淺析電氣設備局部放電的檢測與技術研究

楊祿

【摘 要】傳統的超聲波法是用固定在變壓器油箱壁上的超聲波傳感器接收變壓器內部局部放電產生的超聲脈沖，由此來檢測局部放電的大小和位置。由于此方法受電氣干擾的影響比較小以及它在局部放電定位中的廣泛應用，人們對超聲波法的研究比較深入。超聲波法用于變壓器局部放電檢測最早始于上世紀40年代，但因為靈敏度低，易于受到外界干擾等原因一直沒有得到廣泛的應用。本文主要論述了局部放電的種類及特點、超聲波檢測常見的干擾信號及其特性、超聲波檢測系統結構、放大電路的設計及電源設計。

【關鍵詞】超聲波檢測；局部放電；電氣設備

近幾年以來，出現了一種把超聲波法與射頻電磁波法（包括射頻法和超高頻法）聯合起來進行局放定位的趨勢。在澳大利亞的西門子研究機構使用局部放電產生的超聲波和射頻電磁波聯合檢測技術監測變壓器中的局部放電活動。其關鍵依據是：超聲波和電磁波在變壓器介質中的傳播速度是不一致的，因而可以測量兩種波到達傳感器的時間間隔。國內方面，西安交通大學提出了一種基于超高頻和超聲波的相控接收陣的局放電定位法，利用分別檢測超高頻和超聲波信號的相控接收陣構成平面傳感器，接收到的超高頻信號為時間基準，進而得到超聲波的傳輸時延，這樣可計算出局放電點與超聲波傳感器間的距離，再根據相控陣掃描的方位角和仰角就得出放電的空間幾何位置。

1 局部放電的基本原理

交聯電纜的絕緣體內部在制造或施工過程中可能會殘留一些氣泡或滲入其他雜質，在這些有氣泡或雜質的區域，它的擊穿場強低于平均擊穿場強，因此在這些區域首先有可能發生放電現象。在電場作用下，絕緣系統中只有部分區域發生放電現象，而沒有貫穿在施加電壓的導體之間，即尚未擊穿的這種現象我們稱之為局部放電。這種放電以僅造成導體間的絕緣局部短（路橋）接而不形成導電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質都會有一些影響，輕微的局部放電對電力設備絕緣的影響較小，絕緣強度的下降較慢；而強烈的局部放電，則會使絕緣強度很快下降。這是使高壓電力設備絕緣損壞的一個重要因素。

2 局部放電的種類及特點

2.1 電暈放電

電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式，是極不均勻電場的特征之一。電力系統中所遇到的絕緣結構大多是不均勻的，不均勻電場的形式很多，絕大多數是不對稱電場。在電場極不均勻時，隨間隙上所加電壓的升高，在大曲率電極附近很小范圍內的電場足以使空氣發生游離，而間隙中大部分區域的電場仍然很小。于是在大曲率電極附近很薄一層空氣中將具備自持放電（即外界游離因素不存在，間隙中的放電僅靠電場作用繼續進行下去）的條件。放電僅局限在大曲率電極周圍很小的范圍內，而整個間隙尚未擊穿。

2.2 沿面放電

電氣設備中用來固定支撐帶電部分的固體介質，多數是在空氣中。當電壓超過一定限制時，常在固體介質和空氣的分界面上出現沿著固體介質表面的放電現象，稱為沿面放電（或稱沿面閃絡）。下面以具有代表性的絕緣子為例描述沿面放電發展的過程。

沿面放電是一種特殊的氣體放電現象，沿面閃絡電壓比氣體或者固體單獨作為絕緣介質時的擊穿電壓都低。影響沿面放電電壓的主要因素有：電場分布情況、電壓波形、介質表面狀態、空氣污穢程度、氣候條件等等。

3 局部放電的檢測方法

局部放電的檢測是通過局部放電所產生的各種現象為依據。通常在絕緣內部發生局部放電時會伴隨出現許多現象，如電脈沖、電磁波、超聲波、光和熱等。根據上述的特征，目前常用的檢測方法主要有：脈沖電流法、高頻電流法、超聲波法、化學檢測法、射頻檢測法、光測法等多種方法。

