局部放電檢測方法的原理及電纜局放在線監(jiān)測

超聲波檢測法 
GIS設(shè)備局部放電的超聲波檢測法是利用安裝在GIS外殼上的超聲波傳感器接收局部放電產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)以達(dá)到檢測內(nèi)部局部放電的目的。在GIS中，除局部放電產(chǎn)生的聲波外，還有微粒碰撞絕緣子或外殼、電磁振動(dòng)、操作引起的機(jī)械振動(dòng)等也會(huì)發(fā)出的聲波。氣體和液體中只傳播縱波，固體中傳播的聲波除縱波外還有橫波。故在GIS中沿SF6氣體傳播的聲波和在變壓器油中一樣只有縱波，但其傳播速度很慢，要比油中低10倍，衰減也大，且隨頻率的增加而增大。測量超聲波信號(hào)的傳感器主要有加速度和聲發(fā)射兩種。當(dāng)采用加速度傳感器時(shí)，要采用高通濾波器以消除較低頻率的背景干擾；聲發(fā)射傳感器的原理是利用諧振方式，其頻率特性中已經(jīng)包含了高通特性，因此無需另外附加相應(yīng)的濾波器件。 

由于聲音的傳播速度比電磁波慢很多，時(shí)間差更容易進(jìn)行測量，定位更加準(zhǔn)確，并且定位后還可通過敲擊GIS外殼的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所以在放電定位方面，聲學(xué)檢測法比電學(xué)的方法更，加之超聲波傳感器與GIS設(shè)備的電氣回路之間無任何聯(lián)系，抗電磁干擾性較好，因此人們對超聲法的研究較為深入，技術(shù)手段較為成熟。但是超聲波檢測法的靈敏度不僅取決于局部放電的能量，而且取決于超聲波信號(hào)在傳播路徑上的衰減，在大多數(shù)情況下，超聲傳感器的靈敏度不是很高。近年來，由于聲—電換能器效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測法的靈敏度有了較大的提高[66-77]，但是超聲傳感器的有效檢測范圍仍然較小，完成一個(gè)較大規(guī)模GIS變電站的檢測通常需要數(shù)天的時(shí)間，檢測效率不高。 特高頻法 
特高頻法(Ultra High Frequency，簡稱UHF) 是近年發(fā)展起來的一種新的GIS設(shè)備局部放電的檢測技術(shù)。它是利用裝設(shè)在GIS內(nèi)部或外部的天線傳感器接受局部放電輻射出的300～3000MHz頻段的特高頻電磁波信號(hào)進(jìn)行局部放電的檢測和分析[56~63]。運(yùn)行中的GIS內(nèi)部充有高氣壓SF6氣體，其絕緣強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)都很高。當(dāng)局部放電在很小的范圍內(nèi)發(fā)生時(shí)，氣體擊穿過程很快，將產(chǎn)生很陡的脈沖電流，并向四周輻射出特高頻電磁波。GIS設(shè)備的腔體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)良好的同軸波導(dǎo)，非常有利于電磁波的傳播。特高頻傳感器的安裝方式目前應(yīng)用較為廣泛的主要有兩種：外置式和介質(zhì)窗口式。外置式傳感器將傳感器貼在GIS設(shè)備盆式或盤式絕緣子的外表面，依靠絕緣子表面電磁波的泄露進(jìn)行UHF信號(hào)的檢測，此方法可帶電安裝。介質(zhì)窗口式傳感器是將傳感器安裝在檢修手孔或CT端子箱處，此方法需停電安裝或在設(shè)
文庫備出廠時(shí)安裝。 

