常见的三种电气设备局部放电的测试方法

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据局部放电产生的各种物理、化学现象，如电荷的交换，发射电磁渡、声波、发热、光、产生分解物等，可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电测法和非电测法两大类。

利用测超声波检测技术来测定局部放电的位置及放电程度，这种方法较简单，不受环境条件限制。但灵敏度较低，不能直接定量。在进行局部放电测量中当发现变压器有大于5000pC的故障放电，超声波声测量方法常用于放电部位确定及配合电测法的补充手段。

但声测法有它独特的优点，即它可在试品外壳表面不带电的任意部位安置传感器，可较准确地测定放电位置，且接收的信号与系统电源没有电的联系，不会受到电源系统的电信号的干扰；因此进行局部放电测量时，以电测法和声测法同时运用，两种方法的优点互补，再配合一些信号处理分析手段，则可得到很好的测量效果。

超声波就是一种振荡频率比通常人耳可听见的声波频率高一些的一种声波，它的特性大致与声波差不多，但由于它的频率高一些，因而也存在一些声波所没有的特性。通常我们熟悉的声波可以在空气中传播，它是一种纵波，也是一种机械波。

人耳所能接收的声波频率约为20Hz~20kHz左右，超声波也是一种疏密变化的机械波，它可以在气体、液体和固体等媒质中传播，它在各种介质中的传播速度如图2所示。 

当超声波通过两种不同物质的界面时，由于两种物质有不同波阻抗，会产生入射和反射，若把入射波和反射波的振幅之比设为A0，设第一种物质的声波阻抗为p1c1，第二种物质的波阻抗为p2c2，则入射波和反射波的振幅之比A0可表示为

A0＝反射波幅值÷入射波幅值＝(ρ1c1 －ρ2c2)÷(ρ1c1＋ρ2c2)

再设入射波的能量为E1，反射波的能量为E2，则它们能量之比就称为反射系数，用符号K来表示，则有

K＝E2/E1＝[(ρ1c1 －ρ2c2)÷(ρ1c1＋ρ2c2)]2

超声波在气体和液体中以纵波传播，而在固体中则以横渡传播，这样就存在有表面波，因此对同一种固体物质，在各方面超声波传播的速度就会不相同。由于超声波的波长较短，因此它的方向性较强，从而它的能量较为集中，也就是说它对于方向性有很好的鉴别能力。

频率越高的超声波在空气中传播衰减越大，一般来讲，20-40kHz的超声波在空气中传播5m左右就会衰减很多，40kHz以上的超声波在空气中传播时会很快衰减。

（一）超声波传感器原理 

在压电陶瓷上加上一大小和方向不断变化的电压，根据压电效应，就会使陶瓷片产生机械形变，这样形变的大小和方向是与外加电压成正比的，也即在压电陶瓷上加有变化频率为f的电压，它就会产生频率为f的机械振荡波形（即超声波）。相反，外加一定频率的振动压力使压电陶瓷产生机械变形，也会在压电陶瓷两侧产生相应频率的电压。根据这种压电效应，将两片压电陶瓷反极性地贴合在一起就构成了双电压型的振动子，或是在压电陶瓷上贴上金属膜则可构成单片型的振动子。压电陶瓷的自由振动频率，可由下式表示

式中 E—杨氏模量；

α—常数=4.73；

r—圆版陶瓷片的半径；

ρ—密度；

δ—泊松比（及棒手拉力后纵横方向的变形尺寸比）；

t—振动子的厚度

由上式可见，如压电陶瓷的材料和金属板组合结构固定了，则它的谐振频率就可用下式表示

F∝t/r2

由上式可见，压电超声传感器的振动频率与其结构半径的平方成反比，而与它的厚度t成正比。这样，在传感器制作中，可改变压电陶瓷的大小、尺寸和厚度制成不同频率的传感器。 

局部放电测量通常选用密封结构的超声传感器，其结构原理见图3。它是直接把压电陶瓷安装在金属外壳至上，带动外壳一起振动，并在金属壳里填充树脂作为密封。

超声传感器的原理结构图

1—金属外壳；2—陶瓷振动自；

3—底座；4—填充树脂；5—引出脚。

（二）局部放电超声测量

用超声探头获得由局部放电引起的超声信号，并用数字式局部放电仪或波形记录仪记录波形作定位测试。声测法原理框图如图4所示。

声测法原理框图

如将1-4个声探头的信号同时记录下并在屏上显示所测到的波形，对局部放电作定位测量很有利。当与电测法联合测量时，有助于判断所测到的信号是否为内部放电。

当仪器对变压器进行超声测量时，屏上按所探测的声通道数在屏上同时显示1-4路波形，测量人员移动光标到认为是放电声信号的位置，程序即自行计算出放电点距探头的位置。若为3个以上的测量点，则由给定的各探头光标计算出放电点的光标位置。

用于互感器等试品时，在靠近高压部分则用光纤连接，有时装设1~2个传感器即可，前置放大器仅用一个。

当设备内部有故障放电时（几千到几万皮库），这时利用电信号作为仪器触发信号，也即以电信号作为时间参考零点，然后以1~3个通道采集声信号，仪器A/D采样频率可选在500kHz或1 MHz并移动传感器位置，使能有效地测到超声信号，见图5。测得电信号与声信号的时间差△t就可计算出放电点与传感器的位置的距离，S=v△t，一般计算取V=1.42mm/μs。

超声测量信号波形

利用光学、热或化学分解物的原理也能进行局部放电测量。

1.光检测法

对于绝缘内部的局部放电，只有透明介质才宜用光检测法，例如聚乙烯绝缘电缆芯通过水介质扫描用光电倍增管观察。但该方法灵敏度较低，局限性大，较适宜于检测暴露在外表面的电晕放电。

2.热检测法

由于局部放电在放电点会发热，当故障较严重时，局部热效应是明显的，可用预先埋入的热电偶来测量各点温升，从而确定局部放电部位。这种方法既不灵敏且不能定量，因而在现场测量中一般不用这种方法。

3.放电产物分析法

油纸绝缘材料在局部放电作用下会分解产生各种气体，分析局部放电时产生的化学生成物，例如用色谱分析仅测量高压电气设备的油中，由于放电产生的微量可燃性气体，从而推断局部放电的程度，从而判断故障类型，已在生产实际中广泛应用，并取得较好的效果。各种气体中对判断故障有价值的气体有甲烷( CH4)、乙烷（C2H6）、乙烯（C2 H4）、乙炔(C2H2)、氢(H2)、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）等。

 绝缘中存在局部放电时，当放电较小并在故障点引起的温度高于正常温度不多时，由油裂解的产物主要是甲烷和氢；当局部放电故障扩大，形成局部爬电或火花、电弧放电时，会引起局部高温，产生乙炔、乙烯和一氧化碳、二氧化碳，如利用四种特征气体的三比值法，可用来判断变压器故障性质，但实际上对电力设备进行绝缘故障判断时，仅根据一次测量数据往往是不够的，宜利用色谱分析，观察各有害气体随时间的增量，并和局部放电超声测量和电测法数据作比较，进行综合判断，才能更加有效地判断故障性质。

当故障涉及到固体绝缘时，会引起一氧化碳和二氧化碳含量的明显增长。但根据现有统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下劣化分解，表现在油中一氧化碳的含量上，一般情况下没有严格的界限；二氧化碳含量的规律更不明显。因此，在考察这两种气体含量时更应注意结合具体变压器的结构特点，如油保护方式运行温度、负荷情况、运行历史等情况加以分析，以尽可能得出正确的结论。

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