王曉文，鐘曉宇

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

電氣設(shè)備局部放電檢測方法綜述

王曉文，鐘曉宇

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和長期現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，局部放電是導(dǎo)致電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)破壞和引發(fā)電力故障的主要原因，所以加強(qiáng)局部放電的有效檢測是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的必要措施。針對脈沖電流法、化學(xué)檢測法、射頻檢測法、紅外熱像法、光測法、超聲波檢測法和特高頻檢測法，從檢測原理、技術(shù)手段、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了較詳細(xì)的論述和分析，認(rèn)為超聲波檢測法和特高頻檢測法能實(shí)現(xiàn)優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，可應(yīng)用于絕大部分電氣設(shè)備局放檢測和在線監(jiān)測。但也提出了超聲波—特高頻聯(lián)合檢測技術(shù)存在的問題。

局部放電；電力設(shè)備；檢測方法

我國電力系統(tǒng)正向著大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、特高壓、智能化、交直流混合輸電方向發(fā)展。電氣設(shè)備的安全運(yùn)行是電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要保障，而電氣設(shè)備絕緣是否良好直接影響到電氣設(shè)備能否安全運(yùn)行。局部放電檢測是判斷絕緣系統(tǒng)良好的有效手段和評估方法，所以局部放電檢測方法的研究尤為重要。

在正常情況下，氣體分子或者原子是不導(dǎo)電的，當(dāng)氣體分子或原子從外界獲得一定數(shù)值的能量時(shí)，原子外層電子出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)完全脫離原子核束縛而形成互相獨(dú)立的能導(dǎo)電的帶電質(zhì)點(diǎn)，即自由粒子和正離子，陽極高壓電離子從空氣中得自由粒子與陰極構(gòu)成回路，形成了放電[1]。在電氣設(shè)備中，絕緣部分受到的電場強(qiáng)度通常不均勻，而且電解質(zhì)也不均勻，有的是由不同材料組成的復(fù)合絕緣體，如氣體—固體復(fù)合絕緣體、液體—固體復(fù)合絕緣體以及固體—固體復(fù)合絕緣體等。有的雖然是單一材料，但在制造或運(yùn)行過程中會殘留一些氣泡和其他雜質(zhì)，于是在絕緣體內(nèi)部或者表面就會出現(xiàn)“某些區(qū)域”電場強(qiáng)度高于平均電場強(qiáng)度，因此“某些區(qū)域”會首先發(fā)生放電，而其他區(qū)域仍然保持絕緣特性，即整個(gè)絕緣系統(tǒng)尚未擊穿，這就形成了局部放電[2]。

電力設(shè)備在設(shè)計(jì)和制造過程中存在的質(zhì)量缺陷，運(yùn)輸和安裝過程中易導(dǎo)致機(jī)械損傷，長期在高電壓、強(qiáng)電場及惡劣氣候環(huán)境中運(yùn)行導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣性能下降。長期小規(guī)模、強(qiáng)度輕微的局部放電又是導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣體絕緣性下降的主要原因，隨著時(shí)間積累，局部放電規(guī)模、次數(shù)和強(qiáng)度逐漸增大，電氣設(shè)備絕緣狀況惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致整個(gè)絕緣系統(tǒng)破壞。嚴(yán)重的絕緣事故可能會威脅工作人員安全，造成大面積停電事故，帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此，對電氣設(shè)備局部放電進(jìn)行有效檢測極為必要。

到目前為止，國內(nèi)外主要的局部放電檢測方法有脈沖電流法、化學(xué)檢測法、射頻檢測法、紅外熱像法、光測法、超聲波檢測法和特高頻檢測法。介紹了這些方法的檢測原理、技術(shù)手段和國內(nèi)外發(fā)展情況，分析了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并對今后研究的重點(diǎn)提出了自己的見解。

