基于超声法的高压开关局部放电巡检仪设计

苗 堃，韩 光，齐文炎，赵双兵，刘 希，李 杰，王金子

（国网河南省电力公司济源供电公司，河南 济源 459000）

1 引言

随着国家电力需求的日益旺盛，对电力设备的安全可靠运行也有了更高的要求。小型化的开关设备自诞生之初，以其对占地面积的节省而备受青睐。然而随着开关柜设备内部的高度集成化，结构与结构之间的距离大大缩减，加之目前受限于绝缘材料单一化，以及工艺未创新等因素，都会造成设备内部的局部区域场强突然升高的分布不均情况，在这过程中，一旦电场强度高于绝缘材料的耐受程度，就会引发局部放电。局部放电现象通常不会直接引起事故的发生，但其长时间存在会造成绝缘结构变化，使绝缘材料表面被击穿，进而诱发电气设备故障。据中国电力科学院2018年调查报告显示，40.5 kV以下的开关设备中绝缘故障大约占全部故障的35%。

目前对于电网运行中的开关设备故障维修还停留在停电检修的层面，这样的方式存在着诸多弊端。如果局部放电不被及时发现，长期而言必然会导致设备损坏，造成供电事故；而加大检修频率则会影响正常的生产发展，损害社会和人民的利益[1-3]。鉴于此，对于带电运行中的故障发生前局部放电现象的检测尤为重要。为此，设计一种基于超声法的高压开关局部放电巡检仪，可以判断局部放电类型及局部放电程度，进而实现对带电运行中的高压开关设备局部放电情况的巡检检测。

2 检测原理

当高压开关柜中的绝缘介质内部存在气泡且未发生局部放电时，内部气体向外扩张与绝缘介质向内挤压形成的弹性力，与气泡中电场力相平衡。若电压继续升高，气泡内部所受到的场强超过临界值，便会发生气体的击穿，从而引发放电。放电过程仅持续几个纳秒的时间，但频繁往复，诸多气泡均会被击穿，此时便会导致整个绝缘介质的击穿，导致事故的发生。

在局部放电发生的过程中，由于力平衡状态被打破，在力的作用下，介质平面会发生轻微的移动，引发振荡现象。振荡过程中会在周围介质和气体中产生超声波，频率在20 kHz以上，人耳能够听到的声波频率范围为20Hz～20kHz，所以仅仅依靠感官是不可能发现的，必须借助于超声波检测设备[4-6]。

3 局部放电信号频域变换

在超声波传感器检测过程中，通过传感器直接采集到的信号只是声波的时域波形图以及其信号的电压值大小。时域的图中只能显示出超声波幅值的波动情况，而对信号各频率的分布并不了解，这样就不利于对放电规律的观察和总结。因此必须在时域图形的基础上，对信号进行频域变换，才可以更直接地观测到信号的频域响应，为超声波信号幅频特性分析带来便利[7]。

3.1 离散型快速傅里叶变换

傅里叶变换是一种常用的频域变换方法。声波法通过采样得到了声波信号的时域波形，但这种方法获得的信号并不连续，属于离散信号，需要监测装置通过离散傅里叶变换（DFT）方法实现信号频域变换，函数定义为：

若直接利用离散傅里叶变换公式，当时域数据为N个点时需要进行N2次复数乘法以及N(N-1)次加法运算。由于采集到的局部放电信号数据量十分庞大，这种变换方式会产生巨大的计算量，受到STM32运算能力的限制，不能保证频域变换的实时性，没有实际意义。

随着人们对傅里叶变换的深入研究，Cooley和Tukey发现了一种能将其简化的算法——快速傅里叶变换（FFT）。此方法大大减少了计算量，将N2次复数乘法减少到log2N次。一般情况下，采用FFT变换时，所需采样点为2的整数次幂[8]。此变换过程的相关公式如下：

