【正文】 傳導到變壓器外殼的超聲波信號也比較復雜。該特有的超聲波信號一般具有強的單倍頻和多倍頻信號規(guī)律性，波形具有典型對稱性特征。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。我們應找出共振區(qū)域，檢測是否有局部放電信號。圖413 頻率定位技術的流程5）GIS的異常聲響分析我們偶爾會遇到運行中的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、設備動靜觸頭對應不正或設備運行引起振動等因素造成，因此我們不應盲目認為GIS內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的放電，而應改變超聲波信號頻段檢測，并加以設備的振動分析和特高頻檢測等其他檢測手段進行綜合分析。頻率定位技術是利用SF6氣體對超聲波信號中的高頻信號的吸收作用，通過分析超聲波信號高頻部分（50kHz100kHz）的比例來區(qū)分缺陷位于中心導體上還是外殼上，具體流程見圖413。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、接地開關等有活動部件的氣室取點應增多；（4）觀察歷史趨勢時應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形連接處前后應各測1點；（7）對于外殼直徑較大的GIS應考慮在橫截面上適當增加測點；（8）在水平安裝的盆式絕緣子處，應增加測點，顆?？赡軞埩粼谶@些絕緣子上并產(chǎn)生局部放電。3）測點的選擇由于超聲波信號隨距離增加而顯著衰減，故檢測選點不宜太少，否則很可能漏掉異常點。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。2）檢測背景信號檢測前，應注意盡量清理現(xiàn)場的干擾聲源。對GIS進行超聲波檢測流程如圖411所示。通過在GIS外部安裝超聲波傳感器，接收GIS內(nèi)部放電產(chǎn)生的超聲波信號，間接判斷GIS是否有放電現(xiàn)象。9）檢測者宜熟悉待測設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 7）檢測時，應做好檢測數(shù)據(jù)和環(huán)境情況的記錄或存儲，如數(shù)據(jù)、波形、工況、測點位置等。因此，局部放電檢測裝置應能將干擾抑制到可以接受的水平。5）選擇合適的檢測時間，注意外部干擾源。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。2）不同的電力設備選擇合適的傳感器。8）分析報告分析報告主要應包括電力設備詳細名稱、電力設備工況、檢測詳細位置、使用檢測設備名稱、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。典型波形比較法是綜合考慮現(xiàn)場干擾因素后，獲得真正代表目標內(nèi)部異常的超聲波信號與典型波形圖庫進行比較；橫向分析法即為目標部位的信號和相鄰區(qū)域信號或另相相同部位信號進行比較，確定是否有明顯異常信號；趨勢分析法為目標部位的信號與歷史數(shù)據(jù)相比較是否有明確的增長發(fā)展趨勢。7）信號異常處理與分析在電力設備檢測到超聲波局部放電信號異常時，應進行短期的在線監(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。應記錄并存儲信號時間分辨率與電源周波頻率相當?shù)某暡ㄐ盘柕臅r域波形，以便于準確分析。此外，由于設備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，超聲波信號傳播存在一定的復雜性，也可采取聲電聯(lián)合等定位方法。幅值定位是根據(jù)超聲信號的衰減特性，利用峰值或有效值的大小定位，一般離信號源越近，信號越大；時差定位是根據(jù)超聲波信號達到傳感器的時差，通過聯(lián)立球面方程或雙曲面方程組計算空間坐標，進行精確定位，精度可達10cm。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備的外殼接觸或摩擦。4）信號普測手持超聲波傳感器，平穩(wěn)地放在設備外殼的各檢測點上，待信號穩(wěn)定后，觀察信號情況10秒以上時間。對于開關柜設備，通常宜選用非接觸式超聲波傳感器對柜體縫隙進行檢測，并輔以接觸式超聲波傳感器對柜體外殼進行檢測。對于GIS設備，通常應選擇的測試點有：①盆式絕緣子兩側(cè)，特別似乎水平布置的盆式絕緣子；②隔室下方，如存在異常信號，應在該隔室進行多點檢測，查找信號最大點；③斷路器斷口處、隔離刀閘、接地刀閘、電流互感器、電壓互感器、避雷器、導體連接部件等處。2）檢測點的選擇根據(jù)不同電力設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定各個檢測點。圖49 超聲波局部放電帶電檢測的原則和基本流程（二）超聲波局部放電帶電檢測方法1 帶電檢測的一般流程如圖410所示，超聲波局部放電帶電檢測一般包括檢測前的準備、檢測點選擇、背景檢測、信號普測、初步定位、信號詳測、信號確診、分析報告等環(huán)節(jié)。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。在檢測開始前，通過對背景和檢測點超聲波信號有效值、幅值、頻率相關性、相位及原始波形的測定，判斷是否正常。帶電檢測是當前超聲波法在電氣設備局部放電檢測中應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)受技術和設備的穩(wěn)定性所限，性能不穩(wěn)定，出現(xiàn)高誤報率，應用受到很大的限制，相關技術有待進一步的研究和完善。目前，常用的超聲波局部放電檢測裝置對于缺陷類型的識別主要依靠檢測人員對檢測參數(shù)進行分析后加以判斷。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)進行存儲，以便進行對比和分析。在利用超聲波局部放電檢測方法檢測開關柜時，檢測裝置通過混頻處理，將超聲波信號轉(zhuǎn)為人耳能夠聽到的聲音。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行分析和處理，利用人機交互界面將結(jié)果展現(xiàn)給檢測人員，即為檢測中的各種參數(shù)。變壓器與GIS的超聲波局部放電檢測裝置通常為這種形式。