超聲波檢測法 
GIS設(shè)備局部放電的超聲波檢測法是利用安裝在GIS外殼上的超聲波傳感器接收局部放電產(chǎn)生的振動信號以達(dá)到檢測內(nèi)部局部放電的目的。在GIS中，除局部放電產(chǎn)生的聲波外，還有微粒碰撞絕緣子或外殼、電磁振動、操作引起的機(jī)械振動等也會發(fā)出的聲波。氣體和液體中只傳播縱波，固體中傳播的聲波除縱波外還有橫波。故在GIS中沿SF6氣體傳播的聲波和在變壓器油中一樣只有縱波，但其傳播速度很慢，要比油中低10倍，衰減也大，且隨頻率的增加而增大。測量超聲波信號的傳感器主要有加速度和聲發(fā)射兩種。當(dāng)采用加速度傳感器時，要采用高通濾波器以消除較低頻率的背景干擾；聲發(fā)射傳感器的原理是利用諧振方式，其頻率特性中已經(jīng)包含了高通特性，因此無需另外附加相應(yīng)的濾波器件。 

由于聲音的傳播速度比電磁波慢很多，時間差更容易進(jìn)行測量，定位更加準(zhǔn)確，并且定位后還可通過敲擊GIS外殼的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所以在放電定位方面，聲學(xué)檢測法比電學(xué)的方法更優(yōu)越，加之超聲波傳感器與GIS設(shè)備的電氣回路之間無任何聯(lián)系，抗電磁干擾性較好，因此人們對超聲法的研究較為深入，技術(shù)手段較為成熟。但是超聲波檢測法的靈敏度不僅取決于局部放電的能量，而且取決于超聲波信號在傳播路徑上的衰減，在大多數(shù)情況下，超聲傳感器的靈敏度不是很高。近年來，由于聲—電換能器效率的提高和電子放大技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測法的靈敏度有了較大的提高[66-77]，但是超聲傳感器的有效檢測范圍仍然較小，完成一個較大規(guī)模GIS變電站的檢測通常需要數(shù)天的時間，檢測效率不高。 特高頻法 
特高頻法(Ultra High Frequency，簡稱UHF) 是近年發(fā)展起來的一種新的GIS設(shè)備局部放電的檢測技術(shù)。它是利用裝設(shè)在GIS內(nèi)部或外部的天線傳感器接受局部放電輻射出的300～3000MHz頻段的特高頻電磁波信號進(jìn)行局部放電的檢測和分析[56~63]。運(yùn)行中的GIS內(nèi)部充有高氣壓SF6氣體，其絕緣強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)都很高。當(dāng)局部放電在很小的范圍內(nèi)發(fā)生時，氣體擊穿過程很快，將產(chǎn)生很陡的脈沖電流，并向四周輻射出特高頻電磁波。GIS設(shè)備的腔體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個良好的同軸波導(dǎo)，非常有利于電磁波的傳播。特高頻傳感器的安裝方式目前應(yīng)用較為廣泛的主要有兩種：外置式和介質(zhì)窗口式。外置式傳感器將傳感器貼在GIS設(shè)備盆式或盤式絕緣子的外表面，依靠絕緣子表面電磁波的泄露進(jìn)行UHF信號的檢測，此方法可帶電安裝。介質(zhì)窗口式傳感器是將傳感器安裝在檢修手孔或CT端子箱處，此方法需停電安裝或在設(shè)
文庫備出廠時安裝。 

