高压开关柜局部放电超声波传感器的研制及其抗干扰的研究

王庆华



高压开关柜局部放电超声波传感器的研制及其抗干扰的研究

王庆华

（国网福建省电力有限公司，福州 350003）

本文以局部放电产生的超声波信号为依据，通过对局部放电产生的超声波进行频谱分析，得知低频段所包含的分量较为丰富，因此选取了中心频率为40kHz的SR40M型压电转换装置作为该局部放电测量系统的超声传感器。基于该传感器输出阻抗大、输出信号非常微弱的特点，设计了放大电路；同时为了降低噪声，设计了相应的有源带通滤波电路，信号经过放大滤波后得到了比较满意的结果。利用有限元分析软件建立了超声波屏蔽罩的仿真模型。仿真结果表明，超声波屏蔽罩能降低外界干扰信号对测量的影响，提高了传感器的抗干扰能力。

高压开关柜；超声波传感器；抗干扰；有源滤波器；超声屏蔽罩

高压开关柜是配网中重要的电气设备，它的安全运行直接关系着供电的质量和可靠性。开关柜中绝缘介质的缺陷和老化是威胁设备安全运行、造成事故的主要原因。据统计，在6～10kV开关柜事故中，有超过50%是由于绝缘失效引起的[1-4]。大量实践表明，设备的局部放电水平跟自身的绝缘状态直接相关。绝缘失效越严重对应的局部放电水平就越明显。因此，可通过检测电气设备的局部放电水平间接地评估其绝缘状态。检测局部的原理主要有暂态对地电压（transient earth voltage, TEV）法、超高频（ultra high frequency, UHF）法、超声波法 等[5-7]。暂态对地电压法具有灵敏度高的优点，但电磁波在柜体表面传播速度较快，容易出现定位不准确的情况，并且该传感器抗电磁干扰的能力较弱，给现场测量造成了不小的挑战。超高频法频带的选择性具有抗干扰能力强的特点，但由于超高频法是基于射频法的原理，只能定性地分析局放的强弱，限制了它的推广使用，而超声波法检测的是超声信号，因此对于电磁干扰具有较强的抗干扰能力。并且超声波在空气中传播速度较慢，有利于减小定位误差，这为开关柜中局部放电的精确定位提供了可能。因此，利用超声波法检测局部放电强度及其放电点的位置具有重要的应用价值和意义。

目前，利用超声波有效检测电力设备内部局部放电的仪器不少，其中英国EA公司的Ultra TEV Plus声电联合检测仪是目前电力行业广泛使用的局部放电检测设备。虽然该设备具有一定的定位功能，但是定位不够准确。国内的西安交通大学罗勇芬教授曾利用超声波检测和定位变压器内部的局部放电，取得了一些重大成果和宝贵经验。利用超声波检测局部放电的便携式仪器也不少，但是这些仪器都只是定性的判断电力设备内部有无放点而没有定位功能，其精度、灵敏度和可操作性都有待提高。且开关柜的运行环境比较复杂，不仅有电磁干扰，还存在大量的机械振动等干扰，而超声波法虽然对于电磁干扰具有较强的抗干扰能力，但对于机械振动比较敏感。综合考虑以上各种因素，本文根据局部放电产生超声波的频谱范围，确定其能量主要集中在哪个频带内，并利用这一结论选择合适的超声传感器，设计了相应的信号预处理单元，对信号进行放大和滤波。同时对所设计的超声波检测探头进行了抗干扰研究。

1 超声传感器的基本原理

超声探头的主要部分是超声传感器，同时它也是该系统能够测量局部放电的关键所在。超声传感器内部的压电晶体为超声波信号和电信号之间相互转换的起到了桥梁纽带作用，其转化能力用转换系数来表示[8]，即

式中，为电压，V；为压力，bar；为压电晶体的厚度，m。

当压电晶体在某一方向受到外力时，其两个表面会产生极性相反大小相等的电荷；在外力消失后，压电晶体恢复为不带电状态；当外力大小或者方向发生改变时，晶体两表面所产生的电荷也会成比例的发生变化，这种现象称作压电效应[9-10]。利用这种压电效应把局部放电产生的超声波转换成能够方便识别和处理的电信号，从显示屏上得知局部放电的剧烈程度。图1所示为超声传感器的内部结构图。其中，压电晶片多为圆形板，两面敷有银层，作为导电的极板，晶体底面接地线，晶片上面接导线引至电路上。为避免晶片与工件直接接触而磨损晶片，在晶片下粘合一层保护膜，当保护膜的厚度为1/2波长的整数倍时（在保护膜中的波长），声波穿透率最大。厚度为1/4波长的整数倍时，穿透率最小。保护膜材料的性质要与声阻抗匹配，令保护膜的声阻抗为，晶片的声阻抗为1，被测工件的声阻抗为2，当吸收块的声阻抗等于晶片的声阻抗时，压电效应最明显，检测的效果也最好，最佳条件为[11]

