【正文】 率的聲波，在不同的溫度下，通過(guò)不同媒質(zhì)時(shí)的速率不同。在氣體中聲波傳播速率相對(duì)較慢，在固體中聲波傳播要快得多。表41 20℃時(shí)縱波在不同媒質(zhì)中的傳播速度（m/s）媒質(zhì)速度媒質(zhì)速度媒質(zhì)速度空氣330油紙1420鋁6400SF6140聚四氟乙烯1350鋼6000礦物油1400聚乙烯2000銅4700瓷料5600~6200聚苯乙烯2320鑄鐵3500~5600天然橡膠1546環(huán)氧樹(shù)脂2400~2900不銹鋼5660~7390聲波的強(qiáng)弱，可以用聲壓幅值和聲波強(qiáng)度等參數(shù)來(lái)表示。聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，與聲阻抗成反比。在氣體和液體中，波的擴(kuò)散是衰減的主要原因；在固體中，分子的撞擊把聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⑹撬p的主要原因。聲波在復(fù)合媒質(zhì)中傳播時(shí)，在不同媒質(zhì)的界面上，會(huì)產(chǎn)生反射，使穿透過(guò)的聲波變?nèi)?。兩種媒質(zhì)的聲特性阻抗相差越大，造成的衰減就越大。在空氣中聲波的衰減約正比于頻率的2次方和1次方的差（即）；在液體中聲波的衰減約正比于頻率的2次方（）；而在固體中聲波的衰減約正比于頻率（）。表42 縱波在幾種材料中傳播時(shí)的衰減材料頻率溫度（℃）衰減（dB/m）空氣50kHz20~28SF640kHz20~28鋁10MHz25鋼10MHz25有機(jī)玻璃25聚苯乙烯25氯丁橡膠25聲波的傳播速率與聲波的衰減特性在超聲波局部放電定位應(yīng)用中起到了重要的理論支持。三、超聲波局部放電檢測(cè)裝置組成及原理典型的超聲波局部放電檢測(cè)裝置一般可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件系統(tǒng)通常包括超聲波傳感器、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖46所示；軟件系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面與數(shù)據(jù)分析處理模塊等。超聲波傳感器信號(hào)處理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前置放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)AD采樣數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)傳導(dǎo)桿耳機(jī)圖46 超聲波局部放電組成框圖（一）硬件系統(tǒng)1 超聲波傳感器超聲波傳感器將聲發(fā)源在被探測(cè)物體表面產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它的輸出電壓是表面位移波和它的響應(yīng)函數(shù)的卷積。目前人們還無(wú)法制造上述這種理想的傳感器，現(xiàn)在應(yīng)用的傳感器大部分由壓電元件組成，壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等多晶體和鈮酸鋰、碘酸鋰等單晶體，其中，鋯鈦酸鉛（PZT5）接收靈敏度高，是聲發(fā)射傳感器常用壓電材料。接觸式傳感器一般通過(guò)超聲耦合劑貼合在電力設(shè)備外殼上，檢測(cè)外殼上傳播的超聲波信號(hào)；非接觸式傳感器則是直接檢測(cè)空氣中的超聲波信號(hào)，其原理與接觸式傳感器基本一致。（a）非接觸式傳感器 （b）接觸式傳感器圖47 超聲波傳感器實(shí)物圖（1）頻響寬度。在實(shí)際檢測(cè)中，典型的GIS用超聲波傳感器的頻響寬度一般為20kHz~80kHz，變壓器用傳感器的頻響寬度一般為80kHz~200kHz，開(kāi)關(guān)柜用傳感器的頻響寬度一般為35kHz~45kHz。諧振頻率也稱為中心頻率，當(dāng)加到傳感器兩端的信號(hào)頻率與晶片的諧振頻率相等時(shí)，傳感器輸出的能量最大，靈敏度也最高。（3）幅度靈敏度。（4）工作溫度。由于超聲波傳感器所采用的壓電材料的居里點(diǎn)一般較高，因此其工作溫度比較低，可以較長(zhǎng)時(shí)間工作而不會(huì)失效，但一般要避免在過(guò)高的溫度下使用。壓電晶片的諧振頻率（f）與其厚度（t）的乘積為常數(shù)，（V），即f?t＝，可見(jiàn)，晶片的諧振頻率與其厚度成反比。在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般選用諧振式壓電傳感器。