电力电缆局部放电的超声波检测

摘要：局部放电是导致电缆绝缘劣化的重要原因，超声波局部放电检测是评估电缆绝缘材料性能和状态的一种重要手段，具有非接触式、非破坏性、易于定位等诸多优点，可用于电缆绝缘劣化初期对其局部放电的强度、位置、模式作有效的监测及分析。

关键词：电力电缆 局部放电 超声波检测 超声传感器

随着社会经济的发展，电网运行可靠性不断提升，电力电缆的运行要求也随之提高。根据电网运行情况统计，电缆的局部放电是造成电力电缆绝缘损坏的最主要原因之一[1]。电力电缆在长年运行后，很容易产生内部的局部缺陷，从而产生局部放电现象，引起电缆进一步老化，最终导致绝缘失效击穿。局部放电是造成高压电力电缆的绝缘损坏的重要因素，为了保障电力系统的稳定运行，有效地检测电缆的状况，有必要深入研究对电缆局部放电检测技术，这对于及时发现潜伏隐患，提高电缆有效使用寿命具有十分重要的意义。根据检测结果，采取相应的措施，实施有计划、合理的检修，可以减少因突发故障而造成的损失，达到提高供电可靠性的目的。

超声波检测法是用超声波传感器接收电气设备内部或电力电缆局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小和位置。典型的超声波传感器的频带一般都为50-200kHz，可以通过选中频谱中所占分量较大的频率范围作为测量频率，以提高检测灵敏度。由于超声检测法抗干扰能力相对较强、使用方便，可以在运行中或耐压试验时检测局部放电，适合预防性试验的要求，并且随着声电换能器效率的提高和电子放大技术的发展，超声波检测法的灵敏度有了较大的提高。因此，近年来采用超声波探测仪的情况越来越多。

1．局部放电产生超声波的机理

通常情况下，局部放电一般是在绝缘介质中的气隙里产生，局部放电等效模型[2]如图1所示，相当于绝缘内部有一个微小气隙，用g表示，四周绝缘完好，其气隙模型如图1（a）所示，等效电路模型如图1（b）所示u。

(a)绝缘介质气隙模型 （b）三电容等效电路

图1 绝缘介质中的局部放电模型

其中，Cg是气隙电容，Cb是与气隙g串联绝缘b1和b2的电容。Cm代表其余大部分完好绝缘m的电容。电缆运行时候，相当于在电极两端加交流电源um，在Cg得到的电压为：

当气隙很小的时候，Cg比Cb大， Cm则比Cg大很多。ug随着外加电压um的增加而增加，当ug上升到某个瞬时值时，ug达到气隙的放电电压Ug，气隙开始放电。放电后Cg上的电压瞬间从Ug下降到Ur，放电熄灭，Ur称为残余电压。放电熄灭之后，Cg的电压再次上升发生放电，然后熄灭，局部放电这样周而复始地进行。

一般认为，当局部放电发生后，受电场力或压力作用，气泡会发生膨胀和收缩的过程，这个过程将会引起局部体积变化，在外部产生疏密波，即产生声波。局部放电的种类有很多，有些在很低的过电压下的局部放电几乎不产生热辐射，有些在很高的过电压下局部放电则可能产生很强的热辐射[3]。从物理角度分析，当局部放电发生时，气泡将会受到一个脉冲电场力的作用，同时，由于放电过程中存在很大的热辐射的情况下，通道中的电弧电流产生的高温将会在气泡内产生一定的压力。因此，在局部放电过程中影响气泡产生超声波的主要因素有两个：一是放电时刻的电场力，在较低电压情况下，气泡在脉冲电场力的作用下将产生为衰减的振荡运动，在气泡振动的作用下，周围的介质中将产生超声波；二是当较高过电压的情况下，放电以后产生的热引起气泡膨胀而产生的压力。放电通道内气体被强烈的电离和加热，气体的加热引起放电通道的膨胀，其膨胀速度一般在声速的数量级，经过几微秒的时间，放电通道横截面达到最大值。随着能量的释放，放电空间的电场强度减弱，最后放电熄灭。当下一次能量积累后，进行第二次放电。在实际的局部放电中，超声波往往是由上述两种因素同时作用而产生的。但是局部放电过程中超声波的产生机理和传播途径尤其复杂，目前还难以利用超声波信号对局部放电进行模式识别和进行定量分析[4]。