UHF檢測的特點(diǎn)使其在局部放電檢測領(lǐng)域具有其他方法的優(yōu)點(diǎn)，因而在近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。特高頻法具有以下優(yōu)點(diǎn)： 
①抗干擾性好：現(xiàn)場普遍存在的電暈放電的頻率范圍通常在300MHz以下，并且在空氣中傳播時(shí)衰減很快，特高頻傳感器接收UHF頻段信號(hào)，避開了電網(wǎng)中主要電磁干擾的頻率，具有良好的抗電磁干擾能力； 
②靈敏度高：GIS的同軸結(jié)構(gòu)非常適合特高頻電磁信號(hào)傳播，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測靈敏度； 
③可實(shí)現(xiàn)放電定位：根據(jù)電磁脈沖信號(hào)在GIS內(nèi)部傳播具有衰減的特點(diǎn)，利用傳感器接收信號(hào)的時(shí)差，可以進(jìn)行故障定位； 
④檢測效率高：UHF傳感器檢測局部放電的有效檢測范圍較大，因此需要安裝傳感器的檢測點(diǎn)較少，檢測效率高。 
特高頻法雖然有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定的不足： 
①難以用特高頻信號(hào)幅值表征局部放電嚴(yán)重程度：GIS設(shè)備局部放電脈沖電流信號(hào)輻射出的電磁波信號(hào)是寬頻信號(hào)，越往低頻能量越高。對于每種類型的放電，特高頻段信號(hào)的能量在整個(gè)電磁波信號(hào)的能量中所占的比例難以確定，因此，特高頻信號(hào)幅值與視在放電量或?qū)嶋H放電量之間的關(guān)系難以確定，難以依據(jù)特高頻信號(hào)幅值來表征設(shè)備絕緣狀況； 
②難以檢測正在運(yùn)行的罐式斷路器內(nèi)的局部放電故障：一般對于正在運(yùn)行的GIS設(shè)備，可帶電安裝外置式傳感器；但對于戶外安裝的罐式斷路器，沒有外露的絕緣子，只能將特高頻傳感器放置在套管底部進(jìn)行測量，這就大大降低了檢測的靈敏度與有效性； 
③無法實(shí)現(xiàn)視在放電量的標(biāo)定：目前大多數(shù)工程人員已經(jīng)習(xí)慣于通過視在放電量來反映局局部放電的嚴(yán)重程度，IEC規(guī)定的GIS產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)中，其局部放電的指標(biāo)也是通過視在局放量的閾值來規(guī)定的。由于UHF法的測量機(jī)理與脈沖電流法不同，因此無法進(jìn)行視在放電量的標(biāo)定，即使在局放源到傳感器之間的傳播路徑不變的情況下，脈沖電流法的視在放電量與特高頻方法所測得的脈沖信號(hào)幅值之間也沒有確定的對應(yīng)關(guān)系[64-65]，這就更加大了應(yīng)用該方法進(jìn)行局部放電實(shí)際放電量預(yù)估的難度。

HFCT高頻電流法脈沖電流法是研究、應(yīng)用泛的一種局部放電檢測方法。其測量原理是：當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)回造成電荷的移動(dòng)，該移動(dòng)電荷可在外圍測量回路中產(chǎn)生脈沖電流，通過檢測該脈沖電流便可實(shí)現(xiàn)對局部放電的測量。該方法一般是檢測脈沖電流信號(hào)的低頻部分，通常為數(shù)kHz至數(shù)百kHz（至多為數(shù)MHz）。常規(guī)局部放電通常在回路中串入檢測阻抗來對信號(hào)取樣。在線檢測則常采用電流傳感器獲取被測脈沖電流信號(hào)。目前，脈沖電流法廣泛用于變壓器型式試驗(yàn)、預(yù)防和交接試驗(yàn)、變壓器局部放電實(shí)驗(yàn)研究等，其特點(diǎn)是測量靈敏度高、放電量可以標(biāo)定等[7,8]。但這種方法測量頻率低，頻帶窄，包含信息量不足而且現(xiàn)場抗干擾能力差。因此采用超寬帶高頻電流傳感器取代傳統(tǒng)電流傳感器來接受脈沖電流信號(hào)成為這種檢測方法的發(fā)展趨勢，高頻電流法通過羅氏線圈來耦合電氣設(shè)備接地線處的高頻電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測，檢測頻帶為幾十K到幾十MHz。

電力電纜局部放電量的在線測量

局部放電檢測越來越被看作是一種的絕緣診斷方法，在線檢測應(yīng)用中更是如此，目的是觀察和研究局部放電引起的絕緣老化問題。電纜發(fā)生局部放電時(shí)，引起局部放電的空穴形成實(shí)，這是電纜的浪涌阻抗，在開始時(shí)是純阻性的。其產(chǎn)生的脈沖基本上是單極性脈沖，上升時(shí)間很短，并且脈沖寬度也很窄。脈沖從產(chǎn)生的位置向外傳播，由于在電纜中傳播時(shí)的衰減和散射，當(dāng)?shù)竭_(dá)測量點(diǎn)時(shí)，脈寬增加，幅值減小。一般情況下，在測量時(shí)能檢測到比較好的，其保留了很多與源波形相同的特性。圖１顯示了一段典型的電纜局放脈沖波形，其上升時(shí)間以及脈沖特性可以通過計(jì)算機(jī)生成的光標(biāo)測量。

