局部放电检测方法及其应用

局部放电（Partial Discharge，简称 PD）是高压电力设备绝缘系统劣化的重要信号。早期检测与识别 PD 对预防设备故障、延长设备寿命具有重要意义。根据 PD 活动释放的信号类型，目前常用的检测方法可以分为电磁法、电气法、化学法、声学法、光学法及组合方法。

1. 电磁法（Electromagnetic Method）

电磁法利用 PD 释放的超高频（UHF）信号进行检测。1997 年，W.R. Rutgers 首次将电磁法应用于电力变压器。常用的 UHF 传感器包括锥形、螺旋和 Vivaldi 天线。其优点包括：

• 对低频信号免疫，抗干扰能力强
• 内部构造信号影响较小
• 不受电晕脉冲干扰

UHF方法可实现 PD 信号的定位与识别。由于传感器直接连接变压器，无需电气耦合，二次绕组安全可靠。此外，该方法测量频段为 300~1500 MHz，可有效避免局部干扰。研究显示，不同类型 PD 对 UHF 校准的影响不同，例如聚乙烯表面放电、纸板表面放电、内部放电和电晕放电。

电磁法常结合 Rogowski 线圈、高频电流互感器（HFCT）和射频电流互感器（RFCT）使用，通过特征提取与去噪策略，可准确识别多源 PD 信号。

2. 电气法（Electrical Method）

电气法主要包括脉冲电容耦合法。其原理是：

• PD 产生的电流被检测线圈收集
• 检测线圈通过一定阻抗接地
• 计算出 PD 的表观电荷

优点：灵敏度高、易于实施

缺点：容易误报，不适合长期在线监测

常用的电气检测方法包括 IEC 和 IEEE 标准电路，适用于自激测试对象或套管抽头检测。在套管抽头情况下，由于输入端出现较大电容，会影响检测灵敏度，因此更适合离线测试。尽管存在电磁干扰问题，离线测试仍是出厂或调试前的常规手段。

3. 化学法（Chemical Method）

化学法通过分析 PD 产生的油或气体样本来识别放电。常用方法包括：

• 高效液相色谱（HPLC）：分析 PD 产生的副产物，如绝缘分解产生的葡萄糖等
• 溶解气体分析（DGA）：利用气相色谱分析 PD 产生的气体成分

此外，在线检测方法还包括光纤布拉格光栅（FBG）油浸传感器、光声光谱法及氢气检测等。氢气检测精度高，可作为判断内部绝缘状态的重要指标。通过先进的 Pd 涂层 Mg-Ti 薄膜传感器，可在 10~80°C 范围内高灵敏检测氢气，性能明显优于传统传感器。

4. 声学法（Acoustic Method）

声学法通过检测 PD 产生的声发射（AE）信号实现检测，信号来源包括：

• 电弧区油的蒸发
• 电气火花
• 机械振动

优点：低成本、抗电磁干扰

缺点：信号衰减快、定位精度受限

典型声学检测系统包括：

• 测试变压器：模拟正常工作条件
• 换能器：将声信号转换为电信号
• 前置放大器：增强微弱信号
• 信号跟踪与滤波：去除噪声
• 宽带放大器：进一步放大信号
• 测量与分析仪：处理与分析 AE 信号
• 计算机：记录与存储数据

声学法常与 UHF、光学和电气法联合使用，以弥补单独检测的局限性。

5. 光学法（Optical Method）

光学法通过检测变压器油中 PD 活动产生的光信号进行分析。常用技术包括：

• Mach–Zehnder 干涉仪（MZI）
• Fabry–Perot 干涉仪（EFPI）
• 光纤布拉格光栅（FBG）

FBG 传感器因电绝缘性能优异、抗电磁干扰而广泛应用于电力变压器油中。光学法可检测 PD 化学和物理特性，但存在校准困难、数据量有限等问题。

6. 组合方法（Combinational Method）

组合方法通过融合多种检测手段，提高 PD 检测的准确性和定位能力。例如：

• DGA + AE：先离线分析气体成分，再通过 24 小时声发射检测定位 PD 源
• AE + 光学：使用 Fabry–Perot 光纤定位 PD，同时利用荧光光纤验证信号来源
• EM + AE 或 AE + TEV（瞬态接地电压）：结合电磁与声学信号增强灵敏度

通过组合方法，可有效排除外部干扰，全面评估变压器绝缘状态，实现早期预警。

技术对比总结