基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究(1)

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特高频和超声波在开关柜局部放电带电检测中的应用

特高频和超声波在开关柜局部放电带电检测中的应用摘要：介绍了开关柜局部放电检测方法中的超声波法和特高频法。

着重说明特高频法在开关柜带电检测中的定位技术。

在实际运行高压开关柜中研究了特高频法局部放电定位技术的有效性和可行性。

结果表明：采用特高频检测幅值比较和时间差法的局部放电定位技术对开关柜局部放电缺陷的检测和定位是有效可行的。

高压开关柜局部放电超声波法和特高频法检测定位技术可为现场检修提供理论基础。

关键词：开关柜；局部放电；超声波；特高频；定位技术引言在对电力需求越来越大的今天，对供电的可靠性提出了越来越高的要求，高压开关柜作为向用户供电的最直接的设备，其运行的稳定性至关重要。

各类绝缘缺陷在发展到最终击穿并造成事故之前，往往要先经过局部放电阶段，局部放电的强弱能够及时有效的反映高压开关柜的绝缘状态，因而对高压开关柜运行状态的检测十分必要。

局部放电的检测和定位是根据局部放电过程中产生的电磁波、声、光、热等现象来确定的。

不同位置、不同放电类型所产生的局放现象不同，所以一般开关柜局放带电检测使用声电联合法。

1.局部放电检测技术1.1 超声波法局部放电检测技术超声检测原理：局部放电前，放电点周围的电场应力、介质应力、粒子力处于相对平衡状态。

局部放电是一种快速的电荷释放或迁移过程，导致放电点周围的电场应力、机械应力与粒子力失去平衡状态而产生振荡变化过程；机械应力与粒子力的快速振荡，导致放电点周围介质的振动现象，从而产生声波信号。

超声波主要检测的是表面放电，主要为相间放电。

主要检测到的故障集中于电缆头、电缆故障指示器、母线穿墙套管、母排处等。

另外超声波方法可检测柜内螺丝松动等机械故障。

1.2 UHF法局部放电检测定位技术局部放电发生时，由于电荷的迅速转移，形成持续时间在ns 级的放电脉冲，并产生频率分量极其丰富的电磁信号（上限可达到数GHz）[1]。

由于现场干扰大，而这些干扰大多频率<300 MHz，为了避开现场干扰，提高局部放电检测的信噪比，所以特高频法选择在0.3～3 G Hz频段对局部放电的电磁辐射信号进行检测。

基于超高频法的电力变压器局部放电检测技术的研究与应用

第４４卷第２期２００７年２月囊匿器乃ｅ—ｌ＾攫嗣奠纪勃匠牙Ｖ０１．４４Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ２００７基于超高频法的电力变压器局部放电检测技术的研究－５应用欧阳旭东１，陈杰华１，林春耀１，何宏明１，李彦明２，袁鹏２（１．广东电网公司电力科学研究院，广东广州５１０６００；２．西安交通大学，陕西西安７１００４９）摘要：概述了基于超高频的变压器局放检测方法的原理，分析了其抗干扰一ｌｅ＿能，并与脉冲电流法进行了对比。

关键词：变压器；局放；超高频检测中图分类号：ＴＭ４０６文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—８４２５（２００７）０２—００３８—０５ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＤＴｅｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＢａｓｅｄｏｎＵＨＦＭｅｔｈｏｄＯＵＹＡＮＧＸｕ－ｄｏｎ９１，ＣＨＥＮＪｉｅ－ｈｕａｌ，ＬＩＮＣｈｕｎ－ｙａ０１，ＨＥＨｏｎｇ－ｍｉｎ９１，ＬＩＹａｎ－ｍｉｎｇ＝，ＹＵＡＮＰｅｎ９２（１．ＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ７ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｐａｒｔｉａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｂａｓｅｄｏｎｕｌｔｒａｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔｓａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔｉｓｃｏｍｐａｒｉｅｄｗｉｔｈｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ＰＤ；ＵＨＦｔｅｓｔ１引言局部放电是（以下简称局放）造成电力变压器绝缘劣化的重要原因之一【㈨，局放的检测和评价一直是变压器绝缘状况监钡０的重要手段。