（二）軟件系統(tǒng)1 人機交互界面人機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。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應具有足夠的采樣速率和信號傳輸速率。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)處理電路進行分析和處理。（a）單端式 （b）差分式圖48 壓電型諧振超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式2 信號處理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號處理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括前端的模擬信號放大調(diào)理電路、高速A/D采樣、數(shù)據(jù)處理電路以及數(shù)據(jù)傳輸模塊。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。目前應用最為廣泛的是以壓電陶瓷為材料的諧振式傳感器，它利用壓電陶瓷的正壓電效應，在局部放電產(chǎn)生的機械應力波作用下發(fā)生形變產(chǎn)生交變電場。光纖傳感器作為一種新發(fā)展起來的技術，有著很好的發(fā)展前景，但應用有一定困難。超聲波傳感器是超聲法局部放電檢測中的關鍵技術，在實際選用中應結(jié)合工作頻帶，靈敏度，分辨率以及現(xiàn)場的安裝難易程度和經(jīng)濟效益問題等進行綜合衡量。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、安裝及試件的聲學特性。工作溫度是指傳感器能夠有效采集信號的溫度范圍。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?shù)闹C振頻率是保證較高的靈敏度的前提。不同的電力設備發(fā)生局部放電時，由于其放電機理、絕緣介質(zhì)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的超聲波信號的頻率成分也不同，因此對應的傳感器諧振頻率也有一定的差別。（2）諧振頻率。頻響寬度即為傳感器檢測過程中采集的信號頻率范圍，不同的傳感器其頻響寬度也有所不同，接觸式傳感器的頻響寬度大于非接觸式傳感器。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。電力設備局部放電檢測用超聲波傳感器通?？煞譃榻佑|式傳感器和非接觸式傳感器，如圖47所示。理想的傳感器應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。此外，根據(jù)現(xiàn)場檢測需要，還可配備信號傳導桿、耳機等配件，其中信號傳導桿主要用于開展電纜終端等設備局部放電檢測時，為保障檢測人員安全，將超聲波傳感器固定在被測設備表面；耳機則用于開關柜局部放電檢測時，通過可聽的聲音來確認是否有放電信號存在。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)進行分析和特征提取并做出診斷。通過提取超聲波信號到達不同傳感器的時間差（TDOA，Time Difference of Arrival），利用其傳播速率即可實現(xiàn)對放電源的二維或三維定位，通過對比兩路或多路超聲波檢測信號的強度大小，即可實現(xiàn)對放電源的幅值定位。表42給出了縱波在不同材料中傳播時的衰減情況。聲波在傳播中的衰減，還與聲波的頻率有關，頻率越高衰減越大。當聲波從一種媒質(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。理論上，若媒介本身是均勻無損耗的，則聲壓與聲源的距離成反比，聲強與聲源的距離的平方成反比。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，如波的擴散、反射和熱傳導等。聲壓是單位面積上所受的壓力，聲強是單位時間內(nèi)通過與波的傳播方向垂直的單位面積上的能量。表41列出了縱波在20℃時幾種媒質(zhì)中的傳播速度?？v波要比橫波快約1倍，頻率越高傳播速度越快，在礦物油中聲波傳播速度隨溫度的升高而下降。當縱波通過氣體或液體傳播到達金屬外殼時，將會出現(xiàn)橫波，在金屬體中繼續(xù)傳播，如圖45所示。而聲波在固體中傳播的，除了縱波之外還有橫波。超聲波局部放電檢測的原理示意圖如圖44。由于超聲信號在電力設備常用絕緣材料中的衰減較大，超聲波檢測法的靈敏度和范圍有限，但具有定位準確度高的優(yōu)點。超聲波法（AE，Acoustic Emission，又稱聲發(fā)射法）通過在設備腔體外壁上安裝超聲波傳感器來測量局部放電信號。計算吸收作用的通用公式（不考慮松弛損耗）由等式（46）給出，式中是粘滯系數(shù)，是相速度，是平衡密度，是兩種介質(zhì)在常壓（Cp）、確定體積（Cv）下的摩爾比熱的比值，M是每摩爾的體積，是導熱系數(shù)。吸收作用與頻率的平方成正比，并與靜壓力成反比。當波長與障礙物尺寸相差不大或遠大于障礙物尺寸時，衍射效果非常明顯；但是當波長遠小于障礙物尺寸時，則幾乎不會發(fā)生衍射現(xiàn)象。 （45）如果cict并且入射波角度大于arcsin(ci/ct)，就會發(fā)生全反射。圖43 聲的折射與反射當波以一定角度傾斜入射時，就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象。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。圖42中描述的就是平面波、圓柱波及球型波在傳播過程的幾何空間衰減情況。在無損的介質(zhì)中，球面波強度與球面波陣面的面積成反比，圓柱波強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。導致這個現(xiàn)象的因素包括聲波的幾何空間傳播過程、聲波的吸收（聲波機械能轉(zhuǎn)為內(nèi)能的過程）以及波陣面的散射。聲波強度可以用峰值壓強P、峰值速度V的多種表達式表示，其中包括： （43）在實際應用中，聲波強度也常用分貝（dB）來度量。但是，對于平面波，聲阻抗是標量（Z=p0c）并被稱為介質(zhì)特征阻抗。合成作用力使該顆粒以速度v移動。2 聲波的阻抗和強度聲在氣體中的傳播速度是由狀態(tài)方程決定的；對于液體，速度是由該液體的彈性決定的；對于固體，則是由胡克定律決定的。在物理學中，對于聲波的運動有著更為正式的描述： （41）這里c指聲速。1