第6章-暂态地电压检测技术.doc

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第六章暂态地电压局部放电检测技术

第一节暂态地电压检测技术概述

一、暂态地电压检测技术的发展历程

暂态地电压检测技术（又称为TEV，TransientEarthVoltage）最早是由英国的Dr.JohnReeves于1974年首次提出，他发现电力设备内部局部放电脉冲激发的电磁波能在设备金属壳体上产生一个瞬时的对地电压，这些瞬时的电压脉冲可在设备外表面安装一个特制的电容传感器所检测到，从而判断设备内部绝缘状态。

当时的英国国家配电行业研究中心（EATechnology公司的前身）基于此原理，陆续研制开发了PDL1、UltraTEV、UltraTEVPlus等一系列暂态地电压检测仪器，在英国的电网公司得到了广泛使用，并逐步被全世界其它电网公司采用。

国内的电网公司于2005年前后陆续开始引入暂态地电压检测技术，一些科研院校和设备制造企业也开始相关研究与研制工作。

目前，暂态地电压检测技术已经有30多年的现场应用经验，成为电力设备绝缘类缺陷简单有效、使用广泛的带电检测技术。

二、暂态地电压检测技术适用性

暂态地电压检测技术是一种检测电力设备内部绝缘缺陷的技术，广泛应用于开关柜、环网柜、电缆分支箱等配电设备的内部绝缘缺陷检测。

但由于暂态地电压脉冲必须通过设备金属壳体间的间断处由内表面传至外表面方可被检测到，因此该检测技术不适用于金属外壳完全密封的电力设备（如：

部分GIS、C-GIS等）。

放电模型模拟试验研究结果表明，暂态暂态地电压检测技术对尖端放电、电晕放电和绝缘子内部放电比较敏感，检测效果较好，而对沿面放电、绝缘子表面放电不敏感（见表6.1），因此，在电力设备绝缘缺陷检测时，暂态暂态地电压检测技术常常与超声波检测技术一起使用。

目前，暂态地电压检测主要以带电检测方式为主，采用手持式仪器对电力设备内部放电进行检测；部分仪器配置两个暂态地电压传感器，可通过时差法对局放源进行定位；对于需要连续监测电力设备内部放电的场合，也可采用固定安装方式，实施在线监测。

表6.1各放电模型检测技术区别

放电模型

暂态地电压检测技术

超声波局放检测技术

沿面放电模型

不敏感

敏感、有效

尖端放电模型

敏感、有效

敏感、有效

绝缘子内部缺陷模型

敏感、有效

不敏感

三、应用情况

上世纪70年代，暂态地电压检测技术被首次提出，由于其简单、实用的特性，逐步被各国电网公司认可。

目前已在英国、中东、新加坡、香港等40多个国家和地区广泛应用，积累了30多年的现场应用经验。

2005年前后，暂态地电压检测技术开始传入国内。

2006年起，通过与新加坡新能源电网公司进行同业对标，以北京、上海、天津为代表的一批国内电网公司率先引进暂态地电压检测技术，开展现场检测应用，并成功发现了多起开关柜内部局部放电案例，为该技术的推广应用积累了宝贵经验。

暂态地电压检测技术在2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会等大型活动的保电工作中发挥了重要作用。

国家电网公司在引入、推广暂态地电压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，国网电网公司颁布了《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）》，首次在国网电网公司范围内统一了暂态地电压检测的判据、周期和仪器配置标准，暂态地电压检测技术在国网电网公司范围全面推广；2014年，国网电网公司修订了《输变电设备状态检修试验规程》，正式将暂态地电压检测技术列为开关柜设备的常规带电检测试验项目之一；同年年底，为进一步规范仪器选型，指导现场检测应用，国网电网公司颁布了《暂态地电压局部放电检测仪技术规范》和《交流金属封闭开关设备暂态地电压局部放电带电测试技术现场应用导则》，初步建立起完整的暂态地电压检测技术标准体系。

第二节暂态地电压检测技术基本原理

一、基础知识

1、暂态地电压的产生机理

当配电设备发生局部放电现象时，带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体快速迁移，如配电设备的柜体，并在非带电体上产生高频电流行波，且以光速向各个方向快速传播。

