2.3.1 特高频局部放电诊断分析及定位
2.3.1.1 诊断流程
见本篇1.3.1.1章节，此处不再叙述。
2.3.1.2 现场常见干扰源及排除方法
特高频法虽然抗干扰能力较强，但在现场特别是户外变电站，仍有较多干扰。在开始测试前，尽可能排除干扰源的存在，比如关闭荧光灯和关闭手机，检查周围有无悬浮放电的金属部件。可根据图谱特征排除雷达干扰、移动电话干扰、荧光灯干扰和马达干扰等常见干扰源，上述干扰源的特征图谱如表1-2-1所示。
表1-2-1 典型干扰信号图谱分析与诊断
除根据图谱特征来识别干扰外，还可依据信号位置来判断干扰。一般情况下，在设备盆式绝缘子上发现信号后，将传感器拿开朝向外侧，如果信号变强，很可能是外部的干扰，如图1-2-22所示。
图1-2-22 排除干扰
如外部干扰源影响现场检测，可采用关闭、避开干扰源，屏蔽带法，背景干扰测量屏蔽法、滤波器法、平面分法进行排除。
（1）关闭、避开干扰源。可通过关闭荧光灯和手机等多种手段减少现场干扰，也可选择其他时间进行测试，避开无线电及电子装置干扰。
（2）屏蔽带法。这是最常用、最基本的一种抗干扰方法，主要用在不带金属屏蔽的盆式绝缘子上检测时消除外部干扰。检测时，如果发现有异常信号，采用由金属丝制成的屏蔽带，将除传感器放置位置外的盆式绝缘子其他外露部位全部包扎起来，如图1-2-23所示，使得外部干扰信号无法直接进入传感器，从而实现抗干扰的效果。这种方式简单，对检测灵敏度无影响，但是干扰较强时，信号仍可通过套管或其他盆式绝缘子处进入，抗干扰效果有限。
图1-2-23 屏蔽带法排除干扰
（3）背景干扰测量屏蔽法。其原理是在被检测盆式绝缘子附近放置一背景噪音传感器，同时检测周围环境中的电磁波信号。软件自动分析来自盆式绝缘子上的信号与来自噪音传感器的信号，并将与背景噪音传感器相同的信号滤掉，从而达到抗干扰效果。这种方式虽能达到抗干扰效果，但是由于外部干扰信号有可能与内部放电信号重叠使检测灵敏度降低；或内部存在较强放电时，因背景噪音传感器检测到的为内部辐射处的电磁波信号，导致误消除对检测结果造成很大影响。因此，一般情况下仅作为参考使用。（图1-2-24、图1-2-25）
图1-2-24 背景干扰测量屏蔽法
图1-2-25 屏蔽前后信号对比
（4）滤波器法。如较强的电晕信号，在300MHz以上幅值仍很高，对现场检测造成很大影响，可采用下限截止频率为500MHz的高通滤波器进行抑制；对于常见的手机通讯干扰则可采用900MHz的窄带阻波器进行抑制；此外还可使用窄带法检测，如采用300～600MHz避开高频干扰信号，或采用1GHz以上避开低频的干扰信号，但是需要注意的是，多数局部放电产生的电磁波信号主要集中在1GHz以下，因此尽量避免使用1GHz以上的高通滤波器抗干扰检测；针对信号较强固定存在的干扰，可通过频谱仪分析干扰信号所在的频段，使用滤波器将其过滤掉。（图1-2-26）
图1-2-26 消除特定频率波段持续产生的杂波
（4）平面分法。定位外部信号的位置可以使用，首先将两个传感器按照相同朝向放置，移动两个传感器的位置，使示波器两个通道信号重叠，这时，信号源位于两个传感器中间的一个平面上。同样的方式在相对的方向上以及上下的方向上各确定一个平面，最终可查找信号源的位置。平面分法定位原理图如图1-2-27所示。
图1-2-27 平面分法定位原理图
2.3.1.3 放电缺陷类型识别与诊断
见本篇1.3.1.3章节，此处不再叙述。
2.3.1.4 放电源定位
放电源的准确定位能够极大地方便缺陷元件的查找及放电类型的诊断，提高检修工作效率。放电源的定位往往和干扰信号的排除综合进行。特高频法的主要定位方法有幅值比较法、定相法、时差法等。
（1）幅值比较法
幅值比较法的基本思路是距离放电源最近的传感器检测到的信号最强。当在多个点同时检测到放电信号时，信号强度最大的测点可判断为最接近放电源的位置。