1 脈沖電流法

脈沖電流法是較早的電氣設(shè)備局部放電檢測手段，其檢測原理通過獲取耦合阻抗在耦合電容側(cè)或通過Rogowski線圈從電力設(shè)備的中性點(diǎn)或接地點(diǎn)處測取由局部放電引起的脈沖電流，能夠獲得放電量、放電相位等信息,屬于定量性質(zhì)測量。傳統(tǒng)脈沖電流法分為寬頻和窄頻兩種測量方式，寬頻檢測頻率為100～400 kHz，特點(diǎn)是檢測信息豐富，脈沖分辨率高，信噪比低；窄頻檢測頻率為10～100 kHz，特點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高，檢測信息不夠豐富，脈沖分辨率低?？傮w來說，脈沖檢測法的優(yōu)點(diǎn)是離線測量靈敏度高，測量結(jié)果為視在放電量，直觀有效；缺點(diǎn)是由于實(shí)際運(yùn)行設(shè)備現(xiàn)場存在各種形式的電磁干擾，且不具備相比于離線測量時(shí)的無局部放電升壓測試條件，所以基于脈沖電流法的帶電或在線局部放電測試應(yīng)用較少。該方法現(xiàn)主要應(yīng)用在電氣設(shè)備的型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)和和其他離線測量。針對傳統(tǒng)脈沖電流法的優(yōu)缺點(diǎn)，德國MAY公司對此方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用先進(jìn)軟硬件相結(jié)合的消噪抗干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該方法在運(yùn)行高壓開關(guān)柜設(shè)備中的應(yīng)用，并成功研發(fā)了INDIPARD局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)及INDIPROT便攜式局部放電監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3-6]將測量阻抗帶寬選為30 MHz來測量局部放電的脈沖電流信號，該方法基于脈沖電流法的寬頻處理方式，對局部放電波形進(jìn)行分類數(shù)據(jù)處理，排除噪聲干擾。相比于傳統(tǒng)的調(diào)頻抑制噪聲方式，噪聲抑制效果更好，得到了電氣現(xiàn)場的廣泛使用。國內(nèi)方面，文獻(xiàn)[7-9]基于脈沖電流法分別應(yīng)用了全過程檢測技術(shù)、離線測量技術(shù)、設(shè)計(jì)電暈籠計(jì)算起暈電壓技術(shù)對電力電纜進(jìn)行局部放電檢測，判斷絕緣缺陷。文獻(xiàn)[10]利用局部放電寬帶高頻脈沖電流檢測高壓電纜絕緣缺陷，并對其各種典型絕緣缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模，分析得出大量典型絕緣故障局部放電信號樣本，為現(xiàn)場檢測提供了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 化學(xué)檢測法

化學(xué)檢測法的檢測原理是基于電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，絕緣材料會裂化產(chǎn)生一些新的氣體，通過對產(chǎn)生的氣體(如氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等)濃度、成分進(jìn)行檢測分析，判斷電氣設(shè)備是否有局部放電現(xiàn)象發(fā)生。主要技術(shù)手段有變壓器油中溶解氣體分析和SF6氣態(tài)狀態(tài)檢測。油中溶解氣體分析技術(shù)的發(fā)展基于色譜法的產(chǎn)生，該方法在1903年由俄國植物學(xué)家米哈伊爾·茨維特創(chuàng)立，1952年馬丁(A.J.P.Martin)、辛格(R.L.M.Sgnge)及詹姆斯(A.T.James)等人在色譜法的基礎(chǔ)上首先建立氣相色譜法，奠定了油中溶解氣體分析技術(shù)的基礎(chǔ)。我國油中溶解氣體分析技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，70年代后應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，迄今已遍及全國。色譜法分離原理是，當(dāng)混合物在兩相間作相對運(yùn)動時(shí)，樣品各組分在相間進(jìn)行反復(fù)多次的分配，不同分配系數(shù)組分在色譜柱中的運(yùn)行速度不同，滯留時(shí)間也就不一樣。分配系數(shù)小的組分會較快的流出色譜柱；分配系數(shù)大的組分易滯留在固定相間，流過色譜柱的速度較慢。這樣流經(jīng)一定的柱長后，樣品中各組分就得到了分離。主要應(yīng)用在6～1 000 kV交直流設(shè)備，包括變壓器、電抗器、電流互感器、電壓互感器等油紙?zhí)坠艿瘸溆驮O(shè)備，應(yīng)用過程貫穿于設(shè)備制造、安裝、運(yùn)行、退役全壽命周期監(jiān)督。SF6氣體狀態(tài)檢測技術(shù)根據(jù)該氣體的物理化學(xué)特性、電氣特性得到狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對SF6氣體絕緣設(shè)備的故障診斷。目前，SF6氣體狀態(tài)檢測技術(shù)主要應(yīng)用于設(shè)備中氣體質(zhì)量監(jiān)督管理、運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢測及評價(jià)和GIS設(shè)備故障氣室定位?；瘜W(xué)檢測法具有檢測速度快、抗干擾性強(qiáng)、易于自動化等優(yōu)點(diǎn)，但由于其存在電氣設(shè)備故障檢測靈敏度低、在線提取氣體成分困難的缺點(diǎn)，多與其他方法相結(jié)合使用。文獻(xiàn)[11-12]分別從SF6的分解過程和機(jī)制、SF6分解產(chǎn)物的檢測方法、局部放電時(shí)影響SF6分解的因素、局部放電類型和分解氣體組分關(guān)系等幾個(gè)方面對SF6分解放電組分及其應(yīng)用進(jìn)行了介紹，總結(jié)了現(xiàn)如今以上幾個(gè)方面取得的成果，就SF6氣體分解組分分析及其在電力設(shè)備絕緣缺陷診斷中的應(yīng)用提出了今后值得深入研究的問題。文獻(xiàn)[13]介紹了應(yīng)用氣相色譜法時(shí)，變壓器內(nèi)部故障類型與油氣中氣體含量之間的關(guān)系，為變壓器局部放電檢測提供依據(jù)。