受集肤效应的影响，电流行波往往仅集中在金属柜体的内表面，而不会直接穿透金属柜体。

但是，当电流行波遇到不连续的金属断开或绝缘连接处时，电流行波会由金属柜体的内表面转移到外表面，并以电磁波形式向自由空间传播，且在金属柜体外表面产生暂态地电压，而该电压可用专门设计的暂态地电压传感器进行检测。

具体如图6.1所示。

图6.1：

暂态地电压信号的产生机理示意图

由于配电设备柜体存在电阻，局部放电产生的电流行波在传播过程中必然存在功率损耗，金属柜体表面产生的暂态地电压也就不仅与局部放电量有关，还会受到放电位置、传播途径以及箱体内部结构和金属断口大小的影响。

因此，暂态地电压信号的强弱虽与局部放电量呈正比，但比例关系却复杂、多变且难以预见，也就无法根据暂态地电压信号的测量结果定量推算出局部放电量的多少。

暂态地电压传感器类似于传统的RF耦合电容器，其壳体兼做绝缘和保护双重功能。

当金属柜体外表面出现快速变化的暂态地电压信号时，传感器内置的金属极板上就会感生出高频脉冲电流信号，此电流信号经电子电路处理后即可得到局部放电的强度。

如果在配电设备柜体表面同时放置两只暂态地电压传感器，则局部放电源发出的电磁波脉冲经过不同的路径先后传播到两只暂态地电压传感器，仪器通过比较或者测量电磁脉冲到达两只传感器的时间先后或者大小，则可以判断出局部放电源的空间位置。

2、暂态地电压检测的量度指标

暂态地电压法局部放电检测技术属于间接法局部放电检测技术，其信号波动范围大，随机性强，而且检测结果与放电源的位置和传播途径存在复杂的关联关系，因此难以按照IEC60270标准的要求进行标定。

为了实现对高压开关柜局部放电严重程度的带电检测，并考虑间接法检测的实际特点和检测设备设计的复杂性，其指标体系经常采用无线电电子学的测量单位，最经常使用的单位主要有dBmV、dBμV和dBm。

