局部放电检测技术的现状和发展

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.20 No.2 Feb. 2005

局部放电检测技术的现状和发展

郭 俊 吴广宁 张血琴 舒 雯

（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）

摘要 随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。文章回顾了局部放电检测技术的发展，重点对常用的几种局部放电测试方法进行介绍，并对未来的局部放电检测作了展望。

关键词：局部放电 脉冲电流 超高频 高压脉冲 直流 中图分类号：TM835

The Actuality and Perspective of Partial Discharge Detection Techniques

Guo Jun Wu Guangning Zhang Xueqin Shu Wen （Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）

Abstract As increasing voltage grade of power electrical equipment, it is much more rigorous for the reliability of these equipment. Partial discharge (PD) detection, as one of the non-destructive testing, has been paid more and more attention. The paper gives a review on the PD detection technique, introduces the most popular method of PD detection, and gives a forecast for the future development of PD test.

Keywords：Partial discharge, pulse current, UHF, high voltage continues pulses, DC

提出了相应规范。局部放电检测技术即是在这个背景下快速发展起来。

人们对局部放电的认识可以追溯到1777年， Lichtenberg在Gottingen皇家社团会议上发表了他试验研究的新结果。他利用伏特新设计的检测仪可以看到奇妙的星形或圆形尘埃轮廓。见图1所示。他们认为，这些看来像放电通道的尘埃轮廓即代表着绝缘体表面放电现象。

1 引言

局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电,这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接，这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近[1]。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度[2]。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验。我国国家标准和国际电工委员会都对此

国家自然科学基金资助项目（50377035）, 国家自然科学基金联合基金项目（10476022）及霍英东教育基金资助项目（91060）。收稿日期2004-09-02 改稿日期2004-12-20

图1 正极（左）和负极（右）处表面放电产生

的尘埃特征

Fig.1 Dust figures produced by surface discharges under

positive (left) and negative polarity (right)

1873年，Maxwell提出了电磁学假设，1896年赫兹通过实验证明了Maxwell关于电磁波存在性及其在空间、时间上传播的假说，这些理论和实验工

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作都成为了局部放电检测设备设计和物理模型开发的基础。

最初用于局部放电的检测设备是基于西林电桥的功耗电桥。该设备在1919年开发出来，并在1924年首次用于局部放电检测。一年后，即1925年，Schwaiger发现了电晕放电时的无线电频率特性。这项发现为设计测量电晕放电的无线电干扰仪奠定了基础。这种无线电干扰电压法（RIV）至今仍在一些国家，尤其是在北美国家中广泛应用。

1928年，Lloyd和Starr提出了平行四边形测量局部放电的方法，该方法可以认为是积分电桥的始祖。积分电桥是Dakin和Malinaric在1960年提出的[3]。这种方法在局部放电的物理研究中具有独到的优点，至今仍在应用[4]。

此后，各种局部放电检测技术应运而生。基于对发生局部放电时产生的各种电、光、声、热等现象的研究，局部放电检测技术中也相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。近年来，随着变频电源的广泛应用，一些变频系统绝缘出现过早老化的情况，在脉冲条件下的局部放电检测也引起人们的关注。本文综述了近年来得到广泛应用的几种局部放电检测方法，同时对未来在多种工作环境（如脉冲电源、高压直流大电容条件下）的局部放电检测提出展望。

流条件下的局部放电测量。

脉冲电流法的基本测试回路分为直测法和平衡法两种。直测法常遇到各种干扰，特别是在现场环境下，会严重影响测试灵敏度。而平衡法由于其抑制共模干扰的优良性能，得到广泛采用。平衡法测试回路有西林电桥、差分电桥以及双电桥等形式。目前西林电桥干扰抑制比可达到几十，差分法可达到数百甚至上千。但是，平衡法的测量灵敏度一般比直测法低。

脉冲电流法应用广泛，目前市场上大部分电类局部放电测试仪都采用直测法回路，如瑞士Haefely公司的TE571局部放电测试仪、JFD−2局部放电测试仪等等。湖北省电力试验研究院于2003年曾对三峡工程左岸电站2号TWUM−840MVA/550kV变压器进行了现场局部放电的离线检测，检测时最小背景干扰3.5pC，最小检测量33.5 pC[12]。 2.1.2 无线电干扰电压法（RIV）

