第章 高频局部放电检测技术

《电网设备状态检修技术（带电检测分册）》第五章高频局部放电检测技术目录第1节高频局部放电检测技术概述发展历程高频局部放电检测方法是用于电力设备局部放电缺陷检测与定位的常用测量方法之一，其检测频率范围通常在3MHz到30MHz之间。

高频局部放电检测技术可广泛应用于电力电缆及其附件、变压器、电抗器、旋转电机等电力设备的局放检测，其高频脉冲电流信号可以由电感式耦合传感器或电容式耦合传感器进行耦合，也可以由特殊设计的探针对信号进行耦合。

高频局部放电检测方法，根据传感器类型主要分为电容型传感器和电感型传感器。

电感型传感器中高频电流传感器（High Frequency Current Transformer ，HFCT）具有便携性强、安装方便、现场抗干扰能力较好等优点，因此应用最为广泛，其工作方式是对流经电力设备的接地线、中性点接线以及电缆本体中放电脉冲电流信号进行检测，高频电流传感器多采用罗格夫斯基线圈结构。

罗格夫斯基线圈（Rogowski coils，简称罗氏线圈）用于电流检测领域已有几十年历史。

早在1887年英国布里斯托大学的茶托克教授即进行了研究，把一个长而且形状可变的线圈作为磁位差计，并且通过测量磁路中的磁阻，试图研究更加理想的直流发电机。

罗格夫斯基线圈检测技术在20世纪90年代被英国的公立电力公司（CEGB）用在名为“El-Cid”的新技术里，用于测试发电机和电动机的定子[1]。

罗氏线圈自公布起就受到了很多学者的重视，对于罗格夫斯基线圈的应用也越来越广泛，1963年英国伦敦的库伯在理论上对罗格夫斯基线圈的高频响应进行了分析，奠定了罗格夫斯基线圈在大功率脉冲技术中应用的理论基础[2]。

20世纪中后期以来，国外一些专家学者和公司纷纷对罗氏线圈在电力上的应用进行了大量的研究，并取得了显着的成果。

如法国ALSTHOM公司有一些基于罗氏线圈电流互感器产品问世，其主要研究无源电子式互感器，在20世纪80年代英国Rocoil公司实现了罗格夫斯基线圈系列化和产业化。

总而言之，在世界范围内对于罗格夫斯基线圈传感器的研究，于20世纪60年代兴起，在80年代取得突破性进展，并有多种样机挂网试运行，90年代开始进入实用化阶段。

尤其进入21世纪以来，微处理机和数字处理器技术的成熟，为研制新型的高频电流传感器奠定了基础。

20世纪90年代欧洲学者将罗氏线圈应用于局部放电检测，效果良好，并得到了广泛应用。

例如意大利的博洛尼亚大学的. Montanari和A.Cavallini等人及TECHIMP公司成功研制了高频局部放电检测仪，并被广泛应用。

近几年国内的一些科研院所和企业均开始研制基于罗氏线圈传感器以及高频局放检测装置，虽然起步比较晚，有些技术还处于跟踪国外大公司的水平，但随着发展罗氏线圈电子式传感器的时机逐渐成熟，国内如清华大学、西安交通大学、上海交通大学、华北电力大学等对于罗氏线圈传感器进行了深入的研究和探索，并取得了大量成果 [4]。

技术特点技术优势及局限性高频局放检测技术的技术优势及局限性主要表现在以下几个方面：（1）可进行局部放电强度的量化描述。

由于高频局放检测技术应用高频电流传感器，与传统的脉冲电流法具有类同的检测原理，若传感器及信号处理电路相对确定的情况下，可以对被测局部放电的强度进行理化描述，以便于准确评估被检测电力设备局部放电的绝缘劣化程度。

