局部放電試驗(yàn)檢測技術(shù)綜述

局部放電是電氣設(shè)備絕緣系統(tǒng)中由于電場分布不均、絕緣內(nèi)部存在缺陷或混入雜質(zhì)等原因，在局部場強(qiáng)超過介質(zhì)擊穿場強(qiáng)時(shí)發(fā)生的非貫穿性放電現(xiàn)象。局部放電雖未導(dǎo)致絕緣介質(zhì)立即完全擊穿，但長期存在會(huì)逐步侵蝕絕緣材料，終引發(fā)絕緣失效。因此，局部放電檢測是評(píng)估電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)、保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵手段。局部放電試驗(yàn)通常在常溫下進(jìn)行，以模擬設(shè)備在正常環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)于特定工況下運(yùn)行的設(shè)備（如高溫環(huán)境下的電機(jī)、變壓器等），還需進(jìn)行高溫下的局部放電試驗(yàn)，以評(píng)估其在極限工作溫度下的絕緣性能。

一、檢測項(xiàng)目：方法及原理

局部放電檢測方法主要分為電氣法與非電氣法兩大類。

1. 電氣檢測法

（1）脈沖電流法

• 原理：這是經(jīng)典和直接的局部放電檢測方法。當(dāng)試品內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬變的脈沖電流，該電流流過檢測阻抗（如耦合電容與檢測阻抗構(gòu)成的回路），在阻抗兩端產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓信號(hào)。通過測量該脈沖信號(hào)的幅值、相位、頻率等特征參量，可以判斷局部放電的強(qiáng)度（如視在放電量）和發(fā)生相位。

• 關(guān)鍵參數(shù)：視在放電量（pC）、放電重復(fù)率、放電相位分布（PRPD譜圖）。

• 特點(diǎn)：靈敏度高、可定量測量，是實(shí)驗(yàn)室和出廠試驗(yàn)中常用的方法。但易受現(xiàn)場電磁干擾影響。

（2）高頻電流互感器法

• 原理：基于電磁感應(yīng)原理，將高頻電流互感器（HFCT）鉗套在設(shè)備接地線上，用于檢測局部放電脈沖電流所激發(fā)的高頻電磁信號(hào)。局部放電脈沖包含豐富的高頻分量（通常為數(shù)kHz至數(shù)十MHz），HFCT可有效耦合這些信號(hào)。

• 特點(diǎn)：便于在線監(jiān)測、安裝方便、抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于電纜、開關(guān)柜等設(shè)備的在線檢測。

（3）特高頻法

• 原理：局部放電過程會(huì)輻射出頻率范圍在300 MHz ~ 3 GHz的電磁波信號(hào)。通過特高頻傳感器捕捉這些信號(hào)，分析其幅值、頻段、到達(dá)時(shí)間等特征，可實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測與定位。

• 特點(diǎn)：抗低頻電磁干擾能力強(qiáng)，適用于GIS、變壓器等金屬封閉設(shè)備的檢測與定位，但不能直接測量放電量。

（4）暫態(tài)地電壓法

• 原理：設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，產(chǎn)生的電磁波在金屬柜體表面?zhèn)鞑?，?huì)在柜體接縫處產(chǎn)生暫態(tài)對(duì)地電壓。通過電容耦合式傳感器測量金屬外殼表面的這些暫態(tài)電壓，可間接判斷內(nèi)部放電活動(dòng)。

• 特點(diǎn)：主要用于開關(guān)柜等金屬封閉設(shè)備的帶電檢測，操作簡便，但易受環(huán)境噪聲影響，且難以定量。

2. 非電檢測法

（1）超聲波法

• 原理：局部放電過程中，電荷的快速遷移或擊穿會(huì)產(chǎn)生聲波和超聲波信號(hào)（頻率通常為20 kHz ~ 1 MHz）。通過貼在設(shè)備外殼上的超聲波傳感器接收這些聲信號(hào)，通過分析信號(hào)的幅值、時(shí)間差等，可以進(jìn)行放電檢測和定位。

• 特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)放電點(diǎn)的物理定位，抗電磁干擾能力極強(qiáng)。但信號(hào)在介質(zhì)中傳播衰減大，靈敏度受設(shè)備結(jié)構(gòu)影響較大。

（2）光測法

• 原理：某些類型的局部放電（如電暈、表面放電）會(huì)伴隨光輻射。通過光電倍增管或紫外成像儀等設(shè)備檢測這些光信號(hào)。

• 特點(diǎn)：主要用于可見電暈或表面放電的檢測與觀測，適用于透明介質(zhì)或開放環(huán)境，應(yīng)用范圍有限。

（3）化學(xué)檢測法

• 原理：局部放電會(huì)使絕緣材料（特別是油紙絕緣）分解，產(chǎn)生特定的氣體（如H?, CH?, C?H?, C?H?, CO等）或生成某些微粒。通過色譜分析儀檢測油中溶解氣體，或通過檢測油中微粒的化學(xué)成分，可間接判斷絕緣劣化程度和放電類型。