无线电干扰电压法，包括射频检测法，最早可追溯到1925年，Schwarger发现电晕放电会发射电磁波，通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生。国外目前仍有采用无线电干扰电压表检测局部放电的运用，在国内，常用射频传感器检测放电，故又叫射频检测法。较常用射频传感器有电容传感器、Rogowski线圈电流传感器和射频天线传感器等。

Rogowski线圈电流传感器是20世纪80年代由英国的Wilson等人提出，1996年，吴广宁等人对该传感器做出改进，设计出用于大型电机局部放电在线监测用的宽频电流传感器，并获得实用新型专利（ZL97 2 42089.4）。该传感器在我国陕西秦岭发电厂、兰州西固热电厂已有应用[9]。清华大学朱德恒等人将此传感器用于大型汽轮发电机-变压器组的局部放电在线监测，并在元宝山发电厂投入试运行取得一定效果[10]。

RIV方法能定性检测局部放电是否发生，甚至可以根据电磁信号的强弱对电机线棒和没有屏蔽层的长电缆进行局部放电定位；采用Rogowski线圈传感器也能定量检测放电强度，且测试频带较宽（1~30MHz），现场测试证明，该方法具有较好的实用价值。

2.1.3 超高频（UHF）局部放电检测技术

在20世纪80年代以前，市场上局部放电检测仪的工作频带仅在1MHz以下。1982年Boggs和Stone在他们的试验中使测试仪器的测量频带达到

2 局部放电检测技术研究现状

2.1 电检测法

局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。另外，每次放电过程持续时间很短，在气隙中一次放电过程在10 ns量级；在油隙中一次放电时间也只有1µs。根据Maxwell电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。局部放电电检测法即是基于这两个原理。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰电压法、介质损耗分析法等等。特别是，20世纪80年代由S. A. Boggs博士和G. C. Stone博士提出的超高频检测法近年来得到广泛关注[5]，并逐渐有实用化的产品问世。 2.1.1 脉冲电流法

脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法，国际电工委员会（IEC）专门对此方法制定了相关标准（IEC−270）。该标准规定了工频交流下局部放电的测试方法，同时，此方法也适合于直

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1GHz，成功的测试出GIS中的初始局部放电脉冲[5]。在此频带下，噪声信号衰减剧烈，可有效的实现噪声抑制，且可以基本无损的再现局部放电脉冲，从而深化对局部放电的机理性研究。

介质损耗分析法特别适用于测量低气压中存在的辉光或者亚辉光放电。由于辉光放电不产生放电脉冲信号，而亚辉光放电的脉冲上升沿时间太长，普通的脉冲电流法检测装置中难以检测出来。但这种放电消耗的能量很大，使得∆tgδ 很大，故只有采用电桥法检测∆tgδ 才能判断这种放电的状态和带来的危害。

但是，DLA方法只能定性的测量局部放电是否发生，基本不能检测局部放电量的大小，这限制了

图2 利用超宽带探测器使带宽达到1GHz后，示波器记录的树状（左边）和浮动电位体（右边）局部放电脉冲[5] Fig.2 Oscilloscopic records of PD pulses from trees (left)

and floating particles (right) using UHF

detection up to 1GHz[5]

DLA方法的运用。目前关于用DLA方法测局部放电的报道还很少。

以上列举了一些电力设备常用局部放电检测方法。从目前市场上看，电测法仍是局部放电检测中最重要的手段，其中的脉冲电流法已经很成熟，由于其检测灵敏度很高，且容易进行放电量校准，采用高频检测阻抗还可准确再现局部放电脉冲波形，故在进行局部放电机理研究、实验室离线测试中占主导地位。但是，由于其易受到外电路的电磁干扰，使其灵敏度大大下降，在现场环境中，脉冲电流法应用并不很多。无线电干扰电压法中Rogowski线圈传感器由于结构简单、安装方便，检测灵敏度高、频带宽等优点，在局部放电在线监测中被广泛采用，现在大型电机、变压器、GIS等设备的在线监测中均有应用。超高频检测法是近年发展起来的新型局部放电检测方法，具有频带高、灵敏度好、抗电磁干扰能力强等显著优点，被认为是最有潜力的局部放电在线检测方法。但是，超高频检测用微带天线传感器目前还在研究之中，制造工艺要求甚高，技术尚不成熟。 2.2 非电量检测法

局部放电发生时，常伴有光、声、热等现象的发生，对此，局部放电检测技术中也相应出现了光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。较之电检测法，非电量检测方法具有抗电磁干扰能力强、与试样电容无关等优点。 2.2.1 声测法

