超声波检测技术基本原理

绝缘技术是电力系统高压一次设备的基本技术问题之一。 为了确保高压导体与地面之间具有足够的绝缘强度，可以分别选择空气，绝缘油和SF6气体作为绝缘介质。绝缘设备处理过程质量的好坏或在运行过程中环境的潮湿和老化会影响设备的整体寿命。部分放电是这种问题的迹象。因此，进行带电局部放电的实时检测，有利于掌握设备的绝缘状态，消除了潜在的萌芽事故。  

一、暂态地电压检测技术基本原理

（一）暂态地电波产生机理

当配电设备中发生局部放电时，带电粒子将迅速从带电体迁移到接地的非带电体，例如配电设备的机柜,并在非带电体上产生高频电流行波,并以光速向各个方向快速传播。由于集肤效应，电流行进波通常集中在金属柜的内表面上,并且不会直接穿透金属柜。然而，当电流行波遇到不连续的金属断开或绝缘连接时,电流行波将从金属柜的内表面转移到外表面,并以电磁波的形式传播到自由空间,并产生瞬态金属机柜外表面上的接地电压,可以通过特殊设计的瞬态接地电压传感器进行检测。

由于配电设备柜体存在电阻，局部放电产生的电流行波在传播过程中必然存在功率损耗，金属柜体表面产生的暂态地电压也就不仅与局部放电量有关，还会受到放电位置、传播途径以及箱体内部结构和金属断口大小的影响。因此，暂态地电压信号的强弱虽与局部放电量呈正比，但比例关系却复杂、多变且难以预见，也就无法根据暂态地电压信号的测量结果定量推算出局部放电量的多少。

暂态地电压传感器类似于传统的RF 耦合电容器，其壳体兼做绝缘和保护双重功能。当金属柜体外表面出现快速变化的暂态地电压信号时，传感器内置的金属极板上就会感生出高频脉冲电流信号，此电流信号经电子电路处理后即可得到局部放电的强度。

如果在配电设备柜体表面同时放置两只暂态地电压传感器，则局部放电源发出的电磁波脉冲经过不同的路径先后传播到两只暂态地电压传感器，仪器通过比较或者测量电磁脉冲到达两只传感器的时间先后或者大小，则可以判断出局部放电源的空间位置。

（二）暂态地电压检测的量度指标

为了实现对高压开关柜局部放电严重程度的带电检测，并考虑间接法检测的实际特点和检测设备设计的复杂性，其指标体系经常采用无线电电子学的测量单位，最经常使用的单位主要有dBmV、dBμV和 dBm。

（三）暂态地电压传感器的工作原理

暂态地电压传感器本质上是一个金属盘，其前端覆盖有绝缘塑料,并用同轴屏蔽电缆引出。绝缘塑料的作用一是充当耦合电容器的绝缘材料，二是对传感器本体起保护和支撑作用。现场测量时，暂态地电压传感器紧密垂直地抵触在开关柜金属柜体表面。此时裸露的金属柜体可看作耦合电容器的一个极板，而暂态地电压传感器则可看作耦合电容器的另一个极板，中间的填充物则为绝缘塑料。

对于由金属柜体、绝缘材料和暂态地电压传感器构成的耦合电容器来说，金属柜体表面出现的任何电荷变化均会在暂态地电压传感器的金属盘上感应出同样数量的电荷变化，并形成一定的高频感应电流。该高频电流经引出线输入到检测仪器内部并经检测阻抗转换为与放电强度成正比的高频电压信号。经检测仪器处理后，则可得到开关柜局部放电的放电强度、放电频度等特征参数。

二、超声波检测技术基本原理

（一）超声波检测产生机理

声波是一种能够在固体、液体和气体中传播的机械振动波。按照频率范围划分，声波可分为次声波(<16Hz)、声波（16Hz~20kHz）和超声波（>20kHz）三种。顾名思义，超声波传感器就是能够检测频率大于20kHz机械波的传感器。按照工作原理分类，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，但最常用的传感器属于压电式。

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的，如压电陶瓷和压电晶体。压电材料具有双压电效应。一方面当外施电压作用于压电材料时，就会导致压电材料发生随电压和频率而变化的机械变形。另一方面，当外部振引起压电材料机械变形时，也会在其两端产生电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。因此，从原理上来说，超声波传感器即可以用于接收超声波信号，也可以用于产生超声波信号。

电气设备状态检修最常用的超声波传感器有两种：封闭式超声波传感器和敞开式传感器。尽管这两种传感器的核心元件都是压电陶瓷，但超声波传感器的结构设计存在较大差别，技术性能、应用范围和使用方法也存在较大的差异。

（二）敞开式超声波传感器

敞开式超声波传感器也成为空气超声传感器。一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是一个喇叭形谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的结合体。谐振器设计为喇叭形的目的是有效地辐射由于振动而产生的超声波，或者有效地使收集到的超声波信号聚集在振动器的中央部位。金属盒体部分对传感器本体起保护作用，而前端的镂空部分可用于高效地耦合空气中传播的超声波信号。由于谐振器设计为能够与特定频率的超声波信号产生谐振，因此能够有效地耦合特定成分的超声波信号并抑制其它频带的干扰。

三、结语

状态评价的目的，是在掌握设备状态的基础上对设备的健康状况做出准确评价，以便制定合理的停电及检修计划，因此带电检测作为一种掌握设备状态的手段，在实施过程中应达到对故障点进行定性、定量和定位的目标。所谓定性就是确定局放的类型，定量就是确定放电量的大小，定位就是要知确定放电发生的部位，三者缺一不可。

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