特高频和超声波局部放电综合检测技术的应用

特高频和超声波局部放电综合检测技术的应用摘要：随着国家特高输电战略的逐步实施和建设智能电网计划的不断完善，GIS设备在整个电网中的应用越来越多。

应用超声波法和超高频法综合检测技术，对GIS、开关柜及部分异常设备进行检测，发现GIS 及开关柜等多起设备隐患．并采取相应措施进行了处理．确保了电网的安全运行。

超声波法和超高频法均是现场局部放电的主要检测方法。

超声波法对自由颗粒缺陷具有较高的灵敏度；超高频法对设备内部的金属尖端放电、接触不良放电、GIS 盆式绝缘子上的自由金属颗粒和内部缺陷反映较灵敏，使用时可根据实际情况进行选择。

关键词：特高频；超声波；综合应用GIS由于内空极为有限，导致工作场强很高，内部绝缘裕度相对较小，在严格控制的环境条件下，SF6 气体的击穿强度可望达到相当高的水平，但实际上由于组装环境等因素影响，通常只能达到期望值的一半左右，甚至更低。

一旦GIS 设备内部出现绝缘缺陷，极易发生设备故障，而且引起的停电时间长，检修费用高.事故分析表明，悬浮微粒或污染物进入GIS 盆式绝缘子内侧根部区域．改变了气室内部的空间电场分布，导致局部电场发生畸变，最终由悬浮微粒或污染物引起盆式绝缘子中心导体沿面对外壳放电。

特高频／超声波局放测量技术能有效检测GIS 设备缺陷导致的局部放电，能及时发现和避免GIS 事故的发生，保障GIS 设备的安全稳定运行。

1GIS 局部放电检测原理超声波法、特高频法是目前国内外GIS 局放检测的主要手段，它们都是通过对接收信号进行数据分析，重点关注特征量大小，与典型图谱进行对比，以检测GIS 中各种类型的缺陷，如毛刺放电、自由颗粒、悬浮屏蔽、绝缘子上的颗粒等。

1、特高频局部放电检测原理。

当局部放电在小范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生持续时间为ns级的脉冲电流，同时向周围辐射出0.3-3GHZ的电磁波，其在GIS 中是以TEM波和TM波形式传播的，GIS 的同轴结构相当于导引电磁波的波导管，1个GIS 系统如同一系列的谐振腔，谐振腔中信号衰减较小，通常1个ns级的局部放电信号可以持续10ms以上。