介质中发生局部放电时，其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发，效果就像一个小爆炸。此时放电源如同一个声源，向外发出声波。由于放电持续时间很短，所发射的声波频谱很宽，可达到数MHz。要有效检测声信号并将其转化为电信号，传感器的选择是关键。常用的声传感器有用于气体中的电容麦克风（condenser microphone）、电介体麦克风（electrets microphone）和动态麦克风

超高频检测又分为超高频窄带检测和超高频超宽频带检测。前者中心频率在500MHz以上，带宽十几MHz或几十MHz，后者带宽可达几GHz。由于超高频超宽频带检测技术有噪声抑制比高、包含信息多等优点受到人们的关注，通常所说的超高频检测技术即指超高频超宽频带检测。

用于超高频局部放电检测的传感器主要为微带天线传感器。利用微带天线作传感器早在1980年Kurtz等人就提出过，他们设计的传感器用于大型电机局部放电测试，安装在一个或两个磁极上，可探测到单根定子线棒的放电。目前，微带天线传感器已在检测大型电力变压器、GIS、电力电缆等设备的局部放电上有相关应用。

对于大电机局部放电检测，H. G. Sedding等人在1991年提出一种定子槽耦合器（stator slot coupler），该传感器由接地平面、带状感应导体及两端同轴输出电缆组成，其耦合方式既不是感性也不是容性，而是具有分布参数的性质，因此具有非常宽的频带，且能够反映内部放电和外部干扰在波形上的差异[15]。

2.1.4 介质损耗分析法（DLA）

局部放电对绝缘材料的破坏作用是与局部放电消耗的能量直接相关的，因此对放电消耗功率的测量很早就引起人们的重视。在大多数绝缘结构中，随着电压的升高，绝缘中气隙（或气泡）的数目将增加。此外局部放电的现象将导致介质的损坏，从而使得tgδ大大增加。因此可以通过测量tgδ 的值来测量局部放电能量从而判断绝缘材料和结构的性能情况。

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（dynamic microphone）；用于液体中类似于声纳的所谓水中听诊器（hydrophone）；用于固体中的测震仪（accelerometer）和声发射（acoustic emission）传感器。

在声−电传感器中，工作频带和灵敏度是两个最为重要的指标。若传感器工作频带过窄，脉冲相应时间过长容易造成信号混叠，故必须保证传感器一定的工作频带。而在宽频传感器中，要求传感器几何尺寸必须小于声波波长，但是，减小传感器体积会导致传感器测量面积减小，进而降低测试灵敏度；反之，若为了增大灵敏度而增大传感器几何尺寸又会导致传感器工作频带减小。实际设计中，往往结合现场条件，折中考虑这两方面的要求。

较之电测法，声测法在复杂设备放电源定位方面有独到的优点。但是，由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本不能反映放电量的大小

[17]

在电力变压器中，油色谱分析（DGA）方法是一种简单、经济、有效的在线监测方法。它通过色谱柱、气体传感器分离、检测出变压器油中各种可溶性气体的含量，并由此判断变压器绝缘状况。

在大型气冷发电机中，也有应用化学检测法对流通、冷却气体进行采样、检测，进而判断绝缘状态的例子。但是，至今为止，化学检测法仍只能定性检测是否有局部放电产生，基本不能反映放电的性质、强度和位置。

在众多非电量检测中，超声测法和化学检测法受到人们普遍关注。超声测法能够有效地定位放电源，化学检测法在气体、液体绝缘介质中应用广泛。但非电量检测法较之电量检测法，灵敏度不高且很难或者不能对放电性质、放电强度进行判断，故常和电检测法结合应用，作为电检测法的辅助检测手段。

。这使得实际中一般不独立使用声测法，而将声

测法和电测法结合起来使用。 2.2.2 光测法

近年来采用光测法在局部放电特征及介质老化机理等方面的研究做了大量工作，但是，由于传感器必须侵入设备，且设备透光性能不好或者根本不能透光，光测法只能测试表面放电和电晕放电，故在现场中光测法基本上没有直接应用。