3 射頻檢測法

射頻檢測法的檢測原理是通過無線電接收器接收空間電磁波信號，原理與偵測電臺設(shè)備相似，通過掃頻與選頻檢測來確定電磁波信號大小，可大范圍定位，能對選擇的頻率范圍做出完整圖形，判斷是否存在局放信號以及它的大小如何。該方法有頻譜分析模式和時(shí)間解決模式，頻譜分析模式包括三種技術(shù)：峰值檢測、平均檢測和分別峰值平均檢測。射頻檢測法的優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度高，測量系統(tǒng)安裝方便，檢測時(shí)不改變電氣設(shè)備運(yùn)行方式；缺點(diǎn)是局放信號分析處理能力不足，檢測重復(fù)性較差，對變電站環(huán)境適應(yīng)性較差，判斷方法難度較大，易受外部電磁信號干擾，定位能力差。目前主要應(yīng)用于局部放電的在線測量當(dāng)中。國內(nèi)外集中對射頻檢測法的靈敏度和定位問題進(jìn)行研究。國外方面，文獻(xiàn)[14]通過模擬實(shí)驗(yàn)分析該檢測方法應(yīng)用在不同種類變壓器中的靈敏度特性，并討論了變壓器內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)對檢測靈敏度的影響。文獻(xiàn)[15]將常規(guī)的局部放電檢測裝置靈敏度與高達(dá)1 GHz的射頻檢測系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，射頻系統(tǒng)靈敏度更高。對于塑料絕緣電纜的放電檢測，因存在衰減效應(yīng)影響，射頻檢測系統(tǒng)并不適用。國內(nèi)方面，文獻(xiàn)[16-17]均以最短光程原理為基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[16]研制了一套頻帶在2～8 GHz且靈敏度較高的新型平面等角螺旋天線做為定位傳感器，并提出空間網(wǎng)格搜索定位算法，避免傳統(tǒng)解析算法因時(shí)延測量值及波速參數(shù)的微小誤差導(dǎo)致定位結(jié)果發(fā)散或無限偏大的缺點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該定位系統(tǒng)的可行性。文獻(xiàn)[17]為解決多點(diǎn)局部放電問題，用四陣元傳感器陣列檢測局部放電產(chǎn)生的電磁波，利用時(shí)間差算法實(shí)現(xiàn)對局部放電源的空間定位，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了定位試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能將多方電源的定位誤差控制在10 cm之內(nèi)。

