局部放电检测技术

局部放电检测技术
摘要：局部放电试验作为一种非破坏性试验，是电力设备绝缘检测和诊断的重要方法。

随着人们对电力设备可靠性的要求的提高，局部放电技术快速发展，各种局部放电技术应运而生。

文章回顾了局部放电检测技术的发展，重点对常用的几种局部放电测试方法进行介绍，并对未来的局部放电检测作了展望。

关键词：局部放电绝缘检测气隙超高频
Abstract: As a kind of non-destructive testing, the partial discharge test is of the important methods for electric power equipment insulation detection and diagnosis. With the increasing demand for electric power equipment reliability, partial discharge technologies develop rapidly , all kinds of partial discharge technology arises at the historic moment. The paper reviews the development of partial discharge detection technique, introduces the most popular method of PD detection, and gives a forecast for the future development of PD test.
Keywords: partial discharge，insulation detectionair gap，UHF
1.引言
电力设备绝缘在运行中受到电、热、机械、不良环境等各种因素的影响，其性能会逐渐劣化，以致出现缺陷，造成故障。

而绝缘检测和诊断技术可以早期发现故障,其中局部放电检测技术作为一种非破坏性的检测技术，运用广泛1。

局部放电是绝缘介质外施电压高到一定程度时产生电离的一种电气放电现象是由于高压设备绝缘内部的一些气泡、空隙、杂质和污秽等缺陷造成的。

局部放电在高压绝缘中普遍存在，虽然局部放电分散发生在极微小的局部空间内，一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质的局部损坏。

若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘击穿和沿面闪络。

对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。

局部放电被人们所认知是在1777年，Lichtenberg 利用伏特新设计的检测仪可以看到奇妙的星形或圆形尘埃轮廓，并认为这些轮廓代表着绝缘表面的放电现象。

而1873年Maxwell 提出的电磁学假设及1896年赫兹的实验证明都成为了局部放电检测设备设计和物理模型开发的的基础，1919年开发的基于西林电桥的功耗电桥是最早的局部放电检测设备2。

1960年提出的积分电桥方法在局部放电的物理研究中具有独到的优点，并仍在使用[3]。

此后，各种局部放电检测技术应运而生。

基于对发生局部放电时产生的各种光、电、声、热等现象的研究，局部放电检测技术也相应出现了电检测法和非电检测法。

1.局部放电机理
局部放电可能出现在固体绝缘的空穴中，也可能在液体绝缘的气泡中，或不同介电特性的绝缘层间，或金属表面的边缘尖角部位。

所以大致可分为绝缘材料内部放电、表面放电和电晕放电。

局部放电是由于电气设备内部存在一些弱点，为了方便研究常用三电容模型来解释局部放电的机理，如下图所示。

图1 固体介质内部气隙放电三电容模型
（a ）通过气孔的介质剖面 （b ）等效回路
图中，C g 代表气隙的电容；C b 代表与C g 串联部分的介质的电容；C a 代表其余部分绝缘的电容。

若在电极间加上交流电压u ，则出现在C g 上的电压为u g ，即 V C a C b C g Va
u C C C u b g b g )]/([+=（1-1）
因为气隙很小，C g 比C b 大很多，故u g 比u 小很多。

局部放电时气隙中的电压和电流变化如下图所示。

图2 局部放电时气隙中的电压与电流的变化
u g 随u 升高，当u 上升到起始放电电压u s ，u g 达到C g 的放电电压U g 时，C g 气隙放电，于是C g 上的电压很快从U g 降到U r ，放点熄灭，则
c b g b r u C C C U )]/([+= （1-2）
式中，u c 为相应的外施电压；Ur 为残余电压（0≤U r ≤U g ）。

放点后在Cg 上重建的电压将不同于u g ，只是随着外施电压的上升类似于u g 的上升趋势，从Ur 上升，当升到U g 也即外施电压又上升了)(c s u u -时，C g 再次放电，放点再次熄灭，电压再次降到Ur 。