近年来，随着光纤技术的发展，将光纤技术和声测法相结合提出了声−光测法。该方法采用光纤传感器，局部放电产生的声波压迫使得光纤性质改变，导致光纤输出信号改变，从而可以测得放电。国外在电力变压器和GIS设备中均有相关应用[18]。Black Burn等人将光纤传感器伸入到变压器内部测量局放，当变压器内部发生局部放电时，超声波在油中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，导致光折射率和光纤长度的变化，从而光波将被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，可实现放电定位[19]。 2.2.3 化学检测法

当电力设备绝缘中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。化学检测方法一般检测气体、液体绝缘介质，已在GIS、变压器等设备上有相关应用。

在GIS中，局部放电会使SF6气体分解，主要生成SOF2和SO2F2[20]。用气体传感器检测这两种气体的含量即可检测是否有局部放电产生。

3 局部放电检测技术的发展

近年来，随着变频技术的推广以及脉冲功率技术的应用，电力设备绝缘出现大批过早老化的情况。局部放电作为评价电力设备绝缘状况的重要指标，被证实用在高压直流和高压连续脉冲下也能反映设备的绝缘状态。但是，传统的局部放电检测技术在此条件下无法获得良好效果，如何在这些条件下进行局部放电检测并获得反映绝缘状况的有效数据成为今后局部放电检测技术研究的新方向。 3.1 高压直流下局部放电检测技术

随着脉冲功率技术的应用，对其核心器件——高电压高储能密度电容器（简称高压储能电容器）的可靠性也提出了更高的要求。然而，在此系统的可靠性检测方面主要存在两个问题：一是当前的产品验收手段不能有效的检测出产品的某些内部缺陷；二是目前缺乏有效的方法评估服役期间电容器的绝缘老化状况。对电容器进行局部放电检测无疑是判断产品质量的有效手段和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。但是，如何将直流局部放电检测技术用于大容量（µF级）高压储能电容器的绝缘评估，国内外的理论探讨和实验研究都落后于实际需要。

在国外，S. A. Boggs教授和R. G. Bommakanti教授提出一种针对大容量电容器局部放电测试的最优化电检测方法。当各种因素都得到很好控制时，该测试系统的灵敏度不受电容器的内部电感影响， 可达到1000

CpC（C的单位为F）。目前国内关

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于直流局部放电的研究鲜有报道。于钦学等人对换流变压器中的油纸绝缘试样进行了直流局部放电性能研究，得出了放电重复率随温度与外加电压的变化关系。

高压直流下局部放电检测技术的关键在于如何提高信噪比。西安交通大学刘刚和屠德民提出了在干扰环境下测量局部放电信号的选频平衡法，其最小可测放电量与试样的电容量成正比，该方法能较好抑制噪声，而且不要求样品和用于平衡的元件容量相同。西南交通大学的张血琴、吴广宁等人近年开展了高压直流下局部放电检测技术的研究，采用传统的脉冲电流法与数字滤波技术相结合的方法，对纸膜复合的高压储能电容器进行局部放电检测。试验发现测量中的干扰源主要包括电源干扰、窄带干扰和白噪声，通过FFT滤波和窄带滤波法以及小波分析技术能对抑制这些干扰取得比较满意的效果。

150100V／mV500-50-100-150

0

t／ms

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早破坏的情况，这种情况在高速牵引机车中的变频牵引电机（采用PWM变频电源）中显得尤为突出。

国际上针对变频调速电机绝缘过早破坏开展了一定的研究工作，德国、美国、加拿大等的部分研究者已发表了一些试验结果。德国K. Muller等研究者认为传统的局部放电测量系统不能准确的测量PWM变频电机内部的局部放电，因为传统的局部放电测量系统是在正弦、工频条件下进行测量的；而在PWM变频电机运行条件下局部放电应该发生在非正弦、高频条件下，这导致局部放电对绝缘的损坏更加严重，最终导致绝缘的老化、破坏。同时，PWM变频电源输出电压和局部放电信号有相似的频谱范围（相差只有1~2个数量级，工频下相差6~7个数量级），这使得现有的局部放电监测系统在脉冲条件下完全不能应用。 因此，如何测量脉冲条件下绝缘介质中的局部放电，成为研究变频电机过早老化的关键问题之一。

国外在20世纪90年代起就进行了PWM变频电源下的局部放电检测研究。意大利的G. Coletti等人利用图4所示的测试电路，对PWM变频电机中的绞线对试样进行绝缘膜局部放电测试；日本的Hitoshi Okubo、Naoki Hayakawa等人也对绞线对试样进行局部放电测试，对比了工频和脉冲条件下起始放电电压的关系，并得出脉冲条件下起始放电电压和脉冲上升沿的关系。