4 紅外熱像法

1800年英國的天文學(xué)家Mr.William Herschel用水銀溫度計(jì)在紅光外側(cè)發(fā)現(xiàn)一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，即“紅外輻射”。這一發(fā)現(xiàn)在電氣設(shè)備局部放電方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在紅外熱像法上。該方法的檢測原理是由于電氣設(shè)備發(fā)生局部放電的同時(shí)伴隨著發(fā)熱，通過紅外檢測儀檢測局部放電時(shí)的溫度變化反映局部放電情況，實(shí)現(xiàn)對局部放電信號的檢測目的。紅外熱像法分為傳統(tǒng)紅外熱像技術(shù)和遠(yuǎn)紅外熱像技術(shù)。傳統(tǒng)紅外熱像技術(shù)檢測方便靈敏、結(jié)果直觀，但存在不足，如有些診斷項(xiàng)目需要停電，且所測溫度是整體設(shè)備的平均溫度，不是我們需要的最高溫度。遠(yuǎn)紅外熱像技術(shù)具有非接觸、不停電、安全、準(zhǔn)確、使用方便、能分辨最高熱點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但目前遠(yuǎn)紅外熱像技術(shù)對某些設(shè)備存在盲區(qū)，如大型發(fā)電機(jī)、變壓器和GIS裝置內(nèi)部有熱故障時(shí)，難以判斷。紅外熱成像法廣泛應(yīng)用在因局部放電導(dǎo)致電氣一、二次設(shè)備的熱故障診斷當(dāng)中。國外方面，Mr.William Herschel在1830年提出了輻射熱電偶探測器，1840年根據(jù)物體不同的溫度分布制定了溫度圖譜。20世紀(jì)60年代初，世界上第一臺用于工業(yè)檢測領(lǐng)域的紅外熱成像儀(THV651)誕生，首次應(yīng)用于電力設(shè)備檢測。20世紀(jì)70年代電力系統(tǒng)推廣遠(yuǎn)紅外檢測技術(shù)。紅外熱像檢測技術(shù)是隨著紅外探測器的發(fā)展而發(fā)展的，紅外探測器經(jīng)歷了光機(jī)掃描探測器、焦平面制冷式探測器和焦平面非制冷式探測器。文獻(xiàn)[18]通過紅外光譜來分析GIS設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)SF6分解產(chǎn)生的副產(chǎn)物，如SOF2、SOF4、SO2F2，從而判斷GIS設(shè)備故障缺陷情況。紅外熱成像系統(tǒng)所用的是由鹵化銀纖維制成的與FTIR偶聯(lián)的微細(xì)胞光譜儀，通過采用偏最小二乘法來限制有限數(shù)量的最佳譜變量。國內(nèi)方面，21世紀(jì)初，我國建成紅外熱成像技術(shù)民用產(chǎn)品生產(chǎn)基地，引進(jìn)國外焦平面非制冷式探測器，現(xiàn)階段焦平面非制冷式探測器是電力設(shè)備檢測最主流的應(yīng)用儀器。文獻(xiàn)[19]針對局部放電發(fā)生時(shí)SF6分解產(chǎn)物濃度較低導(dǎo)致檢測不靈敏問題進(jìn)行了研究，基于懷特池原理，用三個(gè)凹面反射鏡組成共軛系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光路的多次反射，增加光程長度的同時(shí)減少光能損耗，并設(shè)計(jì)了與傅里葉變換紅外光譜儀相匹配的20 m光程長氣池，與短光程氣池相比，對GIS內(nèi)部局部放電SF6分解組分的檢測靈敏度更高，可實(shí)現(xiàn)定量研究。文獻(xiàn)[20]基于紅外熱像技術(shù)，重點(diǎn)分析了影響紅外檢測準(zhǔn)確性的因素，針對這些因素提出了減小誤差的方法，詳述了電氣設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)電體連接或聯(lián)結(jié)不良、絕緣介質(zhì)損壞以及一些特殊故障類別與紅外熱像圖譜特征對應(yīng)關(guān)系。

