基于超高频电磁波检测的局部放电在线监测系统的研究

基于超高频电磁波检测的局部放电在线监测系统的研究
摘要：多年来，人们对高压电力设备所产生的局部放电检测，一直依赖于超声
波检测技术。

这种检测技术，极易受到外界声波的干扰，一直不能成为高压设备
检测和诊断的有效的、可信赖的手段。

关键词：超高频电磁波检测；局部放电；在线监测
1.前言
超高频局部放电检测及诊断技术的出现，在“专家诊断系统”的支持下，具有
极高的抗干扰能力、检测准确度、极强的数据分析能力和极好的局部放电源的定
位能力。

2.超高频法概述
超高频法（UHF：300MHz～3GHz）就是利用局部放电辐射出的UHF电磁波进行检测的一种方法。

该方法具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点，且这种非接触
的测量方式对于二次设备和人员更安全，系统结构简单，特别适合于在线监测，
因而较之其他方法具有明显的优势。

最早提出并进行研究的是英国Strathclyde大学，第一套GIS的UHF监测装置于1986年安装在苏格兰的Torness核电站。

近年来，UHF检测已成为广大研究者关注的热点，并广泛应用在GIS、电力变压器、
电缆和发电机等电力设备上。

至20世纪90年代中，英国所有新GIS装置都为UHF监测安装了内部耦合器。

目前英国、德国许多欧洲国家在现场均采用此法，
将其普遍应用于工厂试验、预试和在线监测。

我国局部放电UHF检测技术从20
世纪90年代迅速发展。

3.局部放电原因分析
3.1母线电晕，是指由母线上尖锐的突出物所产生的PD，这种突出物可能是
由于小的金属屑附着在母线上而产生的，突出物的尖端高度受力并在母线电压达
到峰值时产生电晕。

3.2壳体电晕，与母线电晕，不同的是突出物附着在壳体管壁上而不是母线上。

3.3浮动电极放电，指GIS上没有接地或者接到母线上的一部分被称为浮动元
件或浮动电极。

浮动电极的表现形式很像一个放电电容器，且幅值较高，甚至可
以达到满幅值（100%），其输出将使PDM系统的输入放大器达到饱和。

浮动电
极放电往往发生在主周期的第一和第三象限，并且有相对较高的放电率。

3.4自由粒子放电是指GIS中的微小金属物体，如金属碎屑。

粒子在高电场的
作用下移动，并且在壳体管壁上弹跳。

每次粒子接触到壳体，都会产生一个放电。

自由粒子的移动表现出随机性，所以放电也会发生在交流电周期的任何位置。

实
际上，幅值分布与相位角度是有一定关系的，且依赖于多个参数，包括粒子的大小、重量、密度、变电站的地理位置和气压。

3.5绝缘缺陷放电，是指GIS的绝缘子内有空穴或者是绝缘子表面有污垢。

在
图谱中显示的特性为较小的及中等幅值的信号分布于整个周期。

4.超高频局部放电监测系统的优点
4.1较高的灵敏度：超高频局部放电监测系统可以检测到-75dB的高频信号，
远高于其他任何设备的灵敏度。

4.2较高的抗干扰能力：超高频局部放电监测系统配备“高级专家系统”软件，
可以有效地屏蔽干扰信号，因此误报警的概率极低。

4.3较高的可靠性：“高级专家系统”可以准确地识别各种不同类型的局部放电
信号，并区别信号的类型，因此检测结果具有极高的可信性。

4.4实施中央监测和管理十分方便：只要在电脑上安装PDM系统的远端接入
软件，便可方便地访问任何一个连接到因特网上的检测站，以便于实行数据的集
中采集、分析处理以及高压设备的集中状态监测。

4.5对GIS和电力变压器进行综合监测十分方便：超高频局放监测系统可以方
便的用于GIS局部放电在线监测或是变压器的局部放电在线监测，也可利用一套
系统对两种设备同时进行监测。

