超声波局部放电检测仪校验方法研究及应用_杨宁

0引言 高压电力 设 备 内 部 存 在 绝 缘 缺 陷 时，会 导 致 局
部放电的产生。局部放电所激发出的超声波信号由 局部放电源沿着绝缘介质和金属件传导到电力设备 外壳，并通 过 介 质 和 缝 隙 向 周 围 空 气 传 播［1］。 在 电 力设备外 壳 或 设 备 附 近 安 装 超 声 波 传 感 器，耦 合 该 超声波信号，可以判断电力设备的局部放电情况，进 而间接地反映设备的绝缘状况［2］。
超声波局 部 放 电 检 测 仪 根 据 其 结 构 和 功 能，一 般可以分为超声波传感器和检测主机两部分，如图 1 所示。
图 1 超声波局部放电检测仪组成 Fig. 1 Composition of ultrasonic partial
discharge detector
超声波传 感 单 元 包 括 传 感 器 和 前 置 调 理 器，用 于侦测电 力 设 备 局 部 放 电 时 的 超 声 波 信 号，并 对 信 号进行调理。超声波传感器一般采用压电晶体的结 构，根据不同的被测对象和耦合方式，选择不同的检 测频段和检测灵敏度。
局部放电超声波检测法具有较宽的检测频带， 通常在 20 ～ 200kHz。超声波法是一种非侵入式的检 测方法，检测系统与高压回路之间没有电气联系，因 此超声波 法 可 以 从 原 理 上 避 免 电 磁 信 号 的 影 响，具 有良好的 抗 干 扰 能 力 和 较 高 的 灵 敏 度［3］。 此 外，局 部放电超声波检测可以在不影响设备运行的情况下
— 105 —
第 51 卷 第 22 期 2014 年 11 月 25 日
电测与仪表 Electrical Measurement ＆ Instrumentation
Vol． 51 No． 22 Nov． 25，2014
鉴 GB 19801 声发射传感器的二级校准方法，将被测 传感器与标准传感器的检测结果进行比对分析［8］。 试验接线如图 2 所示。
信号发生器。标准传感器和被测传感器对称放置于
试块的另一侧。传感器与试块之间添加耦合剂。超
声波信号发生器输出一组信号幅值适当的正弦波信
号或声脉冲信号，通过扫频方法或频域分析方法，测
得被测传感器和标准传感器的频率响应 U（ f） 、S（ f） 。
计算被测传感器的灵敏度 D（ f） ：
D（ f） = S0（ f） ·U（ f） /S（ f）
（ 2） 应具有抗外部干扰的能力，如检测信号的硬 件滤波和数字滤波等。
（ 3） 宜具有多通道同步测量功能，通道数宜不少 于 4 个，可以对不同通道的测量数据进行比对分析。
（ 4） 宜具有参考相位测量功能。 （ 5） 宜具有诊断分析功能和放电源定位功能。 1. 3 性能要求 （ 1） 灵敏度： 灵敏度是超声波检测仪对超声波信 号的响应程度，是检测仪的主要性能指标，一般可以 用位移灵敏度表征，基准单位为 V / （ m / s） 。 超声波局部放电检测仪的灵敏度主要取决于传 感器灵敏 度 和 检 测 主 机 增 益，一 般 要 求 其 峰 值 灵 敏 度不小于 60dB（ V / （ m / s） ） ，均值灵敏度不小于 40dB （ V /（ m /s） ） 。 （ 2） 检测频带： 超声波局部放电检测仪的频带应 根据其不同的应用场合，覆盖主要的工作频带范围。 用于 SF6 气体绝缘电力设备的超声波检测仪，一般在 20 ～ 80kHz 范围内； 对于充油电力设备的超声波检测 仪，一般在 80 ～ 200kHz 范围内； 对于非接触方式的 超声波检测仪，一般在 20 ～ 60kHz 范围内。 （ 3） 线性度误差： 超声波局部放电检测仪的线性 度误差不应大于 ± 20% 。 （ 4） 稳定性： 超声波局部放电检测仪连续工作 1 小时后，注入恒定幅值和频率的正弦波信号时，其响 应值的变化不应超过 ± 20% 。 2 超声波局部放电检测仪校验方法 根据超声波局部放电检测仪的结构特点和性能 要求，其检测校验项目包括五部分内容，分别为灵敏 度试验、检 测 频 带 试 验、线 性 度 误 差 试 验、稳 定 性 试 验和最小放电量灵敏度验证性试验。 2. 1 灵敏度试验 灵敏度试验包括传感器灵敏度试验和整机灵敏 度试验，对超声波传感器、检测主机增益和不同增益 下整机的灵敏度指标分别进行考核。 由于超声波信号在变压器油及 SF6 气体中的主 要传播方 式 为 纵 波，超 声 波 局 部 放 电 检 测 仪 的 灵 敏 度试验宜按照纵波模式进行。 （ 1） 传感器灵敏度试验 传感器灵 敏 度 利 用 声 发 射 换 能 器 作 为 声 源，借
摘要： 为规范超声波局部放电检测仪的技术要求，统一技术标准，促进超声波局部放电检测技术的应用，提高电
网的运行可靠性，研究超声波局部放电检测仪的校验技术十分必要。文章介绍了超声波局部放电检测仪的技
术原理和要求，提出了超声波局部放电检测仪的校验方法，建立了相应的校验系统，探讨了超声波局部放电检
测仪的现场校验方法。所述的校验方法具有稳定性高，重复性好的特点，弥补了超声波局部放电检测仪缺乏校
进行，并能够实现局部放电源的定位［4］。 超声波检测方法在金属探伤等领域已经得到了
广泛而成 熟 的 应 用。 近 年 来，逐 步 应 用 于 电 力 设 备 局部放电检测，并作为状态检修的重要手段，在电力 变压器、电抗 器、GIS、电 力 电 缆、开 关 柜 等 电 力 设 备 的局部放电检测中发挥了重要作用［5 － 7］。
（ 1）
式中 S0（ f） 为标准传感器的标定灵敏度。
（ 2） 整机灵敏度试验
整机灵敏度试验可以参照传感器灵敏度的试验
方法，在超声波检测仪的不同增益下进行，其试验接
线如图 3 所示。
超声波局部放电检测仪的峰值灵敏度和均值灵
敏度应满足性能要求。同时根据不同增益下的测试
结果，对检测主机的增益准确性进行考核。