C g 上的电压变动在U g 至U r 间的时间，也即产生局部放电脉冲的时间，此时通过C g 在外回路有一脉冲电流i ，它是检测局部放电的主要依据。

从上图可知，当C g 放电引起电压变化为（U g -U r ）时，回路放出的电荷q r 应为
)]/()[(b a b a g r g r C C C C C U U q ++-=
当C a >>C b ,C g >>C b ,Ur=0时，q r ≈U g C g
C a 上的电压也即外施电压的变化△U 应为
))](/([r g b a b U U C C C U -+=∆
有上两式可得： )/(b a b g a g r b C C C C C C q C U ++=∆
若相应的电荷变化量为q ，则
a x
b g b g a C q C q C C C C C q U //)]}/([/{≈=++=∆
由上两式得 r b g b q C C C q )]/([+=
r q 是实际放电电荷，但无法测量。

而式中的U ∆和C x 均可检测得到，故q 是很可以得到的，一般用pC 表示，称为视在电荷量。

从上式可知，它比实际的放电电荷小很多，可用它来表示电气设备的局部放电量。

一次脉冲放电的能量W 应为
g s r g r r g U qu U U q U U W 2/)(2/)(-=-=
若0≈r U ，则 2/s qu W ≈
式中，q u s ,均可求得，故一次脉冲放出的能量也是可以求得的。

q 和W 都是局部放电的特征参量，但只是一次脉冲放出的电荷量和能量。

半周期内能发出好多个脉冲，一秒内的脉冲数，即放电重复率n 也是个重要参数。

从上图知Cg 第一次放电熄灭后，外施电压每上升)(c s u u -，可使Cg 放电一次。

在过峰值前的最后一次放电后，虽外施电压继续上升1∆，但它小于)(c s u u -，C g 不可能放电。

当u t 过峰值并下降1∆，u g 将随之下降至U r ，u 再下降uc ，则ug 降为零。

若负极性下放电电压仍为Ug ，则u 必须在下降us 才可以使Cg 被反冲电到Ug 。

故过峰值后Cg 第一次放电发生在从Umax 下降)(1c s u u ++∆时。

此后ut 没下降)(c s u u -，Cg 即放电和熄灭一次。

若从+Umax 到-Umax 半周期的放电次数为N ，则
21max ))(1()(2∆+--+++∆=c s c s u u N u u U
即 )/()]()(2[21max c s c u u u U N -∆+∆--=
每秒内放电次数为 fN n 2=
上述机理只分析了绝缘材料只存在一个气隙且这个气隙的放电电压与极性无关的情况，实际的试验中气隙往往多于一个，两种极性的放电电压也不同，分析也更复杂。

局部放电强度参数测量除视在放电量、单次放电能量、放电次数频度外，还有平均放电电流、平均放电功率等，但以视在放电量的测量最为普遍3。

3.局部放电检测技术的研究现状
局部放电时会发生许多电的（如电脉冲，介质损耗的增大和电磁波发射）和非电的（如光、声、热、化学变化）现象，因此检测方法也可分为电的和非电的两类。

3.1 电检测法
局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。

每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。

另外，每次放电过程持续时间很短，在气隙中一次放电过程在10 ns 量级；在油隙中一次放电时间也只有1µs。

根据Maxwell 电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。

局部放电电检测法即是基于这两个原理。

常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰电压法、介质损耗分析法等等。

特别是，20 世纪80 年代由S. A. Boggs 博士和G. C. Stone 博士提出的超高频检测法近年来得到广泛关注4，并逐渐有实用化的产品问世。

3.1.1 脉冲电流法
脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法，国际电工委员会（IEC）专门对此方法制定了相关标准（IEC−270）。

