第章 高频局部放电检测技术.docx
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第章高频局部放电检测技术
《电网设备状态检修技术（带电检测分册）》
第五章高频局部放电检测技术
第1节高频局部放电检测技术概述2
1.1发展历程2
1.2技术特点3
1.2.1技术优势及局限性3
1.2.1局限性3
1.2.3适用范围4
1.3应用情况4
第2节高频局部放电检测技术基本原理4
2.1罗氏线圈基本知识4
2.2高频局部放电检测基本原理6
2.3高频局部放电检测装置组成及原理7
第3节高频局部放电检测及诊断方法9
3.1检测方法9
3.1.1电力电缆9
3.1.2其他电力设备10
3.2诊断方法11
第四节典型高频局部放电案例分析14
4.1110kV电缆GIS终端内部气隙局部放电缺陷案例14
参考文献16
第1节高频局部放电检测技术概述
1.1发展历程
高频局部放电检测方法是用于电力设备局部放电缺陷检测与定位的常用测量方法之一，其检测频率范围通常在3MHz到30MHz之间。
高频局部放电检测技术可广泛应用于电力电缆及其附件、变压器、电抗器、旋转电机等电力设备的局放检测，其高频脉冲电流信号可以由电感式耦合传感器或电容式耦合传感器进行耦合，也可以由特殊设计的探针对信号进行耦合。
高频局部放电检测方法，根据传感器类型主要分为电容型传感器和电感型传感器。
电感型传感器中高频电流传感器（HighFrequencyCurrentTransformer，HFCT）具有便携性强、安装方便、现场抗干扰能力较好等优点，因此应用最为广泛，其工作方式是对流经电力设备的接地线、中性点接线以及电缆本体中放电脉冲电流信号进行检测，高频电流传感器多采用罗格夫斯基线圈结构。
罗格夫斯基线圈（Rogowskicoils，简称罗氏线圈）用于电流检测领域已有几十年历史。
早在1887年英国布里斯托大学的茶托克教授即进行了研究，把一个长而且形状可变的线圈作为磁位差计，并且通过测量磁路中的磁阻，试图研究更加理想的直流发电机。
罗格夫斯基线圈检测技术在20世纪90年代被英国的公立电力公司（CEGB）用在名为“El-Cid”的新技术里，用于测试发电机和电动机的定子[1]。
罗氏线圈自公布起就受到了很多学者的重视，对于罗格夫斯基线圈的应用也越来越广泛，1963年英国伦敦的库伯在理论上对罗格夫斯基线圈的高频响应进行了分析，奠定了罗格夫斯基线圈在大功率脉冲技术中应用的理论基础[2]。
20世纪中后期以来，国外一些专家学者和公司纷纷对罗氏线圈在电力上的应用进行了大量的研究，并取得了显着的成果。
如法国ALSTHOM公司有一些基于罗氏线圈电流互感器产品问世，其主要研究无源电子式互感器，在20世纪80年代英国Rocoil公司实现了罗格夫斯基线圈系列化和产业化。
总而言之，在世界范围内对于罗格夫斯基线圈传感器的研究，于20世纪60年代兴起，在80年代取得突破性进展，并有多种样机挂网试运行，90年代开始进入实用化阶段。
尤其进入21世纪以来，微处理机和数字处理器技术的成熟，为研制新型的高频电流传感器奠定了基础。
20世纪90年代欧洲学者将罗氏线圈应用于局部放电检测，效果良好，并得到了广泛应用。
例如意大利的博洛尼亚大学的G.C.Montanari和A.Cavallini等人及TECHIMP公司成功研制了高频局部放电检测仪，并被广泛应用。
近几年国内的一些科研院所和企业均开始研制基于罗氏线圈传感器以及高频局放检测装置，虽然起步比较晚，有些技术还处于跟踪国外大公司的水平，但随着发展罗氏线圈电子式传感器的时机逐渐成熟，国内如清华大学、西安交通大学、上海交通大学、华北电力大学等对于罗氏线圈传感器进行了深入的研究和探索，并取得了大量成果[4]。
1.2技术特点
1.2.1技术优势及局限性