2.1、dBmV

对于高压开关柜来说，其局部放电所产生的暂态地电压信号的幅值一般在1mV~1V左右。

暂态地电压测量系统一般以电压为基准，以dBmV为单位进行测量。

按照标准定义，dBmV是以1mV为基准，测量电压（有效值或者峰-峰值）以mV为单位进行的测量。

即有：

（6-1）

根据定义，对于1mV的暂态地电压信号，其对应的dBmV值为0；而对于1V的暂态地电压信号，其对应的dBmV值则为60。

显然，幅值变化范围为1000倍的暂态地电压信号被压缩到100以内。

2.2、dBμV

对于高压开关柜来说，其局部放电所产生的超声波信号幅值变化比暂态地电压还要大，范围约在0.5μV~100mV之间。

超声波测量系统一般以电压为基准，以dBμV为单位进行测量。

按照标准定义，dBμV是以1uV为基准，测量电压（有效值或者峰-峰值）以μV为单位进行的测量。

即有：

（6-2）

根据定义，对于0.5μV的超声波信号，其对应的dBμV值为-6；而对于100mV的超声波信号，其对应的dBμV值则为100。

显然，幅值变化范围为20000倍的超声波信号被压缩到100以内。

2.3、dBm

dBm是dBmW单位的缩写。

无论是dBmV还是dBuV，都是一种电压测量体系，与负载阻抗没有关系，而dBm则是一种功率测量体系。

根据标准定义，dBmW或dBm是以1mW为基准，信号功率以mW为单位进行的测量。

即有：

（6-3）

对于大多数射频测量设备，输入阻抗和负载阻抗一般为50欧姆。

根据定义，有：

将式（6-1）代入（6-3），则有：

（6-4）

其中，单位是mV，单位是mW。

对于75欧姆测量系统，则有：

（6-5）

2.4、dBmV、dBμV和dBmW之间的相互转换

根据前面的定义，可知：

（6-6）

（6-7）

二、暂态地电压传感器的工作原理

暂态地电压传感器的原理电路如图6-2所示。

图6-2：

暂态地电压传感器原理示意图

暂态地电压传感器是一个前面覆盖有PVC塑料的金属盘，并用同轴屏蔽电缆引出。

PVC塑料一方面充当绝缘材料，另一方面对传感器起到保护和支撑作用。

测量时，暂态地电压传感器抵触在开关柜金属柜体上面，裸露的金属柜体可看作平板电容器的一个极板，而暂态地电压传感器则可看作平板电容器的另一个极板，中间的填充物则为PVC塑料。

对于由金属柜体、PVC材料和暂态地电压传感器构成的平板电容器来说，金属柜体表面出现的任何电荷变化均会在暂态地电压传感器的金属盘上感应出同样数量的电荷变化，并形成一定的高频感应电流。

该高频电流经引出线输入到检测设备内部并经检测阻抗转换为与放电强度成正比的高频电压信号。

经检测设备处理后，则可得到开关柜局部放电的放电强度、重复率等特征参数。

耦合电容器的电压-电流关系为：

（6-8）

其中，为暂态地电压传感器输出的电流信号；为测量点处的暂态地电压信号；为用电容量表征的暂态地电压传感器设计参数。

式（6-8）表示的高频电流信号在检测设备内部被检测阻抗变换为电压信号。

（6-9）

值得注意的是，根据式（6-9），不同厂家设计的暂态地电压检测仪器可能在同一次检测中得到不同的检测结果，主要原因有：

（1）暂态地电压检测设备的测量结果与暂态地电压传感器的设计参数密切相关，如果不采取补偿措施，不同的传感器设计参数可能会得到不同的检测结果；

（2）暂态地电压检测设备的测量结果与暂态地电压信号的频谱特性密切相关。

不同放电类型的放电，即便具有相同的放电强度，暂态地电压检测设备也可能会给出不同的检测结果；

（3）暂态地电压法的测量结果与检测仪器内部的阻抗参数有关。

三、暂态地电压检测设备的基本组成及原理

暂态地电压检测仪器的组成框图见图6-3，主要分暂态地电压信号检测和信号定位两大功能。

图6-3：

暂态地电压检测设备框图

1、暂态地电压检测功能

暂态地电压检测仪器由TEV传感器及其信号调理电路、模数转换电路、微处理器电路、人机接口、存储器、通讯接口和电源管理单元组成。

信号调理电路负责将微弱的暂态地电压信号转换为合适的信号电平、波形和频率；模数转换电路负责将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，并提供给微处理器系统，实现信号的处理、分析和存储；人机接口电路实现操作者与检测设备的信息交互；数据存储电路实现检测数据和设备信息的就地存储；通讯接口电路用于实现检测设备终端与数据管理系统的信息交换；电源管理单元负责电源的电压变换和储能部件的充电管理及监测。

其中，最核心的是暂态地电压信号调理电路，其原理框图如图6-4所示。

其中，模拟滤波电路用于对暂态地电压传感器馈入的模拟进行处理，限制其带宽，以最大限度地降低外部环境的电磁干扰和提高局部放电检测的灵敏度；对数放大电路用于对暂态地电压信号进行非线性放大；峰值检波电路用于对持续时间短至ps级的局部放电信号进行处理，提取对局部放电检测最为重要的幅值信号，而将其持续时间展宽至μs级，以降低后续采样与转换电路的设计指标要求。

