超聲波和暫態地電位局放檢測儀性能測試試驗研究

葉會生，李 欣，彭 平，謝耀恒，李 婷

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

超聲波和暫態地電位局放檢測儀性能測試試驗研究

葉會生，李 欣，彭 平，謝耀恒，李 婷

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

根據超聲波(AE)局部放電檢測儀和暫態地電位(TEV)局部放電檢測儀技術條件，結合現場需求，提出了用檢測儀的線性度誤差和穩定性誤差表征局放檢測儀性能的關鍵指標，并建立了專用性能測試平臺，同時研究了2個廠家局放檢測儀的測試性能。

超聲波；暫態地電位；局部放電；性能檢測；絕緣故障

隨著中國經濟的快速發展和城市化進程的不斷加快，工業、農業以及商業等用電負荷不斷增加，大型火力、水力、風力以及其它新能源發電廠和變電站的數量也越來越多，尤其“十一五”和“十二五”期間，電力系統電站和電氣設備數量均成指數曲線增長，導致設備的巡視、試驗和檢修等工作量也成倍增長。但隨著人口老齡化狀況的不斷加劇，電力設備的增長速度和電力員工增長速度矛盾日益突出，加之現代企業對精細化和精益化管理要求越來越高，導致工作量嚴重超過基層班組的生產承載力。帶電檢測作為一種可以在不停電狀態下獲得設備健康狀態的有效手段，它僅可以及時獲取設備狀態信息，而且能夠最大限度的減少工作時間、節省人力成本。因此，“十二五”期間帶電檢測得到了大力推廣，并取得了顯著成效。

電力設備在絕緣故障初期，常常伴隨著潛伏性的局部放電現象，同時伴隨著電脈沖、超聲波、電磁輻射、光和化學反應，超聲波(簡稱AE)和暫態地電位(簡稱TEV)可有效檢測到設備內部的局放源向外輻射的超聲波和電磁脈沖信號〔1，2〕，為及時發現電氣設備潛伏性放電缺陷提供了一種重要手段。目前，超聲波和暫態地電位局放檢測在開關柜、GIS、電纜和變壓器等設備故障診斷中得到了廣泛應用，并成功發現了大量的典型案例，使得超聲波和暫態地電位局放檢測的應用越來越廣泛〔3-4〕。

但目前有關超聲波和暫態地電位局部放電檢測儀器性能測試還未有統一標準，導致產品質量參差不齊，現場應用效果不盡如意，嚴重影響了現場應用效果。為此，本文根據超聲波和暫態地電位局放檢測儀技術條件，結合現場應用情況，提出了用線性度和穩定性表征超聲波和暫態地電位局放檢測儀性能的方法，并建立了專用試驗測試平臺，可以對檢測儀的接收性能進行測試，同時不同儀器進行了性能測試。

1 超聲波和TEV局放儀主要性能指標

1.1 超聲波和TEV局放測試方法

當電氣設備發生局部放電時，不僅會以電的形式向外發射電磁波，而且還會以非電量的方式向外發射光、熱和超聲波等非電量信息。以高壓開關柜為例說明，當高壓開關柜內發生局部放電時，同時伴隨著產生電磁波和超聲波，如圖1所示。

圖1 超聲波和TEV局放檢測示意圖

產生的電磁波會在金屬壁形成趨膚效應并且沿著金屬表面進行傳播，同時在金屬表面產生暫態地電壓，故可利用專門的傳感器對暫態地電壓信號進行檢測，以判斷開關柜內部的局部放電缺陷，同時可以利用同一放電源產生的暫態地電壓信號到達不同位置傳感器的時間差或幅值差對局部放電源進行定位。

超聲波信號由局部放電源沿著絕緣介質和金屬件傳導到電力設備外殼，并通過介質和縫隙向周圍空氣傳播。通過在電力設備外殼或設備附近安裝的超聲波傳感器，可以耦合到局部放電產生的超聲波信號，進而判斷電力設備的局部放電情況。其中接觸式超聲波主要用于變壓器、GIS等電力設備的檢測，非接觸式超聲波主要用于開關柜、電力電纜等電力設備的檢測，本文主要討論接觸式超聲波和暫態地電位局放檢測儀的性能測試方法。

