声波成像技术在局部放电检测中的应用探讨

声波成像技术在局部放电检测中的应用探讨

曾绍臻 兰淑秀

国网龙岩供电公司

电气设备的绝缘材料在高温、潮湿、高压等各种因素的影响下发生变化，产生绝缘弱点，在电场作用下绝缘薄弱部分发生局部放电现象。局部放电进一步加剧绝缘材料的老化，造成电网安全事故，因此局部放电的检测对电网安全运行具有重要意义。

局部放电产生能量，引起震动，经空气或固体介质传播，形成超声波^[1]，检测分析超声波信号是监测设备局部放电现象的重要手段。目前常用的检测方法为暂态地电波、超声波检测法^[2]，检测过程中需用仪器接触设备逐一检测，较为耗时，无法保证与带电设备之间的安全距离，检测工作完成后需要后续进一步分析才能找出局放位置。本文探讨基于非接触式可视化的声波成像技术在局部放电检测中的应用，更高效、安全、及时地发现局部放电现象。

1.声波成像技术

声 波成像技术利用多通道麦克风阵列全方位采集声音信号，通过波束形成算法计算出空间中声场的分布^[3]。将声场分布摄像机所拍摄的空间场景叠加在一起，以热力图的形式展示声源分布情况，以一种直观的可视化方法定位声源位置，检测设备的局部放电位置。

图1 声波成像过程

2.关键技术

2.1波束形成算法

通过麦克风采集的声波信号，从声源振动发出信号，经过介质的传播为麦克风所接收，存在传播时延和能量衰减。波束形成算法对麦克风接收的来自各个方向的信号进行补偿，形成时序性一致的信号，对来各信号求和，统一输出为一个信号。通过对距离声源方向越近的波束赋予更大的权重系数，增强声音信号。最终计算出声源各个可能方向的可控响应功率^[4]，功率最大的方向为声源所在位置。

图2 信号模型

2.2声学成像

麦 克风阵列采集来自空间中各个方向的声源信号，以麦克风阵列的几何中心为坐标原点建立坐标系^[5]，以水平方向和垂直方向的角度确定空间中各个方向声音信号的具体位置。坐标系原点位置配置摄像头，在水平和垂直方向上，按照一定的角度精度，将空间进行划分，实现声场在空间中的分布与摄像机拍摄的空间相融合。计算每个方位角和仰角所确定方向的波速，最终得到了空间的声强分布。并通过热力图的形式成像。

图3 声源信号方向定位 图4 声场分布

3.应用实例分析

某 变电站的开关室存在渗水现象，湿度较大，存在局部放电隐患，利用声波成像仪对开关室内电气设备巡检发现35kV穿墙套管存在异常放电信号，如图5直观显示出放电位置，最大放电幅值为13dB。图6的分析报告显示，超声波波形图工频相关性较强，且符合典型的表面放电的特征，可以判断为表面放电。

图5 穿墙套管声波成像检测结果 图6 局部放电类型分析报告

如图7检查发现套管的外密封板的绝缘材料老化，导致铝板下移，从而使等电位线无法接触套管而产生放电现象（见图8）。采取更改套管外接排安装方式的措施，并矫正等电位铜牌，保证等电位线接触良好，经耐压试验已无放电声响。

图7 套管内部铝板下移 图8 等电位线接触不良

总结

声波成像技术通过麦克风阵列采集信号，通过波束形成算法实现声源定位，并以热力图的形式清晰展现出存在局部放电的部位，提高了巡检工作的效率，及时检测到设备可能存在的放电局部放电情况，监测设备的健康状况。同时作为一种非接触式的检测手段，保证工作人员与带电设备保持足够的安全距离，提升检测作业的安全性。

参考文献

[1] 白鹭, 李小婧, 董理科等. 基于超声波法识别环网柜的局部放电类型研究[J]. 电测与仪表, 2020, 57(11):42-48.

[2] 郑详, 管鹏, 田伟. 基于超声波局部放电信号的开关柜绝缘缺陷类型识别[J]. 电子测量技术, 2020, 43(16):124-127.

[3] 祁帅涛,郭海涛,王睿等.基于MVDR聚焦波束形成的变压器局部放电源的定向仿真研究[J].电测与仪表,2015,52(4):112-117.

[4] 陈敬德,吴继健,徐友刚等.变电站全站设备故障声学成像检测系统的研制[J].电气自动化,2020,42(5):90-91+108.

[5] 余长厅,黎大健,汲胜昌等.变电站声纹成像测试系统的应用分析[J].广西电力,2020,43(5):63-66.