图6-4：

暂态地电压信号调理电路原理示意图

暂态地电压信号调理电路具有下列基本特征：

（1）信号调理电路的频谱特性需要兼顾灵敏度和抗干扰特性的要求。

对于主导频率处于所设计频带范围之外的局部放电现象，检测设备存在失效的可能。

对于开关柜来说，局部放电所产生电磁波信号的最高频率一般不超过100MHz；

（2）对数放大器对于弱信号具有很高的放大增益，因此对于轻微的局部放电现象具有较高的灵敏度。

同时对数放大器对于大信号又具有很小的增益，因此对于剧烈的放电现象能够自动限制信号幅值，保证检测设备的电气安全；

（3）峰值检波电路能够保留对局部放电检测最为重要的峰值信息，而忽略了局部放电原始信号的频率信息。

一般来说，检波时间常数可达到100us，因此即便采用1MHz的采样率也能够正确测量局部放电。

对便携式检测设备的采样率要求提出过高的技术要求毫无必要；

（4）重复率过高的局部放电信号将会导致峰值检波电路的输出存在很大的直流分量，不同的信号提取算法可能会导致不同的测量结果。

2、暂态地电压定位功能

暂态地电压检测仪器的定位功能一般采用时差原理实现，一般采用硬件数字电路实现，主要包括：

两路几乎完全相同的TEV传感器、增益控制电路、触发逻辑电路以及最后对电磁脉冲信号实现时序鉴别的高速逻辑电路。

增益控制电路主要用来将传感器输入的暂态地电压信号放大或者衰减到合适的电压水平，并与触发逻辑的设定值相匹配，以便精确获得暂态地电压信号的触发时刻；触发逻辑电路的主要功能是将模拟的暂态地电压信号转换为合适的数字逻辑电平，且严格保证逻辑电平的前沿与暂态地电压的出现时刻保持一致；时序鉴别逻辑电路对两路触发逻辑电路输出的脉冲信号进行优先级鉴别，并提供对称的时序鉴别逻辑输出；微处理器读取时序鉴别逻辑的输出，则可以判断出暂态地电压信号出现的时间先后，从而帮助操作人员判断出局部放电源的大致位置。

3、暂态地电压检测的指标体系

暂态地电压检测仪器的主要技术指标包括：

（1）频带范围：

仪器能够正确检测的射频信号频带范围，一般为3MHz~100MHz。

值得注意的是，由于局部放电信号属于非稳态高频信号，频带范围的标定标准与常见标准存在差异，一般很难沿用-3dB标准。

另一方面，对于开关柜的局部放电现象，射频信号主导频率低于3MHz的几率很高，因此，对于特定类型的局部放电，不同的暂态地电压法检测设备给出的检测结果可能存在较大的差异。