高频局放检测技术的技术优势及局限性主要表现在以下几个方面：
（1）可进行局部放电强度的量化描述。
由于高频局放检测技术应用高频电流传感器，与传统的脉冲电流法具有类同的检测原理，若传感器及信号处理电路相对确定的情况下，可以对被测局部放电的强度进行理化描述，以便于准确评估被检测电力设备局部放电的绝缘劣化程度。
（2）具有便于携带、方便应用、性价比高等优点。
高频电流传感器作为一种常用的传感器，可以设计成开口CT的安装方式，在非嵌入方式下能够实现局放脉冲电流的非接触式检测，因此具有便于携带、方便应用的特点。
（3）检测灵敏度较高。
高频电流传感器一般由环形铁氧体磁芯构成，铁氧体配合经磁化处理的陶瓷材料，对于高频信号具有很高灵敏度。
局部放电发生后，放电脉冲电流将沿着接地线的轴向方向传播，即会在垂直于电流传播方向的平面上产生磁场，电感型传感器是从该磁场中耦合放电信号。
除此之外利用HFCT进行测量，还具有可校正的优点。
1.2.1局限性
（1）高频电流传感器的安装方式也限制了该检测技术的应用范围。
由于高频电流传感器为开口CT的形式，这就需要被检测的电力设备的接地线或末屏引下线具有引出线，而且其形状和尺寸能够卡入高频电流传感器。
而对于变压器套管、电流互感器、电压互感器等容性设备来说，若其末屏没有引下线，则无法应用高频局放检测技术进行检测。
（2）抗电磁干扰能力相对较弱。
由于高频电流传感器的检测原理为电磁感应，周围及被测串联回路的电磁信号均会对检测造成干扰，影响检测信号的识别及检测结果的准确性。
这就需要从频域、时域、相位分布模式等方面对干扰信号进行排除。
1.2.3适用范围
高频法仅适用于具备接地引下线电力设备的局部放电检测，主要包括电力电缆、变压器铁心及夹件、避雷器、带末屏引下线的容性设备等。
1.3应用情况
随着高频局部放电检测技术的不断成熟，国网公司在高频局部放电检测应用实践上积累了大量的宝贵经验，发现了大量潜在缺陷，目前该方法已广泛应用于电力电缆及其附件、变压器、电抗器、旋转电机等电力设备局部放电检测。
随着状态检修工作的不断深入，高频局部放电检测技术已列入状态检修试验规程，成为提前发现电力设备潜在缺陷的重要手段。
国家电网公司在推广应用高频局部放电检测技术方面做了大量卓有成效的工作。
2010年，在充分总结部分省市电力公司试点应用经验的基础上，结合状态检修工作的深入开展，国家电网公司颁布了《电力设备带电检测技术规范（试行）》和《电力设备带电检测仪器配置原则（试行）》，在国家电网公司范围内统一了高频局部放电检测的判据、周期和仪器配置标准，初步建立起完整的高频局部放电检测技术标准体系，高频局部放电检测技术在国家电网公司范围全面推开。
第2节高频局部放电检测技术基本原理
2.1罗氏线圈基本知识
罗格夫斯基线圈（Rogowskicoils），简称罗氏线圈，又被称为磁位计，最早被用于磁路的测量。
一般情况下罗氏线圈为圆形或矩形，线圈骨架可以选择空心或磁性骨架，导线均匀绕制在骨架上。
罗氏线圈的结构示意图如图5-1所示。
图5-1罗氏线圈结构示意图
罗氏线圈的原边为流过被测电流的导体，副边为多匝线圈。
当有交变的电流流过穿过线圈中心的导体时，会产生交变的磁场。
副边线圈与被测电流产生的磁通相交链，整个罗氏线圈副边产生的磁链正比于导体中流过的电流大小。
变化的磁链产生电动势，且电动势的大小与磁链的变化率成正比。
令流过导体的电流为
，线圈副边感应出的电动势为
，基于安培环路定律和法拉第电磁感应定律，可由Maxwell方程[8]解得：
（5-1）
其中M为罗氏线圈的互感系数。
根据罗氏线圈负载的不同，线圈可分为外积分式和自积分式[9]。
外积分式罗氏线圈又称作窄带型电流传感器，具有较好的抗干扰能力。
当采用外积分式罗氏线圈时，为得到电流
的波形，线圈的输出通常需要经过无源RC外积分电路、由运放构成的有源外积分电路，以及数自积分电路等负载。
