基于超声波的高压开关柜局部放电非侵入式在线监测系统的研究

该系统主要由超声传感器、前置放大电路、数据采集卡和显示终端组成 。其中前置放
[3]
大电路和数据采集卡是在线监测系统的技术难点。图 2 为该系统结构框图。
图 1 测量原理图
图 2 系统结构框图
（1）超声传感器 该系统采用超声波非电量检测方法， 但是最终信号的采集、 处理以及结果的显示都是以 电信号的形式传递，因此，超声传感器就成为非电量信号和电信号的纽带。超声波是一种振 动频率高于声波的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成 为射线而定向传播等特点。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。其主要性能指标包括： 工作频率、工作温度、灵敏度。工作频率就是压电晶片的共振频率，当加到它两端的交流电 压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 由于压电材料的居 里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时 间的工作而不会失效。灵敏度主要取决于制造晶片本身，机电耦合系数大，灵敏度就高；反 之，灵敏度就低。 传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失， 障碍物反射损失、 背景噪声， 并直接决定传感器的尺寸。 关于超声波传感器工作频率的选择， 主要考虑以下方面： 一方面是因为介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比， 为减小声波 的传播损失，就必须降低工作频率。空气中超声波的衰减对频率很敏感，频率越高，衰减越 快，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。另一方面，测量中需要避免环境中各种 可听声的干扰，因此超声波传感器工作中心频率最好选择在 20kHz 以上。如图 3 所示为典 型针板放电超声波信号的频谱图， 可以看出局部放电所产生的超声波能量大多集中于 20kHz 到 140kHz 的频带。考虑到不同类型局部放电信号的差异，高压开关柜的结构，避开正常声 信号的干扰的需要，高频超声波传播时衰减更严重这四个因素，传感器中心频率选择为 40kHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有 所增加，但不会给接收带来困难。 综上所述，该系统选择了声华兴业科技有限公司的 SR40M 超声传感器，其中心工作频 率在 40kHz，工作频率 15kHZ-70kHz。 （2）前置放大电路 由于超声传感器的输入阻抗很大，一般在兆欧级别，而且输出信号很弱，大概在几百微 伏或毫伏的水平， 所以这就要求前置放大器不仅具有很大的输入阻抗， 而且具有很低的噪声。 因此在选择阻抗变换的方法、 信号放大的方式和器件时都要特别注意这些问题。 在放大信号
的同时还要注意对低频信号和高频信号的滤除， 所以还要设计相应的滤波器以达到提高信噪 比的目的。
图3
典型针板放电超声波信号频谱图
1/2
针对以上情况， 这里采用 ADA4817 低噪声 Fast FET 运算放大器作为该部分的前置放大 器件，该芯片的共模输入阻抗可达到 500GΩ ，并且其噪声水平为 4nV/Hz (100kHz) 和 4fA/Hz1/2 (100kHz)，-3dB 带宽为 1050MHz。因此可以构成电压跟随器，如图 4 所示。
图 8 局部放电超声波信号频谱图
经过软件的处理， 该系统不仅可以测量高压开关柜内部局部放电的水平， 还能指出放电点在 传感器的方位，满足该系统的设计要求。
4.结论
本系统看似简单，却包含了诸多重要技术，比如暂态对地电压传感器原理、信号的采集和快 速存储技术、信号处理、 USB 数据传气领域
该采集卡在接受到开始命令以后，开始以 40MHz 的采样率采集信号，把采集到的数据 实时存入到 SRAM 中，当把 1024 16 的 SRAM 存满后，采集自动停止，数据经过 USB 芯片 CH375 传给上位机，经过上位机的信号处理软件，把局部放电信号的波形、最大值和局部放 电点距离传感器的方位显示出来。图 6 是采集卡和显示终端的结构示意图。
2．测量原理
对于开关柜内部的局部放电， 放电产生的声波信号在柜体内部传播， 因此如果屏蔽层 是连续的， 则无法在外部检测到声波信号。但实际上， 屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接 处、 电缆绝缘终端等部位因破损而导致不连续， 声波信号因此传输到设备外层而被检测出来。 图 1 是该系统的测量原理图。
3.系统的组成
作者简介：刘岩(1989-), 男, 硕士研究生, 就读于西安交通大学, 从事电力设备在线监测的研究; 李洪杰（1966-） ，男，教授，毕业于新加坡南洋理工大学，目前工作于西安交通大学，从事电场、热场及耦合场的数 值计算及电力设备的状态检测和状态维修等研究。 作者通讯地址：陕西省西安市咸宁西路 28 号西安交通大学电气工程学院高电压教研室，邮编：710049，联系电话：15929311929， E-mail：liuyan_xd@