5 光測法

局部放電光測法的研究始于20世紀(jì)70年代，目前主要的技術(shù)方法有紫外光檢測法、熒光檢測法、熒光-超聲波檢測法、光纖電流傳感器檢測法，其中，紫外光檢測法分為紫外光功率檢測法和紫外光成像檢測法。光學(xué)-超聲波檢測法分為Mach-Zehnder型、Michelson型和Fabry-perot型三種。紫外光檢測技術(shù)的優(yōu)勢是檢測時(shí)不改變電氣運(yùn)行狀態(tài)、檢測結(jié)果直觀形象；缺點(diǎn)是紫外光功率檢測技術(shù)檢測靈敏度低，紫外光成像技術(shù)易受到環(huán)境因素和自身增益影響，定量分析困難。熒光檢測法優(yōu)勢是抗干擾能力強(qiáng)、不改變電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能夠檢測局部放電強(qiáng)度；缺點(diǎn)是測量精度低、不能解決放電源定位問題。光學(xué)-超聲波檢測法的優(yōu)勢是抗電磁干擾能力強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)放電源定位功能；缺點(diǎn)是易受聲波信號干擾、不能對放電量進(jìn)行量化。光纖電流傳感器檢測法的優(yōu)勢是抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、體積小、重量輕，成為國內(nèi)外專家的研究熱點(diǎn)。雖然方法各有不同，但檢測原理均是通過光電傳感器對發(fā)生局部放電時(shí)輻射的光信號進(jìn)行檢測，再利用光波長(通常為500～700 nm)不同特性對局部放電情況作出診斷。光測法的優(yōu)點(diǎn)是絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、檢測結(jié)果精準(zhǔn)，便于接入智能電網(wǎng)；缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴、要求被測設(shè)備對光透明且須植入設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢測。目前主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室科研當(dāng)中，對局部放電特征和絕緣裂化機(jī)理進(jìn)行研究分析。國外方面，以色列OFIL公司基于紫外光檢測法設(shè)計(jì)了DaycorⅡ型紫外成像儀，具有白天檢測電暈放電的功能。南非CSIR公司利用紫外太陽盲區(qū)，開發(fā)出應(yīng)用于檢測電力變壓器、輸電線路電暈放電的CoroCAM紫外電暈檢測系統(tǒng)。另外，ABB、西門子、日立等公司也基于光纖電流傳感器檢測法進(jìn)行了相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。文獻(xiàn)[21]利用熒光光纖傳感器對針板放電模型進(jìn)行檢測，相比于特高頻法，熒光檢測法解釋了局部放電脈沖數(shù)目和相位之間的對應(yīng)關(guān)系，能夠?qū)ψ儔浩骶植糠烹娦盘栕龀鲇行z測。文獻(xiàn)[22]利用多光學(xué)傳感器對放電源位置進(jìn)行定位，并對高斯混合模型(GMM)和支持向量機(jī)(SVM)兩種技術(shù)進(jìn)行了評估，均表現(xiàn)出良好性能，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SVM回歸模式識別局部放電位置的平均準(zhǔn)確率高達(dá)92.6%，表明該方法能夠?qū)Ω邏弘姎庠O(shè)備局部放電源進(jìn)行定位。國內(nèi)方面，王曉東等人針對變壓器局部放電情況，基于Fabry-perot型光學(xué)-超聲波檢測原理研制出光學(xué)-超聲波檢測系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)具有定位準(zhǔn)確、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；國內(nèi)南京南瑞繼保公司、上?？甸煿镜然诠饫w電流傳感器檢測法進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品研制，清華大學(xué)等高校也在該領(lǐng)域做出研究。文獻(xiàn)[23]對電氣設(shè)備局部放電光學(xué)檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析了幾種光學(xué)檢測技術(shù)的工作原理和各自優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為光學(xué)檢測法在檢測局部放電方面具有較好應(yīng)用前景和研究方向。文獻(xiàn)[24-25]針對液體電介質(zhì)和油浸變壓器局部放電現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套基于光纖法珀傳感器局部放電測試系統(tǒng)，并從傳感器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、特性描述、參數(shù)選取、仿真分析、實(shí)驗(yàn)測試等多方面進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)表明該檢測系統(tǒng)具有較好檢測性能，但仍存在靈敏度無法達(dá)到PZT靈敏度的問題。文獻(xiàn)[26]搭建一套能同時(shí)采集光電脈沖信號的光-電聯(lián)合檢測系統(tǒng)，對外施不同電壓下的光電特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在正負(fù)周期內(nèi)外施電壓大小、光電脈沖幅值、放點(diǎn)重復(fù)率和放電量之間存在相關(guān)關(guān)系。表明通過光電聯(lián)合檢測得到的脈沖幅值、放電重復(fù)率和相位分布圖譜能夠判斷電暈放電的劇烈程度。