在幅值比较法中，要注意特高频信号经过不同结构和设备后的衰减。L型衰减25%，T型衰减50%，断路器衰减10%，盆式绝缘子衰减60%，断开的隔离开关衰减30%，现场定位时需进行幅值修正。
幅值比较法的准确性往往受到现场检测条件的限制。当放电信号很强时，在较小的距离范围内难以观察到明显的信号强度变化，使精确定位面临困难。当设备外部存在干扰放电源时，也会在不同位置产生强度类似的信号，难以有效定位，同时也难以区分设备内部或外部的放电。
（2）定相法（三相分体式GIS设备）
第一步是确定放电信号源是否唯一。具体做法是在同步信号不变的情况下分别检测设备三相的同一个位置，若其PRPS、PRPD图谱相位分布相同，则说明附近放电信号来自于一个放电源；若相位分布不同，则说明附近存在两个或两个以上的放电源。第二步是确定放电源相别。具体做法是应用高速示波器同时检测设备三相相同位置的特高频局部放电时域信号，若两相极性与另外一相相反，则相反的相即为放电源所在相别。
（3）时差法
时差定位法的基本思路是距离放电源最近的传感器检测到的时域信号最超前。具体的时差定位适用于采用高速数字示波器的带电检测装置，定位方法如图1-2-28所示。将传感器分别放置在GIS上两个相邻的测点位置，根据放电检测信号的时差，利用图1-2-28和式（1-2-1）即可计算得到局部放电源的具体位置。
图1-2-28 GIS中局部放电源位置
式中：
为放电源距离左侧传感器的距离，单位为m；
L为图1-2-28中两个传感器之间的距离，单位为m；
c为电磁波传播速度3×108 m/s；
△t为两个传感器检测到的时域信号波头之间的时差，单位为s。
图1-2-29为现场采用时差法进行放电源定位。
图1-2-29 为现场采用时差法进行放电源定位
图1-2-30为使用示波器进行时差法定位的波形。
图1-2-30 示波器进行时差法定位的波形
图1-2-31为使用自动定位软件进行时差法定位的图谱。
图1-2-31 自动定位软件进行时差法定位的图谱
为了减小定位误差，可采取的措施有将传感器贴紧盆式绝缘子，对非金属屏蔽式绝缘子应在被测和邻近盆式绝缘子上绑扎屏蔽带，适当增加两个传感器之间的距离。
2.3.2 超声波（AE）局部放电诊断分析及定位
2.3.2.1 诊断流程
见本篇1.3.2.1章节，此处不再叙述。
2.3.2.2 现场常见干扰源及排除方法
根据现场检测经验，超声波局部放电检测常见干扰信号有外界环境干扰、GIS异常声响干扰、磁致伸缩干扰、感应电干扰等。
外界环境干扰
外界环境干扰主要包括噪声干扰、架空导线等电晕干扰、变压器及电抗器振动干扰。
噪声干扰主要有机械噪音干扰、汇控柜中风扇运转噪音干扰、GIS室内风机声干扰、现场人员触碰GIS设备产生的噪音信号干扰。检测时应关闭干扰源后再检测，同时避免人为原因造成的干扰。(www.xing528.com)
架空导线等电晕干扰通常在被测设备的套管法兰附近等测点比较高的部位出现，但在空气中测得的背景值高于GIS设备测试值，同时在空气中测得的背景值具有明显的方向性，当超声波信号朝向干扰源时，信号值最大。在此方向上进行距离调整并观察信号幅值变化规律可以对干扰源进行确认和排除。
变压器及电抗器振动，此类噪声主要为可听噪音，但当距离被检测GIS设备较近时，可能会给超声波局部放电检测带来干扰。此类干扰一般无明显频率分量，对测试影响较小。
GIS异常声响干扰
我们偶尔会遇到运行中的GIS出现了可听的异常声响，这种现象可能是由于内部松动、设备动静触头对应不正或设备运行引起振动等因素造成，因此我们不应盲目认为GIS内部出现了明显的放电，而应改变超声波信号频段检测，并加以设备的振动分析和特高频检测等其他检测手段进行综合分析。
此外，由于设备的设计和布局的原因，在设备运行时可能引起设备某段区域存在共振现象。我们应找出共振区域，检测是否有局部放电信号。这种共振现象频率一般比较低，人手能感觉出来，不伴有超声波局部放电信号。
磁致伸缩干扰