该标准规定了工频交流下局部放电的测试方法，同时，此方法也适合于直流条件下的局部放电测量。

脉冲电流法的基本测试回路分为直接法和平衡法两种。

脉冲电流法的局部放电检测回路
（a）并联法（b）串联法（c）平衡法
直接法的检测回路分为并联法和串联法两类，如上图（a）（b）所示。

其目的都是要使被测试品Cx局部放电时产生的脉冲电流作用到检测阻抗Zm上，然后Zm上的电压经放大后送到测量仪器中去，根据Zm上的电压可推算出局部放电的视在电荷量。

图中耦合电容Ck为脉冲电流提供低阻抗通道，低通滤波器Z 只允许工频电流通过而阻塞局部放电所产生的高频脉冲电流。

图（a）中Zm直接与被测物并联，称为并联法；图（b）中Zm与被测物串联，称为串联法，不难看出两者对高频脉冲电流的回路是相同的，都是串联的流经Cx、Ck和Zm三个元件；在理论上两者的灵敏度是相等的。

如（c）所示，为了提高抗干扰的能力，可以采用电桥平衡原理来检测
直测法常遇到各种干扰，特别是在现场环境下，会严重影响测试灵敏度。

而平衡法由于其抑制共模干扰的优良性能，得到广泛采用。

平衡法测试回路有西林电桥、差分电桥以及双电桥等形式。

目前西林电桥干扰抑制比可达到几十，差分法可达到数百甚至上千。

但是，平衡法的测量灵敏度一般比直测法低。

脉冲电流法应用广泛，目前市场上大部分电类局部放电测试仪都采用直测法回路，如瑞士Haefely公司的TE571 局部放电测试仪、JFD−2 局部放电测试仪等等。

湖北省电力试验研究院于2003 年曾对三峡工程左岸电站 2 号TWUM−
840MV A/550kV 变压器进行了现场局部放电的离线检测，检测时最小背景干扰3.5pC，最小检测量33.5 pC5。

3.1.2 无线电干扰电压法（RIV）
无线电干扰电压法，包括射频检测法，最早可追溯到1925 年，Schwarger 发现电晕放电会发射电磁波，通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生。

国外目前仍有采用无线电干扰电压表检测局部放电的运用，在国内，常用射频传感器检测放电，故又叫射频检测法。

较常用射频传感器有电容传感器、Rogowski 线圈电流传感器和射频天线传感器等6。

Rogowski 线圈电流传感器是20 世纪80 年代由英国的Wilson 等人提出，1996 年，吴广宁等人对该传感器做出改进，设计出用于大型电机局部放电在线监测用的宽频电流传感器，并获得实用新型专利（ZL97 2 42089.4）。

该传感器在我国陕西秦岭发电厂、兰州西固热电厂已有应用7。

清华大学朱德恒等人将此传感器用于大型汽轮发电机-变压器组的局部放电在线监测，并在元宝山发电厂投入试运行取得一定效果8。

罗氏线圈电容式传感器
RIV 方法能定性检测局部放电是否发生，甚至可以根据电磁信号的强弱对电机线棒和没有屏蔽层的长电缆进行局部放电定位；采用Rogowski 线圈传感器也能定量检测放电强度，且测试频带较宽（1~30MHz），现场测试证明，该方法具有较好的实用价值。

