目前最常用的 GIS 局放检测方法之一的超声波 局放检测法，通过测量电气设备局部放电时产生的 脉冲超声波信号来确定设备局部放电的情况。然 而，作为局部放电检测工作基础的超声波局放检测 仪在测量数据准确性和可靠性方面仍然存在着性能 参差不齐、标准程度较低等诸多问题。
虽然现在国内建立了超声波功率检定体系，制 定了相应的国家标准和检测方法，但它只解决了连续超声波的计量问题，相应的超声波局放检测仪计 量方法也以连续超声波为其中的一环，不符合工况 中局部放电产生的脉冲超声波情况。另外，声波在实际介质中的传播比在理想介质中的传播复杂许 多，现行计量方法无法对声传感器接收到的横波、纵 波和表面波区别分析，这不利于准确获取所需的局部放电信息。
1 方案原理
本文所述超声波局放检测计量方案采用标准表 法，标准计量装置由标准超声信号源、宽频功率放 大器、超声换能器、标准传声器、数据处理单元和 上位机几部分组成，原理框图如图 1 所示。
该方案中的核心问题在于标准信号源形式的选 择，传输路径与传输介质的确定，以及传声器输出信 号的调理采集及数据分析方法。
对于现行计量方法无法反映局部放电脉冲超声 波情况的问题，本方案使用自制的标准信号源产生 波形宽度一定的窄脉冲波形( 而非连续正弦波) ，来 模拟电气设备局部放电瞬间发出的脉冲超声波情 况。同时，为了对超声波局放检测仪中的声传感器 进行校准，本方案选用了特定的信号波形( 脉冲波和 包络正弦波) ，通过一定的试验方法，达到对包括传 感器特性在内的整个仪器进行评估的目的。
对于现行计量方法不能较好地区分声波传输过 程中产生的表面波和纵波的问题，本方案根据相关 标准中提到的特定材料的钢制试块中声波传输速度的不同，计算分析后，选择订做了一块直径 600 mm，高 300 mm 的钢制介质，借此通过实验方法对介质中的表面波和纵波进行区分。
2 波形选择与参数设计
声发射部分，本方案通过上位机 LabVIEW 程序 控制标准信号源，发出脉冲波、包络正弦波信号，如 图 2、图 3 所示。
用来对被检设备的传感器进行灵敏度试验。灵 敏度试验大体分为以下三部分:
( 1) 控制标准信号源产生脉冲波激励，对测得信 号进行有效的 傅 里 叶 分 析，得到被检传感器在 20 kHz ～ 200 kHz 范围内的相对灵敏度曲线，即暂未得 到各频率点的具体灵敏度值;
( 2) 通过相对灵敏度曲线确定被检传感器的谐 振频率点;
( 3) 控制标准信号源产生谐振频率的脉冲包络波， 计算得到该频率点的绝对灵敏度值，从而确定 20 kHz ～ 200 kHz 范围内灵敏度曲线各点的绝对灵敏度值。
按以下非周期性有限长离散信号 x ( n) 的 DFT计算公式进行傅里叶分析：
分析后可知，脉冲波形脉宽越小，脉冲所包含的频率成分越丰富。理想情况下，冲击信号的频谱图将是 包含整个频域的平坦直线，如图 4 所示。实际应用中 不存在理想的冲击信号，针对 GIS 变电站高压设备绝 缘介质局部放电产生的 20 kHz ～ 200 kHz 的超声波频 率范围，本方案选择使用脉宽 100 ns 的尖脉冲信号作 为激励源，激励超声换能器产生该频带的声信号。由 于 AE 传感器存在阻尼衰减现象，选用包络正弦波作 为激励信号，只关注响应波形峰值大小，结合包络波峰 值大小计算出谐振点的绝对灵敏度值。
采集部分，上位机在 LabVIEW 程序中设计采样 频率和采样点数，获取 AD 采集到的被测信号，计算 得出被测信号的频率幅值信息。