电气设备局部放电的超声波检测方法分析

述沿面放电发展的过程。真实的局部放电信号信息。５．１前置放大电路目前超声波检测局部放电的研究工作主要沿面放电是一种特殊的气体放电现象，沿集中在定位方面，原因是与电测法相比，超声波面闪络电压比气体或者固体单独作为绝缘介质压电晶体输出信号的电压有时低至微伏数这的传播速度较慢，对检测系统的速度与精度要时的击穿电压都低。影响沿面放电电压的主要量级，样微弱的信号若经过长距离传输必须求较低。在利用超声波进行局部放电的放电量因素有：电场分布情况、电压波形、质表面状经放大后传输，能减弱干扰信号对它的影响，介才的大小确定和模式识别方面的工作相对较少，态、空气污秽程度、气候条件等等。并提高信噪比。因为压电晶体的输出阻抗较高，３超声波检测常见的干扰信号及其特性带负载能力差，则要求前置放大电路不仅要有提出了利用频谱识别局部放电模式的新方法，现场的干扰信号是多种多样的，按频带可较大的输入阻抗，而且噪音要低，足检测频并满其研究也取得了一些新成果。近几年以来，出还现了一种把超声波法与射频电磁波法（包括射频分为窄带干扰和宽带干扰，而按其时域波形特带宽度和具有一定的放大倍数。脉５２后置主放大电路法和超高频法）联合起来进行局放定位的趋势。征可分为连续的周期性干扰、冲型干扰和白本系统后置放大电路由Ｔ０４片和一Ｌ８芯在澳大利业的西门子研究机构使用局部放电产噪３。类生的超声波和射频电磁波联合检测技术监测变３．１连续的周期性干扰包括个精密可调电位器组成，电路如下图所示，过通３．．１电力系统载波通信和高频保护信号该精密可调电位器可对后置放大增益进行微１压器中的局部放电活动。其关键依据是：超声波和电磁波在变压器介质中的传播速度是不一致引起的干扰。调，以减少偏差。的，因而可以测量两种波到达传感器的时间间３．．１２无线电干扰。此类干扰的波形通常是有固定的谐振频率和频带宽度。隔。国内方面，西安交通大学提出了一种基于超高频正弦波，高频和超声波的相控接收阵的局放电定位法，３．２脉冲型干扰信号包括：电线路或高压供利用分别检测超高频和超声波信号的相控接收端的电晕放电；电网中的开关、晶闸管整流设备阵构成平面传感器，接收到的超高频信号为时闭合或开断引起的脉冲干扰；电力系统中其它间基准，进而得到超声波的传输时延，可计非检测设备放电引起的干扰。这样３白噪包括各种随机噪声，电气设备的３如算出局放电点与超声波传感器间的距离，再根据相控阵扫描的方位角和仰角就得出放电的空热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路间几何位置。中由于藕合进入的各种噪声以及监测线路中的２局部放电的种类及特点半导体器件的散粒噪声等。后置放大电路２．１电晕放电４超声波检测系统结构电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自从硬件结构组成上，超声检测系统主要包６电源设计持放电形式，是极不均匀电场的特征之一。电力括四个部分：ａ传感器部分：由压电传感器及屏在检测系统的电路板上，需要各种电压等传感根据系统中所遇到的绝缘结构大多是不均匀的，不蔽导线组成，器可随时拆卸，实验现场级的电源。模拟电路部分主要是各种集成放大均匀电场的形式很多，绝大多数是不对称电场。具体要求选择更换不同型号．电源模块：ｂ．为实器，一使用正负ｓ统Ｖ的直流电源供电，数字电在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，现便携检测，电池供电，采用电路包括对各种芯路部分使用３Ｖ流电压。针对以上需求，．直３考在大曲率电极附近很小范围内的电场足以使空片所需电压等级的转换；模拟信号预处理电虑到检测系统的体积要小以及便于携带移动，ｃ．气发生游离，而间隙中大部分区域的电场仍然路由前置放大器，带通滤波，后置主放大电路等选用９Ｖ的干电池作为系统的总电源，通过不同很小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中组成，可通过数字示波器得到清晰的模拟信号；的电源转换芯片得至各种等级的所需电压，Ｈ并将具备自持放电（即外界游离因素不存在，间隙ｄ数字电路：片机及其外围电路组成，由单电路且在电源芯片的输出端采用Ｉ型滤波电路和对Ｉ中的放电仅靠电场作用继续进行下去）的条件。已设计完成，眭能通过测试，目的工作地电容进行处理，部分但前减小纹波，提高电源质量。放电仅局限在大曲率电极周围很小的范围内，对ＡＤ转换之后数字信号的处理上存在困难，／５直流电压采用德州仪器公司的Ｖ而整个间隙尚未击穿。不能像数字示波器一样得到有较高价值的实验ＴＳ６５稳压器，通过于电池９Ｐ７８０Ｖ电压直接得易产生电晕放电的电气设备是高压输电线数据，需要进行后续的深入研究。到。Ｐ７８０ＴＳ６５的输入电压为２ＶＯ，干． —ｌｖ适合７路。通常均将空气视为非导体，但空气中含有少为了检测不同位置传感器接收同一局部放电池９Ｖ的输入电压，最大的优点在于低压其数南宇宙线照射而产生的离子，带正电的导体电源所产生的超声波信号的的传播时间，需要差，在输出电流ｌ的时候，电压下降仅为Ａ会吸引周同空气中的负离子而自行徐徐中和。设计两套洼能尽可能接近的检测系统来作为对２０Ｖ３ｍ。由于使用５Ｖ电压的模拟器件较多，其若带电导体有尖端，该处附近空气中的电场强比。系统结构如下图所示：输出电流很大，较低的电压下降对稳定输出电度它与其他形式的放电有本质的区别，电晕放压，高测量精度有很大的意义。此外，提其静态电时的电流强度并不取决于电路中的阻抗，而电流仅为８ｕ具有关断保护功能。５Ａ，取决于电极外气体空间的电导。这就取决于外７总结加电压、电极形状、极间距离、的性质和密气体对电气设备进行局部放电试验是电气设备度（天气湿度以及空气的流动速度）。等制造和运行中的一项重要预防性试验。局部放２．２沿面放电电如果长期存在，会加速设备老化，在一定条件电气设备中来固定支撑带电部分的固体用系统硬件结构流程图下甚至会造成绝缘破坏，严重影响设备正常运介质，多数是在空气中。当电压超过一定限制５放大电路的设计行。超声波检测法作为一种非电量测量法，有着时，常在周体介质和空气的分界面上出现沿着局部放电超声波传感器输出的信号一般很独特的优点。本文的主要内容是基于压电传感固体介质表面的放电现象，为沿面放电称微弱，称戈因此要求放大电路具有高增益、低噪声的器的高压电气设备局部放电信号的超声波检测�

超声波局放和超高频局放检测原理

超声波局放和超高频局放检测原理
超声波检测技术
在电气设备的局部放电过程中，通常会出现电荷产生中和的现象。

这种中和过程会导致放电部位的分子发生剧烈变化，进而释放出热能。

由于受热，该地区的电气设备部位会发生膨胀。

待放电过程结束，受热膨胀的区域就可以即刻复原，可是膨胀复原的过程会导致介质疏密产生改变，介质疏密改变会有超声波出现。

这种超声波以放电区域为中心，采用球面波的形式向周围扩散。

当使用声电转换器时，它可以将超声波声信号转换成电信号，然后通过仪器捕捉和分析，就可以准确地确定放电发生的具体位置。

超高频检测技术
这种技术利用超高频天线探测电器设备中的局部放电所发出的电磁波,探测频段一般在300-3000MHz之间。

超高频检测技术具有对多种类型的放电性不足有很高的灵敏性的特点,且不会受到机械干扰的影响，能够快速定位局部放电的位置，同时检测范围广泛。

超高频UHF局部放电检测是基于信息特点和局部信号谱图推断局部放电类型的方法。

随着电气设备局部放电检测技术的不断发展和技术水平的提高,超高频检测技术己被广泛应用于电气设备局部放电检测。

开关柜智能监测装置
我司研制的GZPD-900-WRT型开关柜多状态智能监测装置适合己带电运行的开关柜加装，具备优良的软件及硬件滤波功能。

系统通过智能特高频局放传感器、智能超声波局放传感器、智能暂态地电压局放传感器获取开关柜运行中的状态信息，进一步采用1oRa无线通讯方式传输至开关柜无线数据接收终端,实现开关柜运行状态监测，为开关柜检修提供依据。

基于BP网络的GIS局部放电声电联合检测故障定位方法

基于BP网络的GIS局部放电声电联合检测故障定位方法汤会增;韩湘;毛建坤;骆亚毫;魏海浩【摘要】如何快速定位GIS放电位置，是局部放电在线检测的关键。

基于超声波和超高频多传感器信息融合局部放电联合定位方法，是将来自放电位置这一目标的多源信息加以智能合成。

声电联合定位检测系统采用到达时间差TDOA法，利用BP神经网络对超声波和超高频法的传感器采集数据进行融合。

最后通过仿真验证，得出其定位准确率较单一方法大大提高。

%The key of on-line partial discharge detection is how to quickly locate the fault location. Method of partial discharge acoustic electric combined based on ultrasonic and ultra high frequency multi sensor information fusion, to make intelligent synthesis of multi source information from the discharge po-sition. In this paper, the structure of acoustic electric joint position detection system is designed, and TDOA method is used to get the time difference, BP neural network is used to fuse the data of ultrasonic wave and ultra high frequency sensor. Case simulation shows that, the positioning accuracy greatly im-proved.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】4页(P57-60)【关键词】声电联合;局部放电;TDOA;BP神经网络;故障定位【作者】汤会增;韩湘;毛建坤;骆亚毫;魏海浩【作者单位】国网河南省电力公司检修公司，郑州450007;许继电气股份有限公司，河南许昌461000;国网河南省电力公司检修公司，郑州450007;许继电气股份有限公司，河南许昌461000;许继电气股份有限公司，河南许昌461000【正文语种】中文【中图分类】TP277对气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)进行在线局部放电(Partial Discharge，PD)检测可有效掌握GIS内部绝缘状况，预防GIS绝缘故障跳闸造成电网事故[1]。

局部放电原理介绍(1)

