110kV GIS設(shè)備導(dǎo)向桿松動檢測 27（一）案例經(jīng)過 27（二）檢測分析方法 27（三）經(jīng)驗體會 30二、500kV變壓器內(nèi)部放電缺陷檢測 30（一）案例經(jīng)過 30（二）檢測分析方法 31（三）經(jīng)驗體會 33三、10kV開關(guān)柜局部放電檢測 33（一）案例經(jīng)過 33（二）檢測分析方法 33（三）經(jīng)驗體會 36參考文獻(xiàn) 37第一節(jié) 超聲波局部放電檢測技術(shù)概述一、發(fā)展歷程超聲波局部放電檢測技術(shù)憑借其抗干擾能力及定位能力的優(yōu)勢，在眾多的檢測法中占有非常重要的地位。隨后美國西屋公司的Ron Harrold對大電容的局部放電超聲檢測進(jìn)行了研究，并初步探索了超聲波檢測的幅值與脈沖電流法測量視在放電量之間的關(guān)系。同一年，南韓電力研究所研究員發(fā)表了關(guān)于電力變壓器局放超聲波信號及噪聲的分析方法的文章。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前超聲波局部放電檢測已經(jīng)成為局部放電檢測的主要方法之一，特別是在帶電檢測定位方面。目前，超聲波檢測局部放電的研究工作主要集中在定位方面，原因是與電測法相比，超聲波的傳播速度較慢，對檢測系統(tǒng)的速度與精度要求較低，且其空間傳播方向性強(qiáng)。超聲波檢測法具有以下特點。超聲波信號在傳播過程中具有很強(qiáng)的方向性，能量集中，因此在檢測過程中易于得到定向而集中的波束，從而方便進(jìn)行定位。接觸式超聲波檢測主要用于檢測如GIS、變壓器等設(shè)備外殼表面的超聲波信號，而非接觸式超聲波檢測可用于檢測開關(guān)柜、配電線路等設(shè)備。其中，變壓器和GIS的超聲波局部放電檢測通常采用接觸式方法，檢測時將超聲波傳感器（通常為壓電陶瓷材料）放置在設(shè)備外殼上，接收內(nèi)部發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的異常信號；開關(guān)柜的超聲波檢測既可以采用非接觸式傳感器在柜體各接縫處進(jìn)行檢測，也可以采用接觸式傳感器檢測由內(nèi)部傳播至柜體表面的超聲波信號；利用無損信號傳導(dǎo)桿可以將超聲波局部放電檢測法應(yīng)用于檢測電纜終端工藝不良等絕緣缺陷，該方法已經(jīng)取得了一定的應(yīng)用效果；在配網(wǎng)架空輸電線路巡線時，可通過一個超聲波傳感器接收線路上的絕緣缺陷所產(chǎn)生的放電信號，對線路的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。2000年初，超聲波局部放電檢測技術(shù)開始引入國內(nèi)。國際電工委員會（IEC）TC42下屬工作組正在致力于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62478的制訂工作，國內(nèi)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)制訂也正在進(jìn)行中。自2010年以來，國家電網(wǎng)公司先后舉辦了20余期電力設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)及技能培訓(xùn)工作，共培訓(xùn)技術(shù)與技能人員3000余人，培訓(xùn)內(nèi)容涉及超聲波局放檢測等多個項目，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了廣泛的人員基礎(chǔ)。按聲源在介質(zhì)中振動的方向與波在介質(zhì)中傳播的方向之間的關(guān)系，可以將超聲波分為縱波和橫波兩種形式。在物理學(xué)中，對于聲波的運(yùn)動有著更為正式的描述： （41）這里c指聲速。合成作用力使該顆粒以速度v移動。聲波強(qiáng)度可以用峰值壓強(qiáng)P、峰值速度V的多種表達(dá)式表示，其中包括： （43）在實際應(yīng)用中，聲波強(qiáng)度也常用分貝（dB）來度量。在無損的介質(zhì)中，球面波強(qiáng)度與球面波陣面的面積成反比，圓柱波強(qiáng)度與相對于聲源的距離成反比，這樣的衰減被稱為空間衰減。