在工作状态下，电压互感器和电流互感器的内置绕组和铁芯会产生周期性的交变电磁场，由此可能产生特有的超声波信号，超声波信号幅值明显高于背景值，且可能存在100 Hz分量，表现出与悬浮电位相似的信号图谱，且三相测试结果一致。由于磁致伸缩不影响GIS设备的绝缘性能，因此它是无害的。
感应电干扰
在强电场区域进行超声波局部放电检测时，由于检测中不单独对检测人员采取接地措施，此时检测人员在电场感应效应下存在悬浮电位。检测人员接触探头金属外壳引入干扰，手指接触探头，信号出现，手指远离探头，信号消失。此时宜采用传感器绑扎法进行测试。
2.3.2.3 放电缺陷类型识别与诊断
见本篇1.3.2.3章节，此处不再叙述。
2.3.2.4 放电源定位
（1）单传感器定位法（幅值法）：利用超声波信号传播中的衰减特性，通过寻找信号最大值位置实现缺陷定位。该种方法无需计算即可大致确定放电点位置，简单直观。
通过信号幅值定位时，通常采用以下方法：
①通过移动传感器，寻找信号的最大位置。先在壳体轴向方向小距离地移动传感器，如图1-2-32所示，观察信号幅值的变化，确定轴向上最大信号位置。然后在最大信号所在圆周上移动传感器，如图1-2-33所示，确定信号所在的具体位置。
图1-2-32 轴向移动传感器
图1-2-33 圆周方向移动传感器
②判断信号源在壳体或中心导体上的方法：
a.在壳体周围上移动传感器，根据信号幅值是否出现明显变化初步判断。对于直径比较大的GIS设备，当信号值沿径向方向变化不大时，缺陷一般位于中心导体上；当信号值沿径向方向具有明显衰减规律时，缺陷一般位于壳体上。
b.在定位过程中，可通过信号检测区域大小，以及在检测区域内信号变化情况，判断信号源位于壳体附近还是位于导体附近。一般来说，检测区域小，信号变化明显的为外壳信号；检测区域大，信号变化不明显的为导体信号。导体信号与壳体信号区域差别示意图如图1-2-34所示：
图1-2-34 导体信号与壳体信号区域差别示意图
幅值定位法的有效性和准确性在某些情况下会受到影响。当内部放电很剧烈的情况下，在较小的距离范围内难以观察到明显的信号幅值变化，使精确定位面临困难。当GIS外部存在干扰源时，也可能在GIS金属外壳激发出异常超声波信号，可能对精确定位造成干扰。此外，幅值比较定位法对于不处于端部位置的直腔体结构有较好效果，但面对端部、L形或分支结构，由于信号反射叠加等因素，可能影响定位准确性。
（2）频率法：超声波信号在气体中传播时频率越高衰减越快的特性，通过改变检测带宽，观察信号幅值变化来判断放电源位置。
将检测带宽从10～100k Hz改为20～50k Hz，观察信号变化幅值，如果信号明显较小，则缺陷一般在壳体上，这是因为滤波器截去了信号中50k Hz以上的成分，说明声信号是宽带的。如果信号水平不变，则缺陷一般在中心导体上，因为高频成分已经由于气体的衰减而减弱。中心导体上的局部放电（高场强）与壳体上的局部放电（低场强）相比，对绝缘系统的危害更严重。
（3）时差法（多传感器时差定位法）：由局部放电辐射源激发的超声波信号以一定的速度在GIS中传播，到达不同位置传感器的时间不同。采用两个或者多个超声波传感器检测局部放电超声波信号，可根据超声波传感器接收到同一局部放电源的信号时间差及传感器的位置计算局部放电源的位置，实现缺陷的定位。
时差定位法是目前常用的最多的局部放电定位方法，具有原理简单、方便实现以及精确度高等优点，基本原理图如图1-2-35所示。
图1-2-35 时差法定位原理图
GIS内局部放电的超声波信号可通过两条路径传播到超声波传感器，一是由局部放电源直接传播到GIS外壳内壁并透过金属壁到达传感器，即直达波，此部分超声波为纵波。另一个是先以纵波传播到GIS金属外壳内壁，再沿金属壁以横波传播到传感器，此部分为复合波。因此，超声波信号的时延读取相应也有两种。由于超声波在GIS金属外壳（通常为铝材料）中传播速度快且衰减大，复合波往往先到达传感器但其幅值却比直达波小得多。鉴于直达波幅值相对较大，易于分辨，因此超声波定位法中常取直达波为准读取时延时间，如图1-2-36所示。