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)狀況比較復(fù)雜的場(chǎng)合，在安裝方式可實(shí)現(xiàn)的條件下可以考慮不同的傳感器進(jìn)行組合安裝，這種組合可以是不同傳感器對(duì)同一種安裝方式的組合，同一種傳感器不同頻帶寬度的組合，這樣一方面可提高檢測(cè)靈敏度，另一方面可排除干擾減少誤判，獲取更為豐富的局部放電的信息。雖然局部放電及所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有一定的隨機(jī)性，每次局部放電的聲波信號(hào)頻譜不同，但整個(gè)局部放電聲波信號(hào)的頻率分布范圍卻變化不大，基本處于20～200kHz頻段，傳感器諧振頻率一般選擇在GIS為40kHz、變壓器為160kHz。單端式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，但靈敏度略遜于差分式傳感器；差分式傳感器可以有效抑制共模干擾，具有較高的靈敏度，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且?guī)ж?fù)載能力較弱。由于超聲波信號(hào)衰減速率較快，在前端對(duì)其進(jìn)行就地放大是有必要的，且放大調(diào)理電路應(yīng)盡可能靠近傳感器。數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將處理后的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)或傳入耳機(jī)等供檢測(cè)人員進(jìn)行觀察。高速的采樣速率保證傳感器采集到的信號(hào)能夠被完整地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而不會(huì)發(fā)生混疊或失真；穩(wěn)定的信號(hào)傳輸速率使得采樣后的數(shù)字信號(hào)能夠流暢地展現(xiàn)給檢測(cè)人員，并且具有較快的刷新速率，使得檢測(cè)過(guò)程中不致遺漏異常的信號(hào)。一種是通過(guò)操作系統(tǒng)編寫(xiě)特定的軟件，在檢測(cè)裝置運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)軟件中的不同功能將各種分析數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，供檢測(cè)人員進(jìn)行分析。另一種是將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)參數(shù)以直觀的形式顯示出來(lái)，如開(kāi)關(guān)柜的超聲波局部放電檢測(cè)通常可通過(guò)記錄信號(hào)幅值和聽(tīng)放電聲音的方式來(lái)完成。常用的檢測(cè)模式包括連續(xù)模式、脈沖模式、相位模式、特征指數(shù)模式以及時(shí)域波形模式等，檢測(cè)的參數(shù)包括信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)的有效值、周期峰值、被測(cè)信號(hào)與50Hz、100Hz的頻率相關(guān)性（即50Hz頻率成分、100Hz頻率成分）、信號(hào)的特征指數(shù)以及時(shí)域波形等。由于檢測(cè)過(guò)程中存在一定的干擾源，檢測(cè)裝置顯示的超聲波強(qiáng)度可能會(huì)比較大，但是只要沒(méi)有在裝置中聽(tīng)到異常的聲音，即可初步認(rèn)定開(kāi)關(guān)柜可能不存在放電現(xiàn)象。3 缺陷類型識(shí)別由于超聲波信號(hào)傳播具有較強(qiáng)的方向性特點(diǎn)，因此超聲波局部放電檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于缺陷的精確定位，而其在缺陷類型的識(shí)別方面卻鮮有突破。第三節(jié) 超聲波局部放電檢測(cè)及診斷方法一、檢測(cè)方法（一）概述當(dāng)前電力設(shè)備局部放電檢測(cè)中，基于超聲波原理的檢測(cè)主要分為帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)兩種方法。一般的，超聲波局部放電帶電檢測(cè)遵循如圖49所示的基本流程。如果有異常信號(hào)，就進(jìn)一步分析確認(rèn)所檢測(cè)的設(shè)備是否存在明顯缺陷，以確定缺陷的原因和位置；對(duì)于疑似缺陷、一些間歇性和不穩(wěn)定的異常信號(hào)，可以利用其它不同檢測(cè)手段如特高頻、紅外測(cè)溫、分解物分析、X射線等進(jìn)行輔助檢測(cè)。超聲波局部放電檢測(cè)和特高頻局部放電檢測(cè)為互為補(bǔ)充，互為驗(yàn)證的關(guān)系，不可偏袒。