电气设备故障诊断应用超声传感技术的分析骆征

电气设备故障诊断应用超声传感技术的分析骆征

骆征

（佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司广东佛山528000）

摘要：现今，采取超声传感技术在电器设备故障诊断中应用较为广泛，且在一定程度上能更加精准的对电气设备故障原因进行查找。由于我国供电负荷的不断增长，使得电气设备在应用过程中容易发热导致故障，进而引起事故的发生。基于此，在本文研究中超声传感技术中的红外检测技术在电气设备故障诊断中的应用进行分析，对红外检测技术在电气设备中的具体应用，以及电气设备热故障的类型及相应处理措施等展开一一叙述。

关键词：电气设备；故障诊断；超声传感技术

前言

设备的长期应用会导致设备内部出现故障，如绝缘、局部过热以及操作不良等，影响设备的使用寿命，同时影响了企业的生产发展效益。而超声检测方法,具有高可靠性、灵敏度和准确度等优点,在电力系统电气设备工况状态检测和故障诊断中具有良好的应用前景。

1.超声传感器结构及原理

超声检测技术涉及到超声波的发射和接收,这一功能主要由超声传感器来实现。超声传感器主要由传感器外壳、压电晶片、前置电路、吸附用磁铁以及输出端子等组成。传感器的核心元件是压电晶片,一般采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT-5)。这种压电晶片具有较高的机电耦合常数,能有效地发射和接收超声波。超声传感器的原理是基于压电晶片的逆压电效应(承受电场时产生应力和应变)和压电效应(受到应力在材料中产生电场)。用适当的发射电路可以将电能施加到压电晶片上使其作机械振动而发射超声波(逆压电效应);反之,超声波作用于传感器的压电晶片,由压电晶片将其转换成电信号(压电效应),再经前置电路中的带通滤波器滤波和放大器放大,对压电晶片输出的微弱电信号就近进行放大处理,以提高超声传感器的信噪比,同时有效地解决超声传感器与检测仪器信号匹配的问题[1]。

2.电力变压器绕组变形的超声检测

电力变压器在运输或系统故障等情况下，通常会受到较大的外力冲击,使其绕组发生位移或变形其结果可能会使绕组绝缘损伤，引起变压器故障,进而威胁电力系统的安全运行。

检测装置的工作原理如下:将超声传感器置于变压器油箱外侧,用高压电脉冲激励传感器中的压电晶片发射超声波;该超声波穿过变压器箱体钢板，进入变压器,在油与绕组的交界面处发生反射后返回超声传感器;传感器接收到该反射超声信号,再将其转换为电脉冲信号。此电脉冲信号经上述电路处理,即可在示波器荧屏上显示出发射超声脉冲波和反射超声脉冲波随时间变化的波形,供操作人员进行监视诊断。检波电路输出的另一路信号经放大整形,再由脉冲-方波变换电路将其转换为方波信号。此方波的宽度对应超声波在变压器油箱外壳与绕组表面之间传播往返所用的时间。方波信号经接口电路送至单片机，由单片机根据发射波和对应的反射波在箱体表面与绕组之间总的传播时间和超声波在油中已知的传播速度即可计算出该绕组与箱体表面的实测距离L。实测距离的计算公式为

式中L为油箱外壳与绕组表面之间的实际测量距离;c为超声波在油中传播速度;t为发射波和对应的反射波在箱体表面与绕组之间总的传播时间。绕组变形检测的具体步骤如下:首先将超声传感器辐射面涂上耦合剂(如黄油等),保持传感器与模拟变压器油箱表面紧密接触，以绕组上端为起始位置沿纵向缓慢等间隔向下移,每移动一个间隔就测量一次，直至沿纵向测完一条线;然后将传感器沿水平方向移动一个间隔，再沿纵向从绕组上端向下慢慢移动并逐点测量完纵向各点;依此类推，直至扫完绕组全部表面，即可获得绕组表面各点相对于油箱体表面距离的数据。这些数据经计算机处理后,可在显示器上绘出绕组表面形状展开的平面图形。比较各点实测距离与变压器出厂时各点初值,就可以得出绕组变形情况。

理论分析和实验结果表明,这种检测方法的测量绝对误差小于1mm,能准确地检测绕组变形程度及部位,且具有直观性、能带电操作。在进一步研究完善后,将成为一种新型检测手段。