6 超聲波檢測法

超聲波檢測法的檢測原理主要是利用局部放電發(fā)生時(shí)會產(chǎn)生超聲波信號，通過對超聲波信號的檢測來判斷放電特性。局部放電發(fā)生前，放電點(diǎn)周圍的電場應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力、粒子力處于相對平衡狀態(tài)，當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，電荷快速釋放遷移，將導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍的電場應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力與粒子力失去平衡狀態(tài)而出現(xiàn)振蕩變化過程。機(jī)械應(yīng)力與粒子力的快速振蕩，導(dǎo)致放電點(diǎn)周圍介質(zhì)出現(xiàn)震動現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波信號，電氣設(shè)備局部放電產(chǎn)生的超聲波信號頻段一般為20～200 kHz。目前超聲波檢測法主要包括局部放電類型識別技術(shù)和局部放電源定位技術(shù)。檢測裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括超聲波傳感器和信號處理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。超聲波傳感器主要以壓電式為主，諧振頻率選取根據(jù)電器設(shè)備的不同而不同，以變壓器為例，諧振頻率為160 kHz最佳，以GIS設(shè)備為例，諧振頻率為40 kHz最佳。軟件系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)處理、缺陷類型分析和數(shù)據(jù)存儲。超聲波檢測法抗電磁干擾能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)放電定位、適應(yīng)范圍廣泛；其缺點(diǎn)也很明顯，易受低頻段聲波干擾，對內(nèi)部缺陷不敏感，靈敏度較低。超聲波局部放電檢測技術(shù)用于變壓器局部放電檢測最早始于20世紀(jì)40年代，因靈敏度低、易受外界干擾等原因，沒得到廣泛應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，壓電換能效率的提高和低噪聲集成元件放大器的應(yīng)用，超聲波法的靈敏度和抗干擾能力得到極大提高，在實(shí)際應(yīng)用中得到重視。廣泛應(yīng)用于變壓器、GIS[27]、開關(guān)柜等各類一次設(shè)備，也可作為輔助手段與特高頻法或射頻電磁法進(jìn)行放電精確定位聯(lián)合檢測，結(jié)合信號處理和數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用在在線監(jiān)測系統(tǒng)中是主要趨勢之一。國外方面，挪威電科院的L.E.Lundgaard從20世紀(jì)70年代末開始研究局部放電超聲波檢測法，并于1992年發(fā)表了介紹超聲波檢測局部放電的基本理論及在變壓器、電容器、電纜、戶外絕緣子、空氣絕緣開關(guān)中應(yīng)用情況的文章；2000年，澳大利亞的西門子研究機(jī)構(gòu)使用超聲波和射頻電磁波聯(lián)合檢測技術(shù)監(jiān)測變壓器中的局部放電現(xiàn)象；2002年，法國ALSTOM輸配電局的研究人員對變壓器中的典型局部放電超聲波信號的傳播與衰減進(jìn)行比較研究；2005年德國Ekard Grossman和Kurt Feser發(fā)表了基于優(yōu)化聲發(fā)射技術(shù)的油紙絕緣設(shè)備超聲波局部放電在線測試方法，通過二維傅里葉變換對信號處理，可達(dá)10 pC的檢測靈敏度。文獻(xiàn)[28]應(yīng)用光譜工具分析了局部放電產(chǎn)生的聲發(fā)射脈沖，設(shè)計(jì)了一個(gè)光譜分析程序，并定義一種用來表征聲發(fā)射脈沖特性的頻域描述符，通過分析與時(shí)間、振幅相關(guān)聯(lián)的描述符的值的能量密度來研究聲發(fā)射脈沖。結(jié)果覆蓋了能夠生成聲發(fā)射脈沖的四種放電模型：油中點(diǎn)平面放電、油中表面放電、油中氣泡放電和不確定粒子在油中運(yùn)動。結(jié)果表明，這些描述符可構(gòu)成唯一標(biāo)準(zhǔn)識別局部放電類型。文獻(xiàn)[29]研究了變壓器模型發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號特性。國內(nèi)方面，2000年初，超聲波局部放電檢測技術(shù)開始引入國內(nèi)。國內(nèi)清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、武漢高壓所等科研機(jī)構(gòu)開始逐漸開展超聲波局部放電檢測技術(shù)的研究。西安交通大學(xué)提出了相控定位方法，武漢高壓所開發(fā)的JED系列超聲波定位系統(tǒng)，其對變壓器放電缺陷定位誤差可小于10 cm。文獻(xiàn)[30]采用基于BP算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法反映放電信號的頻域特征量與變壓器放電模式的關(guān)系，提出了一種基于三星S3C2410處理器和嵌入式uClinux操作系統(tǒng)的變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測設(shè)備相比，能夠大大提高放電檢測的實(shí)時(shí)性及系統(tǒng)性。文獻(xiàn)[31]首先分析了光柵布喇格(Fiber Bragg Grating)對超聲波的影響特性，在掌握FBG波長變化與超聲波頻率和幅值相關(guān)關(guān)系基礎(chǔ)上，提出了基于光纖傳感的變壓器局部放電超聲檢測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中存在外置式傳感器靈敏度低、抗干擾能力差等問題。