圖410 超聲波局部放電帶電檢測(cè)的流程1）檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作檢測(cè)前應(yīng)檢查儀器的完備性，設(shè)定儀器的試驗(yàn)參數(shù)，確保儀器的內(nèi)部電池電量充足，確認(rèn)超聲硅脂等部件齊全以及傳感器性能良好。由于超聲波信號(hào)衰減較快，因此在檢測(cè)時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的距離不應(yīng)大于1米。對(duì)于變壓器設(shè)備，超聲波局部放電檢測(cè)通常用于進(jìn)行放電源定位，因此可在變壓器外殼上選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)。3）背景的檢測(cè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)空間干擾小時(shí)，將傳感器置于空氣中，儀器所測(cè)得的數(shù)值即為背景值；檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)空間干擾較大時(shí)，將傳感器置于待測(cè)設(shè)備基座上，儀器所測(cè)得的數(shù)值即為背景值；而在信號(hào)確診和準(zhǔn)確定位時(shí)，宜將傳感器置于臨近的正常設(shè)備上，儀器所測(cè)得的數(shù)值即為背景值。建議為一人操作。5）信號(hào)定位超聲波法局部放電定位有幅值定位和時(shí)差定位兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，可采用幅值方法進(jìn)行初步定位，隨后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要決定是否需要進(jìn)行進(jìn)一步的精確定位。6）信號(hào)詳測(cè)在發(fā)現(xiàn)有可疑超聲波信號(hào)的部位后，應(yīng)進(jìn)行定位后對(duì)該部位進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，此工作必須使用傳感器固定裝置（如磁鐵固定座、固定座和綁扎帶等），進(jìn)行綜合分析，必要時(shí)增加測(cè)點(diǎn)檢測(cè)。記錄還應(yīng)包括設(shè)備工況、環(huán)境條件等內(nèi)容。超聲波異常信號(hào)分析宜采用典型波形的比較法、橫向分析法和趨勢(shì)分析法。異常信號(hào)分析時(shí)應(yīng)綜合考慮工況因素的影響。2 帶電檢測(cè)時(shí)的注意事項(xiàng)1）注意檢測(cè)儀器狀態(tài)良好。3）合理使用超聲硅脂，超聲波信號(hào)大部分在超聲波頻段范圍，在不同介質(zhì)（如金屬與非金屬、固體與氣體）的交界面，信號(hào)會(huì)有明顯的衰減。4）檢測(cè)時(shí)宜使用傳感器固定裝置，避免操作者的人為因素的影響?，F(xiàn)場(chǎng)干擾將降低局部放電檢測(cè)的靈敏度，甚至導(dǎo)致誤報(bào)警和診斷錯(cuò)誤。6）提高檢出概率，建議使用信號(hào)時(shí)間分辨率與電源周波頻率相當(dāng)?shù)某暡ㄐ盘?hào)的時(shí)域波形的檢測(cè)設(shè)備，并記錄連續(xù)多工頻內(nèi)的時(shí)域波形。8）每年檢測(cè)部位應(yīng)為同一點(diǎn)，除非有異常信號(hào)，定位出最大點(diǎn)后，改為最大點(diǎn)的部位檢測(cè)。3 GIS設(shè)備超聲波局部放電帶電檢測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，伴隨有超聲波信號(hào)的產(chǎn)生。該方法的檢測(cè)頻率一般在100 kHz范圍內(nèi)，對(duì)于SF6氣體中的顆粒跳動(dòng)、尖端放電、懸浮電位、異物和連接不良比較靈敏，但對(duì)于絕緣件內(nèi)部空隙、裂縫等缺陷靈敏度較低。圖411 GIS超聲波局部放電檢測(cè)流程1）傳感器的選擇一般的，對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行超聲波局部放電檢測(cè)選擇傳感器的頻率范圍為20kHz100kHz，諧振頻率為40kHz。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)附近的排風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)、施工機(jī)械摩擦、物體與GIS殼體摩擦、臨近的帶電導(dǎo)體電暈等都會(huì)帶來(lái)干擾。對(duì)于初步判斷超聲波信號(hào)異常的部位，應(yīng)在該部位附近重新檢測(cè)背景信號(hào)。GIS的超聲波檢測(cè)位置示意圖如圖412所示。圖411 GIS超聲波局放檢測(cè)點(diǎn)示意圖4）信號(hào)源定位GIS中的超聲波局部放電定位技術(shù)分為頻率定位技術(shù)和幅值定位技術(shù)。