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GB_T 42287-2022 高电压试验技术 电磁和声学法测量局部放电.pdf在液体和气体绝缘部件中，辐射声场作为理想球面波（纵向)传播。当到达固体绝缘部件或设备外 壳时，通常会观测到更复杂的模式和所谓的结构传播路径。声波在不同介质中具有不同的传播速度，因 此几何上的最短传播路径并不一定是放电源和传感器之间的最快传播路径。 声传输路径通常包括以下几个重要特征： ·声波的传播模式以及沿局部放电源到传感元件路径传播时所导致的变化； ·传播速度的变化取决于不同的材料和条件（例如对于绝缘油，随温度变化较为剧烈，而随湿度 的变化则很小)； ·色散：传播速度依赖于频率变化； ·各种绝缘材料或混合物和结构中声脉冲的频率相关衰减； ·材料边界处的声阻抗的匹配，例如在传感元件和高压设备外壳之间的边界； ·传感元件和局部放电源之间的距离。
测量系统能分为接触式和非接触式。为了灵敏地检测高压设备内的局部放电，大多采用将测 充的传感器与设备结构如外壳进行直接接触。 此外，测量系统还能区分为采用时域或是频域处理。
JB／T 14265-2021 地下撬毛台车.pdf可选用的传感器分为压电传感器、麦克风或使用声光效应的传感器。 两类外置式压电效应传感器如下所示：
加速度传感器（输出信号与加速度成正比)，具有平坦的频率特性； 声发射传感器（输出信号与速度成正比），通常具有谐振型的频率特性
5.3.2.2类型和特性
传感器分为无源或有源（内置信号放大器)两种类型。通常，传感模块前端的显著信号放大是最有 益的，这也取决于传感元件的特性。 传感器的一般特性包括： ·灵敏度， ·工作频带的频率特性（谐振型或平坦频率响应)， ·工作温度范围内的温度特性。 考虑到声信号的衰减，通常优选在特定频率范围内具有更高灵敏度特性的谐振型传感器。
5.3.2.3局部放电检测用声学传感器的布置
通常，外部声学压电传感器宜安装在最有可能检测到由局部放电产生声信号的位置，即结构最佳传 递振动的部位。因此，传感器安装在靠近可能在先前测试中显现出问题的区域。 注：对于GIS，声学信号由放置在GIS外壳表面上的传感器获取。通常传感器通过弹性绑扎带或磁性固定器固定到 外壳上。由于来自缺陷的声信号沿着GIS轴向传播时会衰减，尤其在局部放电源和测量探头之间存在绝缘子 时，因此传感器通常布置在GIS的不同位置（通常在每个气室中至少一个测量点）。 对于变压器，参考变压器的设计可以获得传感器安装的有用信息。通过避免某些区域进行传感器的布置是有 利的，例如避免传感器靠近或直接布置在变压器壳体加强筋的顶部，而是将其布置在变压器壳体的机械加强元 件之间的区域。将传感器布置在变压器油箱顶部时注意安全距离。而且传感器可以四处移动来进行内部局部 放电源的定位。
量化机械压力的主要单位是帕(Pa)。由于压电传感器主要用于将输入的声波转换成与机械压力 输人相关的电压输出信号，在大多数仪器中测量的量可用伏特(V)或分贝（dB)来表征。 此外，其他导出值可用于进一步对声学数据进行说明，例如脉冲率或脉冲计数、直方图、与施加高压 相位同步的脉冲模式、单个或多个声学局部放电脉冲的频域信息、与工频的不同相关系数和其他等。
5.3.4性能和灵敏度核查