圖1 電纜中的局部放電脈沖波形（顯示了計(jì)算機(jī)生成的光標(biāo)）

如果上升時(shí)間和脈沖寬度在電纜局部放電脈沖的通常范圍內(nèi)，那么就可以把該脈沖看成是電纜局部放電。一般來說，電纜局部放電的上升時(shí)間在50ns到1s之間，而脈寬小于2s。實(shí)際上，對于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜來說，其對應(yīng)值會(huì)比這小些。這是由于XLPE電纜的損耗和散射比較小的緣故。脈沖的上升時(shí)間和脈寬取決于電纜端部的脈沖波形，也取決于檢測電路。然而，這種使用上升時(shí)間和脈沖寬度來檢測脈沖位置的簡單方法并不非常適用。由于檢測電路的不確定性，同樣使得上升時(shí)間和脈沖寬度隨之變化，例如當(dāng)其包含一個(gè)大電感時(shí)，脈沖的上升時(shí)間就會(huì)遲緩，并且脈沖寬度也會(huì)變大。然而，在脈沖的起始位置，上升時(shí)間卻是一個(gè)很有價(jià)值的特征量。對于利用高頻電流（HFCT）的在線局部放電檢測，其檢測電路通常有較大的帶寬（>20MHz），這種簡單的定位方法還是能得到較為滿意的測量結(jié)果的。

圖2高頻電流傳感器檢測33kV電纜局部放電（箭頭所指為高頻電流傳感器）

圖2所示為用于33kV XLPE電纜檢測的電流傳感器，傳感器可以夾繞在接地線之上的每個(gè)線芯上，也可以將電流傳感器夾繞在接地線上。局部放電脈沖沿電纜傳至終端，在導(dǎo)體上它們的極性相同，在屏蔽上相反，關(guān)鍵的問題是能在接地線或?qū)w電流兩者之間截取其中一個(gè)。實(shí)際上，這兩個(gè)信號(hào)很相似，但它們在兩個(gè)測量點(diǎn)之間的噪音成分卻有所不同。

圖3 電纜脈沖上升時(shí)間分布

圖3所示為33kV紙絕緣電纜的在線檢測結(jié)果，從圖中我們可以看到，電纜的主要上升時(shí)間集中在200ns附近。被測電纜長度為2km左右，所有脈沖全部取自于1600m處的一個(gè)中間接頭。從圖中顯示的電纜上升時(shí)間的分布情況看，各上升時(shí)間之間還存在著寬度不等的空白區(qū)。理論上，可根據(jù)圖3畫出上升時(shí)間的曲線圖，縱坐標(biāo)以米為單位，假定局部放電脈沖上升時(shí)間和脈沖在電纜中的傳播距離之間存在函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上，這種關(guān)系也是比較容易建立的，它取決于電纜的類型，而問題的關(guān)鍵就在于電纜終端的測量電路的阻抗是不確定的。如前面所述，當(dāng)檢測電路的阻抗中含有大的感抗時(shí)，脈沖的上升時(shí)間主要取決于檢測電路的阻抗而不是局部放電脈沖的傳播距離。在這種情況下，脈沖上升時(shí)間和傳播距離之間的關(guān)系就無法建立。

利用局部放電脈沖波形檢測局放的就在于：可以幾乎不用考慮因脈沖在電纜中傳播的衰減而造成的測量誤差，尤其是對于衰減很大的紙絕緣電纜。局部放電脈沖在電纜上傳播一段距離以后幅值很快就會(huì)衰減10到20倍。如果脈沖峰值衰減到原來的1/20，那么離測量點(diǎn)比較遠(yuǎn)的局部放電事件就會(huì)顯得很微弱，難以發(fā)現(xiàn)。利用放電脈沖波形，測量局部放電電流下的面積，就可以對幅值進(jìn)行測量，并且它受信號(hào)衰減的影響小得多，放電量則可通過放電電流的積分求得，如下式：

式中的“const”是電流轉(zhuǎn)換為電壓的系數(shù)。此式已考慮了電流互感器的傳輸阻抗，電纜阻抗以及放大器增益等因素。通過這種方法測量放電量以后，乘以一個(gè)修正因數(shù)并假設(shè)檢測阻抗為電纜的浪涌阻抗，就可以以皮庫（pC）為單位測量局部放電的幅值。實(shí)際應(yīng)用中，在電纜中部接頭處的地線上測量時(shí)，浪涌阻抗和實(shí)際的浪涌阻抗很接近，而端部浪涌阻抗的波動(dòng)一般在20％以下。例如對整體浸漬不滴流（MIND）11kV紙絕緣電纜，在3km處測量，用上面的公式測量時(shí)幅值僅衰減了3倍，而直接測量時(shí)幅值衰減了15倍。這就說明，這種方法對任何電纜的在線局部放電測量，都可以以皮庫為單位表示，而不需要標(biāo)定。