7 特高頻檢測法

電力設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會輻射出不同頻率的電磁波。放電間隙較小、時(shí)間較短時(shí)，電流脈沖陡度會較大，該電流脈沖能在內(nèi)部激勵(lì)出頻率高達(dá)幾GHz的電磁波，特高頻(ultra high frequency，UHF)檢測法就是通過檢測這種電磁信號來實(shí)現(xiàn)局部放電檢測的。因該方法檢測頻段為特高頻頻段(300～3 000 MHz)，故將該檢測方法命名為特高頻檢測法。特高頻檢測法主要有兩種技術(shù)手段，分別是特高頻寬帶檢測法和特高頻窄帶檢測法。其主要的技術(shù)優(yōu)勢是檢測靈敏度高、現(xiàn)場抗低頻電暈干擾能力強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)放電源的定位，便于識別絕緣缺陷類型。但該技術(shù)存在局限性，如檢測過程中容易受到現(xiàn)場特高頻電磁干擾的影響、外置式的檢測方式對全金屬封閉電氣設(shè)備無法實(shí)施檢測、尚未實(shí)現(xiàn)缺陷劣化程度的量化描述等。特高頻法主要應(yīng)用于變壓器、氣體組合電器、開關(guān)柜等各種電氣設(shè)備的放電類型識別、診斷和放電源定位。可進(jìn)行現(xiàn)場局部放電檢測，也可組成在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。國外方面，20世紀(jì)80年代初期，英國中央電力局首先提出特高頻局部放電檢測技術(shù)；20世紀(jì)90年代，由Judd和Hampton等人對局部放電電磁波的激勵(lì)特性及其傳播特性做了研究，對電磁波的表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)；1993年，英國DMS公司開發(fā)出世界第一套基于特高頻檢測技術(shù)的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[32-33]針對GIS設(shè)備局部放電時(shí)電磁波的產(chǎn)生機(jī)理、傳播特性及相應(yīng)的檢測方法，并提出采用分析電磁場的有限時(shí)域差分方法對GIS局部放電的激勵(lì)特性進(jìn)行仿真分析。國內(nèi)方面，20世紀(jì)90年代中期，由清華大學(xué)電機(jī)系劉衛(wèi)東、錢佳驪等學(xué)者進(jìn)行了特高頻故障診斷技術(shù)研究，并于1995年開發(fā)了GIS局部放電監(jiān)測和診斷應(yīng)用裝置；20世紀(jì)90年代末，西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)、華北電力大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校和一些科技公司開展了大量的研究和推廣工作，在局部放電定位、放電類型識別及放電量估計(jì)方面取得了良好的使用效果。文獻(xiàn)[34-35]針對變壓器和開關(guān)柜設(shè)計(jì)了一套集特高頻天線、濾波放大器、高速采集卡的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，并對模擬放電模型進(jìn)行放電類型的分析和診斷。文獻(xiàn)[36]針對特高頻法檢測GIS局部放電時(shí)受到不同類型的噪聲干擾、天線采集微弱特高頻信號容易被噪聲淹沒、導(dǎo)致局部放電檢測不準(zhǔn)確甚至檢測系統(tǒng)在現(xiàn)場無法正常工作等問題，提出一種基于改進(jìn)EMD的GIS局部放電特高頻信號降噪方法。該方法利用對偶樹復(fù)小波(Dual-Tree Complex WaveleTransform,DTCWT)對經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)降噪法進(jìn)行改進(jìn)并對GIS局部放電特高頻信號進(jìn)行降噪。利用EMD法將含噪信號分解為一系列的固有模態(tài)函數(shù)(IMF)分量,然后利用聯(lián)合分布模型進(jìn)行每個(gè)IMF分量的DT-CWT降噪的小波系數(shù)估計(jì),對每個(gè)IMF分量進(jìn)行降噪。最后將降噪后的IMF分量進(jìn)行信號重構(gòu)得到降噪后的信號。GIS局部放電特高頻信號降噪試驗(yàn)結(jié)果表明該方法達(dá)到很好的噪聲與非噪聲信號的分離效果,擁有較高信噪比,以及能夠保持早期局部放電特高頻信號特征。文獻(xiàn)[37]為滿足超高頻檢測法對天線小型化、寬頻帶的要求，在傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種氣體絕緣全封閉組合電器局部放電檢測的小型化平面螺旋天線。在實(shí)驗(yàn)室與外置超高頻傳感器對比測試，結(jié)果表明，該天線結(jié)構(gòu)簡單尺寸小、具有超寬帶特性和較高信噪比、在工作頻段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)全輻射，可用于GIS局部放電檢測。

