局部放电检测技术
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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，Cg代表气隙的电容；Cb代表与Cg串联部分的介质的电容；Ca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Cg上的电压为ug，即 V
Ca Cb
Cg Va uCCCubgbg)]/([（1-1）
因为气隙很小，Cg比Cb大很多，故ug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
ug随u升高，当u上升到起始放电电压us，ug达到Cg的放电电压Ug时，Cg气隙放电，于是Cg上的电压很快从Ug降到Ur，放点熄灭，则
cbgbruCCCU)]/([ （1-2）
式中，uc为相应的外施电压；Ur为残余电压（0≤Ur≤Ug）。放点后在Cg上重建的电压将不同于ug，只是随着外施电压的上升类似于ug的上升趋势，从Ur上升，当升到Ug也即外施电压又上升了)(csuu时，Cg再次放电，放点再次熄灭，电压再次降到Ur。Cg上的电压变动在Ug至Ur间的时间，也即产生局部放电脉冲的时间，此时通过Cg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Cg放电引起电压变化为（Ug-Ur）时，回路放出的电荷qr应为
)]/()[(babagrgrCCCCCUUq
当Ca>>Cb,Cg>>Cb,Ur=0时，qr≈UgCg
Ca上的电压也即外施电压的变化△U应为
))](/([rgbabUUCCCU
有上两式可得： )/(babgagrbCCCCCCqCU 若相应的电荷变化量为q，则
axbgbgaCqCqCCCCCqU//)]}/([/{
由上两式得 rbgbqCCCq)]/([
rq是实际放电电荷，但无法测量。而式中的U和Cx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
gsrgrrgUquUUqUUW2/)(2/)(
若0rU，则 2/squW
式中，qus,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)(csuu，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)(csuu，Cg不可能放电。当ut过峰值并下降1，ug将随之下降至Ur，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)(1csuu时。此后ut没下降)(csuu，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()(2cscsuuNuuU
即 )/()]()(2[21maxcscuuuUN
每秒内放电次数为 fNn2
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−