（2）标称电容：

暂态地电压传感器电容参数的计算值或稳态测量值，一般为pF级。

不同的检测设备生产厂商根据设计要求，可能选择不同标称值的传感器，但一般不会超过100pF。

（3）测量范围：

检测设备能够测量的射频信号的最大值或有效值，单位一般为dBmV。

如果采用dBm标定，可根据式（6-6）、（6-7）进行变换。

由于对数放大器对大信号的增益非常小，且目前尚无可靠的测量误差标定办法，因此仪器的测量范围能够满足要求即可。

（4）重复率：

检测设备单位时间内或每工频周期能够正确分辨的放电活动次数。

重复率仅统计放电强度超过设定水平的放电脉冲，由于每个设备厂商设定的判定标准存在差异，因此重复率的测量结果可能会存在差异。

值得注意的是，局部放电活动的根本特征是放电强度和重复性。

实践过程中，对于放电强度过大而重复率过小，或者放电强度过小而重复率很大的局部放电现象，可能都属于干扰的范畴。

（5）定位精度：

按照时间鉴别精度标定，不大于2ns，对应的定位空间分辨率不大于600mm。

（6）增益控制精度：

增益控制精度间接影响着暂态地电压脉冲的捕捉精度，是暂态地电压定位的重要误差来源，一般不高于1dB。

如果增益控制的步进精度过低，可能导致逻辑触发电路无法精确地在脉冲峰值处触发，使得不同暂态地电压信号通道的数字逻辑信号前沿时刻产生偏差，导致定位结果不准确。

第三节暂态地电压检测数据的分析

一、检测方法

1检测流程

高压开关柜的局部放电检测在开关柜的结构和频谱特性方面与其他电力设备存在明显区别。

首先，放电部件封闭于金属壳体内，检测设备的传感器难以深入开关设备内部，因此检测过程难以排除环境电磁噪声的影响。

其次，开关柜及其部件主要采用空气绝缘或环氧树脂固体绝缘，绝缘强度较弱，电磁放电的频谱较低，基本上与环境电磁噪声的频带重合。

因此，高压开关柜的暂态地电压检测必须遵循一定的程序，才能得出准确的结论。

图6-5开关柜局部放电现场检测的基本流程

暂态地电压检测之前，必须采取措施首先检测现场的背景噪声并做好记录。

然后，开始按照正常程序检测开关柜的暂态地电压数据，并按照一定的阈值准则综合背景噪声和实测数据，评估开关柜的实际局部放电数据。

注意，阈值准则一般情况下仅能给出开关柜是否存在局部放电的信息，而放电程度的表征是很不严格的，但这种分析方法却比较直接和快捷。

另外，也应当考虑背景噪声的波动特性，每隔一段时间就应当复测背景噪声，以保证背景噪声的时效性。

在简单阈值分析无法给出正确的放电信息时，特别是放电程度相对偏弱时，还可以利用横向分析技术实现对单台或多台开关柜局部放电活动的判断。

与阈值分析和横向分析技术相比，统计分析则可以从宏观角度分析和发现电力企业开关柜局部放电状态的发展演化，既能帮助企业制订正确的检修策略，也能为阈值分析提供更加符合企业自身实际的判断准则。

纵向分析则是通过特定开关柜局部放电检测数据的发展变化，帮助运维人员发现配电设备存在的潜伏性缺陷。

对于检测结果判断为异常的开关柜，需要进一步采用局部放电定位技术对检测结果进行排查、确认。

2检测仪器要求

2.1、基本功能

²能够显示暂态地电压信号的强度；

²具备单次测试和连续测试两种测试模式；

²具备报警设置功能及告警功能；

²具备数据管理和数据导入导出功能；

²具备基于电磁波信号时差法的局部放电定位功能。

2.2高级功能

²具备脉冲计数功能，可以显示2s脉冲数；

²可通过不同测量模式的综合分析进行局部放电定位和种类识别；

²通过数据管理软件，对开关柜进行绝缘状态分析、数据统计分析等；

²能够输出与暂态地电压信号前沿同步的脉冲信号输出。

2.3使用条件要求

²环境温度：

-10℃~+55℃；

²环境相对湿度：

0%～85%；

²大气压力：

80kPa~110kPa。

2.4性能指标要求

²测量量程：

0dBmV~60dBmV；

²分辨率：

1dBmV；

²误差：

不超过±2dBmV；

²传感器频率范围：

3MHz~100MHz；

²增益调整步进精度：

不大于1dB；

²时间定位精度：

≤2ns。

3、现场检测要求

3.1检测人员要求

²检测人员应具备如下条件:

²熟悉暂态地电压局部放电检测的基本原理、诊断程序和缺陷定性的方法；

²了解暂态地电压局部放电检测仪的技术参数和性能；掌握暂态地电压局部放电检测仪的使用方法；

²了解开关柜设备的结构特点、运行状况；

²熟悉相关导则，接受过暂态地电压局部放电检测技术的培训，具备现场测试能力；

²具有一定的现场工作经验，熟悉并严格遵守电力生产和工作现场的相关安全管理规定。

3.2工作安全要求

²应严格执行国家电网安监[2009]664号《国家电网公司电力安全工作规程（变电部分）》的相关要求；

²应严格执行相关变（配）电站巡视的要求；

²检测至少由两人进行，并严格执行保证安全的组织措施和技术措施；

²应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位或兼职其他工作；

²应确保操作人员及测试仪器与电力设备的高压部分保持足够的安全距离；

²不得操作开关柜设备，开关柜金属外壳应接地良好；

²设备投入运行30分钟后，方可进行带电测试；

²测试现场出现明显异常情况时（如异音、电压波动、系统接地等），应立即停止测试工作并撤离现场。

3.3工作条件要求

²开关柜设备上无其他作业；

²开关柜金属外壳应清洁并可靠接地；

²应尽量避免干扰源（如气体放电灯、排风系统电机）等带来的影响；

²进行室外检测应避免天气条件对检测的影响；

²雷电时禁止进行检测。

4、检测方法

4.1检测周期要求

²新投运和解体检修后的设备，应在投运后1个月内进行一次运行电压下的检测，记录开关柜每一面的测试数据作为初始数据，以后测试中作为参考；

²暂态地电压检测至少一年一次；

²对存在异常的开关柜设备，在该异常不能完全判定时，可根据开关柜设备的运行工况缩短检测周期。

4.2检测工作准备

²检查仪器完整性，确认仪器能正常工作，保证仪器电量充足或者现场交流电源满足仪器使用要求；

²对于高压开关柜设备，在每面开关柜的前面、后面均应设置测试点，具备条件时，在侧面设置测试点，检测位置可参考图6-19；

后上

后中

后下

前下

前中

侧下

侧中

侧上

图6-6暂态地电压参考检测位置示意图

4.3检测部位

²一般按照前面、后面、侧面进行选择布点，前面选2点，后面、侧面选3点，后面、侧面的选点应根据设备安装布置的情况确定；

²如存在异常信号，则应在该开关柜进行多次、多点检测，查找信号最大点的位置；

²应尽可能保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析；

²根据现场需要设置相应的检测位置。

4.4检测步骤

²按4.2进行检测准备；

²测试环境（空气和金属）中的背景值，并在表格中记录。

一般情况下，测试金属背景值时可选择开关室内远离开关柜的金属门窗；测试空气背景时，可在开关室内远离开关柜的位置，放置一块20×20cm的金属板，将传感器贴紧金属板进行测试；

²对开关柜进行检测，检测时传感器应与高压开关柜柜面紧贴并保持相对静止，待读数稳定后记录结果，如有异常再进行多次测量；

²一般可先采用常规检测，若常规检测发现异常，再采用定位检测进一步排查；

²对于异常数据应及时记录保存，记录故障位置；

²填写设备检测数据记录表，进行检测结果分析；

²注意测试过程中应避免信号线、电源线缠绕一起。

排除干扰信号，必要时可关闭开关室内照明灯及通风设备。

4.5定位步骤

²在暂态地电压检测结果出现异常时进行放电源定位；

²利用与定位仪器配套的检查设备确认定位仪器性能完好；

²将两只暂态地电压传感器分置于开关柜面板上，并保证间隔距离不小于0.6米；

²使用自动或手动功能调节两个通道的触发电平，保证每个检测通道均能够连续、可靠、准确地被触发；

²启动仪器的定位功能。

当某个通道的指示灯点亮时，表明放电源靠近该通道连接的传感器位置。

定位操作时的注意事项：

²如果两个通道的指示灯交替点亮，可能存在两种原因：

（1）暂态地电压信号到达两个传感器的时间相差很小，超过了定位仪器的分辨率；

（2）两个传感器与放电点的距离大致相等，导致时序鉴别电路难以正常鉴别。

解决方法：

可略微移动其中一个传感器，使得定位仪器能够分辨出哪个传感器先被触发。

²影响放电源定位测试结果的两种情况：

（1）当局部放电源距离测量位置较远时，暂态地电压信号经过较长距离传输后导致波形前沿发生畸变，且因为信号不同频率分量传播的速度存在差异，会造成波形前沿进一步畸变，影响定位仪器判断；

（2）强烈的环境噪声干扰也会导致定位仪器判断不稳定。

二、诊断方法

1、背景噪声对暂态地电压局部放电分析的影响

开关柜金属柜体的暂态地电压水平从能量角度来看，可认为是外部空间的电磁干扰与局部放电共同作用的结果。

假设：

符号

定义

金属门等处测量的噪声分贝值，即背景噪声值；

开关柜实测的暂态地电压分贝值，包括噪声的影响，即实测值；

开关柜局部放电的暂态地电压理论分贝值，即实际值；

在巡检过程中可以通过测量得到的数值是dBN和dBNS。

通过公式（6-10）可以计算得到dBS。

（6-10）

根据式（6-10）可以得