外积分式罗氏线圈受积分电路频率性能影响较大，测量频率上限受到限制，一般用于测量兆赫兹以下的中低频率电流。
自积分式罗氏线圈又称作宽带型电流传感器，具有相对较宽的检测频带。
由于其直接采用积分电阻，因此频率响应较快，适用于测量上升时间较短的脉冲电流信号。
罗氏线圈根据其结构不同可分为挠性罗氏线圈、刚性罗氏线圈和PCB型罗氏线圈[10-11]。
挠性罗氏线圈以能够完全的挠性材料作为线圈骨架，将导线均匀绕在骨架上。
测量时将骨架弯曲成一个闭合的环，使通电导体冲线圈中心穿过。
这种线圈使用方便，但测量精确度低、稳定性不高。
刚性罗氏线圈采用刚性结构线圈骨架，在结构上更容易使得绕线能够均匀分布，大大提高了抗外磁场干扰的能力，从而提高了测量的精确度。
这种线圈的测量精确度和可靠性较高，但在实际使用中会受到现场安装条件的限制。
PCB型罗氏线圈是一种基于印刷电路板（PCB）骨架的罗氏线圈，相比传统的罗氏线圈，其线圈密度、骨架截面积以及线圈截面与中心线的垂直程度都有极大提高，是一种高精度的罗氏线圈。
这种线圈现在还处于起步阶段，其实际应用还有一定的距离。
2.2高频局部放电检测基本原理
用于局部放电检测的罗氏线圈称为高频电流传感器，其有效的频率检测范围一般为3MHz～30MHz。
由于所测量的局部放电信号是微小的高频电流信号，传感器需要在较宽的频带内有较高的灵敏度。
因此HFCT选用高磁导率的磁芯作为线圈骨架，并通常采用自积分式线圈结构[13]。
使用HFCT进行局部放电检测的等效电路图如图5-2所示。
其中
为被测导体中流过的局部放电脉冲电流，M为被测导体与HFCT线圈之间的互感，Ls为线圈的自感，Rs为线圈的等效电阻，Cs为线圈的等效杂散电容，R为负载积分电阻，uo（t）为HFCT传感器的输出电压信号。
图5-2高频电流传感器局部放电检测等效电路图
在传感器参数满足自积分条件的情况下，忽略杂散电容Cs，计算可得系统的传递函数为[15]：
（5-2）
其中N为线圈的绕线匝数。
因此，在满足自积分条件的一段有效频带内，HFCT的传递函数是与频率无关的常数。
并且，HFCT的灵敏度与绕线匝数N成反比，与积分电阻R成正比。
事实上，在高频段Cs的影响是不能忽略的。
在考虑Cs影响的情况下，系统的传递函数H（S）为：
（5-3）
HFCT等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，采用高频小信号并联谐振回路理论分析可得电流传感器的频带为：
下限截止频率：
（5-4）
上限截止频率：
（5-5）
在实际使用中，一般希望HFCT有尽可能高的灵敏度，并且在较宽的频带范围内有平滑的幅频响应曲线。
同时要求HFCT有较强的抗工频的磁饱和能力，这是因为实际检测时不可避免有工频电流流过，而此时不应因磁芯饱和而影响检测结果。
2.3高频局部放电检测装置组成及原理
常用的高频局部放电检测装置包括：
传感器、信号处理单元、信号采集单元和数据处理终端。
高频局部放电检测装置结构如图5-3所示，装置实物图如图5-4所示。
图5-3高频局部放电检测装置结构图
图5-4高频局部放电检测装置实物图
（一）传感器
高频局部放电检测HFCT传感器按安装位置不同主要分为接地线HFCT和电缆本体HFCT。
安装在电力设备接地线或电缆交叉互联系统上的HFCT传感器，内径一般为几十毫米；安装在单芯电力电缆本体上的HFCT传感器，内径一般在100毫米以上，传感器灵敏度相对接地线HFCT较低。
接地线HFCT传感器又可根据检测需要分为分体式和整体式。
分体式HFCT线圈可开合，方便测试时安装和拆卸，可以使用一个传感器对设备多个位置进行测量。
整体式HFCT传感器需要在设备接地线安装时同时进行安装，适合长期监测用。