• 特點(diǎn)：適用于油浸式設(shè)備（如變壓器、電抗器），可進(jìn)行趨勢(shì)分析和故障類型診斷，屬于間接檢測方法。

二、檢測范圍

局部放電檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

1. 電力變壓器與電抗器：檢測繞組匝間、層間絕緣，主絕緣，以及引線絕緣中的潛在缺陷。

2. 氣體絕緣組合電器：檢測盆式絕緣子內(nèi)部氣隙、金屬顆粒、導(dǎo)體毛刺等引起的放電。

3. 電力電纜及附件：檢測電纜本體、中間接頭和終端頭內(nèi)部的絕緣缺陷、安裝工藝問題。

4. 旋轉(zhuǎn)電機(jī)（發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)）：檢測定子繞組絕緣的松動(dòng)、老化、電暈腐蝕等問題，高溫下的局部放電檢測對(duì)評(píng)估其長期運(yùn)行可靠性尤為重要。

5. 高壓開關(guān)柜：檢測內(nèi)部元器件（如CT、PT、絕緣子、母線）的絕緣狀況。

6. 電容器與套管：檢測其內(nèi)部介質(zhì)分層、浸漬不良等缺陷。

三、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外針對(duì)不同電氣設(shè)備制定了相應(yīng)的局部放電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)

• IEC 60270:2000/AMD1:2015 《High-voltage test techniques - Partial discharge measurements》：這是局部放電測量的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了基于脈沖電流法的測量回路、校準(zhǔn)方法和程序。

• IEC 62478:2016 《High-voltage test techniques - Measurement of partial discharges by electromagnetic and acoustic methods》：規(guī)定了使用電磁和聲學(xué)方法進(jìn)行局部放電測量的技術(shù)規(guī)范。

• IEC 60034-27 《Rotating electrical machines - Part 27: Off-line partial discharge measurements on the stator winding insulation of rotating electrical machines》：專門針對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子繞組離線局部放電試驗(yàn)。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

• GB/T 7354-2018 《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 局部放電測量》：等同采用IEC 60270，是我國局部放電測量的核心標(biāo)準(zhǔn)。

• DL/T 417-2019 《電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場測量導(dǎo)則》：指導(dǎo)電力設(shè)備在現(xiàn)場條件下的局部放電測量。

• GB/T 12706.4-2020 《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第4部分：額定電壓6kV(Um=7.2kV)到35kV(Um=40.5kV)電力電纜附件試驗(yàn)要求》：規(guī)定了電纜附件的局部放電試驗(yàn)要求。

• JB/T 7608-2006 《測量高壓交流電機(jī)線圈放電量的試驗(yàn)方法規(guī)則》：針對(duì)高壓交流電機(jī)線圈的放電量測量。

四、檢測儀器

局部放電檢測系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)核心部分構(gòu)成：

1. 試驗(yàn)電源：

   • 無暈試驗(yàn)變壓器：提供工頻高壓，其自身局部放電水平需遠(yuǎn)低于試品允許值。

   • 串聯(lián)諧振系統(tǒng)：用于大容量試品（如長電纜、GIS），通過調(diào)諧使回路呈諧振狀態(tài)，可大幅降低電源容量要求，并獲得純凈的試驗(yàn)電壓。

2. 耦合裝置：

   • 耦合電容：與試品并聯(lián)，為脈沖電流提供低阻抗通道，其自身電容值和局部放電水平需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

   • 檢測阻抗：串聯(lián)在耦合電容的接地回路中，將脈沖電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

3. 局部放電檢測儀：

   • 核心功能：接收并處理來自檢測阻抗、HFCT、UHF傳感器等的信號(hào)。

   • 關(guān)鍵技術(shù)：包含前置放大器、帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器等。能夠顯示放電脈沖的幅值（pC）、相位，并生成PRPD譜圖，輔助分析放電類型。

   • 校準(zhǔn)器：用于在試驗(yàn)前對(duì)整套測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，注入已知電荷量的脈沖，以確定測量系統(tǒng)的刻度因數(shù)。

4. 輔助傳感器：

   • 高頻電流互感器：用于在線或帶電檢測。

   • 特高頻傳感器：用于GIS、變壓器等設(shè)備的電磁波檢測。

   • 超聲波傳感器：用于聲學(xué)檢測與定位。

   • 超聲定位系統(tǒng)：通過多個(gè)傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行三維空間定位。

5. 高溫試驗(yàn)環(huán)境模擬裝置：

   • 高溫烘箱/溫控試驗(yàn)艙：用于進(jìn)行高溫下的局部放電試驗(yàn)，能夠?qū)⒃嚻芳訜岵⒎€(wěn)定在預(yù)設(shè)的高溫點(diǎn)（如130°C, 155°C等，依據(jù)設(shè)備絕緣等級(jí)和運(yùn)行工況設(shè)定）。

   • 高溫耦合與引線系統(tǒng)：所有引入試驗(yàn)艙的耦合電容、測量引線等均需具備耐高溫性能，確保在高溫環(huán)境下測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

總結(jié)：局部放電檢測是一項(xiàng)綜合性的絕緣診斷技術(shù)。選擇合適的檢測方法需綜合考慮設(shè)備類型、試驗(yàn)條件（離線/在線、常溫/高溫）、抗干擾需求以及定量定性要求。常溫試驗(yàn)是基礎(chǔ)，高溫試驗(yàn)則更貼近某些設(shè)備的實(shí)際嚴(yán)苛工況，兩者結(jié)合能更全面地評(píng)估絕緣系統(tǒng)的長期可靠性。隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，局部放電檢測正朝著更高靈敏度、更強(qiáng)抗干擾能力和更智能化的診斷方向發(fā)展。