YANG Ning，YAN Chun － yu，BI Jian － gang，SHI Yazn － jie，YUAN Shuai，GONG Yan － peng，YANG Yuan （ China Electric Power Ｒesearch Institute，Beijing 100192，China）
Abstract： It is necessary to research on the calibration technology of ultrasonic partial discharge detector in order to standardize its technical requirement，unify its technical standard，promote the application of ultrasonic test technology，and improve the reliability of the power grid. The technical principle and requirement of ultrasonic partial discharge detector has been introduced， and a calibration method for such detector has been presented in this paper. Moreover，the calibration system has been established，and the field test technology has been discussed in detail. This calibration method has high stability and repeatability which will provide useful means to calibrate ultrasonic partial discharge detector. Key words： ultrasonic，partial discharge，condition － based maintenance，calibration method
（ 1） 能够实现局部放电的超声波测量，并显示超 声波信号强度。
（ 2） 若使用充电电池供电，单次连续使用时间不 少于 4 小时。
（ 3） 测试数据可存储于本机并导出，并可对测试 数据进行查看和管理。
（ 4） 具备报警阈值设置和告警指示功能。 1. 2 高级功能要求
（ 1） 应具有图谱显示功能，如实时图谱、相位图 谱等。
检测主机包括数据采集单元、控制与处理单元、 存储单元、人机交互单元和辅助单元，完成传感器信 号的调理和模数转换，检测分析过程的控制，检测数 据的处理分析，检测数据的存储和导入导出，检测设 置、信息显示、测试信息录入和储能电池管理等。
2012 年，受国家电网公司科技部委托，中国电力 科学研究院 制 定 了 企 业 标 准《超 声 波 局 部 放 电 检 测 仪技术规范 》，本 文 在 此 标 准 的 基 础 上，调 研 了 国 内 外主流的 超 声 波 局 部 放 电 产 品，并 结 合 实 际 局 部 放 电超声波 检 测 需 要，对 超 声 波 局 部 放 电 检 测 仪 的 功 能和性能要求如下： 1. 1 基本功能要求
— 104 —
第 51 卷 第 22 期 2014 年 11 月 25 日
电测与仪表 Electrical Measurement ＆ Instrumentation
Vol． 51 No． 22 Nov． 25，2014
针对超 声 波 局 部 放 电 检 测 仪 的 技 术 特 点 和 要 求，文中开展检测技术研究，建立符合电力行业需求 的测试方 法 和 校 验 系 统，对 于 规 范 仪 器 的 相 关 技 术 指标，保证仪器的入网质量，确保仪器安 全 可 靠 运 行，指导仪器的检验和现场应用，提高仪器的应用效 果，都具有重要意义和价值。 1 超声波局部放电检测仪技术要求
验方法和手段的问题，有一定的参考价值。
关键词： 超声波； 局部放电； 状态检测； 校验方法
中图分类号： TM933
文献标识码： B
文章编号： 1001 － 1390（ 2014） 22 － 0104 － 06
Ｒesearch on Calibration Technology of Ultrasonic Partial Discharge Detector and Its Applicatioin
图 2 超声波传感器灵敏度试验 Fig. 2 Sensitivity test for ultrasonic sensor
试验试块采用钢质材料（ 如热轧钢 A36） ，试块
选用直径为 400mm，高度为 300mm 的圆柱。声发射
换能器放 置 于 试 块 一 侧 的 中 心 点，并 连 接 到 超 声 波
第 51 卷 第 22 期 2014 年 11 月 25 日
源自文库
电测与仪表 Electrical Measurement ＆ Instrumentation
Vol． 51 No． 22 Nov． 25，2014
超声波局部放电检测仪校验方法研究及应用
杨宁，阎春雨，毕建刚，是艳杰，袁帅，弓艳朋，杨圆
（ 中国电力科学研究院，北京 100192）
2. 2 检测频带试验
检测频带试验的测试接线如图 3 所示。调节声
发射换能器的输出信号，找出被测仪器灵敏度 D（ f）
的归一化值降到 － 6dB 时的频率点，此点即为超声波
检测仪的截止频率。
2. 3 线性度误差试验
然而由于局部放电超声波检测技术起步较晚， 检测仪器 的 研 发 和 制 造 水 平 良 莠 不 齐，与 之 相 应 的 校验技术 和 手 段 尚 不 完 备。 在 电 力 行 业 内 部，还 尚 未建立起针对超声波局部放电传感器和超声波局部 放电检测仪行之有效的测试方法及校验系统。这些 给仪器的应用效果和检测结果的评价分析造成了影 响，并 限 制 了 局 部 放 电 超 声 波 检 测 技 术 的 进 一 步 发展。