通道接口。USB连接仪器USB接口。接收模块再正常连接的情况下红色小灯应该是常亮。（小灯不亮时移动发射模块位置，保证接收模块能正常接收信号。）
在系统内部左侧触法选择栏内选择信号源为“EXT”（在不使用外部触发情况下应把信号源选择在电信号下。）
仪器正侧
仪器左侧
仪器右侧
仪器上侧
开机：将“电源开关”按下，电源指示灯（蓝色）长亮，仪器启动，进入WINDOWS界面，在桌面有SCJF2H.EXE快捷方式，双击，根据操作指示进入测量界面。关机：退出测量界面，关闭WINDOWS系统，然后按下“电源开关”，电源指示灯熄灭，完成关机。注：一定要关掉电源开关，否则会造成电池能量耗尽，影响下次使用。充电：使用专用充电器，将充电插头插入充电口，一次需7个小时。注：当电池耗尽时，需充电20分钟可开机使用。测试软件：打开仪器界面上选择SCJFY_2.6.1 进入测试系统。保存路径：软件会在硬盘D:TESTV2.X\test中建立存储目录以保存数据电池电量：提示当前电池剩余电量，当剩余电量小于5%时，系统会发出嘀嘀嘀嘀报警声，提示用户应连接适配器充电，或保存数据关闭系统，防止因电池没电关机导致试验数据丢失。
2.沿面放电
通常在绝缘介质表面会出现沿面放电的现象。这种局部放电的形式属于特殊的气体放电现象，电力电缆、电机绕组、绝缘套管的端部等位置比较常见沿面放电。一旦介质内部电场的强度低于电极边缘气隙的电场强度，而且介质沿面击穿电压相对较低，沿面放电就会发生在绝缘介质的表面。通常电压波形、电场的分布、空气质量、介质的表面状态、气候条件等均会对沿面放电电压产生影响，所以沿面放电体现出不稳定的特点。
触发：触发模式：固定选项边沿模式
触发方式：可选择自动触发、单次触发；触发信源：提示当前触发方式，从而保证系统根据触发方式正确的使用。（EXT为外部触发）

电力电缆中的交流耐压试验和局部放电检测

电力电缆中的交流耐压试验和局部放电检测摘要：XLPE电缆由于绝缘性能优越、线芯允许运行温度更高、环保、易于制造和安装方便等优点，相关的技术研发和应用备受关注。

XLPE电缆在制作过程中混入杂质而出现气泡、水分入侵使绝缘受潮、场强不均匀、绝缘层中出现水树枝等复杂因素的长期作用下可能出现局部放电，运行可靠性显著降低，严重威胁电力系统的运行安全。

文中分析了XLPE电缆局部放电的机理，综述了目前XLPE电缆局部放电的试验方法并对不同方法的特点做了分析，进而对目前XLPE电缆运行状况的检测方法进行总结，包括在线和离线两类检测方法及一些新的检测方法，分析了不同方法的适用性。

关键词：XLPE电缆；局部放电；交流耐压试验；检测技术1 引言随着城市电网与农村电网的快速发展，电气设备容量日益扩大，社会对电力需求持续增长，对输电线路的可靠性要求也不断提高，电力系统中电力电缆的敷设已经成为电网改造或新线路设计的主要方式。

特别是由于城市化进程的加速，城市建设与电力建设的矛盾日益加剧，电网的运行会受到城市建设的影响，而城市的外貌又会受到电网建设的影响。

为了解决这个矛盾，现代电力电缆的敷设方式大多采用地下电缆的形式，因此，城市电网中电力电缆所占的比重越来越大。

20世纪60年代初，交联聚乙烯绝缘型电缆（cross-linked polyethylene insulated cable，XLPE电缆）由于绝缘性能优越、线芯允许运行温度更高、环保、易于制造和安装方便等特点，在高压和超高压中得到了广泛应用，相关的技术研发和应用备受关注。

