声发射技术在绝缘子放电监测中的应用

薛宇箭，赵彦平

（山西省电力公司超（特）高压输变电分公司，山西 太原 030031）

电力系统是国民经济的重要基础之一，关系着国计民生，一旦电网发生事故，不仅会造成巨大的经济损失，而且会影响千家万户。由于绝缘子污秽放电对电力系统的危害极大，对绝缘子污秽监测方法的研究一直受到电力部门和研究机构的重视。污闪事故的发生，通常会造成大面积停电，所造成的损失和影响极大。为了防止污闪事故发生，有关部门在相关研究中投入了大量的技术和资金，并取得了一定的成果。

至今已有以超声波检测法、激光多普勒振动法及红外热像仪法为代表的非电量测量法和以电压分布检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表的电量测量法，以上方法在解决绝缘子在线检测问题上都有应用，它们各有其特点，也存在各自的不足。由于超声波检测法具有造价低廉、可靠性高等特点，具有很好的工程应用价值，本文主要针对超声波检测法进行分析。超声波检测法的主要应用之一是基于声发射技术的绝缘子污秽监测方法，该方法是通过监测污秽放电时发出的超声波信号来判断绝缘子运行状态，在闪络发生之前找出污秽度较高、对绝缘威胁较大的系统薄弱点，并发出报警，使工作人员能及时采取措施防止污闪的发生，达到保护电网的目的。

1 防止绝缘子污秽闪络的方法

防止绝缘子污秽闪络的方法主要归纳为两类：一是预防性的，二是监测性的。预防性的方法是从污闪形成的条件入手，使污闪条件无法满足，污闪也就不会发生。预防性方法可以概括为3个字：爬、扫、涂。它是针对污闪必须经过的4个阶段，即：积污、湿润、出现干区和局部电弧、局部电弧发展至闪络。爬：指的是调整爬距，即泄漏比距，降低绝缘子表面场强；扫：是清扫绝缘子，防止积污；涂：是在绝缘子表面敷施憎水涂料，使污层不易被湿润。使用合成绝缘子不仅提高泄漏比距，而且合成绝缘子本身就具有憎水性，因此效果较好。但是从实际运行的情况来看，这些方法还不足以完全防止污闪的发生。

以上方法的成本非常高，采用耐污绝缘子或者合成绝缘子，以及增加绝缘子的个数，意味着线路的造价提高；清扫绝缘子不仅耗费大量的人力，而且效果不尽如人意，有些绝缘子表面的污层很难被清洗掉；而涂料和合成绝缘子的憎水性会在运行一段时间后消失，不能满足长期运行的要求。

对于第二种监测性的方法，它是第一种方法的补充，用于及时发现污闪出现的苗头，在其尚未形成和对系统造成危害之前就找出来，使工作人员能够及时采取相应措施制止污闪的发生。从运行情况来看，预防性方法还不能完全防止污闪的发生，因此，监测性方法的研究和应用就具有非常重要的意义。

2 绝缘子污秽放电机理

绝缘子在运行过程中一直暴露在空气中，大气中的悬浮颗粒沉积在绝缘子表面，日积月累形成污秽层。遇到雾、露、细雨等湿润的气候条件时，污秽中的电解质溶解，污秽层成为导电层，造成绝缘水平下降，甚至发生闪络，这被称为污秽放电。在放电过程中，带电质点在电场作用下加速，电弧产生高温，空气分子剧烈的热运动，与放电通道相邻的空气产生了压力，使之向外运动，而由于空气的弹性阻力，使这部分空气在平衡位置附近产生振动，并通过相邻空气媒质一直传播下去，形成声波，由于放电的时间非常短，因此产生的声波的频谱很宽，可以从几十赫兹至几兆赫兹。高于20 kHz超声波信号必须用超声波传感器接收。污秽闪络放电及其产生的声信号都有一定程度的随机性，频谱峰值对应的频率是变化的。

从污秽放电的机理可知，污秽放电的初期是微弱的辉光放电，此时泄漏电流释放的能量很小，放电的后期出现强烈的电弧放电，此时泄漏电流很大及释放的能量也很大。可见污秽放电过程中放电释放的能量从小到大变化，声发射信号的声压是由小到大变化，信号脉冲由稀疏到密集变化。根据声发射信号的特征，判断污秽放电的强度以及对系统威胁的大小，就可以在污秽程度较轻时，发现它并采取措施，将事故消灭在萌芽状态，避免更大的损失。