图1-2-36 时差法定位理图
在疑似放电源附近部位放置两个及以上的传感器，以首先达到传感器信号作为触发源，通过仪器得到超声波从放电源至各个传感器的传播时间。根据超声波在GIS媒介中的传播速度和路径，确定局部放电源的具体位置。
对于GIS这种独特的管道结构而言，使用时间差时可将其视为线形结构，在一维或二维空间内进行定位计算，在理想情况下，可采用X=1/2（L-c△t）进行计算得到放电点的位置。
式中：X为放电源距离较近传感器的距离，L为两个传感器间的距离，c为声音在SF6中的等效传播速度（约为140m/s），△t为两个传感器检测到的时域信号的时间差。
顺序定位是时差法的简化方法，在采用多个传感器时无需进行精确计算。将一个传感器（中心传感器）固定在GIS某个检测位置，将其他传感器放置在中心传感器四周邻近位置，如果中心传感器的信号总是领先于其他传感器的信号，则可判断放电源靠近中心传感器的位置。采用顺序定位法依次对每个GIS测点进行测量，即可确定异常信号是否来自GIS内部并找到信号源具体位置。
2.3.3 声电联合定位
声电联合定位法是在超声波检测法和特高频检测法的优点的基础上新提出的一种放电源定位方法。该方法的基本思想是先采用特高频传感器对GIS进行一次定位分析，确定绝缘缺陷的大致范围，然后同时采用特高频传感器和超声波传感器进行二次定位分析，实现绝缘缺陷的准确定位。由于同时检测局部放电的电磁波信号和超声波信号，电磁波信号以光速传播，远大于声波的传播速度，所以利用特高频信号和各超声波信号之间的时延作为放电点到各超声波传感器的时间，以等值声速乘以传播时间就得到放电点与超声波传感器的距离，以此确定局部放电点的位置。通过对两种传感器检测到的信号进行分析能更加有效地排除现场干扰，提高局部放电定位精度和缺陷类型识别的准确性，有利于发现并确定绝缘缺陷，原理如图1-2-37所示。
图1-2-37 声电联合定位原理图
现场检测时，在同时检测到超声波和特高频信号的前提下，可采用声电联合法进行精确定位。在邻近盆式绝缘子上放置特高频传感器，将特高频信号作为放电起始时间，沿壳体轴向移动超声波传感器，如图1-2-38所示。寻找超声波与特高频信号时间差最小位置的圆切面P，在圆切面P上绕壳体周围移动超声波传感器，如图1-2-39所示。寻找超声波信号与特高信号最小时差位置A，如图1-2-40所示。已知超声波在SF6气体中的传播速度约为140m/s，根据时差计算超声波传输距离，最终定位局部放电源位置X，如图1-2-41所示。检测示意如图1-2-42所示。
图1-2-38 轴向移动
图1-2-39 圆周移动
图1-2-40 寻找最小时差位置
图1-2-41 定位局部放电源
图1-2-42 声电联合定位示意图
由于电磁波传播速度远大于声波的传播速度，因此可将特高频信号作为信号起点，经测量超声波信号和电磁波信号的时间差△t，即可通过公式L=c△t计算出放电源距离超声波传感器的距离，其中c为对应压力SF6中的超声波信号传播速度，约为140m/s。（图1-2-43）
图1-2-43 声电联合定位法原理图
图1-2-44为声电联合定位中超声波传感器和特高频传感器的布置，将特高频传感器固定在放电源附件盆式绝缘子上，移动超声波传感器，通过观察并寻找距离特高频起始放电时差最小位置，对放电源进行精确定位，检测波形如图1-2-45所示。将单一波形展开到毫秒或微秒级时，可清晰地看到超声波信号起始点，如图1-2-46所示。
图1-2-44 声电联合定位中超声波传感器和特高频传感器的布置
图1-2-45 声电联合定位中检测波形
图1-2-46 同时触发的特高频信号和超声波信号
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