现有的HFCT传感器下限截止频率大多在1MHz以下，上限截止频率为几十MHz。
一般要求传感器的-6dB下限截止频率不高于1MHz，上限截止频率不低于20MHz，在输入10MHz正弦电流信号时传输阻抗不小于5mV/mA（频带以及传输阻抗定义见GB/T7354）。
（二）信号处理单元
针对传感器的输出信号，需要进行滤波和放大。
实际测量中会有各类噪声和干扰信号，因此需要配合硬件滤波器或后续数字滤波功能进行滤波。
滤波过后信号幅值会有一定程度的衰减，须经过宽带放大器放大，从而达到提高局部放电信号信噪比的目的。
对于具有电压同步功能的高频局部放电检测装置，可以通过外部触发信号为检测装置提供电压同步。
同步信号可由分压电容、电源或工频电流互感器提供。
某些设备还会对经过滤波放大的局部放电脉冲信号进行检波处理，从而降低对后续信号处理的要求。
信号处理单元的性能主要由上、下限截止频率和放大倍数来衡量。
一般要求仪器能够在叠加40kHz~500kHz固定频率正弦信号的情况下能够有效检测出100pC放电量。
（三）信号采集单元
信号采集单元主要有数据采集卡构成，将实际采集到的模拟信号转化为可供进一步处理的数字信号。
信号采集单元的主要性能参数为采样率、采样分辨率、带宽以及存储深度。
常用的高频局部放电检测设备采样率在几MS/s到100MS/s。
采样率越高越能够还原局部放电信号的高频分量。
（四）数据处理终端
数据处理终端往往采用笔记本电脑，安装有专门的数据处理与分析诊断软件，主要用于显示测量结果。
常规高频局部放电检测装置所提供的检测结果包括：
单脉冲时域波形显示、单周期（20ms）时域波形显示、多周期局部放电
谱图、PRPD谱图、局部放电脉冲频谱分析等。
有些仪器还具有数字滤波功能、局部放电类型模式识别功能、局部放电定位功能、多通道同步测量以及多种测量检测方法联合测量等功能。
一般要求仪器的整机灵敏度不小于100pC，并且能够有效检测且识别出电晕放电。
第3节高频局部放电检测及诊断方法
3.1检测方法
高频局部放电检测具有非嵌入式检测，不同电力设备结构区别较大，从而对应的高频检测方法略有不同，但检测原理及局部放电检测装置基本一致。
下文对电力电缆及其它电力设备分别介绍高频局放检测的具体操作方法。
3.1.1电力电缆
电力电缆局部放电带电测试前，需对检测系统进行性能校验，其方法可参考IEC60270局部放电测量方法中7.3部分进行校验，确保检测系统可以正常工作。
在线带电测量时，针对局部放电检测系统的灵敏度校验，CIGREB1.28工作组提出可在一端HFCT处直接注入校准脉冲，在各接头或另一端进行测量。
但该方法受传感器性能、电缆长度及电缆种类等因素影响，倍受质疑。
因此利用高频电流互感器进行带电检测时其系统灵敏度校验方法一直没有达成统一共识[16]。
电力电缆局部放电带电测试时，HFCT测量位置示意及实物安装图如图5-5、图5-6所示。
通常HFCT卡装在电缆本体、中间接头接地线以及终端接地线上。
对于直埋电缆，可以在电缆中间接头检修工井电缆外护套交叉互联接地线或直接接地线上卡装HFCT方法进行检测，如果条件允许可以开挖电缆接头及本体，在电缆接头和本体上卡装HFCT进行辅助检测；对于隧道内电缆，应综合采用以上两种方法进行检测；对于电缆终端头，在保证安全、具有充分手段和条件情况下，可在电缆终端头接地线上卡装HFCT进行局部放电检测。
测试过程主要包括如下基本步骤：
（1）安装高频局放传感器，连接检测装置的电源线、信号线、同步线、数据传输线等一系列接线，并开始检测；
（1）观察数据处理终端（笔记本电脑）的检测信号时域波形与对应的PRPD谱图，排除干扰并判断有无异常局放信号；
（2）确定存在异常局放信号后，可利用去噪、模式识别以及放电聚类等方法进一步识别（详细介绍见诊断方法）；
（3）对放电源进行定位，结合放电特征及放电缺陷诊断结果给出检测诊断结论，并提出检修建议。
