引言：开关柜是电力系统的重要组成，一旦产生绝缘缺陷，易引发设备故障。根据调查显示，开关柜的绝缘缺陷故障率达到30%以上，而绝缘缺陷产生会导致局部放电现象。对局部放电现象进行检测，能够识别开关柜绝缘缺陷情况，超声-TEV融合检测技术将超声波检测和瞬态电压检测技术融合，有利于及时发现开关柜局部放电问题，检测准确性和可靠性均比较高。

1.融合检测技术原理

1.1检测原理

开关柜局部放电现象出现时，会伴随着电磁波向周围区域的辐射。虽然开关柜已经进行了接地处理，但在柜体的连接区域仍具有缝隙，电磁波会通过缝隙传递到表面为止，并衍生出感应电流。同时，开关柜的外壳阻抗较强，会同步产生瞬态电压。使用超声—TEV融合检测技术时，将传感器安装至开关柜的表面位置，并在与柜体连接后形成平板电容器，发挥耦合效应后，得到TEV信号^[1]。

同时，开关柜在发生局部放电现象时，电流的形成会使得周围分子产生运动，在分子的膨胀、收缩过程中，产生声波，向外传播，融合检测技术在获取声波信号时，会通过压电换能器，并将声波信号转化为电信号。使用超声传感器装置，能够提取到声波信号。但由于声波在传播过程中会因介质差异，出现不同程度的损耗，使得传播效率产生相应的影响。因此，为了确保获取超声信号的准确性，则需要使用声阻抗匹配处理技术，利用吸收块，将超声信号传导后的剩余信号，减少干扰现象的产生，使得数据获取的灵敏度、准确性得以增强。在开关柜局部放电监测中，融合技术将超声波和TEV两种传感器获取的数据进行综合分析。通过数据融合算法，将两个传感器的数据进行处理和整合，确保检测结果的可靠性和准确性，并结合超声波和TEV检测的时空分布特性，进行多维度的数据分析，精确地定位局部放电的位置。

1.2传感器应用

在将两种技术融合的过程中，超声传感器和TEV传感器均属于独立传感器，为了便于两种数据的融合，需要使用融合传感器，同步采集超声信号和瞬态地电压信号。融合传感器主要结构外壳、吸收块、压电陶瓷、介质层和匹配层，其中外壳、匹配层的材质均为金属，与开关柜连接后可发挥延展作用。压电陶瓷表面使用金属涂层覆盖，并在匹配层与陶瓷之间，形成平板电容。在外壳和匹配层中间设置绝缘层，也能够起到抑制干扰，减少多点接地现象产生。陶瓷材料可以作为TEV传感器的耦合电容，保持正极向下布置后，能够使得超声信号和瞬态地电压信号同步、同向输出。

融合传感器使用金属材质的外壳，可有效减少电磁干扰问题的产生。吸收块使用环氧树脂和钨粉材料，能够抵消未能吸收的余波反射现象。同时，将吸收管与压电陶瓷连接后，能够提供电位。上述结构的传感器设备的介电常数数值为9.5，声阻抗数值为32MRaly，可减少超声信号损耗，TEV的分压信号为0.22，检测灵敏度能够达到40以上。在进行融合传感器的设计和应用过程中，结合材料的特性和开关柜的应用场景，对传感器的谐振频率、声阻抗和声波透射率进行计算，具体公式如下：

公式中的fr和fer分别表示传感器和压电陶瓷的谐振频率，M表示传感器质量，meff表示压电陶瓷质量。Z表示阻抗，p表示匹配层声阻抗，0和1分别表示要碰瓷和负载介质的阻抗。T表示透射率，a和b分别对应着相邻介质。结合材料特性，传感器谐振频率为40kHz左右，声阻抗为16MRayl，声波透射率为78%左右。

利用融合传感器提取信号的过程中，信号会经过滤波处理，并匹配信号的频段，随后将其分为两个信号，即超声信号和电荷信号，电荷信号经由电路转换后形成电压信号。随后可进行数据的综合分析，判断是否产生了局部放电的现象^[2]。

1.3性能测试

使用融合检测技术开关柜局部放电监测时，融合传感器的灵敏度是核心关键。为确保其检测性能良好，对传感器进行校准，开始性能测试。校准过程中将传感器与金属板连接，输出信号后进行提取，得到灵敏度曲线。根据输出的信号和传感器所得信号的对比计算结果，能够得到传感器的灵敏度数值。具体的灵敏度测算公式如下：

公式中的S和S1、S2分别对应着传感器、超声传感器和待测超声传感器的灵敏度。U表示性能测试的输入信号，V表示输出信号，U1和U2分别对应着参考数值和待测数值。按照性能测试标准，TEV在1MHz至40MHz之间的灵敏度保持在45左右，谐振频率在35MHz左右。超声检测频带在20K至60K之间，灵敏度在65db左右，谐振频率在36kHz左右。可满足开关柜局部放电测试的基本要求。

2开关柜局部放电融合检测

2.1检测试验

    开关柜局部放电位置由绝缘缺陷形成，其类型包括污垢附着、内部缺陷、表面毛刺、金属干扰等。放电类型可分为气隙房贷安、沿面放电、悬浮放电、尖端放电等。测试期间，建立四种局部放电现象模型，并打造实验平台，设计应用10kV开关柜，将缺陷布置在母线室内，分别设置三个测点，使用传感器设备测量不同点位的放电信号，并对信号进行采集^[3]。

    在开关柜的局部放电检测过程中，使用分段升压法进行测量，对四种缺陷进行初始放电，经过20次的重复检测后，提取PDIV数值。测试过程中，逐步进行升压处理，提取不同电压下的数据信号值。测试后发现，融合检测技术在对于气隙缺陷放电时，得到的超声信号存在一定的偏差，但TEV测试结果比较准确，其余局部放电现象的检测结果均比较准确。因此，使用融合检测技术，能够有效识别开关柜的局部放电现象。

2.3定位检测

在对开关柜的局部放电数据进行采集，识别局部放电现象的类型之后，需要进一步识别局部放电现象产生的主要位置。在定位检测中，确定超声波传感器和TEV传感器的位置，确定局部放电的空间坐标。并通过时间戳关联，确定局部放电发生的具体时间。

在不同点位内提取到局部放电信号后，提取时域信号，并测量声信号与电信号时延情况以及测量点之间的距离关系。对于局部放电产生的超声信号和TEV信号，距离与时间差之间成正比关系，在计算信号传播速度的同时，可得到信号传输的距离，进而实现对局部放电现象的定位。同时，在检测过程中，设定合理的检测阈值，能够减少误报和漏报现象的产生。

结论：综上所述，将超声检测技术和TEV检测技术融合，需要以融合传感器为基础，同步检测开关柜时间、空间上的声电信号。试验融合检测技术在开关柜局部放电中的性能，传感器中心频率为38kHz，能够满足局部放电的适应性要求，且适用于空间信号衰减情况下的远距离检测，定位放电区域，比较其他的检测技术而言具有明显的优势。

参考文献：

[1]王晓辉,赵雨,柏小辉,等.变电站开关柜“在线监测+带电检测”双模式研究与应用[J].农村电气化,2024,(06):21-24.

[2]王非,徐伟.基于Choi-Williams分布和排列熵的开关柜局部放电类型识别[J].电子测量与仪器学报,2023,37(10):32-40.

[3]刘树慰,邸振国,李斯盟,等.基于软打分机制——多模态融合的真实开关柜局部放电模式识别方法[J].高压电器,2023,59(08):203-211.