英国莱斯特大学Dissado教授课题组[1]指出，电缆在正常运行时各参数应该是正常的，如图1所示。

而当XLPE电缆在制作过程中混入杂质而出现气泡、水分入侵使绝缘受潮、场强不均匀、绝缘层中出现水树枝等，这些部位在电场长期作用下就有可能出现局部放电[2]。

局部放电是发生在设备绝缘内部，但并未贯通高低压电极的放电现象，会造成绝缘局部温升、绝缘分子结构碳化破坏等，最终导致电缆寿命缩短。

超声波与特高频方法下的GIS局部放电检测技术分析

超声波与特高频方法下的GIS局部放电检测技术分析GIS（气体绝缘开关设备）局部放电是GIS设备在使用过程中常见的故障形式之一，也是影响其安全运行的重要因素。

因此，对GIS局部放电进行准确的检测与分析，对设备性能和安全运行具有重要意义。

目前，超声波与特高频方法是常用的GIS局部放电检测技术。

本文将对这两种方法进行详细分析和比较。

超声波检测是通过变压器绝缘油中产生的声波来检测局部放电。

在GIS设备中，如果有局部放电现象，会产生高频的声波信号。

超声波检测系统会把这些声波信号收集回来，并分析处理，以判断设备是否存在局部放电现象。

超声波检测方法有以下几个优点。

首先，可以实时监测设备的局部放电情况。

其次，可以对设备内部各部位进行检测，包括各个开关组件和连接件。

此外，超声波检测无需对设备进行特殊处理，可以在设备正常运行时进行检测。

但是，超声波检测技术也存在一些局限性。

例如，它无法定量检测局部放电程度，无法准确定位故障点。

特高频方法是利用GIS局部放电产生的特高频信号来进行检测与分析。

特高频信号是指频率大于300MHz的电磁波信号。

特高频方法的检测原理是，当局部放电在GIS设备内发生时，会产生电磁波信号，这些信号通过空气介质传播到设备表面，然后由特高频探头接收。

特高频方法的优点是可以准确定位局部放电点，它的探头可以检测到信号的传播路径和强度，从而对设备的局部放电情况进行分析。

此外，特高频方法检测的信号频率高，检测的灵敏度较高，能够检测到微弱的局部放电信号。

但是，特高频方法的应用还需要一些设备和技术条件，例如特高频探头和信号分析仪。

综上所述，超声波与特高频方法是常用的GIS局部放电检测技术。

两种方法在局部放电检测方面都有一定的优点和局限性。

超声波检测可以实时监测设备的局部放电情况，并对设备内部各个部位进行检测，但无法定量检测和定位故障点。

特高频方法可以准确定位故障点，检测灵敏度高，但需要一定的设备和技术条件。

因此，在GIS局部放电检测中，可以结合使用超声波和特高频方法，以获得更准确和全面的检测结果。

GIS局部放电监测中超声波法与超高频法的比较

ＧＩＳ局部放电监测中超声波法与超高频法的比较［摘要］介绍了GIS中局部放电测量常用的两种方法－超声波法和超高频法，从方法构成、监测使用范围和抗干扰能力等方面对两者进行对比，辨析各自的优缺点，指出了存在的问题和发展趋势。

［关键词］GIS；在线监测；超声波；超高频；对比0引言GIS全称气体绝缘变电站，是电力系统的重要设备.局部放电是反映GIS绝缘性能的重要参数之一，它是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式。

检测GIS局放能发现其内部早期的绝缘缺陷，一边采取措施，避免其发展。

现阶段常用的监测方法是电测法和非电测法，非电测法主要有超声波法和超高频法。

本文主要从超声波法和超高频法的监测原理出发，结合目前国内外的监测设备，比较两种方法的精度，可靠性，经济性和监测功能的完备性。

1 监测原理1.1 局部放电产生的原因：GIS中局部放电是一种电气现象。

产生局放的主要原因有：①绝缘体内部存在自由移动的金属颗粒；②绝缘体内或高压导体存在针装突出物；③制造原因在绝缘表面可能存在地固定微粒；④附近存在悬浮电位体或到体健连接点接触不好；⑤绝缘体内部或者表面存在的气隙，裂纹等1.2两种方法的监测原理（1）超高频法：在GIS发生局部放电时，伴随着一个很陡地电流脉冲并向周围辐射电磁波。