UHF檢測的特點(diǎn)使其在局部放電檢測領(lǐng)域具有其他方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而在近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。特高頻法具有以下優(yōu)點(diǎn)： 
①抗干擾性好：現(xiàn)場普遍存在的電暈放電的頻率范圍通常在300MHz以下，并且在空氣中傳播時衰減很快，特高頻傳感器接收UHF頻段信號，避開了電網(wǎng)中主要電磁干擾的頻率，具有良好的抗電磁干擾能力； 
②靈敏度高：GIS的同軸結(jié)構(gòu)非常適合特高頻電磁信號傳播，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測靈敏度； 
③可實(shí)現(xiàn)放電定位：根據(jù)電磁脈沖信號在GIS內(nèi)部傳播具有衰減的特點(diǎn)，利用傳感器接收信號的時差，可以進(jìn)行故障定位； 
④檢測效率高：UHF傳感器檢測局部放電的有效檢測范圍較大，因此需要安裝傳感器的檢測點(diǎn)較少，檢測效率高。 
特高頻法雖然有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定的不足： 
①難以用特高頻信號幅值表征局部放電嚴(yán)重程度：GIS設(shè)備局部放電脈沖電流信號輻射出的電磁波信號是寬頻信號，越往低頻能量越高。對于每種類型的放電，特高頻段信號的能量在整個電磁波信號的能量中所占的比例難以確定，因此，特高頻信號幅值與視在放電量或?qū)嶋H放電量之間的關(guān)系難以確定，難以依據(jù)特高頻信號幅值來表征設(shè)備絕緣狀況； 
②難以檢測正在運(yùn)行的罐式斷路器內(nèi)的局部放電故障：一般對于正在運(yùn)行的GIS設(shè)備，可帶電安裝外置式傳感器；但對于戶外安裝的罐式斷路器，沒有外露的絕緣子，只能將特高頻傳感器放置在套管底部進(jìn)行測量，這就大大降低了檢測的靈敏度與有效性； 
③無法實(shí)現(xiàn)視在放電量的標(biāo)定：目前大多數(shù)工程人員已經(jīng)習(xí)慣于通過視在放電量來反映局局部放電的嚴(yán)重程度，IEC規(guī)定的GIS產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)中，其局部放電的指標(biāo)也是通過視在局放量的閾值來規(guī)定的。由于UHF法的測量機(jī)理與脈沖電流法不同，因此無法進(jìn)行視在放電量的標(biāo)定，即使在局放源到傳感器之間的傳播路徑不變的情況下，脈沖電流法的視在放電量與特高頻方法所測得的脈沖信號幅值之間也沒有確定的對應(yīng)關(guān)系[64-65]，這就更加大了應(yīng)用該方法進(jìn)行局部放電實(shí)際放電量預(yù)估的難度。

HFCT高頻電流法脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種局部放電檢測方法。其測量原理是：當(dāng)局部放電發(fā)生時回造成電荷的移動，該移動電荷可在外圍測量回路中產(chǎn)生脈沖電流，通過檢測該脈沖電流便可實(shí)現(xiàn)對局部放電的測量。該方法一般是檢測脈沖電流信號的低頻部分，通常為數(shù)kHz至數(shù)百kHz（至多為數(shù)MHz）。常規(guī)局部放電通常在回路中串入檢測阻抗來對信號取樣。在線檢測則常采用電流傳感器獲取被測脈沖電流信號。目前，脈沖電流法廣泛用于變壓器型式試驗(yàn)、預(yù)防和交接試驗(yàn)、變壓器局部放電實(shí)驗(yàn)研究等，其特點(diǎn)是測量靈敏度高、放電量可以標(biāo)定等[7,8]。但這種方法測量頻率低，頻帶窄，包含信息量不足而且現(xiàn)場抗干擾能力差。因此采用超寬帶高頻電流傳感器取代傳統(tǒng)電流傳感器來接受脈沖電流信號成為這種檢測方法的發(fā)展趨勢，高頻電流法通過羅氏線圈來耦合電氣設(shè)備接地線處的高頻電流信號來實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測，檢測頻帶為幾十K到幾十MHz。

電力電纜局部放電量的在線測量

局部放電檢測越來越被看作是一種最有效的絕緣診斷方法，在線檢測應(yīng)用中更是如此，目的是觀察和研究局部放電引起的絕緣老化問題。電纜發(fā)生局部放電時，引起局部放電的空穴形成實(shí)，這是電纜的浪涌阻抗，在開始時是純阻性的。其產(chǎn)生的脈沖基本上是單極性脈沖，上升時間很短，并且脈沖寬度也很窄。脈沖從產(chǎn)生的位置向外傳播，由于在電纜中傳播時的衰減和散射，當(dāng)?shù)竭_(dá)測量點(diǎn)時，脈寬增加，幅值減小。一般情況下，在測量時能檢測到比較好的，其保留了很多與源波形相同的特性。圖１顯示了一段典型的電纜局放脈沖波形，其上升時間以及脈沖特性可以通過計算機(jī)生成的光標(biāo)測量。

