目前最常用的 GIS 局放檢測方法之一的超聲波 局放檢測法，通過測量電氣設備局部放電時產生的 脈沖超聲波信號來確定設備局部放電的情況。然 而，作為局部放電檢測工作基礎的超聲波局放檢測 儀在測量數據準確性和可靠性方面仍然存在著性能 參差不齊、標準程度較低等諸多問題。
雖然現在國內建立了超聲波功率檢定體系，制 定了相應的國家標準和檢測方法，但它只解決了連續超聲波的計量問題，相應的超聲波局放檢測儀計 量方法也以連續超聲波為其中的一環，不符合工況 中局部放電產生的脈沖超聲波情況。另外，聲波在實際介質中的傳播比在理想介質中的傳播復雜許 多，現行計量方法無法對聲傳感器接收到的橫波、縱 波和表面波區別分析，這不利于準確獲取所需的局部放電信息。
1 方案原理
本文所述超聲波局放檢測計量方案采用標準表 法，標準計量裝置由標準超聲信號源、寬頻功率放 大器、超聲換能器、標準傳聲器、數據處理單元和 上位機幾部分組成，原理框圖如圖 1 所示。
該方案中的核心問題在于標準信號源形式的選 擇，傳輸路徑與傳輸介質的確定，以及傳聲器輸出信 號的調理采集及數據分析方法。
對于現行計量方法無法反映局部放電脈沖超聲 波情況的問題，本方案使用自制的標準信號源產生 波形寬度一定的窄脈沖波形( 而非連續正弦波) ，來 模擬電氣設備局部放電瞬間發出的脈沖超聲波情 況。同時，為了對超聲波局放檢測儀中的聲傳感器 進行校準，本方案選用了特定的信號波形( 脈沖波和 包絡正弦波) ，通過一定的試驗方法，達到對包括傳 感器特性在內的整個儀器進行評估的目的。
對于現行計量方法不能較好地區分聲波傳輸過 程中產生的表面波和縱波的問題，本方案根據相關 標準中提到的特定材料的鋼制試塊中聲波傳輸速度的不同，計算分析后，選擇訂做了一塊直徑 600 mm，高 300 mm 的鋼制介質，借此通過實驗方法對介質中的表面波和縱波進行區分。
2 波形選擇與參數設計
聲發射部分，本方案通過上位機 LabVIEW 程序 控制標準信號源，發出脈沖波、包絡正弦波信號，如 圖 2、圖 3 所示。
用來對被檢設備的傳感器進行靈敏度試驗。靈 敏度試驗大體分為以下三部分:
( 1) 控制標準信號源產生脈沖波激勵，對測得信 號進行有效的 傅 里 葉 分 析，得到被檢傳感器在 20 kHz ～ 200 kHz 范圍內的相對靈敏度曲線，即暫未得 到各頻率點的具體靈敏度值;
( 2) 通過相對靈敏度曲線確定被檢傳感器的諧 振頻率點;
( 3) 控制標準信號源產生諧振頻率的脈沖包絡波， 計算得到該頻率點的絕對靈敏度值，從而確定 20 kHz ～ 200 kHz 范圍內靈敏度曲線各點的絕對靈敏度值。
按以下非周期性有限長離散信號 x ( n) 的 DFT計算公式進行傅里葉分析：
分析后可知，脈沖波形脈寬越小，脈沖所包含的頻率成分越豐富。理想情況下，沖擊信號的頻譜圖將是 包含整個頻域的平坦直線，如圖 4 所示。實際應用中 不存在理想的沖擊信號，針對 GIS 變電站高壓設備絕 緣介質局部放電產生的 20 kHz ～ 200 kHz 的超聲波頻 率范圍，本方案選擇使用脈寬 100 ns 的尖脈沖信號作 為激勵源，激勵超聲換能器產生該頻帶的聲信號。由 于 AE 傳感器存在阻尼衰減現象，選用包絡正弦波作 為激勵信號，只關注響應波形峰值大小，結合包絡波峰 值大小計算出諧振點的絕對靈敏度值。
采集部分，上位機在 LabVIEW 程序中設計采樣 頻率和采樣點數，獲取 AD 采集到的被測信號，計算 得出被測信號的頻率幅值信息。