图5-5电缆本体及接头HFCT安装示意图图5-6中间头三相交叉接地箱内HFCT安装图
现场电缆局部放电带电测试时应注意以下事项：
（1）根据现场测试环境应准备相应的防护和工作器具，如在电缆隧道内工作应确认隧道内是否存在有毒易燃气体并采取相应手段予以排除。
（2）对于在电缆互层交叉互联接地线和直接接地线上进行的测试工作应使用合适的工具打开接地箱，在开启过程中严禁接触裸母排等导体，传感器的卡装等操作应佩戴10kV电压等级绝缘手套。
（3）对于电缆终端下方的测试应保证所有操作处于电气安全距离范围内。
3.1.2其他电力设备
对于其他电力设备，如旋转电机、开关设备以及变压器等，利用高频电流互感器进行局部放电检测方法与电缆类似，都是在连接设备电缆本体或接地线上进行测量，图5-7是几种利用HFCT进行带电或在线监测时的检测示意图。
对于这些设备，在进行局部放电测试前，同样需要对局部放电检测系统进行校验，以确保检测设备的正常运行。
由于开关柜、旋转电机等正常运行时电压均较高，在进行传感器安装、设备调试过程中务必佩戴相应等级的绝缘手套以及在一定的电气安全距离内操作，确保人生安全。
图5-7带接地引下线设备高频局部放电检测原理图
3.2诊断方法
对于不同电力设备，高频局部放电检测的诊断方法基本一致，主要包括两大部分：
噪声抑制及放电信号区分、局部放电源的准确定位。
（一）噪声抑制、干扰排除及局放缺陷诊断
对不同电力设备进行高频局部放电检测时，高频传感器耦合出来的信号并非单纯的放电信号，而是混合着电磁干扰噪声，如何将干扰噪声去除是局部放电带电检测过程中较为困难和关键的问题之一。
按照时域波形特征，外部背景噪声主要包括周期型干扰信号、脉冲型干扰信号和白噪声干扰信号。
针对不同干扰信号的特征和性质，需采用不同的抑制措施。
在已有的各种系统中，干扰信号抑制主要包括硬件和软件两个方面的措施。
虽然硬件抑制方法有一定的效果，但是现场干扰会随着环境、设备负载以及运行方式的改变而改变，硬件抑制方法难以达到理想的效果。
随着数字信号处理技术的发展，高频局部放电检测中的干扰抑制措施主要依靠软件实现。
目前常用的数字化抗干扰方法主要有：
脉冲平均法、数字滤波法、信号相关法、神经网络法以及小波分析法。
小波变换是基于非平稳信号的分析手段，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，非常适合于不规则、瞬变信号的处理，越来越多的用于高频局部放电检测的干扰抑制措施中。
对于放电信号的区分，一方面可利用前述的抗干扰技术，将外界干扰噪声抑制到较小水平，另一方面也可通过与不同缺陷放电特征数据库进行对比，即进行放电信号的模式识别。
模式识别的主要步骤包括放电信号的测量、放电信号特征提取与分类和特征指纹库比对三个步骤，从而判断所测信号是否为真实的放电信号以及是何种放电。
一种模式识别方法是利用相位统计谱图的形状特点，通过计算统计谱图的偏斜度、陡峭度以及相互关联因素等特征参数，从而对缺陷类型进行确认和识别。
另外一种是聚类分析法，该方法主要将放电信号按其各自的等效频率、等效时长或其它与波形相关的特征参量进行分类，形成时频域映射谱图。
时频谱图的特点是多个放电源、不同放电类型的局部放电脉冲会被映射到不同聚点，这样便于在局部放电相位谱图上将真实放电和噪声干扰区分开来如图5-8所示。
还有一种聚类原理是利用三相同步局部放电检测技术，对耦合到的信号进行幅度、相位或频率的计算，从而进行分类，如图5-9所示。
图5-8局部放电时频映射谱图[16]
图5-9三相局部放电同步检测聚类谱图[28]
（二）放电源的定位
对于电力电缆运行情况下局部放电源的定位，较为简单的方法是利用高频局部放电检测传感器在电缆终端、各个接头处分别进行局部放电信号的检测，通过对比分析不同传感器位置放电信号的时域和频域特征，来进行放电源的大致定位。