为了保证采集到的信号频谱不失真，根据香农 ( Shannon) 采样定理，采样频率应不小于模拟信号频 谱中最高频率的 2 倍。本方案目标频带为 20 kHz 至 200 kHz，为了能对 200 kHz 的信号实现高精度采样， 需保证每周期获取足够多的数据点。本方案使用 10 MS / s 的 AD 采样率，则对于 20 kHz 模拟信号，每周 期有 500 个采样点; 对于 200 kHz 模拟信号，每周期 有 50 个采样点。为了保证对采集信号进行傅里叶分 析结果的准确性，本方案从硬件上设定 5 999 个采集 点存入缓存区，并使用中段数据点进 行计算处理。 这样可以保证对 20 kHz 的信号也能有 10 个周期以 上的波形被采集到，使傅里叶分析得到的频谱曲线 更准确，更易提取超声波信号频谱特征。
3 传输介质分析
信号源发出的特定波形信号传输到被测传感器 必然要经过一定的传输介质，超声换能器输出声信 号到标准仪器与被检仪器的传输介质的选择对声波 中表面波和纵波的区分具有重要影响。根据超声波 传感器相关校准标准要求［8 － 9］，接触式的传感器的校 准的钢制试块至少应是直径 400 mm、高度为 250 mm 的圆柱体。标准给出钢材中纵波波速为 5 940 m / s， 横波波速为 3 250 m / s，表面波波速为 3 010 m / s。
当声源在试块上表面中心位置发射信号时，试 块内部会存在横波、纵波两种不同的超声波信号，同 时在试块表面会有表面波传播，三种波以不同的波 速到达接收传感器。三种声波类型不同，其传输路径不一样，如图 5 所示，路径 1 为表面波传播路径， 路径 2 为纵波和横波传播路径。若使用校准标准规 定的最小钢制试块作为传声介质，对不同路径不同波的传输时间进行分析，结果如表 1 所示。对于 20 kHz 的正弦信号，其周期为 50 μs，考虑硬件电路上的 一些延时，在首次纵波和首次表面波的到达时间差 52． 64 μs 内，系统并不足够采集到一个完整周期的 表面波信号。
表1 最小钢块上信号传输时间分析
为了能够满足采集计算的需求，本方案选择使 用底面直径 600 mm，高度 300 mm 的钢制圆柱试块。 对声波信号传输时间进行分析，数据如表 2 所示。可 以认为，在该大小的试块上进行表面波试验时，系统 在大约 70 μs 的时间内接收到了声源发出的无叠加 的表面波信号。
表2 适宜钢块上信号传输时间分析
在进行纵波实验时，传感器与声源正对放置在 试块表面上，如图 6 所示。该实验条件下表面波不会 传播到接收传感器，横波在介质中传播时衰减很大， 纵波通过图 6 中的路径 1 和路径 2 传播到传感器传输时间分析如表 3 所示。此时约有 90 μs 的波形可 以认为是只接收到了声源发出的无叠加的纵波。
表3 纵波实验信号传输时间分析
4 实验室环境下的方案应用
为了验证本方案所述表面波和纵波区分方法和 灵敏度试验方法是否可行，拟进行了纵波实验和表 面波实验［11 － 12］。实验在底面直径 600 mm，高度 300 mm 的钢制圆柱试块上进行，如图 7 所示。
4． 1 表面波实验
将声发射传感器 AE144S 置于钢制试块上表面 圆心，将采集传声器 Ｒ15 置于距圆心 100 mm 处，控 制 DA 发出脉宽 500 ns 的尖脉冲波激励换能器，采集 到的响应信号波形如图 8 所示，对接收到的波形进行 FFT 分析，分析结果如图 9 所示。
图 8 表明，在脉冲激励发出 34． 64 μs 后，采集传 声器接收到超声波信号，即表面波从声源经 34． 64 μs 首次到达采集传声器位置。根据时间和位置信息 ( 100 mm) 计算出表面波在本实验试块上的传播速度 为 2 886． 84 m / s，与相关资料显示的钢材表面波波速 3 010 m / s 相比，相差不大。考虑试块材料、传感器距 离误差、传感器大小、耦合剂、时间测量误差等因素 的影响，该结果可以接受。