8 結(jié) 語

以上檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)、主要應(yīng)用范圍如表1所示。

表1 各檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍

基于以上闡述，超聲波檢測法和特高頻檢測法可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。以抗干擾性為例，超聲波法檢測的是放電源產(chǎn)生的超聲波信號，不受現(xiàn)場電磁干擾，易受低頻段聲波信號干擾；特高頻檢測法不受現(xiàn)場聲波信號干擾，易受現(xiàn)場特高頻電磁信號干擾。以靈敏度為例，特高頻檢測法能有效彌補(bǔ)超聲波檢測法靈敏度低的不足。

相比于脈沖電流法在線測量效果差，化學(xué)檢測法在線提取氣體成分困難，射頻檢測法易受外界干擾且定位能力差，紅外熱成像法對局放點(diǎn)處于設(shè)備深處時(shí)檢測效果差，光測法成本極高，超聲波-特高頻聯(lián)合檢測法雖然也存在一些技術(shù)問題，但針對變壓器、氣體組合電器、開關(guān)柜等絕大部分電氣設(shè)備的局部放電檢測和在線監(jiān)測，這種聯(lián)合檢測方式最佳。超聲波—特高頻聯(lián)合檢測法的技術(shù)難點(diǎn)主要有三個(gè)方面：

1)特高頻傳感器檢測位置問題。外置式檢測使用和維護(hù)方便，但存在靈敏度低、抗干擾能力差等問題。相比于外置式檢測，內(nèi)置式檢測方式靈敏度更高，抗干擾能力強(qiáng)，但只有選擇合適的內(nèi)置位置才能保證不影響電力設(shè)備結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定運(yùn)行。

2)抗干擾和放電源定位問題?，F(xiàn)場的干擾源種類多樣，表現(xiàn)出的特性也不同，找到一種能夠抑制所有干擾的辦法是很困難的，由于特高頻傳感器自身特性，能夠避開頻率較低的干擾信號，但仍然可能采集到手機(jī)干擾(屬于窄帶周期性干擾，頻率為900 MHz或1.8 GHz)、白噪聲等。雖然采用與超聲波聯(lián)合檢測可有效增強(qiáng)抗干擾能開，但仍需要針對不同的干擾源，采用不同的措施并綜合運(yùn)用，這是今后研究的重點(diǎn)。

3)缺陷類型診斷和劣化程度量化評估。目前，局部放電信號自身包含的信息與缺陷類型的關(guān)系尚未完全清楚，并對缺陷程度缺乏定量評估，這是該檢測方法今后研究的難點(diǎn)之一。

以傳感器檢測位置問題為例，可以對需要采用內(nèi)置式檢測的電氣設(shè)備，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)置式采集位置。這只是一個(gè)初步設(shè)想，有待日后進(jìn)行可行性試驗(yàn)。如能對超聲波-特高頻聯(lián)合檢測方法存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入研究，使其缺點(diǎn)能夠得以解決，超聲波-特高頻聯(lián)合檢測法可以成為電氣設(shè)備局部放電的主要檢測手段，其他方法可作為輔助檢測手段，應(yīng)用前景廣闊。

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ReviewonPartialDischargeDetectionMethodsforElectricalEquipment

WANGXiao-wen,ZHONGXiao-yu

(SchoolofElectricalPowerEngineering,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,LiaoningProvince)

A large amount of experimental data and long-term field operation experience show that the partial discharge is the main reason leading to the destruction of power equipment insulation system and cause power failure.Therefore,it is necessary to strengthen the effective detection of partial discharge to ensure the safe and reliable operation of power system.In this paper,the pulse current method,chemical detection method,radio frequency detection method,infrared thermal imaging method,optical measurement method,ultrasonic detection method and UHF detection method were discussed in detail from the detection principle,technical means,characteristics and application scope.The results showed that the ultrasonic detection method and UHF detection method could achieve the advantages and disadvantages of complementary and were suitable for the most of the electrical equipment PD detection and on-line monitoring. At the end,the imperfection of the ultrasonic-UHF joint detection technology was put forward yet.

Partial discharge;Electrical equipment;Detection method

TM85

A

1673-1603(2017)04-0331-09

(責(zé)任編輯魏靜敏校對張凱)

2017-07-06

王曉文(1966-)，女，遼寧錦州人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究。

鐘曉宇(1992-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.04.008