而對(duì)于穩(wěn)定缺陷，可以利用幅值定位與時(shí)差定位技術(shù)進(jìn)行精確定位。此外，由于設(shè)備的設(shè)計(jì)和布局的原因，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)可能引起設(shè)備某段區(qū)域存在共振現(xiàn)象。這種共振現(xiàn)象頻率一般比較低，人手能感覺(jué)出來(lái)，不伴有超聲波局部放電信號(hào)。所以我們應(yīng)對(duì)電壓互感器氣室和電流互感器氣室進(jìn)行特殊分析。所以檢測(cè)者可以通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的周期性和對(duì)稱性等特征來(lái)判斷信號(hào)是否源于局部放電之外的其它原因。在變壓器局部放電檢測(cè)中，一般用油色譜和高頻等方法進(jìn)行普測(cè)，而超聲波法則用于發(fā)現(xiàn)缺陷后進(jìn)行缺陷的定位。1）傳感器的選擇一般的，對(duì)變壓器設(shè)備進(jìn)行超聲波局部放電檢測(cè)選擇傳感器的頻率范圍為80kHz200kHz，諧振頻率為160kHz。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)附近的排風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)、施工機(jī)械摩擦、物體與變壓器殼體摩擦、臨近的帶電導(dǎo)體電暈等都會(huì)帶來(lái)干擾。此外，電抗器和換流變?cè)谶\(yùn)行中有較大的振動(dòng)，對(duì)局部放電超聲波檢測(cè)有一定的干擾，但是該干擾信號(hào)特征明顯，可以通過(guò)觀察后進(jìn)行排除。選擇測(cè)點(diǎn)的基本原則是：原點(diǎn)應(yīng)為變壓器高電壓側(cè)的左下角，傳感器位置可根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)及詳細(xì)試驗(yàn)條件而改變。相鄰傳感器之間的直線距離以2~3米以內(nèi)為宜，并應(yīng)準(zhǔn)確記錄傳感器的坐標(biāo)位置。時(shí)差定位技術(shù)是利用局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)傳播到不同位置的傳感器所需時(shí)間的差別來(lái)定位的技術(shù)，但由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)到達(dá)不同傳感器路徑不同和材料的特性差異等原因，容易造成時(shí)差測(cè)定不準(zhǔn)確，給定位帶來(lái)較大的誤差。6 開(kāi)關(guān)柜超聲波局部放電帶電檢測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生局部放電時(shí)的超聲波信號(hào)可以利用非接觸式超聲波傳感器在縫隙處進(jìn)行檢測(cè)，也可以利用接觸式超聲波傳感器在殼體上進(jìn)行檢測(cè)。開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)中常見(jiàn)的干擾源有水銀燈以及附近走動(dòng)的人或運(yùn)行的機(jī)器，在檢測(cè)時(shí)應(yīng)隔離這些干擾噪聲。開(kāi)關(guān)柜面板表面包括斷路器室、母線通風(fēng)處的板/蓋、開(kāi)關(guān)柜的門(mén)、高壓電纜端子箱等部位。如有必要，延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間。開(kāi)關(guān)柜面板包括斷路器和金屬封裝的縫隙處、電纜或母線窗、母線通風(fēng)板/蓋處的縫隙、開(kāi)關(guān)面板/門(mén)處的縫隙、高壓電纜接頭箱的側(cè)面或底部的通風(fēng)孔等部位。第一，橫向分析法。第二，趨勢(shì)分析法。根據(jù)特定的周期檢測(cè)開(kāi)關(guān)室中的開(kāi)關(guān)柜，保留每次的檢測(cè)結(jié)果，就可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)設(shè)備局部放電狀態(tài)變化的趨勢(shì)進(jìn)行分析。將判斷閾值與開(kāi)關(guān)柜的檢測(cè)結(jié)果做出比較，分析比較結(jié)果來(lái)判斷開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)。表中P為檢測(cè)中得到的超聲波信號(hào)幅值，通常以單位dB表示。表43 開(kāi)關(guān)柜超聲波定值判別依據(jù)聲音定值大小危險(xiǎn)等級(jí)危險(xiǎn)