高压电力设备绝缘诊断的声学检测技术

　　1 引言

　　聚合物复合材料被广泛用于高压电力设备的绝缘系统。复合绝缘制作加工过程中,绝缘-导体界面或绝缘内不可避免地留有气泡。高压设备运行时,气泡引起局部放电,加速绝缘老化,绝缘内逐渐形成分层、裂纹或树状的导电通道等绝缘缺陷,最终贯穿整个绝缘结构时,造成绝缘击穿。

　　复合绝缘不透明,不能肉眼检查绝缘缺陷,通常用局部放电测量来评估。但是,局部放电测量无法准确识别缺陷形态、量化缺陷大小、定位缺陷位置,无法研究绝缘老化过程中缺陷的发生和扩展等物理或化学过程。近来,动态力学分析[1]和声学检测技术[2]成为绝缘老化机理研究和绝缘缺陷检测的有力手段。

　　本文对发电机、变压器、电缆、套管和线路绝缘子等高电压设备绝缘缺陷的声学检测技术进行了分类,评述了各类声学检测技术的原理、系统及其优缺点,探讨了绝缘状态诊断最有应用前景的声学检测技术。

　　2 声学检测技术

　　2.1 声学敲击检测

　　声学敲击检测是一种常用的缺陷检测方法。用物体轻轻叩击待测试样,存在缺陷的材料,其叩击音响与完好材料不同,频率较低。

　　声学敲击检测简便易行,常常作为其他方法的补充手段。很久以来,技术人员用人耳分辨发电机定子槽楔被敲击时产生声音的不同,以判别槽楔是否松动。显然,此方法在很大程度上依赖于检测人员的经验。随着数字信号处理技术的不断进步,依据这个原理已研制出用声传感器代替人耳的检测仪器,提高了此方法的准确性。国内外基于声学敲击检测原理建立的绝缘检测系统主要有发电机定子槽楔松动检查系统[2]和定子绝缘内部缺陷检测系统[3],分别见图1(a)和(b)。

　　用图1(a)的系统检查定子槽楔松动,试验结果证明:声波频谱的主频幅值与定子槽楔的结构、材料和厚度有关,作为相对测量可以用来评估定子槽楔的松动程度;用图1(b)的系统检测定子绝缘缺陷,试验结果证明:系统的声谱分析可检测因绝缘热老化而产生的气隙、分层等缺陷,以及绝缘内环氧树脂固化的完全性。

　　声学敲击检测系统采用的声传感器(麦克风)灵敏度(50mVPPa)很高,其带宽(20~20kHz)包含了声波和次声波频段,不可避免地受检测现场各种声波的干扰。图1(a)的系统用很笨重的金属外壳作为抗声波干扰的屏蔽罩,使得发电机内呈圆周分布的多达数百上千条的定子槽楔松动检查很不方便;图1(b)的系统只能在无噪声声波(噪声水平是30~35dBPPa)的实验室(虚框内)进行试验。

　　2.2 声发射检测

　　当材料受到外力或内部残余应力作用时,材料内的缺陷因应力集中而变形或破坏,多余的能量以弹性波的形式释放出来,这就是声发射现象。用电子设备检测发射出来的声波,通过数字信号处理,研究缺陷发生、发展的规律或缺陷定位的技术称为声发射技术。