1.2 主要性能指標

根據超聲波和暫態地電位局部放電檢測儀技術條件，超聲波局部放電檢測儀的主要性能指標包括檢測頻帶、線性度誤差、穩定性和靈敏度，暫態地電位局部放電檢測儀的主要性能指標包括檢測頻帶、量程、線性度誤差、穩定性和脈沖計數，表1為超聲波和暫態地電位局部放電檢測儀主要性能指標要求值。

表1 超聲波和TEV檢測儀主要性能指標

根據現場應用需求，超聲波和暫態地電位局部放電檢測儀的準確度和重復性直接決定測試結果是否可用于定性判斷設備的健康狀況，而衡量局部放電檢測儀的該性能指標的主要參數為線性度和穩定性，故對檢測儀的線性度和穩定性進行測試即可判斷儀器性能是否可用于現場檢測。其計算方法為:

①線性度誤差

式中 A0為檢測儀測試背景值；當輸入某一幅值信號U時，檢測儀測試值為A；當輸入某一幅值信號λU時，檢測儀測試值為Aλ。

②穩定性誤差

式中 當輸入某一幅值信號U時，AT0為檢測儀初始測試值，AT1為檢測儀1 h后的測試值。

特別需要說明的是，公式(1)和(2)中檢測儀的測試值均采用國際標準單位(即絕對值)，若檢測儀測試結果顯示的為相對值(如dB，dBV，dBmVh和dBμV值)，則應將相對值轉化為絕對值進行誤差計算，否則計算結果則無比較意義。

2 檢測儀性能測試方法及平臺

2.1 測試方法

2.1.1 接觸式超聲波局放檢測儀

接觸式超聲波局放檢測儀的測試原理如圖2所示。其測試方法為:

①線性度測試

設置信號發生器輸出頻率為f的正弦波信號(SF6氣體絕緣設備:取20～80 kHz范圍內某一頻率值，充油絕緣設備:取80～200 kHz范圍內某一頻率值)，調節信號發生器輸出使被檢測儀達到其滿量程值Amax，記錄示波器顯示的參考傳感器輸出峰值電壓Umax。

調節信號發生器輸出，使示波器顯示的參考傳感器輸出峰值電壓為λUmax(λ＝0.8，0.6，0.4，0.2)，依次記錄檢測儀的輸出值Aλ，按(1)式計算各測量點的線性度誤差。

②穩定性測試

設置信號發生器輸出波形為正弦波，頻率為f (SF6氣體絕緣設備:取20～80 kHz范圍內某一頻率值，充油絕緣設備:取80～200 kHz范圍內某一頻率值)，峰峰幅值為1 V，將檢測儀開機連續工作1 h，分別記錄檢測儀開機和連續工作1 h后的輸出值AT0和AT1，按式(2)計算誤差。

圖2 接觸式超聲波局放檢測儀測試原理框圖

2.1.2 暫態地電壓局放檢測儀

TEV局放檢測儀的測試原理如圖3所示。其測試方法為:

圖3 TEV局放檢測儀測試平臺原理框圖

①線性度測試

設置信號發生器輸出頻率為f(取3～50 MHz范圍內某一值)的正弦波信號。調節信號發生器輸出幅值使檢測儀顯示幅值大于等于30 dB，記錄信號發生器輸出電壓U和檢測儀響應值A；調節信號發生器輸出幅值為λU(λ＝0.8，0.6，0.4，0.2)，記錄檢測儀的響應值Aλ，按(1)式計算各測量點的線性度誤差。

②穩定性測試

設置信號發生器輸出波形為正弦波，峰峰幅值為1 V，頻率為3～50 MHz范圍內某一適當值，將檢測儀開機連續工作1 h，分別記錄檢測儀開機和連續工作1 h后的輸出值AT0和AT1，按式(2)計算誤差。