3.1.3 介质损耗分析法（DLA）
局部放电对绝缘材料的破坏作用是与局部放电消耗的能量直接相关的，因此对放电消耗功率的测量很早就引起人们的重视。

在大多数绝缘结构中，随着电压的升高，绝缘中气隙（或气泡）的数目将增加。

此外局部放电的现象将导致介质的损坏，从而使得tanδ大大增加。

因此可以通过测量tanδ的值来测量局部放电能量从而判断绝缘材料和结构的性能情况
介质损耗分析法特别适用于测量低气压中存在的辉光或者亚辉光放电。

由于辉光放电不产生放电脉冲信号，而亚辉光放电的脉冲上升沿时间太长，普通的脉冲电流法检测装置中难以检测出来。

但这种放电消耗的能量很大，使得∆tanδ很大，故只有采用电桥法检测∆tanδ才能判断这种放电的状态和带来的危害。

但是，DLA 方法只能定性的测量局部放电是否发生，基本不能检测局部放电量的大小，这限制了DLA 方法的运用。

目前关于用DLA 方法测局部放电的报道还很少。

3.1.4 超高频（UHF）局部放电检测技术
在20 世纪80 年代以前，市场上局部放电检测仪的工作频带仅在1MHz 以下。

1982 年Boggs 和Stone 在他们的试验中使测试仪器的测量频带达到
1GHz，成功的测试出GIS 中的初始局部放电脉冲5。

在此频带下，噪声信号衰减剧烈，可有效的实现噪声抑制，且可以基本无损的再现局部放电脉冲，从而深化对局部放电的机理性研究。

超高频检测又分为超高频窄带检测和超高频超
宽频带检测。

前者中心频率在500MHz 以上，带宽十几MHz 或几十MHz，后者带宽可达几GHz。

由于超高频超宽频带检测技术有噪声抑制比高、包含信息多等优点受到人们的关注，通常所说的超高频检测技术即指超高频超宽频带检测。

用于超高频局部放电检测的传感器主要为微带天线传感器。

利用微带天线作传感器早在1980 年Kurtz 等人就提出过，他们设计的传感器用于大型电机局部放电测试，安装在一个或两个磁极上，可探测到单根定子线棒的放电。

目前，微带天线传感器已在检测大型电力变压器、GIS、电力电缆等设备的局部放电上有相关应用。

对于大电机局部放电检测，H. G. Sedding 等人在1991 年提出一种定子槽耦合器（stator slot coupler），该传感器由接地平面、带状感应导体及两端同轴输出电缆组成，其耦合方式既不是感性也不是容性，而是具有分布参数的性质，因此具有非常宽的频带，且能够反映内部放电和外部干扰在波形上的差异9。

超高频局放检测装置
以上列举了一些电力设备常用局部放电检测方法。

从目前市场上看，电测法仍是局部放电检测中最重要的手段，其中的脉冲电流法已经很成熟，由于其检测灵敏度很高，且容易进行放电量校准，采用高频检测阻抗还可准确再现局部放电脉冲波形，故在进行局部放电机理研究、实验室离线测试中占主导地位。

但是，由于其易受到外电路的电磁干扰，使其灵敏度大大下降，在现场环境中，脉冲电流法应用并不很多。

无线电干扰电压法中Rogowski 线圈传感器由于结构简单、安装方便，检测灵敏度高、频带宽等优点，在局部放电在线监测中被广泛采用，现在大型电机、变压器、GIS 等设备的在线监测中均有应用。

超高频检测法是近年发展起来的新型局部放电检测方法，具有频带高、灵敏度好、抗电磁干扰能力强等显著优点，被认为是最有潜力的局部放电在线检测方法。

但是，超高频检
测用微带天线传感器目前还在研究之中，制造工艺要求甚高，技术尚不成熟。

3.2 非电量检测法
局部放电发生时，常伴有光、声、热等现象的发生，对此，局部放电检测技术中也相应出现了光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。

较之电检测法，非电量检测方法具有抗电磁干扰能力强、与试样电容无关等优点。

3.2.1 声测法
介质中发生局部放电时，其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发，效果就像一个小爆炸。

此时放电源如同一个声源，向外发出声波。

由于放电持续时间很短，所发射的声波频谱很宽，可达到数MHz。

要有效检测声信号并将其转化为电信号，传感器的选择是关键。

常用的声传感器有用于气体中的电容麦克风（condenser microphone）、电介体麦克风（electrets microphone）和动态麦克风dynamic microphone）；用于液体中类似于声纳的所谓水中听诊器（hydrophone）；用于固体中的测震仪（accelerometer）和声发射（acoustic emission）传感器。