2 超声波传感器的设计

2.1 超声探头的选型

超声传感器的主要性能指标有灵敏度、工作频率和工作温度，这3项指标都是由超声传感器里的压电晶体决定。压电材料的居里点较高，可以长时间的工作而不会失去压电特性。灵敏度主要取决于压电晶体本身，其与机电耦合系数密切相关，机电耦合系数是表示压电材料机械能和电能之间耦合关系的一个重要参数，意思是在单位体积的压电材料中，可进行压电转换的能量与储存在该材料中的总能量之比[12]。机电耦合系数定义为

由于压电材料具有弹性、介电性、压电性，因此存在3种形式的能量，e为机械弹性波，d为介电电场能量，2t为压电互换的能量。则单位体积中压电材料的内能为

（4）

机电耦合系数表示为

机电耦合系数越大，灵敏度也就越高。

另一个性能是工作频率。工作频率就是压电晶体的共振频率，共振频率是与材料和几何尺寸有关的物理量，设为晶片的厚度，则共振频率与的乘积为一常数，又称频率厚度常数。几种常见压电晶体频率厚度常数见表1。

表1 常见压电晶体频率厚度常数

一旦给出晶体厚度，就可计算出共振频率。例如计算切割石英片为例，若其厚度为1mm，则其共振频率为

当超声波的频率与晶体共振频率相同时，输出的能量最大，灵敏度也最高。本文选择超声传感器的工作频率主要基于以下方面考虑：①超声波在空气中的衰减对频率很敏感，频率越高衰减也就越快，根据一般高压开关柜的尺寸大小，选择工作频率在40kHz左右，频率太高的超声波无法在开关柜内传播开去；②由于介质对超声波的吸收与其频率的平方成正比，为了减少声波能量的损失，应尽量降低工作频率；③工作频率越高，对于相同尺寸的传感器来说，方向性越敏锐，分辨率也就越高，这就要求工作频率尽量提高；④工作频率越低，传感器的尺寸也就越大，制造的难度也就越大。图2所示为典型针板放电超声波信号的频谱。

图2 典型局部放电超声波信号频谱

根据以上影响工作频率的因素以及局部放电的声频谱特性，可以看出，局部放电产生的超声波的低频段所包含的分量较为丰富，其中心工作频率大致为40kHz，因此选择的超声波传感器的频率范围应尽量以该频率为中心频率。工作温度是超声波传感器的又一重要指标，由于高压开关柜大多直接安装在变电站及室外，考虑到四季温差变化及开关柜运行过程中的发热，因此传感器的工作温度范围只要能涵盖上述的温度变化即可。在选择传感器时优先考虑频带选择和工作温度，并在此基础上以经济实用为原则尽量选择灵敏度较高的传感器。综上所述，本文选择了中心频率为40kHz、频带宽度在15～70kHz之间的SR40M型超声传感器。

虽然传播损失相对于低频有所增加，但不影响传感器的正常接收。图3所示是SR40M型超声传感器的实物图，其主要技术参数见表2。

图3 SR40M型超声传感器

表2 SR40M技术参数

2.2 前置放大电路的设计

超声传感器的输出阻抗很大，一般在兆欧级别，而且输出信号很弱，在几百mV或者一两个mV的水平，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[13]。经过对不同型号运算放大器的性能比对和实验结果比较，最终选择OPA211作为信号放大电路的运算放大器。OPA211是双极性输入运算放大器，它只需提供3.6mA的电流就可以实现1.1nV/Hz超低噪声和80MHz增益带宽（GBW）的优秀性能。该运放还具有低至100mV的失调电压、0.2nV/℃失调电压漂移和低于1ms的建立时间，这些特点都非常适合应用于采集系统中前端小信号的放大。图4所示是OPA211的内部结构图。

图4 OPA211的内部结构图

基于这款运算放大器OPA211，设计了如图5所示的仿真放大电路。该放大电路分为两级放大，每一级都采用反相放大器的连接方法，放大出来的信号是正相100倍的放大信号。利用美国NI公司推出的Multisim仿真工具，进行了放大电路的仿真。仿真结果如图6所示。从输出信号的有效值准确的达到1000mV，并且波形没有发生畸变，较好地完成了理论上的信号放大功能。