基于超声波的高压开关柜局部放电非侵 入式在线监测系统的研究
刘岩 1 ，曹阳 2，谢剑 1，田燕山 1，李洪杰 1 （1.西安交通大学电气工程学院，西安市，710049） （2.西安电子科技大学理学院，西安市，710071）
摘要：目前国内的高压开关柜内部故障检测主要以预防性试验为主，在线检测手段较少并且效果不理想。
图 6 采集卡和显示终端结构示意图
4．实测结果
系统初步集成之后，在实验室实际测量运行中的 10kV 开关柜内部局部放电情况。图 7 为实际测量图。
图 7 实际测量图
从图 8 可以看出，采集到信号的能量主要集中在 37kHz~42kHz ，证明前置放大电路中的有 源滤波器发挥了作用，滤除了低频和高频信号。
关键字：超声波 高压开关柜 局部放电 数据采集卡
1.引言
随着国家电网公司建设智能电网目标的提出， 电力设备在线监测技术成为智能电网建设 的重要组成部分。而高压开关柜是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着频繁送电、断 [1] 电和电能重新分配的繁重任务 ，对电网、负荷的安全和经济运行起着举足轻重的作用，所 以对高压开关柜开展非侵入式在线监测系统的研究具有工程实践的重要意义。 而且随着经济 的快速发展和用电量的急剧增加， 高压开关柜投入运行的数量也随之猛增， 为了保证安全供 电和电能质量的要求，对高压开关柜展开在线监测系统的研究同时具有一定的迫切性。 目前国内的高压开关柜内部故障检测主要以预防性试验为主， 由于预防性试验的周期可 能间隔较长， 很难发现在两次预防性试验间隔之间发展的缺陷， 容易造成绝缘不良引起事故， 并且在线检测手段较少而且效果不理想。 据统计， 开关柜事故中由于内部绝缘劣化引起事故 台次占总开关柜事故台次的 68%和事故总容量的 74%[2]。 绝缘劣化的主要原因就是运行当中 开关柜内部绝缘介质劣化引起的局部放电。 测量局部放电的方法主要有脉冲电流法、射频法、超声波法、暂态对地电压法和超高频 法。考虑到高压开关柜的实际情况，脉冲电流法、射频法和超高频法不适合测量开关柜内部 局部放电，因此超声波法就成为了检测高压开关柜内部局部放电的主要检测方法。同时，超 声波检测法不仅具有非电量测量方法抗干扰能力强、 灵敏度高、 控制方便和连续记录等特点， 还具有在线监测需要的非侵入式的优点。
而开关柜事故中由于内部绝缘劣化引起事故台次占总开关柜事故台次的 68%和占事故总容量的 74%。 绝缘劣 化的主要原因就是运行当中开关柜内部绝缘介质劣化引起的局部放电。为了准确的检测出高压开关柜内部 局部放电水平，本文介绍了一种基于超声波检测局部放电的方法。超声波检测法具有非电量检测法抗干扰 强和灵敏度高等特点，并且还具有非侵入式的突出优点，这使得高压开关柜在线检测和在线故障诊断变为 可能。利用局部放电点周围的电场应力、机械应力和粒子失去平衡状态产生振荡引起介质振动产生的声波 信号，经过超声波传感器把声波信号转换为电信号，我们可以分析得出局部放电水平并且通过相关算法可 以对放电点进行定位，减少停电检修时间和维修费用。实际测量结果显示该测量方法能有效地检测高压开 关柜内部局部放电水平，并且通过传感器的移动可以找出局部放电点的具体位置。
的技术和电子技术完美的结合到一起，研制出具有极大应用价值的在线监测系统。 该系统具有以下特点： (1) 具有非侵入式在线检测高压开关柜内部局部放电的功能； (2) 还具有对放电点进行定位的能力； (3) 操作简单、精度高、体积小、重量轻便于携带的诸多优点。 参考文献
1. 2. 3. 4. 罗运虎.智能化高压开关柜检测与故障诊断技术的研究[D].济南：山东科技大学，2003. 任明，彭华东，陈晓清等.采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电[J].高电压技术，2010，36(10) ： 2460-2466. 王昌长，李福褀，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社. 远坂俊昭.测量电子电路设计-滤波器篇[M].北京：科学出版社，2006.
图 4 基于 ADA4717 的电压跟随器
信号进入跟随器以后，还应设计相应的滤波电路来滤除低频和高频信号，这里采用 OPA211 来设计中心频率为 40kHz、 Q=5、 G=1 的巴特沃斯 2 级接续有源带通滤波电路 （ BPF） 。 1/2 因 OPA211 具有 1.1nV/Hz （1kHz）超低噪声的特性，用来设计滤波器和主放大电路非常合 适。图 5 为巴特沃斯 2 级接续带通滤波器[4]。
图 5 巴特沃斯 2 级接续有源带通滤波器
（3）数据采集卡和显示终端 超声传感器的微弱信号经过前置放大电路的放大和滤波，接入到 12 位 40MHZ 数据采 集卡，该采集卡采用 LTC2223（12 位 80Msps ）数模转换器、现场可编程门阵列 EP2C20 和 SRAM 来完成信号的采集和存储。经过测试表明，该采样卡的噪声在 2mV 的水平，满足 用来检测局部放电信号的要求。