（a）滤波前的放电信号

150100V／mV500-50-100-150

0

t／ms

10

图4 方波下局部放电检测电路

Fig.4 PD detection circuit under square wave power

（b）采用8阶巴特沃斯高通滤波后的放电信号

图3 滤波前后局部放电信号波形 Fig.3 PD signals before and after filter

在工程实践中，尽管采用了很多提高测试系统信噪比的方法，其灵敏度仍然取决于外界干扰信号的大小。比如对于容量为1µF的电容器，根据理论计算，测试电路的灵敏度最佳可以达到1pC；但是试验表明，用电测法却很难达到20pC。建立高灵敏度、高信噪比的局部放电检测系统仍是高压直流条件下局部放电检测技术的关键问题。 3.2 脉冲条件下局部放电检测技术

20世纪90年代以来，随着变频电源在调速系统中的广泛使用，出现了大批变频调速电机绝缘过

国内对于高频电压下绝缘材料的局部放电特性研究很少，目前尚无系统的理论来指导工程实践。针对大功率变频电机的研究和报道目前也还不多。西南交通大学吴广宁教授和株洲电力机车厂合作，采用局部放电评价高压连续脉冲下聚酰亚胺绝缘薄膜绝缘状况，目前已测得PWM下U型线试样中的局部放电信号（如图5所示）。

脉冲条件下局部放电检测技术的关键在于如何区分电源脉冲信号和局部放电脉冲信号。传统的LCR高通滤波器过渡带太宽，对电源脉冲信号只能

34

Tek Stop: 500kS/s

19Acqs

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来的专家系统应包括多元数据和同步处理技术。

(4) 为使不同实验室里局部放电实验具有可比性和重复性，应继续对现存的局部放电测量标准进行修订。

总之，对高压设备可靠性要求的不断增长将需要更高级的局部放电诊断工具。局部放电诊断工具的可靠性和经济方面的问题已得到重视。在实际测量中，特别是在多种非工频环境（如高压直流、高

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Ch35.00mVCh25.00VM100µsCh2

4.2V

压连续脉冲）下，还有更多的工作有待开展。

参考文献

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图5 PWM电源下U型线试样中局部放电波形，采用

10kHzPWM方波电源，峰-峰值4kV时测得 Fig.5 PD signals of U-sample under peak-to-peak 4kV

PWM power sourse

衰减10~100倍，仍比局部放电信号高2~3个数量级，此类干扰一方面淹没了局部放电信号；另一方面对测试仪器也有一定的危险。此外，脉冲条件下局部放电对绝缘破坏机理及其与工频条件下的联系也是研究的一个重点。

4 分析与讨论

近年来，随着电力设备电压等级的不断提高以及对设备运行可靠性要求的提升，局部放电作为评估设备绝缘状态的一个重要指标被大多数人所采纳。目前，国内对交流下电力设备绝缘局部放电的检测、模式识别及其对绝缘的破坏机理都有较深入的研究，建立起多种有效的检测和评估系统。但在高压直流和高压连续脉冲条件下无论是局部放电的检测技术或是其破坏机理的研究都尚处于起步阶段。

另外，随着信息技术的发展，数字化的局部放电测试系统显现出明显优势。一方面可采用数字滤波以提高检测灵敏度；另一方面采用数字信号处理技术对局部放电信号进行处理，对放电进行模式识别，进一步确定绝缘状况。人们可以利用功能越来越强大的计算机开发出所谓的专家系统，将此用于实验室条件下、在线情况下或高压设备长期局放监测情况下的局部放电分析、统计和故障诊断。

由此看来，未来局部放电测试技术的发展应有以下特点：

(1) 为了从需要测试的放电信号中区分开干扰信号，要开发出更有效的抗干扰技术。特别是在高压直流和高压连续脉冲条件下进行局部放电检测，抗干扰问题显得尤为突出。

(2) 改善用于长期局部放电诊断监测系统的运行可靠性，这个系统的可靠性应高于被监测的高压设备。

(3) 为了快速识别局部放电缺陷的危险性，未

第20卷第2期

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作者简介

郭 俊 男，1982年生，硕士，主要研究方向为局部放电测试及在线监测系统。

吴广宁 男，1969年生，教授，博士生导师，主要研究方向为局部放电检测，大型电力设备在线监测及故障诊断。

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