為了保證采集到的信號頻譜不失真，根據香農 ( Shannon) 采樣定理，采樣頻率應不小于模擬信號頻 譜中最高頻率的 2 倍。本方案目標頻帶為 20 kHz 至 200 kHz，為了能對 200 kHz 的信號實現高精度采樣， 需保證每周期獲取足夠多的數據點。本方案使用 10 MS / s 的 AD 采樣率，則對于 20 kHz 模擬信號，每周 期有 500 個采樣點; 對于 200 kHz 模擬信號，每周期 有 50 個采樣點。為了保證對采集信號進行傅里葉分 析結果的準確性，本方案從硬件上設定 5 999 個采集 點存入緩存區，并使用中段數據點進 行計算處理。 這樣可以保證對 20 kHz 的信號也能有 10 個周期以 上的波形被采集到，使傅里葉分析得到的頻譜曲線 更準確，更易提取超聲波信號頻譜特征。
3 傳輸介質分析
信號源發出的特定波形信號傳輸到被測傳感器 必然要經過一定的傳輸介質，超聲換能器輸出聲信 號到標準儀器與被檢儀器的傳輸介質的選擇對聲波 中表面波和縱波的區分具有重要影響。根據超聲波 傳感器相關校準標準要求［8 － 9］，接觸式的傳感器的校 準的鋼制試塊至少應是直徑 400 mm、高度為 250 mm 的圓柱體。標準給出鋼材中縱波波速為 5 940 m / s， 橫波波速為 3 250 m / s，表面波波速為 3 010 m / s。
當聲源在試塊上表面中心位置發射信號時，試 塊內部會存在橫波、縱波兩種不同的超聲波信號，同 時在試塊表面會有表面波傳播，三種波以不同的波 速到達接收傳感器。三種聲波類型不同，其傳輸路徑不一樣，如圖 5 所示，路徑 1 為表面波傳播路徑， 路徑 2 為縱波和橫波傳播路徑。若使用校準標準規 定的最小鋼制試塊作為傳聲介質，對不同路徑不同波的傳輸時間進行分析，結果如表 1 所示。對于 20 kHz 的正弦信號，其周期為 50 μs，考慮硬件電路上的 一些延時，在首次縱波和首次表面波的到達時間差 52． 64 μs 內，系統并不足夠采集到一個完整周期的 表面波信號。
表1 最小鋼塊上信號傳輸時間分析
為了能夠滿足采集計算的需求，本方案選擇使 用底面直徑 600 mm，高度 300 mm 的鋼制圓柱試塊。 對聲波信號傳輸時間進行分析，數據如表 2 所示。可 以認為，在該大小的試塊上進行表面波試驗時，系統 在大約 70 μs 的時間內接收到了聲源發出的無疊加 的表面波信號。
表2 適宜鋼塊上信號傳輸時間分析
在進行縱波實驗時，傳感器與聲源正對放置在 試塊表面上，如圖 6 所示。該實驗條件下表面波不會 傳播到接收傳感器，橫波在介質中傳播時衰減很大， 縱波通過圖 6 中的路徑 1 和路徑 2 傳播到傳感器傳輸時間分析如表 3 所示。此時約有 90 μs 的波形可 以認為是只接收到了聲源發出的無疊加的縱波。
表3 縱波實驗信號傳輸時間分析
4 實驗室環境下的方案應用
為了驗證本方案所述表面波和縱波區分方法和 靈敏度試驗方法是否可行，擬進行了縱波實驗和表 面波實驗［11 － 12］。實驗在底面直徑 600 mm，高度 300 mm 的鋼制圓柱試塊上進行，如圖 7 所示。
4． 1 表面波實驗
將聲發射傳感器 AE144S 置于鋼制試塊上表面 圓心，將采集傳聲器 Ｒ15 置于距圓心 100 mm 處，控 制 DA 發出脈寬 500 ns 的尖脈沖波激勵換能器，采集 到的響應信號波形如圖 8 所示，對接收到的波形進行 FFT 分析，分析結果如圖 9 所示。
圖 8 表明，在脈沖激勵發出 34． 64 μs 后，采集傳 聲器接收到超聲波信號，即表面波從聲源經 34． 64 μs 首次到達采集傳聲器位置。根據時間和位置信息 ( 100 mm) 計算出表面波在本實驗試塊上的傳播速度 為 2 886． 84 m / s，與相關資料顯示的鋼材表面波波速 3 010 m / s 相比，相差不大。考慮試塊材料、傳感器距 離誤差、傳感器大小、耦合劑、時間測量誤差等因素 的影響，該結果可以接受。