3.2 FFT数据集的窗函数处理方法

上述频域变换过程的核心是傅里叶变换，主要讨论的是时域上的频域关系。由于信号采集时无法完成同步采样，所以就会产生栅栏效应；由于信号本身的缘故，无论怎么增加时间，信号终归是有限的区间，所以必须在想要得到的无限的时间长度下截取若干个有限时间长度，这便是所谓的周期延拓。但在截取过程中，频谱会存在畸变的现象，使中心频率的能量被分散到周围频带较宽的位置中去，引发泄露效应；各次谐波间泄露的能量相互影响，也容易产生泄露误差。

在理论上，栅栏效应与泄露效应都无法避免。但为了削弱二者对于频域变换的影响，可以在信号转换过程中进行加窗处理。在每个窗中，函数的频域特性大体一致，都分为一个主瓣以及大量的旁瓣。主瓣宽度减小可以提高开窗处理后频率的分辨率，而降低旁瓣峰值可以加快衰减速度、减弱泄露效应，因此理想的窗函数特点为主瓣宽度最窄，旁瓣峰值最小，且旁瓣衰减速度最快。

常用的窗函数包括矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗等。对比不同窗函数的主瓣宽度、旁瓣峰值、旁瓣衰减速度，可从结果中很明显看出，主瓣宽度、旁瓣峰值、旁瓣衰减速度不可同时在一个窗函数下全部都是最优的解，换言之，一种特性的增强便意味着其他两种特性的衰弱。在试验中，由于信号产生的条件是随机的，时域波形极其复杂，杂乱无章，导致的结果就是频带宽。对此，从试验的实际出发，想要得到的其实就是信号在各个不同频率下的分布情况。在此选择汉宁窗函数，这种函数可以很好地对信号的频域情况进行分析，其表达式为：

频域表达式为：

时域及频域波形如图1所示。

图1 汉宁窗时域及频域波形

4 巡检仪硬件设计及实现

手持式局放巡检装置由超声传感器、带通滤波器、按键模块、时钟模块、电源模块、微处理器模块、显示模块、存储模块、蓝牙模块等构成，其工作结构原理如图2所示。

图2 超声法高压开关局放巡检仪原理框图

局部放电形成的声波信号以局部放电发生位置为中心向周围扩散，在空气中传播时振动频率在38kHz～40kHz附近较为集中，而传统的声音录制设备频率响应范围为0～20kHz，不能有效采集局部放电声波信号，为此，从实际的超声波频率出发，选用了频宽包含了局部放电形成的声波信号的40 kHz左右的超声波传感器。超声传感器构造原理如图3所示。

图3 声波传感器结构原理图

超声波传感器的类型众多，在此采用压电型传感器，它是利用压电材料变形来实现功能的。压电晶体会存在特定的谐振频率，与诸多因素有关，且与厚度成反比。经综合考虑，最终采用锆钛酸铅压电陶瓷作为压电材料，来制作超声波传感器，具体尺寸为：内径15mm，外径38mm，厚度5mm。

局放声波信号在介质中传播时具有很强的方向性，因为其频率远大于人耳能听到的声音频率，所以其全反射情况最为严重，这样会使得采集到的信号大大衰减，不利于检测。因此安装超声传感器时需要注意诸多情况，特别要留心探头的安放问题，既不能让探头跟物体之间距离过远导致信号采集不到，也不能距离太近导致检测范围大大减小。

5 实验测试结果

在实验室中进行实际检测试验，实验结果如图4所示。其中，图4(a)为利用声波法处理得到的局部放电声波信号波形；图4(b)为利用巡检仪实现局部放电声波数据的FFT变换。巡检仪对于超声波信号的采集效果很好，时域图形与频域图形均在频域图中直观可见。放电时超声波信号频率集中在40kHz周围，与理论预期相符。实验结果证明了所提出的声波法能够应用于高压开关柜局部放电在线监测。

图4 实验测试结果

6 结束语

高压开关柜受环境潮湿、灰尘等因素影响，经常发生绝缘击穿事故，为预防事故发生，供电公司巡检部门每年都要定期检测高压开关柜局部放电情况。利用超声传感器获取局部放电波形，以傅里叶变换获得局部放电频谱图，再根据放电频谱图实现对开关柜局部放电程度的判断和检测，以此法实现的装置在实际测试中获得了理想的效果，对保障供电安全、提高巡检的效率与可靠性，都具有重要的意义。