4.6进行故障定位十分准确：一旦在线监测系统发现局部放电信号，用户可以根据需要，对局部放电源进行精确定位，这对GIS的检修具有重大意义。

5.开关柜局部放电带电检测
开关柜产生局部放电会发生声、光、电、热等物理和化学现象，这些特征都
可作为局部放电检测信号的传感对象。

目前，国内外传统的检测方法有：脉冲电
流法。

它通过检测阻抗接入到测量回路中来检测。

检测开关柜接地线由于局放引
起的脉冲电流，获得视在放电量。

脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检
测方法，但其自身存在很多问题。

如抗干扰能力差、测量频率低、频带窄、包含
的信息量少等。

光测法，它利用局部放电产生的光辐射进行检测。

但是由于光测
法设备复杂昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光是透明的，因而在实际中无
法应用。

鉴于以上方法的种种缺陷，在生产实践中并不能得到广泛应用。

本文提
出一种基于电磁波检测的TransientEarthVoltage暂态对地电压，简称TEV检测法。

5.1TEV检测法
当高压电气设备发生局部放电时，放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金
属部分，形成电磁波并向各个方向传播，对于内部放电，放电电量聚集在接地屏
蔽的内表面，因此如果屏蔽层是连续时无法在外部检测到放电信号。

但实际上，
屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位出现破损而导致不连续，这样，高频电磁信号就会传输到设备外层。

放电产生的电磁波会通过金属箱
体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播出去，同时产生一个暂态电压，通过设备
的金属箱体外表面而传到地下去。

这些电压脉冲是DrJohnReeves首先发现，并把
它命名为TransientEarthVoltage暂态对地电压，简称TEV。

TEV检测法的特点如下：
（1）局部放电的电磁信号传播过程衰减较小，能够实现良好的检测灵敏度；
（2）根据电磁脉冲信号的衰减和时差，可进行局部放电定位；
（3）TEV传感器检测的有效频率高、频带范围宽；
（4）对脉冲的变化速度比较敏感，比较适合介质内部放电，对放电频谱较低
的套管、终端、绝缘子表面放电不敏感；
（5）能够精确定位，但分辨率不高，主要是设备精度限制；
（6）易受外界电磁干扰的影响。

TEV检测法所面临的主要问题就是干扰问题。

由于开关柜的运行环境千差万别，因此，在现场测试会面临多种电磁干扰。

现场的主要干扰源有：无线电发射
设备；工业、科学、医疗（1SM）设备；电力设备；汽车、内燃机点火系统；电
网干扰；高速数字电子设备。

5.2定位方法
高压电气设备的对地绝缘部分发生局部放电活动时，导电系统对接地金属壳
之间就有少量电容性放电电量。

放电电量很小，通常只有几兆分之一库仑。

放电
持续时间一般只有几个纳秒。

因为电量等于电流乘以时间，一次放电1000pC，持
续10纳秒，就产生100mA的电流。

对于持续时间那么短的放电脉冲，被测设备就不能看作是个整体，而应看作是传输线。

它的电气特性就由其分布电容和电感决定。

当发生局部放电时，电磁波从放电点向外传播。

电流大小与这些电磁波产生的电压有关。

电压等于电流与路径阻抗的乘积。

在不考虑损耗的传输线上。

研究发现，局部放电产生的TEV信号的大小与局部放电的激烈程度及放电点的远近有直接关系，可以利用专门的探测器进行检测。

为简单明了，用相对读数（dB）来描述局部放电活动程度。

通过检测局部放电产生的TEV信号，不仅可以对运行中的开关柜内的设备局部放电状况进行定量测试，而且可以通过同一放电源到不同探测器的时间差异对局部放电源进行定位。

6.结束语
综上所述，局放在线监测系统在推广应用中，起到了一定的作用，随着其技术水平的不断完善和专家分析系统的建立，该监测系统也将发挥更大的作用。

参考文献
[1]黄兴泉,康书英,李泓志.GIS局部放电超高频检测法有关问题的仿真研究[J].电网技术,2015.
[3]姚勇,岳彦峰,黄兴泉.GIS超高频超声波局放检测方法的现场应用[J].高电压技术,2016.。