与UHF方法类似，可在时域或频域中进行声学信号的测量。灵敏度核查旨在验证具体的测量设 备，并且可分两步执行。 ·步骤1一实验室试验 与UHF方法的情况一样，首先进行实验室测试以确定来自真实局部放电缺陷的频谱和信号幅值 水平。记录利用待核查传感器及检测仪器获得的声学信号幅值水平。此声学信号与来自真实局部放电 源，且与已知的视在放电量（pC)相关。此外，还应测量被检测信号的频谱分布。 接下来，声学测量装置记录来自人工声学发生器的信号。该信号能由声学传感器（压电晶体）的反 向法产生（例如，施加阶跃电压脉冲)。如果建立人工信号源的频谱和信号幅值水平与真实局部放电缺 陷的相似，其能作为灵敏度核查的参考信号。对于压电晶体，可通过使用选择公认的传感器施加阶跃电 压脉冲来实现，阶跃电压的幅度和上升时间调整至适合此测试的值。 如果来自人工信号源的信号频率特性与真实缺陷的频率特性不同，则应在接收传感器、信号调节和 记录单元之间加人滤波器，以将检测到的频率限制在与真实缺陷紧密相关的范围内。 注：当进行声学测量时，灵敏度通常会仅因移动和重新固定传感器而发生3dB的变化。而且，声波是高度分散的， 因此这种测量仅适用于核查而不适用于校准。
作为压电晶体的替代物，在外壳上方固定距离降落毫米级直径的钢球可用作声信号发射器。与使用脉冲压电 晶体的方法相比，该方法将激发频带更宽的信号。在结构表面上通过折断铅笔芯来产生声信号也已经证明是 可行的方法。 ·步骤2一现场试验 为了在现场验证测量设备的灵敏度和完整性，外壳应采用与实验室相同的激励方式。整个测量系 统应与实验室测试中使用的相同。
当对高压设备进行局部放电测量时，通常采用两种不同的方法来定位局部放电源。首先，信号幅度 的变化或信号波形的畸变可指示出局部放电源位置。其次，测量局部放电脉冲的传播时间能用于计算 局放源位置。这些方法也称为基于到达时间的定位或传播时间测量。方法应用可基于电磁、声学或两 种技术联合。 当使用基于到达时间的定位方法时，通常应用数学描述或建模来确定局部放电源的空间位置。观 测方程的范围从直接和反射局部放电脉冲的线性差分方程到球面的非线性方程组（三角定位法）。 任何基于到达时间的定位过程的重要基础是准确确定脉冲的到达时间，等同于确定瞬态局部放电 脉冲(或当传播通过测试对象时未受影响的特征信号部分)的真实起始时间。人工时间确定（由经验丰 富的人员执行)和采用信号处理技术的自动时间确定两者都能使用。根据所研究设备的不同，当使用声 学法时信号去噪作为第二种技术被特殊使用，其可包括信号滤波、信号均值滤波（平均)或基于小波的去 噪方法。
与局部放电的声脉冲相比，局部放电的电磁脉冲传播速度要快得多。因此，对于使用电磁信号到达 时间的方法，测量系统所需的分辨率和到达时间差的准确测量要求会更高。测量系统（包括传感元件） 的总带宽会影响可达到的总体最大空间定位分辨率，并且根据应用，通常需要VHF或UHF范围内的 宽频信号部分。 根据所测试设备中的信号传播特性，特别需要注意的是要确保所使用数学模型的正确性，例如，假 设直线传播的UHF信号，由于散射或衍射的影响，如果不修正测量到的到达时间，则可能给出错误的 定位结果。
所有的局部放电声学定位都能采用基于信号和/或基于信号到达时间的方法进行。根据高压设备 的不同，测量还进一步分为单通道或多通道测量。 基于到达时间的局部放电定位方法的关键是获得同时记录的足够数量的声信号，以便求解相应的 观测方程，从而估计局部放电源的位置。 由于全声学局部放电测量可能受到微弱的或深度隐藏的局部放电缺陷导致的检测灵敏度降低的影 响，因此采用被触发声学信号的均值来增强声学检测灵敏度。实现该方法的基本要求是在测量系统的 至少一个通道上测量到重复的局部放电声学信号。