在平面波垂直入射的情況下，描述衰減的傳播系數(shù)由下式給出： （44）顯然，當(dāng)兩種媒介聲阻抗相差很大時，只有小部分垂直入射波可以穿過界面，其余全部被反射回原來的媒介中。 （45）如果cict并且入射波角度大于arcsin(ci/ct)，就會發(fā)生全反射。吸收作用與頻率的平方成正比，并與靜壓力成反比。超聲波法（AE，Acoustic Emission，又稱聲發(fā)射法）通過在設(shè)備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲波局部放電檢測的原理示意圖如圖44。當(dāng)縱波通過氣體或液體傳播到達(dá)金屬外殼時，將會出現(xiàn)橫波，在金屬體中繼續(xù)傳播，如圖45所示。表41列出了縱波在20℃時幾種媒質(zhì)中的傳播速度。聲波在媒質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，造成衰減的原因有很多，如波的擴(kuò)散、反射和熱傳導(dǎo)等。當(dāng)聲波從一種媒質(zhì)傳播到聲特性阻抗不匹配的另一種媒質(zhì)時，會有很大的界面衰減。表42給出了縱波在不同材料中傳播時的衰減情況。硬件系統(tǒng)用于檢測超聲波信號，軟件系統(tǒng)對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和特征提取并做出診斷。理想的傳感器應(yīng)該能同時測量樣品表面位移或速度的縱向和橫向分量，在整個頻譜范圍內(nèi)(0～100MHz或更大)能將機(jī)械振動線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并具有足夠的靈敏度以探測很小的位移。傳感器的特性包括頻響寬度、諧振頻率、幅度靈敏度、工作溫度等。（2）諧振頻率。靈敏度是衡量傳感器對于較小的信號的采集能力，隨著頻率逐漸偏移諧振頻率，靈敏度也逐漸降低，因此選擇適當(dāng)?shù)闹C振頻率是保證較高的靈敏度的前提。上述傳感器特性受許多因素的影響，包括：晶片的形狀、尺寸及其彈性和壓電常數(shù)；晶片的阻尼塊及殼體中安裝方式；傳感器的耦合、安裝及試件的聲學(xué)特性。光纖傳感器作為一種新發(fā)展起來的技術(shù)，有著很好的發(fā)展前景，但應(yīng)用有一定困難。常見的壓電型諧振傳感器的結(jié)構(gòu)形式如圖48所示，可分為單端式傳感器和差分式傳感器。A/D采樣將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并送入數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行分析和處理。（二）軟件系統(tǒng)1 人機(jī)交互界面人機(jī)交互界面是指檢測裝置將其采集處理后的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給檢測人員的平臺，一般可分為兩種。2 數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲超聲波局部放電檢測裝置通過對其采集的信號進(jìn)行分析和處理，利用人機(jī)交互界面將結(jié)果展現(xiàn)給檢測人員，即為檢測中的各種參數(shù)。此外，超聲波局部放電檢測裝置均配有數(shù)據(jù)存儲功能，在檢測背景噪聲信號以及可疑的異常信號時，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便進(jìn)行對比和分析。帶電檢測是當(dāng)前超聲波法在電氣設(shè)備局部放電檢測中應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法；而國內(nèi)電力系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)安裝的幾套超聲波局部放電長期在線監(jiān)測系統(tǒng)受技術(shù)和設(shè)備的穩(wěn)定性所限，性能不穩(wěn)定，出現(xiàn)高誤報率，應(yīng)用受到很大的限制，相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步的研究和完善。超聲波局部放電檢測對顆粒、懸浮放電、尖端放電、松動、異物雜質(zhì)等缺陷均有較好的檢測效果，對絕緣子內(nèi)部缺陷靈敏度低。