在脈沖激勵發出 165． 9 μs 后，采集信號有明顯 的疊加情況，即首次表面波反射波經 165． 9 μs 后被 采集傳聲器采到，大約是 34． 96 μs 的 5 倍，與理論分 析相符。
圖 9 的 FFT 分析結果，即為上文所述相對靈敏 度曲線，表面波最大響應頻率約為 200 kHz，次高點 出現在 150 kHz。
保持發射和采集傳感器位置不變，控制 DA 發出 200 kHz 包絡正弦波激勵聲發射換能器，系統能夠接 收到標準和被測采集傳感器的響應信號。根據標準 通道響應信號的幅值，結合標準傳感器的標定數據， 能夠計算出聲信號強度。再根據被測通道響應信號 幅值，即可計算出被測采集傳感器在 200 kHz 頻率點 的絕對靈敏度值。
4． 2 縱波實驗
將聲發射傳感器 AE144S 置于鋼制試塊上表面 圓心，將采集傳聲器 Ｒ15 置于鋼制試塊下表面圓心， 控制 DA 發出脈寬 400 ns 的尖脈沖波激勵換能器，采 集到的響應信號波形如圖 10 所示，對接收到的波形 進行 FFT 分析，分析結果如圖 11 所示。
圖10 縱波實驗尖脈沖激勵與響應
圖12 縱波實驗FFT 分析
圖 10表明縱波從試塊上表面圓心經過 53． 38 μs 首次到達試塊下表面圓心，距離為 300 mm，則計算出 縱波在本實驗試塊中的傳播速度為 5 620． 08 m / s，與 鋼材中 縱 波 波 速 5 940 m / s 相 比，基 本 符 合 理 論 數據。
在 110 μs 時間點和 153． 2 μs 時間點采集信號 有明顯疊加，第一個疊加為縱波經過側面一次反射 后被采集到的結果( 圖 6 路徑 1) ，傳播距離約為 670mm; 第二個疊加為豎直方向上傳播的縱波經兩次反 射后被采集傳感器采集到的結果，傳播距離為 900 mm，與計算的縱波波速比較吻合。圖 12 的 FFT 分析 結果 顯 示，縱 波 的最大響應頻率出現在 150 kHz 左右。
4． 3 結果分析
表面波實驗和縱波實驗驗證了本方案所用鋼制 試塊在一定時間范圍內能夠起到區分表面波和縱波 的目的。實驗沒有得到明顯的圖 5 中路徑 2 所示的 反射疊加情況，但是對其他一些疊加情況進行了計 算，對表面波和縱波的聲速進行了確認，可以認為在 反射聲波到達采集傳感器之前的信號是未疊加信 號，即表面波大約有 70 μs 的未疊加波形，縱波大約 有 60 μs 的未疊加波形。
實驗還對脈沖波和包絡正弦波用于靈敏度試驗 的方法進行了確認，通過后續的標準傳感器標定和 LabVIEW 算法優化，能夠得到更加準確的結果。
5 結束語
超聲波局放檢測儀目前已廣泛應用于國內變電 站，然而超聲波局放檢測儀的計量方法還存在一定 缺陷。本文針對現有超聲波局放檢測計量方法無法 反映實際局放短時脈沖情況，無法區分介質中表面 波和縱波的問題，提出了一些解決方案。采用自制 標準信號源產生特定波形和特定脈沖寬度的激勵信 號，從而保證最大程度模擬 GIS 高壓設備局部放電時 發出的短時脈沖超聲波信號。采用訂制尺寸的鋼制 試塊作為實驗平臺，保證對于目標頻帶的超聲信號 有足夠的數據采集時間，確保數據計算處 理 的 準 確度。
作者：汪泉 ，龔君彥 ，孟展，張傳計 ，周瑋
( 1． 中國電力科學研究院，武漢 430074; 2． 華中科技大學 電氣與電子工程學院，武漢 430074)
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