该方法主要利用的是放电脉冲信号在电缆中传输衰减原理，随着放电信号的传播，放电信号幅值减小，上升时间下降、脉冲宽度变宽，信号高频分量严重衰减等，因而可利用这些特点大致判断出放电源的位置。
但值得注意的是该方法较为粗略，精度较低，仅能大致判断出在哪个接头附近或哪两接头间存在缺陷。
另一种方法是利用分布式局部放电同步检测技术。
该方法与上述方法类似，但不同的是在连续几个接头处进行同步测量，根据不同测量处耦合到同一脉冲信号的幅值大小、极性以及到达时间的不同而准确定位放电源的位置。
该方法已在电缆在线局部放电监测中逐渐展开应用，如图5-10所示。
图5-10分布式同步局部放电检测技术
还有一种方法是进行双端局部放电定位。
该方法采用的仍为脉冲反射（TDR）原理。
对于较长电缆，放电信号的严重衰减会导致反射脉冲不可分辨，因此有必要进行双端局部放电定位：
在电缆两端分别安装高频检测传感器，在电缆远端同时安装便携式应答装置和大幅值脉冲发生器。
当在远端检测到放电脉冲信号时（高于设定阈值），便携式应答装置被启动，触发大幅值脉冲发生器发出一个幅值较大的脉冲，从而可根据原脉冲与大脉冲信号之间的时间差对电缆缺陷进行准确定位。
对于其他电力设备，如变压器、互感器等，利用高频局部放电检测传感器定位的应用较少，对应的局部放电源定位可采用超声波、特高频等方法实现。
第四节典型高频局部放电案例分析
4.1110kV电缆GIS终端内部气隙局部放电缺陷案例
（一）案例经过
2013年9月，对某110kV电缆线路进行巡视时发现其变电站内部分存在局部放电信号，精确定位结果显示局部放电缺陷位于该电缆线路B相GIS终端电缆仓内。
随后，对B相电缆仓进行开仓检查并更换电缆终端，更换后异常信号消失。
对更换下来的GIS终端进行X光检测和解体发现在环氧套管地电位金属内衬件端部存在3.9mm不规则气腔，验证了局部放电检测的有效性。
（二）检测分析方法
采用高频局部放电检测仪器对上述110kV电缆终端接地箱进行检测，检测图谱如图5-11所示。
由检测图谱可知，在三相电缆接地箱处均能检测到明显的局部放电信号，其中，B相幅值最大，达到200mV左右；A、C相幅值较小均在80mV左右。
且在同一同步信号下，A、C相放电信号与B相信号极性相反，表明局部放电信号穿过B相传感器的方向与穿过其他两相传感器的方向相反，即局部放电信号沿着B相电缆终端接地线传播，再经同一接地排传播至其他两相的接地线，因此确定局部放电源位于B相GIS电缆终端。
同时，采用特高频传感器和高速示波器对上述局部放电源位置进行了确认。
（a）A相检测图谱
（b）B相检测图谱
（c）C相检测图谱
图5-11110kV电缆终端接地箱处高频局部放电检测图谱
采用GE数字化放射摄影系统（CT）对该环氧套管进行X光扫描，扫描结果如图5-12所示，由图可见，在该GIS终端套管底部内衬件端部存在3.9mm不规则气隙，解体切割后的气隙如图5-13所示。
图5-12环氧套管CT扫描重建横向与纵向断面图
图5-13解体切割后的气隙
（三）经验体会
（1）该案例表明高频局部放电检测不仅能发现电缆中间接头的局部放电缺陷，通过在电缆终端接地箱处进行检测，还能有效发现电缆终端甚至GIS仓体内部的局部放电缺陷。
（2）通过对三相高频检测图谱中时域脉冲的极性和幅值分析，可以很容易的辨别出缺陷的相别。
（3）对缺陷设备进行的X光检测和解体分析验证了高频带电检测的有效性，对于该项技术的推广应用具有重要意义。
参考文献
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[5]LuoG,ZhangD.Study
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