3 超声波传感器

声发射技术作为无损检测的重要手段获得了广泛的应用，近年来，声发射技术在电力系统设备检测方面的应用越来越多，如变压器、电容器、气体绝缘开关装置等设备的绝缘检测。基于声发射技术的绝缘子污秽放电监测方法，简称声学监测法，是根据绝缘子污秽放电时会发出超声波信号这一现象提出的，通过监测绝缘子污秽放电时发出的超声波信号，分析出放电的强弱，推断当时的污秽程度和污秽放电对电力系统的威胁程度，并发出报警，使工作人员能及时采取措施，防止污闪事故的发生。这种方法的缺点是：在没有湿润的气候条件时，即使污秽度很高也不会有污秽放电，也就无法监测污秽情况，在长时间的积污后，当湿润的气候条件突然来到时，可能就没有时间采取措施防止污闪的发生，因此，这种方法不应用于干旱地区。

声传感器的作用是接收空气传播的声信号，将声信号转换为电信号，它实现了能量形式转换，所以又称为换能器。声传感器一般可以分为：①压电式传感器；②磁致伸缩式传感器；③电磁换能器；④静电换能器；⑤其他种类的换能器，包括热声换能器、化学声换能器及光声换能器等。其中，采用压电陶瓷作为敏感元件的压电式声传感器具有体积小、性能好、成本低等优点，所以被广泛应用，以下主要针对压电式声传感器的应用进行分析。

3.1 传感器频率的选择

为了达到不受到外界噪声干扰的目的，所取的频段必须避开可听声的频率范围，即选取频率大于20 kHz的超声波信号。

为了提高灵敏度，应选择频谱分量最大的频率，所以频率应当在20～150 kHz，考虑到信号频率越高，在空气中传播时的衰减越快，一般选择40 kHz这一频率作为传感器的中心频率。

3.2 传感器的结构设计

声传感器的核心器件是压电晶体，压电晶体的振动模式采用了弯曲振动，该振动模式具有结构简单、尺寸小、重量轻、机电耦合系数高Q值高、易于与空气匹配等特点。压电晶体边界的处理一般有3种形式：夹支边、简支边、自由边。其中简支边结构轻便、结实，装置的损耗低，是被使用最多的边界支撑。传感器的特性应具有阻抗低、弱接收和大输出等，传感器的总体结构形式对接收性能影响很大，一般设计成敞开式，见图1，该方式具有灵敏度高、体积小、易于制作等优点。

4 基于声发射的绝缘子放电检测

绝缘子在发生绝缘故障前，总会表现出一定的局部放电特征，通过对这些局部放电特征进行采样分析，可以有效的了解绝缘子的非正常运行状态。根据气体放电理论，当发生放电时，会出现发声现象。实际上，放电总伴随着声发射现象，因此，根据运行的输电线路中（包括绝缘子）是否有声发射现象，可以判断是否有放电发生。击穿放电的产生需要时间，放电是一个逐步发展的过程。当绝缘下降到一定程度后，会出现预放电现象；当绝缘继续下降到某一临界值后，泄漏电流急剧增大，进入辉光放电区；若绝缘继续下降，则可能转变为局部电弧放电，局部电弧可在几秒钟内重复发生；若放电条件仍然存在，泄漏电流不断增大，局部电弧的压降不断减小，每次重燃后能维持的电弧不断增长，即局部电弧不断向对方电极延伸，当达到某一临界值时，电弧能自动而迅速地向对方电极发展，直至贯通两极，形成电弧击穿。

综上所述，放电是一个逐步发展的过程，完全可以在发生电气击穿造成绝缘完全破坏之前，即在局部放电阶段，甚至在预放电阶段，依靠监测预放电声发射波发出预警信号，避免灾难性事故发生。

实验数据表明，放电声发射波的声响大小与视在放电量近似呈线性关系，而放电量与介质的绝缘强度之间也存在确定关系。经理论分析及试验可以确定，声响应大小与介质绝缘强度之间的确切关系，通过传感器实时在线监视放电声发射波，根据接收波的大小就可确定介质的绝缘强度。