图5 放大电路仿真图

图6 仿真原始信号和放大信号

3 抗干扰研究

由于开关柜的运行环境比较复杂，周围存在着大量的干扰信号，且超声波传感器对于机械振动尤其敏感，因此有必要对超声波传感器的抗干扰措施进行研究[14-16]。

3.1 有源带通滤波器的设计

开关柜运行的环境周围存在很多干扰信号，比如说用电器的启动和停止，需要有滤波电路进行滤波处理，使得噪音更小，因此本文设计了相应的滤波电路。传统的滤波器多采用无源滤波器，其具有结构简单、价格低廉、运行可靠性高等优点，因而被广泛使用。然而，国内缺少专门的研究机构，集成工艺和材料工业远远跟不上现在电子通信行业的需求。有源滤波器的滤波效果不会随着频率的变化而变化。本文选择了有源滤波器。

设计的有源滤波器如图7所示。该电路的优点是增加了一个电阻就能够自由地设定电路增益，而且只需微调这个电阻，就能实现中心频率的调整而不会影响值。其中运算放大器仍然采用超低噪声运放器件OPA211，采用两级带通级联的方式，实现如图8所示的频域特性。

图7 有源滤波器原理图

图8 有源滤波器频率特性

将超声传感器、有源滤波器和放大电路连接好以后都装进屏蔽壳中，以减小噪声，然后进行实际测量，打开电源后，图9所示为信号放大前与放大后超声信号的对比图。从图中可以看出，其噪声在4mV以下，放大滤波前的原始信号中几乎看不到超声信号，因为这时显然超声信号被完全淹没在了外部的噪声中。而放大滤波后的信号幅值能达到50mV的水平，并且可以清晰地分辨出超声探头检测到的局部放电信号，由此说明所设计的带通滤波器能够达到放大滤波的预期效果。

（a）滤波放大前

（b）滤波放大后

图9 放大前与放大后超声信号的对比

3.2 超声屏蔽罩的设计

超声探头是全方向性的，抗干扰能力较弱，在背景噪声比较大的情况下，无法有效地进行测量。为了提高超声探头的抗干扰能力，仿真设计了如图10所示的超声屏蔽罩。屏蔽外壳采用有机塑料，通过仿真进一步优化了超声探头罩的尺寸。加装超声屏蔽罩前后，超声探头接收到从不同角度入射的超声波的声压分布分别如图11和图12所示。从仿真结果可以看出，无论有无超声罩，正向入射时超声传感器接收到的信号都最强。而无超声罩的超声波传感器表现出全向性的特点，随着入射方向偏离垂直入射方向角度的增大，传感器接收到的信号有所减弱，但并不明显。有超声罩时，传感器具有了一定的方向性，能够极大削弱偏离正向入射的干扰信号，提高了信噪比。

图10 超声传感器装配图

为了验证屏蔽罩的效果，进行了如下对比试验：在试验室中将两个型号完全相同的超声传感器对准开关柜的缝隙，其中一个传感器安装有设计的屏蔽罩，开关柜体内无放电，通过示波器观察输出信号的噪声水平。可以看到在周围没有明显嘈杂声的情况下，未安装超声屏蔽罩的其噪声水平已经达到了10mV，而装有超声屏蔽罩的传感器其噪声水平明显下降，大约在6mV，可以说屏蔽壳的作用相当明显。

图12 有超声屏蔽罩时传感器上声压分布

4 结论

本文分析了开关柜典型局部放电信号产生超声波的频带分布，并基于频带分布完成了超声探头的选型。由于超声传感器将声波信号转换成容易处理和显示的电信号非常微弱，不容易测量和采集，必须将其放大后再进行信号采集工作，因此本文设计了超声传感器的前置放大电路。同时超声波检测时，周围存在大量的干扰信号，为了提高测量的精度和可靠性，本文对超声波检测下的抗干扰进行了研究。设计了相应的有源滤波电路和超声波屏蔽罩。仿真和实验结果表明，经过滤波和加装屏蔽罩后传感器接收到的干扰信号显著减小，提高了检测系统的抗干扰能力。

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Development of Ultrasonic Sensor and Anti-interference Research for Partial Discharge in High Voltage Switchgear

Wang Qinghua

(State Grid Fujian Electrical Power Company, Fuzhou 350003)

Based on ultrasonic signals generated by partial discharge，the ultrasonic spectrum of the partial discharge is analyzed in this paper. According to the ultrasonic spectrum, the ultrasonic sensor SR40M with center frequency 40kHz is chosen. And considering the high output resistance and the weak output signals of the sensor, an amplifying circuit has been designed in this paper. In order to reduce noise, the active band-pass filter circuit is chosen to filter out the noise. The simulation model of ultrasonic shield is established by using finite element analysis software. The results show that ultrasonic shield can greatly reduce the influence of the interference signal, and improve the anti-interference ability of the sensor.

switchgear; ultrasonic sensor; anti-interference; active filter; ultrasonic shield

王庆华（1968-），男，现为国网福建省电力有限公司科信部高级工程师，研究方向为电力设备状态检测。