在脉冲激励发出 165． 9 μs 后，采集信号有明显 的叠加情况，即首次表面波反射波经 165． 9 μs 后被 采集传声器采到，大约是 34． 96 μs 的 5 倍，与理论分 析相符。
图 9 的 FFT 分析结果，即为上文所述相对灵敏 度曲线，表面波最大响应频率约为 200 kHz，次高点 出现在 150 kHz。
保持发射和采集传感器位置不变，控制 DA 发出 200 kHz 包络正弦波激励声发射换能器，系统能够接 收到标准和被测采集传感器的响应信号。根据标准 通道响应信号的幅值，结合标准传感器的标定数据， 能够计算出声信号强度。再根据被测通道响应信号 幅值，即可计算出被测采集传感器在 200 kHz 频率点 的绝对灵敏度值。
4． 2 纵波实验
将声发射传感器 AE144S 置于钢制试块上表面 圆心，将采集传声器 Ｒ15 置于钢制试块下表面圆心， 控制 DA 发出脉宽 400 ns 的尖脉冲波激励换能器，采 集到的响应信号波形如图 10 所示，对接收到的波形 进行 FFT 分析，分析结果如图 11 所示。
图10 纵波实验尖脉冲激励与响应
图12 纵波实验FFT 分析
图 10表明纵波从试块上表面圆心经过 53． 38 μs 首次到达试块下表面圆心，距离为 300 mm，则计算出 纵波在本实验试块中的传播速度为 5 620． 08 m / s，与 钢材中 纵 波 波 速 5 940 m / s 相 比，基 本 符 合 理 论 数据。
在 110 μs 时间点和 153． 2 μs 时间点采集信号 有明显叠加，第一个叠加为纵波经过侧面一次反射 后被采集到的结果( 图 6 路径 1) ，传播距离约为 670mm; 第二个叠加为竖直方向上传播的纵波经两次反 射后被采集传感器采集到的结果，传播距离为 900 mm，与计算的纵波波速比较吻合。图 12 的 FFT 分析 结果 显 示，纵 波 的最大响应频率出现在 150 kHz 左右。
4． 3 结果分析
表面波实验和纵波实验验证了本方案所用钢制 试块在一定时间范围内能够起到区分表面波和纵波 的目的。实验没有得到明显的图 5 中路径 2 所示的 反射叠加情况，但是对其他一些叠加情况进行了计 算，对表面波和纵波的声速进行了确认，可以认为在 反射声波到达采集传感器之前的信号是未叠加信 号，即表面波大约有 70 μs 的未叠加波形，纵波大约 有 60 μs 的未叠加波形。
实验还对脉冲波和包络正弦波用于灵敏度试验 的方法进行了确认，通过后续的标准传感器标定和 LabVIEW 算法优化，能够得到更加准确的结果。
5 结束语
超声波局放检测仪目前已广泛应用于国内变电 站，然而超声波局放检测仪的计量方法还存在一定 缺陷。本文针对现有超声波局放检测计量方法无法 反映实际局放短时脉冲情况，无法区分介质中表面 波和纵波的问题，提出了一些解决方案。采用自制 标准信号源产生特定波形和特定脉冲宽度的激励信 号，从而保证最大程度模拟 GIS 高压设备局部放电时 发出的短时脉冲超声波信号。采用订制尺寸的钢制 试块作为实验平台，保证对于目标频带的超声信号 有足够的数据采集时间，确保数据计算处 理 的 准 确度。
作者：汪泉 ，龚君彦 ，孟展，张传计 ，周玮
( 1． 中国电力科学研究院，武汉 430074; 2． 华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074)
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