相比于局部放电电磁信号，声学信号从源传播到传感元件时会受到相对更强的衰减，通过联合声 和电磁检测局部放电，能增强声学测量的灵敏度。
将电磁与声学测量相结合的另一个重要优点是局部放电联合测试结果具有更高的可信度。声学噪 声一般不产生内部电磁信号，电磁干扰也不会产生声学信号。通常，稳定的相位关系用于判断信号是否 是局部放电。
将电磁与声学测量相结合的另一个重要优点是局部放电联合测试结果具有更高的可信度。声学噪 声一般不产生内部电磁信号，电磁干扰也不会产生声学信号。通常，稳定的相位关系用于判断信号是否 是局部放电。
附录A （资料性） 电磁测量的优点和缺点
如4.3.6所述，VHF/UHF方法的主要缺点是不能根据其视在电荷量（例如pC)唯一地校准出局部 放电的幅值。 其他的缺点： ·由于VHF/UHF检测设备需要工作在更高的频率下，其所需的部件会更昂贵，因此整个测试 设备通常比常规方法的局部放电检测系统更昂贵； ·为了有效地实现在线和现场局部放电测试噪声分离和/或抑制，传感器及其物理布置倾向于仅 适用于一种类型的高压设备。也就是说用于GIS局部放电检测的传感器通常不能用于测量变 压器或定子绕组中的局部放电。因此VHF/UHF系统在应用中具有更强的针对性
附录B （资料性） 声学测量的优点和缺点
高压设备的声学测量主要用于检测、识别及定位局部放电源，优点如下： 设备成本低（声学传感器加局部放电信号采集单元）； 易于操作； 非侵人式方法：传感器布置在正常运行设备的外壳表面； 对变电站中的电磁干扰免疫：通常使用的是在超声频段工作的声发射传感器； 通过声学一电磁（常规法和/或UHF法)联合法检测能提高灵敏度； 现场声学系统的性能核查易于实施
缺点如下： 依赖局部放电源和传感器之间的路径，相对较高的衰减系数会增加现场测量所需的时间： 现场电力变压器局部放电源定位具有较低的灵敏度； 无法依据IEC60270校准声信号。
C.1气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）
对于GIS，可能发生并影响设备绝缘性能的缺陷分为如下几大类： a）装配错误； b）引人导电污染物，例如金属颗粒； c）导电部件如场电极和屏蔽之间的电气和机械接触不良或松动，导致元器件出现悬浮电位； d）固定缺陷，例如高压导体上的金属尖端和附着在固体绝缘（绝缘子)表面上的微粒； e）绝缘子缺陷，包括制造缺陷； f）表面痕迹，例如由高压试验中闪络导致的； g）影响到SF。气体质量的污染物（副产物、微水、充气错误等）。 GIS中局部放电由绝缘系统的缺陷引起。已有的研究表明SF。气体中局部放电源的放电电流上 时间小于100pS。自由金属颗粒（最常见的缺陷类型)或固定缺陷，会产生频率分量高于2GHz的暂 电磁波。所产生的电磁波信号在GIS同轴母线内传播时不仅存在基本模式（TEMoo），而且含有许多 阶模式（TEx，TM）。GIS内部结构中存在许多固有的不连续处，会导致电磁波发生反射，在不同频 下形成多个驻波和共振。此外，模式之间存在耦合效应，这也影响场强的空间变化。由于金属导体的 限导电性，以及绝缘体边界和表面（例如绝缘体、隔板）及不连续性（例如T形接头等）的损耗，信号的 播会受到影响，例如阻尼和色散。信号的衰减与频率相关并主要发生在不连续处。上述导致检测结 是每个气室内电磁波共振的复杂混合。 除了依据IEC60270的常规检测方法外，VHF、UHF和声学检测法也可应用于GIS局部放！ 检测。
C.2UHF和YHF检测法