5 声发射绝缘子污秽放电监测装置

声发射信号在空气长距离传播过程中会产生衰减，导致传感器无法有效接收。为解决这一问题，必须缩短传感器与绝缘子之间的距离，将传感器安装在杆塔上是有效的解决方法，在此情况下监测装置也必须安装在杆塔上。因此监测装置必须能够将传感器输出的模拟信号转换为数字信号进行处理并将处理结果传输至远处的监测中心，使工作人员能够及时了解绝缘子的工作情况。监测装置原理框图及其各部分的功能见图2。

监测装置的主要功能是将传感器输出的模拟信号转换为数字信号由单片机进行处理，并通过RS－485接口实现与监测中心的数据通信。其中前置放大的功能是实现与声传感器的阻抗匹配，使信号能有效传输；补偿放大的功能是补偿声信号在空气中传播时发生的衰减，消除距离对信号的影响；滤波环节的功能是降低噪声，去除干扰信号，如工频干扰等；A/D转换的功能是将模拟信号转换为数字信号送入单片机进行处理；通信环节实现测量装置与监测中心的联系，使工作人员能够及时掌握绝缘子的工作状态。

图1 传感器结构示意图

图2 监测装置原理框图

6 抗干扰措施

装置在硬件上可采用适当的防干扰措施，比如将前置处理电路就近安装在传感器内并进行屏蔽，对相应的电路采取隔离、滤波以及正确接地等。此外，可以在软件及信号处理上采取适当的方法，识别干扰信号并进行相应的处理，达到抗干扰的目的。主要措施有以下3种：①选择适当的工作频率可以有效地减小干扰的影响；高频段环境噪声的影响较小，而绝大多数机械噪声在可闻声波范围内，其频率范围一般在30 kHz以下，而根据实测结果，绝缘子放电声发射波的主频约在40 kHz，为此选择谐振频率为40 kHz的传感器，并且在前置电路中设置带通滤波电路，能有效克服噪声的影响。②针对特定频率的干扰进行滤波也是重要的抗干扰措施。目前，输电线路本身是常用的电力系统载波通信通道，载波信号可能耦合到检测系统中去。另外，有些干扰还可能来自周围的一些固定无线电设备，如无线发射机等，针对这些频率进行滤波后，这种干扰即被抑制。③鉴别放电声发射波和干扰，干扰是瞬时非平稳噪声，有效信号出现的时间较短，而绝缘子局部放电的声发射信号通常是一个持续的间断过程，持续时间较长，声发射事件都具有典型的周期性，每工频周期出现一到多次声发射事件，由此可以鉴别干扰和放电声发射波。

7 结束语

良好的绝缘水平是电力系统正常运行的基本条件之一，而所有的户外绝缘由于工作环境较恶劣，都会在绝缘子表面积累污秽，在潮湿的气候条件下可能发生污秽放电，对绝缘造成破坏。随着大气质量的继续下降，这种威胁会越来越大。要减小污秽放电的威胁，除了日常维护之外，还应当对绝缘子进行在线监测，根据绝缘子的污秽程度有针对性地采取措施，提高工作效率，减小污闪事故发生的概率，提高电网可靠性。

绝缘子在发生绝缘故障前，总会表现出一定的局部放电声发射特征，这些放电声发射波能被特制的检测系统检测到，通过对这些局部放电伴随声发射信号的特征进行分析，可有效地判断绝缘子的老化及劣化情况。发生在绝缘子上的局部放电有内部放电、表面污秽放电和电晕等多种形式，这些放电都伴随有声发射波。并且，不同放电形式对应的声发射波之间存在差异，可以利用声发射波间的差别来鉴别不同的放电形式。

采用声学监测法对绝缘子污秽放电进行监测，是声发射技术在电力系统中的又一应用。目前在电力系统中使用最多最成熟的是电量监测的方法，但是在某些情况下效果不好，如变压器绕组变形、电容器的局部放电等，因此，引入某些非电量方法作为检测手段可以弥补它的不足，达到更好的效果。

1 张仁豫.绝缘污秽放电[M].北京：水力电力出版社，1994

2 孙才新、司马文霞、舒立春.人气环境与外绝缘[M].北京：中国电力出版社，2002

3 张俊哲.无损检测技术及其应用[M].北京：科学出版社，1993.5