2）檢測點的選擇根據(jù)不同電力設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定各個檢測點。對于開關(guān)柜設(shè)備，通常宜選用非接觸式超聲波傳感器對柜體縫隙進(jìn)行檢測，并輔以接觸式超聲波傳感器對柜體外殼進(jìn)行檢測。檢測中要避免傳感器的抖動，避免測試人員的衣物、信號電纜和其他物體與待測電力設(shè)備的外殼接觸或摩擦。此外，由于設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，超聲波信號傳播存在一定的復(fù)雜性，也可采取聲電聯(lián)合等定位方法。7）信號異常處理與分析在電力設(shè)備檢測到超聲波局部放電信號異常時，應(yīng)進(jìn)行短期的在線監(jiān)測或其他方法的檢測，如特高頻檢測、絕緣介質(zhì)的電/熱分解的成分分析、溫度檢測等手段，并加以綜合分析。8）分析報告分析報告主要應(yīng)包括電力設(shè)備詳細(xì)名稱、電力設(shè)備工況、檢測詳細(xì)位置、使用檢測設(shè)備名稱、檢測者、檢測時間、檢測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析情況、建議與結(jié)論等內(nèi)容。使用接觸式超聲波檢測儀器時，在傳感器的檢測面上涂抹適量的超聲耦合劑后，檢測時傳感器可與殼體接觸良好，無氣泡或空隙，從而減少信號損失，提高靈敏度。因此，局部放電檢測裝置應(yīng)能將干擾抑制到可以接受的水平。9）檢測者宜熟悉待測設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對GIS進(jìn)行超聲波檢測流程如圖411所示。推薦的背景檢測點是GIS外殼底架，并選擇各相測點的最小值。選擇測點的基本原則是：（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)易出問題的部位，如筒體下部，開關(guān)觸頭等；（2）測點間距離不宜大于3米，每兩個盆式絕緣子之間至少1個測點；（3）斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等有活動部件的氣室取點應(yīng)增多；（4）觀察歷史趨勢時應(yīng)與前次檢測取相同測點；（5）三相共箱的GIS建議在橫截面上每120度至少1個測點；（6）在GIS轉(zhuǎn)角處和T形連接處前后應(yīng)各測1點；（7）對于外殼直徑較大的GIS應(yīng)考慮在橫截面上適當(dāng)增加測點；（8）在水平安裝的盆式絕緣子處，應(yīng)增加測點，顆?？赡軞埩粼谶@些絕緣子上并產(chǎn)生局部放電。圖413 頻率定位技術(shù)的流程5）GIS的異常聲響分析我們偶爾會遇到運(yùn)行中的GIS出現(xiàn)了可聽的異常聲響，這種現(xiàn)象可能是由于內(nèi)部松動、設(shè)備動靜觸頭對應(yīng)不正或設(shè)備運(yùn)行引起振動等因素造成，因此我們不應(yīng)盲目認(rèn)為GIS內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的放電，而應(yīng)改變超聲波信號頻段檢測，并加以設(shè)備的振動分析和特高頻檢測等其他檢測手段進(jìn)行綜合分析。6）特殊部位的分析在工作狀態(tài)下，電壓互感器和電流互感器的內(nèi)置繞組和鐵芯會產(chǎn)生周期性的交變電磁場，由此可能產(chǎn)生特有的超聲波信號。5 變壓器超聲波局部放電帶電檢測的技術(shù)要點變壓器內(nèi)部絕緣材質(zhì)多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生局部放電時，超聲波信號在不同材質(zhì)中的衰減速率差異較大，傳導(dǎo)到變壓器外殼的超聲波信號也比較復(fù)雜。2）檢測背景信號檢測前，應(yīng)注意盡量清理現(xiàn)場的干擾聲源。3）測點的選擇由于超聲波信號隨距離增加而顯著衰減，且變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲波信號存在一定的折反射，故檢測選點不宜太少，否則很可能漏掉異常點。4）信號源定位變壓器的超聲波局部放電定位技術(shù)除了幅值定位技術(shù)以外，還需增加時差定位技術(shù)來