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
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网福建省电力有限公司的研究人员王庆华，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文，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大大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 EarthVoltage，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，但由于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。
超高频法因为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，这为开关柜中局部放电的精确定位提供了可能，有利于减小定位误差。因此利用超声波法检测局部放电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，并利用这一结论我们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（略）
图1 超声传感器的内部结构图
2 超声波传感器的设计（略）
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，由于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。该电路的优点在于只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Q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，如图9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。
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
由于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最强。但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，能够大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
图11 无超声屏蔽罩时传感器上声压分布
图12 有超声屏蔽罩时传感器上声压分布
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。
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。