2．局部放电超声波检测法

局部放电超声波检测技术是基于声发射原理的检测方法，工业中常用的局部放电超声波检测法主要有空气传导式和接触式。空气传导式是利用声聚能器将空间的声波收集和聚焦，用声传感器检测。该方法的优点是操作方便、安全；缺点是灵敏度较低。接触式检测是用一根玻璃纤维探测杆传导声波信号，探测杆首端与电缆终端绝缘外部相接触，末端接触声传感器，同时要求探测杆有足够的绝缘强度。该方法的优点是衰减小、灵敏度高；缺点是现场操作时工作量较大。 虽然局部放电及所产生的声发射信号具有一定的随机性，每次局部放电的声波信号频谱不同，但整个局部放电声波信号的频率分布范围却变化不大，大量的频谱研究结果表明，局部放电时产生的超声波的能量集中在50kHz至300kHz频段，其峰值频率主要在70kHz～150kHz之间[5]。而噪声频谱分布在小于65 kHz的频率范围，二者的频率分布明显不同，因此受噪声影响并不大。低频谱对声传递有利，高频谱对抗声音干扰有利。

3.超声波传感元件的选择

超声传感器是选择超声法局部放电监测中的关键技术，传感器的种类很多，在实际选用中应结合工作频带，灵敏度，分辨率，材料尺寸、角度以及现场的安装难易程度和经济效益问题等进行综合衡量和选择。

（1）超声压电材料的固有机械振动频率取决于传感器的检测频带，并等于转换出的电信号的频率，超声波传感器的中心频带宽度一般选为70kHz～150kHz。

（2）传感器材料尺寸大时，其覆盖范围大，晶片小时，覆盖范围小。角度的选择应尽可能使其便于接受超声波，就检测灵敏度而言，如果忽略超声波在材料中的衰减，灵敏度随被测物到传感器距离的增大而降低。

（3）对于现场状况比较复杂的场合，在安装方式可实现的条件下可以考虑不同的传感器进行组合安装，一方面可提高检测灵敏度，另一方面可排除干扰减少误判，获取更为丰富的局部放电的信息。

在局部放电超声波检测应用中，超声波传感器的简单便携且高灵敏度是技术的关键所在。PVDF压电薄膜作为一种比较独特的高分子传感材料，能够感应压力或拉伸力的变化并输出电压信号，凭借其轻薄柔软的特性成为研制超声波传感器的首选。

结语

近年来，随着电网运行电压等级的不断提高以及对电缆运行可靠性要求的提升，局部放电作为评估电力电缆绝缘状态的一个重要指标被大多数人所采纳。超声波局部放电检测法凭借非电气接触测量、可远距离测量、可以避免电磁干扰的影响、可以方便地定位、可实现在线检测等原因，受到了国内外研究者的广泛关注，通过超声波局部放电检测评估电缆绝缘材料的绝缘性能和状态，掌握其可能出现的劣化情况，并能提前给绝缘故障的风险预报，避免突发性故障的发现。

参考文献:

[1] 李红雷, 李福兴等. 基于超声波的电缆终端局部放电检测[J]. 华东电力, 2008, 36(3):43-46.

[2] 赵智大. 高电压技术[M]. 中国电力出版社, 2006年8月第二版.

[3] 陈宗柱, 高树香. 气体导电(下)[M]. 南京工学院出版社, 1988．

[4] 李志立. 变压器局部放电超声波检测中内外置传感器检测方式的研究[D].华北电力大学, 2005.

[5] 金显贺, 恒等. 电力变压器绝缘局部放电的声发射频谱[J]. 电工技术学报, 1989, 11(4):40-44.