（2）具有便于携带、方便应用、性价比高等优点。

高频电流传感器作为一种常用的传感器，可以设计成开口CT的安装方式，在非嵌入方式下能够实现局放脉冲电流的非接触式检测，因此具有便于携带、方便应用的特点。

（3）检测灵敏度较高。

高频电流传感器一般由环形铁氧体磁芯构成，铁氧体配合经磁化处理的陶瓷材料，对于高频信号具有很高灵敏度。

局部放电发生后，放电脉冲电流将沿着接地线的轴向方向传播，即会在垂直于电流传播方向的平面上产生磁场，电感型传感器是从该磁场中耦合放电信号。

除此之外利用HFCT进行测量，还具有可校正的优点。

局限性（1）高频电流传感器的安装方式也限制了该检测技术的应用范围。

由于高频电流传感器为开口CT的形式，这就需要被检测的电力设备的接地线或末屏引下线具有引出线，而且其形状和尺寸能够卡入高频电流传感器。

而对于变压器套管、电流互感器、电压互感器等容性设备来说，若其末屏没有引下线，则无法应用高频局放检测技术进行检测。

（2）抗电磁干扰能力相对较弱。

由于高频电流传感器的检测原理为电磁感应，周围及被测串联回路的电磁信号均会对检测造成干扰，影响检测信号的识别及检测结果的准确性。

这就需要从频域、时域、相位分布模式等方面对干扰信号进行排除。

适用范围高频法仅适用于具备接地引下线电力设备的局部放电检测，主要包括电力电缆、变压器铁心及夹件、避雷器、带末屏引下线的容性设备等。

应用情况随着高频局部放电检测技术的不断成熟，国网公司在高频局部放电检测应用实践上积累了大量的宝贵经验，发现了大量潜在缺陷，目前该方法已广泛应用于电力电缆及其附件、变压器、电抗器、旋转电机等电力设备局部放电检测。

随着状态检修工作的不断深入，高频局部放电检测技术已列入状态检修试验规程，成为提前发现电力设备潜在缺陷的重要手段。

国家电网公司在推广应用高频局部放电检测技术方面做了大量卓有成效的工作。

2010年，在充分总结部分省市电力公司试点应用经验的基础上，结合状态检修工作的深入开展，国家电网公司颁布了《电力设备带电检测技术规范（试行）》和《电力设备带电检测仪器配置原则（试行）》，在国家电网公司范围内统一了高频局部放电检测的判据、周期和仪器配置标准，初步建立起完整的高频局部放电检测技术标准体系，高频局部放电检测技术在国家电网公司范围全面推开。

第2节高频局部放电检测技术基本原理罗氏线圈基本知识罗格夫斯基线圈（Rogowski coils），简称罗氏线圈，又被称为磁位计，最早被用于磁路的测量。

一般情况下罗氏线圈为圆形或矩形，线圈骨架可以选择空心或磁性骨架，导线均匀绕制在骨架上。

罗氏线圈的结构示意图如所示。

图 5-1 罗氏线圈结构示意图罗氏线圈的原边为流过被测电流的导体，副边为多匝线圈。

当有交变的电流流过穿过线圈中心的导体时，会产生交变的磁场。

副边线圈与被测电流产生的磁通相交链，整个罗氏线圈副边产生的磁链正比于导体中流过的电流大小。

变化的磁链产生电动势，且电动势的大小与磁链的变化率成正比。

令流过导体的电流为()I t ，线圈副边感应出的电动势为()e t ，基于安培环路定律和法拉第电磁感应定律，可由Maxwell 方程[8]解得： ()()I t e t Mt ∂=∂ （5-1）其中M 为罗氏线圈的互感系数。