UHF信号通常通过内置式耦合器进行检测，内置式耦合器通常具有与电容耦合器类似的设计。 当这些都不可用时，可以在介质窗或在未屏蔽的绝缘子外边缘使用外置式耦合器进行检测。由于UHF 信号的衰减，在长GIS上应安装多个耦合器。根据典型经验土改施工组织设计2，信号强度的平均衰减大约是2dB/m。这 使得在一些直的母线部分或支线部分，每隔大约20m的间隔就需要安装耦合器。在GIS内部存在的 各种组件，如断路器、隔离和接地开关、电流和电压互感器等，与母线的直线部分相比，通常会导致更高 的信号衰减。可通过使用合适的耦合器、放大器和滤波器来改善信噪比，提高UHF测量灵敏度。 UHF法的灵敏度已被证实至少与IEC60270常规法的灵敏度相当，这主要是得益于外部噪声水平低。 实验室和现场的测试表明，UHF法可以检测到较小的严重缺陷，甚至是并不严重的缺陷。然而，采集 的UHF信号幅值和利用IEC60270常规法局部放电测量记录的视在放电量之间的相关性较差。通过 例如使用宽带数字存储示波器测量到达相邻耦合器的信号到达时间的差异，可以对局部放电进行精确 的定位。当耦合器之间的距离已知时，能通过简单的计算来定位缺陷位置。 VHF法与UHF法不同，但存在一些相似之处。VHF法应用于约30MHz～300MHz范围内的 宽带测量。在这些频率下，GIS中的TEMo传播模式占主导地位，因为任何高阶模式的截止频率均高 于30MHz。对于给定位置的局部放电源和局部放电传感器，使用VHF法测得的局部放电幅值和视在 放电量成一定比例。VHF信号可由内部传感器获取，例如将金属板用作电场传感器，而且与UHF法 相比需要更少的传感器。VHF范围内的局部放电测量比IEC60270常规法具有更高的信噪比，但仍然
GB/T42287—2022/IECTS62478:2016
经常受外部干扰信号的影响。对于局部放电源定位，VHF法有与UHF法的优点类似，通过测量不同 耦合器上的时域信号，计算传播时间和距离。
C.4GIS电磁和声学测量的灵敏度核查
对于实际电荷，无法进行局部放电测量的校准。然而，可对电磁（UHF)和声学法的检测灵敏度进
C.4.2UHF测量的灵敏度核查
UHF系统的灵敏度核查可确保UHF系统能够检测到5pC及以上幅值视在放电量（根据 IEC60270测量）的GIS危险缺陷。该灵敏度核查流程应分两步进行。 ·第一步，在制造商工厂中母线的直线部分上进行测试，该母线包含两个临近的耦合器并连接到 耦合电容器，利用IEC60270常规法校准。一个具有危险尺寸的缺陷（自由金属颗粒或高压导 体上的尖端突起物）应设置在第一个耦合器的对应位置，母线应通电；应调整电压幅值和缺 陷，使该缺陷在施加电压下所测量的视在放电量为5pC。然后测量对应于该5pC视在放电量 的UHF信号。在第一个耦合器上注人一个脉冲，其上升时间足够短，产生信号与实际5pC局 部放电源的输出频谱相同，并调整其幅度，使得该脉冲信号与实际局部放电信号尽可能紧密匹 配。应记录该人工脉冲的幅值，以便稍后在灵敏度核查的第二步中使用。 ·第二步，在GIS现场组装后，应核查耦合器的位置和局部放电测量系统的功能，以便于确定 UHF系统可以检测到GIS中任何位置视在放电量为5pC的缺陷。从前一段所述的工厂试验 中获得的人工脉冲应逐一注人所有耦合器，并在相邻耦合器处测量UHF信号，从而验证UHF 系统具有足够的灵敏度来检测整个GIS内部5pC的放电。
CJJ1-2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》(1)C.4.3声学测量的灵敏度核查