3.真空开关真空度超声检测

真空开关(真空断路器、真空接触器和真空负荷开关等)以高真空作为灭弧介质和绝缘介质,其触头与灭弧系统简单,具有使用寿命长、检修间隔时间长、易于维护、适合频繁操作、体积小、质量轻等优点,在电力系统得到了广泛应用。但是，当其真空度降低后,若不及时发现,在带负荷拉闸时，由于能灭弧很可能会发生爆炸,造成大面积停电,严重威胁电力系统的安全运行和现场人员生命安全。因此,目前迫切需要一种适合于现场使用的真空开关真空度检测装置。常见的电压检测、放电电流检测、放电干扰检测、中间电位变化检测、直接检测(用离子泵磁控元件传感器),包括外壳玻璃内壁表面的钡吸气计颜色变化粗略判定等方法尚不能满足现场要求。

当其真空度降低时,系统电压通过电极与中间保护屏之间发生放电现象,产生超声波。与真空开关外壳紧密接触的超声传感器感受到超声信号后，将其转换为电脉冲信号送至检测仪器。通过输出电路输出接点信号送至控制室报警,提示值班人员采取相应处理措施。

该检测方法具有以下优点:检测装置与真空开关之间无电气联接,且操作人员不需接近真空开关，安全性好;无需停电操作;可巡回检测变电站真空开关，易于实现现场检测诊断。

4.变压器局部放电超声定位

局部放电是在电场作用下，绝缘体中只有局部区域发生的、尚未贯穿于施加电压的导体之间放电现象。大型电力变压器中,对局部放电量的测量是检测变压器绝缘特性的有效方法。测量局部放电量同时准确判断局部放电点的位置,有利于对变压器绝缘缺陷的发现和及时维修。

大型变压器绝缘结构内部发生的局部放电现象通常采用测量局放产生的电脉冲或者检测局放现象产生的溶解于变压器油中的化学裂解产物来判断。同时,局部放电发生时，必然伴随超声波信号发射，即所谓超声发射。大型变压器局部放电时发射的超声波信号的频谱分布约为60~300kHz,其中心频率约为90kHz。通过检测此超声波信号可实现局部放电量的测量及定位。需要特別指出的是,尽管目前超声传感器的输出信号与局部放电量在数值上还不成比例关系，但是传感器的输出信号的幅值仍然可以定性的反映出局部放电量的大小及其突变情况。此外，局部放电超声定位方法简述如下:将超声波传感器分别安装在变压器油箱外壳的不同位置上，并在变压器外壳接地线上接入电流传感器;当变压器内部发生局部放电时,安装在变压器油箱外壳上的超声波传感器接收到局部放电点发射的超声波信号并将其转换为电信号。经运算处理后与设定值比较,即可判定变压器正常与否。通过多个超声传感器测得的局部放电的超声波信号，由计算机对所采集的数据进行处理和分析,根据球面定位法、双曲面定位法以及多点放电定位法计算出放电点的位置。

由于用于电力变压器局部放电超声定位系统的超声传感器的性能指标直接影响定位的结果,因此，必须严格选择超声传感器的频带宽度、灵敏度、增益以及信噪比等特性,多数情况下会选用UHF(高频段超声传感器)。此外,超声波在电力变压器内部传播途径及媒介和温度对定位结果的影响是一个十分复杂的问题,有待于进一步深入研究。

结束语

随着电力系统规模和容量的不断扩大,电力系统的稳定与安全运行显得越来越重要,对电气设备的要求也越来越高。常见的大型电气设备故障直接威胁着电力系统的稳定和安全运行,并且影响供电质量。而解决这一问题最有效的手段就是对电气设备进行状态检测。超声传感技术综合利用了新材料、微电子和微机械加工技术,与先进的信号处理技术相结合后,不仅具有高可靠性,高灵敏度和高精度等优点,而且经济安全、安装方便,是设备状态检测和故障诊断的一种重要手段。特别是在电力系统电气设备故障检测和诊断方面,超声传感技术不仅可实现目前电气诊断方法已经进行或尚难进行的工作,而且具有更优良的性能和更高的可靠性,是电气设备预防性维修和故障诊断的有效手段。所以,在进一步实验研究后,将超声传感技术用于电力系统电气设备状态检测和故障诊断的研究工作不仅十分有意义,而且有着广泛的应用前景。

参考文献

[1]陈庆,沙益夫,尤若宁,许海树,毛坤剑.超声诊断仪在临床应用上的质量安全研究[J].医疗卫生装备,2017,(11):94-96+108.

[2]赖培立.关于科技馆展项电气设备维修工作存在的不足的探讨[J/OL].机电工程技术,2017,(S2):336-338.

[3]任丕杰.电气设备状态监测及故障诊断系统的构建[J/OL].电子技术与软件工程,2016,(24):190.

[4]张英,李军卫,王先培,田猛.基于双传感技术融合的SF_6电气设备泄漏分布式在线监测系统[J].高压电器,2016,52(12):171-177.

[5]王伟,王赞,吴延坤,杜家振,李富平.用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术[J].高电压技术,2014,40(03):814-821.