在声−电传感器中，工作频带和灵敏度是两个最为重要的指标。

若传感器工作频带过窄，脉冲相应时间过长容易造成信号混叠，故必须保证传感器一定的工作频带。

而在宽频传感器中，要求传感器几何尺寸必须小于声波波长，但是，减小传感器体积会导致传感器测量面积减小，进而降低测试灵敏度；反之，若为了增大灵敏度而增大传感器几何尺寸又会导致传感器工作频带减小。

实际设计中，往往结合现场条件，折中考虑这两方面的要求。

较之电测法，声测法在复杂设备放电源定位方面有独到的优点。

但是，由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本不能反映放电量的大小10。

这使得实际中一般不独立使用声测法，而将声测法和电测法结合起来使用。

3.2.2 光测法
近年来采用光测法在局部放电特征及介质老化机理等方面的研究做了大量工作，但是，由于传感器必须侵入设备，且设备透光性能不好或者根本不能透光，光测法只能测试表面放电和电晕放电，故在现场中光测法基本上没有直接应用。

近年来，随着光纤技术的发展，将光纤技术和声测法相结合提出了声−光测法。

该方法采用光纤传感器，局部放电产生的声波压迫使得光纤性质改变，导致光纤输出信号改变，从而可以测得放电。

国外在电力变压器和GIS 设备中均有相关应用。

Black Burn 等人将光纤传感器伸入到变压器内部测量局放，当变压器内部发生局部放电时，超声波在油中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光折射率和光纤长度的变化，从而光波将被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，可实现放电定位11。

3.2.3 化学检测法
当电力设备绝缘中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。

化学检测方法一般检测气体、液体绝缘介质，已在GIS、变压器等设备上有相关应用。

在GIS 中，局部放电会使SF6气体分解，主要生成SOF2和SO2F212。

用气体传感器检测这两种气体的含量即可检测是否有局部放电产生在电力变压器中，油色谱分析（DGA）方法是一种简单、经济、有效的在线监测方法。

它通过色谱柱、气体传感器分离、检测出变压器油中各种可溶性气体的含量，并由此判断变压器绝缘状况。

在大型气冷发电机中，也有应用化学检测法对流通、冷却气体进行采样、检测，进而判断绝缘状态的例子。

但是，至今为止，化学检测法仍只能定
性检测是否有局部放电产生，基本不能反映放电的性质、强度和位置。

在众多非电量检测中，超声测法和化学检测法受到人们普遍关注。

超声测法能够有效地定位放电源，化学检测法在气体、液体绝缘介质中应用广泛。

但非电量检测法较之电量检测法，灵敏度不高且很难或者不能对放电性质、放电强度进行判断，故常和电检测法结合应用，作为电检测法的辅助检测手段。

4.局部放电检测技术的发展
近年来，随着变频技术的推广以及脉冲功率技术的应用，电力设备绝缘出现大批过早老化的情况。

局部放电作为评价电力设备绝缘状况的重要指标，被证实用在高压直流和高压连续脉冲下也能反映设备的绝缘状态。

但是，传统的局部放电检测技术在此条件下无法获得良好效果，如何在这些条件下进行局部放电检测并获得反映绝缘状况的有效数据成为今后局部放电检测技术研究的新方向。

4.1 高压直流下局部放电检测技术
随着脉冲功率技术的应用，对其核心器件——高电压高储能密度电容器（简称高压储能电容器）的可靠性也提出了更高的要求。

然而，在此系统的可靠性检测方面主要存在两个问题：一是当前的产品验收手段不能有效的检测出产品的某些内部缺陷；二是目前缺乏有效的方法评估服役期间电容器的绝缘老化状况。

对电容器进行局部放电检测无疑是判断产品质量的有效手段和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。