根据罗氏线圈负载的不同，线圈可分为外积分式和自积分式[9]。

外积分式罗氏线圈又称作窄带型电流传感器，具有较好的抗干扰能力。

当采用外积分式罗氏线圈时，为得到电流()I t 的波形，线圈的输出通常需要经过无源RC 外积分电路、由运放构成的有源外积分电路，以及数自积分电路等负载。

外积分式罗氏线圈受积分电路频率性能影响较大，测量频率上限受到限制，一般用于测量兆赫兹以下的中低频率电流。

自积分式罗氏线圈又称作宽带型电流传感器，具有相对较宽的检测频带。

由于其直接采用积分电阻，因此频率响应较快，适用于测量上升时间较短的脉冲电流信号。

罗氏线圈根据其结构不同可分为挠性罗氏线圈、刚性罗氏线圈和PCB 型罗氏线圈[10-11]。

挠性罗氏线圈以能够完全的挠性材料作为线圈骨架，将导线均匀绕在骨架上。

测量时将骨架弯曲成一个闭合的环，使通电导体冲线圈中心穿过。

这种线圈使用方便，但测量精确度低、稳定性不高。

刚性罗氏线圈采用刚性结构线圈骨架，在结构上更容易使得绕线能够均匀分布，大大提高了抗外磁场干扰的能力，从而提高了测量的精确度。

这种线圈的测量精确度和可靠性较高，但在实际使用中会受到现场安装条件的限制。

PCB 型罗氏线圈是一种基于印刷电路板（PCB ）骨架的罗氏线圈，相比传统的罗氏线圈，其线圈密度、骨架截面积以及线圈截面与中心线的垂直程度都有极大提高，是一种高精度的罗氏线圈。

这种线圈现在还处于起步阶段，其实际应用还有一定的距离。

高频局部放电检测基本原理用于局部放电检测的罗氏线圈称为高频电流传感器，其有效的频率检测范围一般为3MHz ～30MHz 。

由于所测量的局部放电信号是微小的高频电流信号，传感器需要在较宽的频带内有较高的灵敏度。

因此HFCT 选用高磁导率的磁芯作为线圈骨架，并通常采用自积分式线圈结构[13]。

使用HFCT 进行局部放电检测的等效电路图如2所示。

其中()I t 为被测导体中流过的局部放电脉冲电流，M 为被测导体与HFCT 线圈之间的互感，L s 为线圈的自感，R s 为线圈的等效电阻，C s 为线圈的等效杂散电容，R 为负载积分电阻，u o (t )为HFCT 传感器的输出电压信号。

图 5-2 高频电流传感器局部放电检测等效电路图在传感器参数满足自积分条件的情况下，忽略杂散电容C s ，计算可得系统的传递函数为[15]：o ()()()S U S M R H S R I S L N =≈= （5-2）其中N 为线圈的绕线匝数。

因此，在满足自积分条件的一段有效频带内，HFCT 的传递函数是与频率无关的常数。

并且，HFCT 的灵敏度与绕线匝数N 成反比，与积分电阻R 成正比。

事实上，在高频段C s 的影响是不能忽略的。

在考虑C s 影响的情况下，系统的传递函数H (S )为： o 2()()()()1S S S S S S U S MS H S L R I S L C S R C S R R ==++++ （5-3）HFCT 等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，采用高频小信号并联谐振回路理论分析可得电流传感器的频带为：下限截止频率：S S 1S S S S 2()2R R R R f L RR C L ππ++=≈+ （5-4）上限截止频率：S S S 2S S S 122L RR C f L RC RC ππ+=≈ （5-5）在实际使用中，一般希望HFCT 有尽可能高的灵敏度，并且在较宽的频带范围内有平滑的幅频响应曲线。

同时要求HFCT 有较强的抗工频的磁饱和能力，这是因为实际检测时不可避免有工频电流流过，而此时不应因磁芯饱和而影响检测结果。

高频局部放电检测装置组成及原理常用的高频局部放电检测装置包括：传感器、信号处理单元、信号采集单元和数据处理终端。

高频局部放电检测装置结构如3所示，装置实物图如图 5-4所示。

图 5-3 高频局部放电检测装置结构图图 5-4 高频局部放电检测装置实物图（一）传感器高频局部放电检测HFCT传感器按安装位置不同主要分为接地线HFCT和电缆本体HFCT。

安装在电力设备接地线或电缆交叉互联系统上的HFCT传感器，内径一般为几十毫米；安装在单芯电力电缆本体上的HFCT传感器，内径一般在100毫米以上，传感器灵敏度相对接地线HFCT较低。