电磁波传播时，不仅以横向电磁波（TEM）形式传波，而且还会建立高次横向电场波（TE）和横向磁场波（TM）。

TEM波为非色散波，频率越快衰减越快。

TE和TM则只有当信号频率高于截止频率时，电磁波才能传播。

GIS的同轴结构相当于一个良好的波导，信号在其内部传播时衰减很小，有利于局放检测。

超高频法就是利用传感器接受局部放电所激发的电磁波，并对电磁波进行分析的一种方法。

（2）超声波法：GIS发生局放时分子间剧烈碰撞并在宏观赏瞬间形成一种压力，产生超声波脉冲，类型包括纵波，横波和表面波。

不同的电气设备，环境条件和绝缘状况产生的声波频谱都不相同。

GIS中沿SF6气体传播的只有纵波，这种超声纵波以某种速度以球面波的形式向四面传播。

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的重要原因， IEC 及各个国家对局部放电都制定了相应的测量与评定标准，建立了多种描述其对绝缘损害程度的参数，如视在放电电荷量、放电能量等。但这只是对电气设备绝缘的总体评估，其测量值受局部放电源在设备内的位置影响很大。只有在已知局部放电位置的条件下，设备绝缘的总体评估才具有更高的可信度和实际价值，因而局部放电的准确定位非常重要，对局部放电定位方法的研究具有重要的科学意义和实际价值。目前，局部放电的定位方法主要有电气定位法[1]、超声波定位法和射频超声波联合定位法[2]。电气定位法是根据局部放电在设备内的电气传播特性建立的，这方面国内外已有较多研究[3]。如对变压器内的局部放电的定位，该方法主要在电气上建立级联的仿真模型和传递函数，由于这种方法检测的是通过“路”传播的信号，因而对绕组内多局放源在极短时间内相继或同时发生，将很难从时域乃至频域上分开。另外该方法考虑的是电气而非几何邻近，这也将造成定位精度的下降。超声波定位法的关键参数是局放产生的超声波到达传感器的直接传播时间或到各传感器的时延差，这方面国内外均有较多研究 [4]。超声波法对变压器内多局放点由于难以分别提取时延和模式，因而实际定位精度不高甚至可能得出错误的位置，不宜应用于在线监测和定位。西门子公司利用射频和超声波的复合探头对局放作联合检测，并用 3 个复合探头对局放定位，原理上和超声波 3 点定位法一致，不过各探头的时延以射频接收为基准，减少了计算时延时的误差，有一定优点，但仍无法解决多点定位问题。本文根据相控阵接收原理，提出了基于超高频和超声波相控接收原理的局部放电定位法（以下简称本定位法）,并对该方法进行了仿真研究。结果表明，本定位法能有效地对油中局部放电进行几何位置的定位，而且对于多个空间位置不同的局部放电源，其产生的最大信号所处的对应于空间角度的波束阵列位置不同，相对于采样起始点的时间基准和时间间隔也不同，因而本定位法也可解决多局放点的定位问题。另外，本定位法使用的相控阵技术是一种空域探测，和设备没有电的连接关系，因而这种定位法更直观、直接和快速。
2004 年 1 月第 19 卷第 1 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SO2004
基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究
罗勇芬
1
李彦明
1
刘丽春
西安 710032 ）
国家自然科学基金资助项目（ 50377034 ）。收稿日期 2003- 06- 09 改稿日期 2003- 10- 30
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电工技术学报
2004 年 1 月
1
引言
局部放电是电力设备绝缘劣化和电力系统事故
2
2.1
原理
相控阵基本原理 [5,6] 为便于理解起见，先以相控均匀直线阵来说明，
2. Xi’an Thermal Power Research Institute Abstract
A new partial discharge（ PD） location method based on UHF and ultrasonic phased
array receiving theory is presented. The plane sensor is consisted of two phased receiving arrays, which respectively receive UHF and ultrasonic signals emitted by partial discharge. Regarding the time point of signal detected by the UHF phased receiving array as time benchmark, the time delay of ultrasonic signals received by acoustic phased receiving array can be obtained and the distance between PD source and the sensor can be calculated, then the PD dimensional position can be found out using the azimuth and elevation angle at which the phased receiving arrays scan. Because PD sources of different space positions lead to different space angles of beam combination representing corresponding maximum PD signal, and to different time benchmark compared to the same sampling initial point and different time delay, the locating of multiple PD sources can be reached. Several examples of PD in oil are simulated using this novel location method and the results indicate the method can locate the PD in oil and solve the location of multiple PD sources. Keywords ： Partial discharge, phased receiving array theory, location method, simulation