圖1 電纜中的局部放電脈沖波形（顯示了計算機(jī)生成的光標(biāo)）

如果上升時間和脈沖寬度在電纜局部放電脈沖的通常范圍內(nèi)，那么就可以把該脈沖看成是電纜局部放電。一般來說，電纜局部放電的上升時間在50ns到1s之間，而脈寬小于2s。實(shí)際上，對于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜來說，其對應(yīng)值會比這小些。這是由于XLPE電纜的損耗和散射比較小的緣故。脈沖的上升時間和脈寬取決于電纜端部的脈沖波形，也取決于檢測電路。然而，這種使用上升時間和脈沖寬度來檢測脈沖位置的簡單方法并不非常適用。由于檢測電路的不確定性，同樣使得上升時間和脈沖寬度隨之變化，例如當(dāng)其包含一個大電感時，脈沖的上升時間就會遲緩，并且脈沖寬度也會變大。然而，在脈沖的起始位置，上升時間卻是一個很有價值的特征量。對于利用高頻電流（HFCT）的在線局部放電檢測，其檢測電路通常有較大的帶寬（>20MHz），這種簡單的定位方法還是能得到較為滿意的測量結(jié)果的。

圖2高頻電流傳感器檢測33kV電纜局部放電（箭頭所指為高頻電流傳感器）

圖2所示為用于33kV XLPE電纜檢測的電流傳感器，傳感器可以夾繞在接地線之上的每個線芯上，也可以將電流傳感器夾繞在接地線上。局部放電脈沖沿電纜傳至終端，在導(dǎo)體上它們的極性相同，在屏蔽上相反，關(guān)鍵的問題是能在接地線或?qū)w電流兩者之間截取其中一個。實(shí)際上，這兩個信號很相似，但它們在兩個測量點(diǎn)之間的噪音成分卻有所不同。

圖3 電纜脈沖上升時間分布

圖3所示為33kV紙絕緣電纜的在線檢測結(jié)果，從圖中我們可以看到，電纜的主要上升時間集中在200ns附近。被測電纜長度為2km左右，所有脈沖全部取自于1600m處的一個中間接頭。從圖中顯示的電纜上升時間的分布情況看，各上升時間之間還存在著寬度不等的空白區(qū)。理論上，可根據(jù)圖3畫出上升時間的曲線圖，縱坐標(biāo)以米為單位，假定局部放電脈沖上升時間和脈沖在電纜中的傳播距離之間存在函數(shù)關(guān)系。實(shí)際上，這種關(guān)系也是比較容易建立的，它取決于電纜的類型，而問題的關(guān)鍵就在于電纜終端的測量電路的阻抗是不確定的。如前面所述，當(dāng)檢測電路的阻抗中含有大的感抗時，脈沖的上升時間主要取決于檢測電路的阻抗而不是局部放電脈沖的傳播距離。在這種情況下，脈沖上升時間和傳播距離之間的關(guān)系就無法建立。

利用局部放電脈沖波形檢測局放的最大優(yōu)勢就在于：可以幾乎不用考慮因脈沖在電纜中傳播的衰減而造成的測量誤差，尤其是對于衰減很大的紙絕緣電纜。局部放電脈沖在電纜上傳播一段距離以后幅值很快就會衰減10到20倍。如果脈沖峰值衰減到原來的1/20，那么離測量點(diǎn)比較遠(yuǎn)的局部放電事件就會顯得很微弱，難以發(fā)現(xiàn)。利用放電脈沖波形，測量局部放電電流下的面積，就可以對幅值進(jìn)行測量，并且它受信號衰減的影響小得多，放電量則可通過放電電流的積分求得，如下式：

式中的“const”是電流轉(zhuǎn)換為電壓的系數(shù)。此式已考慮了電流互感器的傳輸阻抗，電纜阻抗以及放大器增益等因素。通過這種方法測量放電量以后，乘以一個修正因數(shù)并假設(shè)檢測阻抗為電纜的浪涌阻抗，就可以以皮庫（pC）為單位測量局部放電的幅值。實(shí)際應(yīng)用中，在電纜中部接頭處的地線上測量時，浪涌阻抗和實(shí)際的浪涌阻抗很接近，而端部浪涌阻抗的波動一般在20％以下。例如對整體浸漬不滴流（MIND）11kV紙絕緣電纜，在3km處測量，用上面的公式測量時幅值僅衰減了3倍，而直接測量時幅值衰減了15倍。這就說明，這種方法對任何電纜的在線局部放電測量，都可以以皮庫為單位表示，而不需要標(biāo)定。