但是，如何将直流局部放电检测技术用于大容量（µF 级）高压储能电容器的绝缘评估，国内外的理论探讨和实验研究都落后于实际需要。

在国外，S. A. Boggs 教授和R. G. Bommakanti教授提出一种针对大容量电容器局部放电测试的最优化电检测方法。

当各种因素都得到很好控制时，该测试系统的灵敏度不受电容器的内部电感影响，可达到1000 C pC（C 的单位为F）。

目前国内关于直流局部放电的研究鲜有报道。

于钦学等人对换流变压器中的油纸绝缘试样进行了直流局部放电性能研究，得出了放电重复率随温度与外加电压的变化关系。

高压直流下局部放电检测技术的关键在于如何提高信噪比。

西安交通大学刘刚和屠德民提出了在干扰环境下测量局部放电信号的选频平衡法，其最小可测放电量与试样的电容量成正比，该方法能较好抑制噪声，而且不要求样品和用于平衡的元件容量相同。

西南交通大学的张血琴、吴广宁等人近年开展了高压直流下局部放电检测技术的研究，采用传统的脉冲电流法与数字滤波技术相结合的方法，对纸膜复合的高压储能电容器进行局部放电检测。

试验发现测量中的干扰源主要包括电源干扰、窄带干扰和白噪声，通过FFT 滤波和窄带滤波法以及小波分析技术能对抑制这些干扰取得比较满意的效果。

在工程实践中，尽管采用了很多提高测试系统信噪比的方法，其灵敏度仍然取决于外界干扰信号的大小。

比如对于容量为1µF 的电容器，根据理论计算，测试电路的灵敏度最佳可以达到1pC；但是试验表明，用电测法却很难达到
20pC。

建立高灵敏度、高信噪比的局部放电检测系统仍是高压直流条件下局部放电检测技术的关键问题。

4.2 脉冲条件下局部放电检测技术
20 世纪90 年代以来，随着变频电源在调速系统中的广泛使用，出现了大批变频调速电机绝缘过早破坏的情况，这种情况在高速牵引机车中的变频牵引电机（采用PWM 变频电源）中显得尤为突出。

国际上针对变频调速电机绝缘过早破坏开展了一定的研究工作，德国、美国、加拿大等的部分研究者已发表了一些试验结果。

德国K. Muller 等研究者认为传
统的局部放电测量系统不能准确的测量PWM 变频电机内部的局部放电，因为传统的局部放电测量系统是在正弦、工频条件下进行测量的；而在PWM 变频电机运行条件下局部放电应该发生在非正弦、高频条件下，这导致局部放电对绝缘的损坏更加严重，最终导致绝缘的老化、破坏。

同时，PWM 变频电源输出电压和局部放电信号有相似的频谱范围（相差只有1~2 个数量级，工频下相差6~7个数量级），这使得现有的局部放电监测系统在脉冲条件下完全不能应用。

因此，如何测量脉冲条件下绝缘介质中的局部放电，成为研究变频电机过早老化的关键问题之一。

国外在20 世纪90 年代起就进行了PWM 变频电源下的局部放电检测研究。

意大利的G. Coletti等人利用图 4 所示的测试电路，对PWM 变频电机中的绞线对试样进行绝缘膜局部放电测试；日本的Hitoshi Okubo、Naoki Hayakawa 等人也对绞线对试样进行局部放电测试，对比了工频和脉冲条件下起始放电电压的关系，并得出脉冲条件下起始放电电压和脉冲上升沿的关系。

方波下局部放电检测电路
国内对于高频电压下绝缘材料的局部放电特性研究很少，目前尚无系统的理论来指导工程实践。

针对大功率变频电机的研究和报道目前也还不多。

西南交通大学吴广宁教授和株洲电力机车厂合作，采用局部放电评价高压连续脉冲下聚酰亚胺绝缘薄膜绝缘状况，目前已测得PWM 下U 型线试样中的局部放电信号（如下图所示）。

PWM 电源下U 型线试样中局部放电波形，采用
10kHzPWM 方波电源，峰-峰值4kV 时测得。