2
（ 1. 西安交通大学电气工程学院 2. 西安热工研究院摘要西安
710049
提出一种基于超高频和超声波相控接收阵的局部放电定位法。该方法以分别检测局部
放电产生的超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器，以超高频相控接收阵检测到的局部放电超高频电磁波信号作为时间基准，由此得出接收到的超声波信号的时延，进而计算出放电点与传感器间的距离；再根据相控阵扫描的方位角和仰角，与算出的距离一起就可得出局部放电源的几何位置。多个空间位置不同的局部放电，其产生的最大信号所处的对应于空间角度的波束阵列的位置不同，相对于同一采样起始点的时间基准不同，而且时间间隔也不同，因此还可实现多局放源的定位。对这一设想进行仿真研究，结果表明该方法能对油中局部放电进行较精确的定位，并可较好地解决多局放点定位问题。关键词：局部放电相控接收原理定位法仿真中图分类号： TM855
Simulation of PD Location Method in Oil Based on UHF and Ultrasonic Phased Array Receiving Theory
Luo Yongfen 1 Li Yanming 1 Liu Lichun 2 710049 China China ） Xi’an 710032 （ 1. Xi’an Jiaotong University Xi’an
如图 1 所示。 A 是 N 个相同的阵元组成的相控均匀直线阵，相邻阵元间隔 d 。
图1 Fig.1 相控均匀直线阵等延迟波束偏转
Wave-bind deflexion of phased equality line array
阵元发射波信号时，在远场点 P(r ,θ ) 的辐射场为各阵元辐射场的叠加。取阵元 1 在 P 点产生的辐射场 E1 = E0 e j(ω t − kr ) （ k = 2π 为波数），则第 N 个 λ 阵元在 P(r ,θ ) 点的辐射场为 E N = E0 e j [ω t − kr + k ( N −1) d sin θ ] = E1e j [( N −1) kd sin θ ] 显然，在 P(r ,θ ) 点的合成辐射场为 E (r , θ ) = E1[1 + e jkd sin θ ] + L + e j( N −1) kdsin θ kdsinθ N −1 ) (1) j kdsin θ sin( N 2 2 = E1e kdsinθ sin 2 若考虑对相邻阵元激励附加 β 等相位差的延迟，则相控均匀直线阵的归一化方向函数 [4] 为 ϕ sin ( N ) 2 Fa (θ ) = (2) ϕ N sin ( ) 2 式中 ϕ = kd sin θ + β ，其中 kd sin θ 是相邻阵元的波程差 ∆r = d sin θ 所引起的相位差，为空间相差，β 为相邻阵元的阵内相位差，即加入的相位延迟。要求主瓣最大值方向为 θ M ，则取 β = −kd sin θ M 即可。当相移 β = 0 时，主瓣在阵的正前方；当加入
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罗勇芬等
基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究
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相移 β = kd sinθ 0 时，主波束由线阵的正前方偏转到 θ 0 方向。也就是说，通过相位补偿技术，不需要机械转动相控阵，就可以按照预定的偏转角度控制主波束的偏转。由互易性，同一天线在同样条件下，接收的电参数和发射的对应电参数是一致的，即通过相位补偿可接收预定的偏转角度方向上的目标信息。 2.2 定位的基本原理直线阵不能改进天线在垂直于阵直线的平面内的方向性。如果要在方位角ϕ 和仰角 θ 两个方向上同时实现天线波速的相控阵扫描，就要采用平面相控阵。N× N 个阵元对局部放电源 P 的接收信号的空间相位差可表示成矩阵，对 N×N 个阵元接收信号的附加阵内相位差也可表示成矩阵。改变阵内相位矩阵，天线传感器方向 α = kd cosθ sin ϕ 对应的 θ 、 ϕ方图就按与 β = kd sin θ 、向扫描，亦即通过近似连续改变平面阵的阵内水平和垂直相位差，就可实现空间坐标上的电控扫描，获取空间上的目标信息。用单一的超高频或超声波相控接收阵传感器只能确定某个方向上有无局放源，还需知道局放源与传感器间的距离才能达到对局放源定位的目的。因此需要超高频和超声波信号及对应的相控接收阵。本定位法将局部放电看作超高频和超声波的发射源，用检测超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器，以接收到的超高频信号为时间基准，进而得到同一方向的超声波传输时延，这样即可计算出局部放电点与传感器间的距离；再根据相控阵扫描的方位角和仰角即可得出放电点的空间几何位置。超高频相控接收阵由于传感器尺寸的限制，阵元数不多，它除了获取时间基准外，还可对局部放电作粗略定向，而文献 [2]的射频传感器接收处理的仍是“路”信号，分离不出方向；而超声波相控接收阵可对局部放电较精确的定向。