2.2 測試平臺

按照接觸式超聲波局放檢測儀和TEV局放檢測儀的性能測試方法，本文研制了相應的測試平臺，能夠對其主要指標參數進行測試。測試平臺如圖4所示，其中接觸式超聲波局放檢測儀測試平臺包含信號源、發射傳感(或換能器)、圓柱鋼制試塊、參考傳感器、示波器和同軸電纜，TEV局放檢測儀的測試平臺包括信號源、檢測主機和同軸電纜，TEV測試系統包含外置信號源與內置信號源，方便于實驗室檢測與現場檢測。測試平臺各儀器性能指標如下:①超聲波:信號源幅值0～10 V，示波器帶寬2.5 G，采樣率20 Gs/s，換能器頻率范圍0～100 kHz，參考傳感器頻率范圍20～80 kH，鋼制試塊高10 cm，Φ20 cm；②暫態地電位頻率0～120 MHz。

圖4 局放檢測儀測試平臺

3 局放檢測儀性能測試試驗

3.1 測試應用及被測設備

采用外置信號源進行局放檢測儀的性能測試試驗，應用測試系統對兩種不同廠家的接觸式超聲波局放檢測儀和TEV局放檢測儀的性能進行測試，兩家儀器都為一體機，分別表示為廠家A和廠家B。

3.2 測試結果

根據接觸式超聲波局放檢測儀和TEV局放檢測儀測試方法，按照圖4進行性能測試試驗，測得檢測儀的輸入和輸出關系曲線如圖5所示。

圖5 檢測儀輸入和輸出關系曲線

從圖5(a)可以看出，廠家A和廠家B的超聲波局放檢測都具有較高的線性相關性，經線性擬合后廠家A的相關性為0.999 6，大于廠家B的0.999 2，在相同輸入信號情況下廠家B的儀器輸出結果較廠家A的大；從圖5(b)可以看出，廠家A和廠家B的TEV局放檢測儀也均具有較高的線性相關性，經線性擬合廠家A的相關性為0.998 9，大于廠家B的0.997 3，在相同輸入信號情況下廠家A的儀器輸出結果較廠家B的大。

表2為廠家A和廠家B檢測儀的測試誤差。從表中可以看出，廠家A超聲波和TEV檢測儀的線性度最大誤差分別為1.74%和-2.93%，廠家B超聲波和TEV檢測儀的線性度最大誤差分別為10.71%和-14.94%。二者的線性度測試誤差均不大于±20%，穩定性誤差均不超過0.5%，滿足局放檢測儀技術條件要求，但整體上廠家A的局放檢測儀測試精度高于廠家B的。

表2 超聲波和TEV檢測儀測試誤差%

4 結論

1)本文提出的超聲波和TEV檢測儀性能測試方法及檢測平臺可滿足實際需求。

2)廠家A和廠家B的超聲波和TEV局放檢測儀均滿足技術條件要求，整體上廠家A的性能指標優于廠家B的。

3)該方法可為今后超聲波和暫態地電位局放檢測儀的性能測試提供依據，規范GIS特高頻局部放電檢測儀器性能測試。

〔1〕魏振，張強，齊波，等.高壓開關柜典型缺陷局部放電TEV特征的研究〔J〕.高壓電器，2014，50(2):60-67.

〔2〕郝英帥，徐力揚，殷怡杰，等.基于Logistic模式樹的開關柜局部放電識別方法〔J〕.高壓電器，2014，50(2):80-85.

〔3〕王錚，劉二麗，張認成，等.基于人工神經網絡的開關柜局部放電超聲波檢測方法〔J〕.華東電力，2011，39(3): 498-501.

〔4〕韓濤.基于TEV的開關柜局部放電檢測及模式識別方法研究〔D〕.天津大學，2011.

Experimental study on instrument performance of AE and TEV detectors

YE Huisheng，LI Xin，PENG Ping，XIE Yaoheng，LI Ting
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

According to the technical conditions of acoustic emission(AE)partial discharge(PD)detectors and transient earth voltage(TEV)partial discharge(PD)detector，and combined with the spot demand，a method that the key indicators of partial discharge detectors are represented by linearity error and stability error are proposed in the paper.The special performance test platform is established，and the test performance of partial discharge detectors from two different manufactories is studied.

acoustic emission(AE)；transient earth voltage(TEV)；partial discharge(PD)；performance test；insulation fault

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0032-04

葉會生(1982)，男，高級工程師，主要從事電力設備帶電檢測技術管理與研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.007

2015-12-29 改回日期:2016-02-24