3.1 脈沖電流法

脈沖電流法是通過檢測阻抗、檢測變壓器套管接地線、外殼接地線、鐵心接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流來獲得實在放電量。是研究最早、應用最廣泛的一種檢測方法。該電流傳感器通常按頻帶可分為窄帶和寬帶兩種。窄帶傳感器一般在10KHZ左右，具有高靈敏度、抗干擾能力強等優點，但輸出波形嚴重畸形。寬帶傳感器帶寬為IOOKHZ左右，具有脈分辨率高的優點，但信噪比低。該方法的主要缺點一是由于檢測阻抗和放大器對測量的靈敏度、準確度、分辨率以及動態范圍等都有影響。因此，當試樣的電容量比較大時，受耦合阻抗的限制，靈敏度也受到了一定的限制；二是測試頻率低，一般小于1MHZ，因而包含的信息量少；三是在離線狀態其靈敏度較高，而現場中易受外界干擾噪聲的影響，抗干擾能力差；

3.2 高頻電流法

高頻電流法是較為常見的檢測方法，但檢測的話只能檢測兩個地方：電纜本體和電纜接地線。當電纜內部發生局部放電現象時，會有部分電流通過外屏蔽層接地線流入大地。因此可以在接地線上安置高頻電流傳感器，以此來感應接地線上的局部放電電流，判斷局部放電的發生。由于電纜本體相當于一根感應天線，因此這種檢測方法會受到大量的廣播干擾，需要做一定的數據處理才能夠分辨電纜中的局部放電脈沖。

3.3 超聲波法

電力電纜內部發生局部放電的時候，同時會伴隨有聲波發射現象。所以我們用超聲波傳感器來探測電纜中的局部放電現象。這種方法避免了與高壓電纜等的直接電氣連接，適用于電纜無需斷電的在線檢測。但變壓器內部絕緣結構復雜，各種聲介質對聲波的衰減及對聲速的影響都不一樣。目前使用的檢測超聲波傳感器抗電磁干擾能力較差，靈敏度也不高，這就增加了檢測難度。近年來，由于聲電換能元件效率的提高和電子放大技術的發展，超聲檢測的靈敏度有了較大的提高，因而該方法的發展應用是非常有希望的。

3.4 化學檢測法

當變壓器中發生局部放電時，各種絕緣材料會發生分解破壞，產生新的生成物，通過檢測生成物的組成和濃度，可以判斷局部放電的狀態。目前，該方法已廣泛應用于變壓器的在線故障診斷中。故障類型不同，故障程度也不同，氣體的組成和濃度也不相同，由此建立起來的模式識別系統可實現故障的自動識別。但直到目前，仍然沒有形成統一的判斷標準。因為它對發現早期潛伏性故障較靈敏，但不能反映突發性故障。

3.5 射頻檢測法

它從變壓器的中性點處測取信號。測量的信號頻率可以達30MHZ，大大提高了局部放電的測量頻率。同時測試系統安裝方便，檢測設備不改變電力系統的運行方式，對于三相局部放電信號的總合無法進行分辨，而且信號易受外界干擾。但隨著數字化濾波技術的發展，射頻檢測法在局部放電在線檢測中得到了廣泛的應用。

3.6 光測法

它是用局部放電產生的光輻射進行的。在變壓器油中，各種放電發出的光波長不同。研究表明，通常在500～700mm之間。光電轉換后通過檢測光電流特性，可以實現局部放電的識別。雖然，在實驗室中利用光測法來分析局部放電特征及絕緣劣化機理等方面取得了很大進展，但由于光測法設備復雜昂貴，靈敏度低，且需要被檢測物質對光來說是透明的，因而不可能在實際中得以廣泛應用。

對電氣設備進行局部放電試驗是電氣設備制造和運行中的一項重要預防性試驗。局部放電如果長期存在，會加速設備老化，在一定條件下甚至會造成絕緣破壞，嚴重影響設備正常運行。超聲波檢測法作為一種非電量測量法，有著獨特的優點。本文的主要內容是基于壓電傳感器的高壓電氣設備局部放電信號的超聲波檢測方法研究，主要涉及了高電壓技術、傳感器技術、電子測量技術以及硬件電路設計等方面的相關知識。本文主要分析了三種局部放電的原理；研究了壓電傳感器的工作原理和特點及使用方法；在此基礎上完成了高壓電氣設備局部放電信號的超聲波檢測系統硬件設計。

參考文獻：

[1]王國利，郝艷捧，劉味果，李彥明，電力變壓器超高頻局部放電測量系統，電壓技術，2001年.

（作者單位：遼河油田建設有限公司）