3.2.1 暂态地电压检测
3.2.1.1 暂态地电压检测法基本原理
当开关设备发生局部放电现象时，带电粒子会快速地由带电体向接地的非带电体（如设备的柜体）快速迁移，并在非带电体上产生高频电流行波，且以光速向各个方向快速传播。受集肤效应的影响，电流行波往往仅集中在金属柜体的内表面，而不会直接穿透金属柜体。但是，当电流行波遇到不连续的金属断开或绝缘连接处时，电流行波会由金属柜体的内表面转移到外表面，并以电磁波形式向自由空间传播，且在金属柜体外表面产生暂态地电压，原理如图1-3-6所示。
暂态地电压的范围通常在1m V直至1V中间，而且上升时间内有几个纳秒。可以将探头设置于工作状态中的开关柜的外表面，对局部放电活动进行检测。具体如图1-3-7所示。
图1-3-7 开关柜暂态地电压检测原理图
3.2.1.2 暂态地电压局部放电检测装置的组成
暂态地电压检测仪器的检测设备主要由传感器及其信号调理电路、模数转换电路、微处理器电路、人机接口、存储器、通讯接口和电源管理单元组成，如图1-3-8所示。
图1-3-8 暂态地电压检测设备原理框图
（1）暂态地电压传感器：类似于传统的RF耦合电容器，其壳体兼具绝缘和保护双重功能。当金属柜体外表面出现快速变化的暂态地电压信号时，传感器内置的金属极板上就会感生出高频脉冲电流信号，该高频电流经引出线输入到检测设备内部并经检测阻抗转换为与放电强度成正比的高频电压信号，经电子电路处理后即可得到局部放电的强度、重复率等特征参数。暂态地电压传感器的原理电路如图1-3-9所示，暂态地电压传感器如图1-3-10所示。
图1-3-9 暂态地电压传感器原理示意图
图1-3-10 暂态地电压传感器
（2）信号调理电路：负责将微弱的暂态地电压信号转换为合适的信号电平、波形和频率，其原理框图如图1-3-11所示。
图1-3-11 暂态地电压信号调理电路原理示意图
其中，模拟滤波电路用于对暂态地电压传感器馈入的模拟进行处理，限制其带宽，以最大限度地降低外部环境的电磁干扰和提高局部放电检测的灵敏度；对数放大电路用于对暂态地电压信号进行非线性放大；峰值检波电路用于对持续时间短至ps级的局部放电信号进行处理，提取对局部放电检测最为重要的幅值信号，而将其持续时间展宽至μs级，以降低后续采样与转换电路的设计指标要求。
暂态地电压信号调理电路具有下列基本特征：
①信号调理电路的频谱特性需要兼顾灵敏度和抗干扰特性的要求。对于主导频率处于所设计频带范围之外的局部放电现象，检测设备存在失效的可能。对于开关柜来说，局部放电所产生电磁波信号的最高频率一般不超过100MHz。
②对数放大器对于弱信号具有很高的放大增益，因此对于轻微的局部放电现象具有较高的灵敏度。同时对数放大器对于大信号又具有很小的增益，因此对于剧烈的放电现象能够自动限制信号幅值，保证检测设备的电气安全。
③峰值检波电路能够保留对局部放电检测最为重要的峰值信息，而忽略了局部放电源始信号的频率信息。一般来说，检波时间常数可达到100μs，因此即便采用1MHz的采样率也能够正确测量局部放电。对便携式检测设备的采样率要求提出过高的技术要求毫无必要。
④重复率过高的局部放电信号将会导致峰值检波电路的输出存在很大的直流分量，不同的信号提取算法可能会导致不同的测量结果。
（3）模数转换电路：负责将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，并提供给微处理器系统，实现信号的处理、分析和存储。
（4）人机接口电路：实现操作者与检测设备的信息交互。数据存储电路实现检测数据和设备信息的就地存储。
（5）通讯接口电路：用于实现检测设备终端与数据管理系统的信息交换。
（6）电源管理单元：负责电源的电压变换和储能部件的充电管理及监测。
3.2.1.3 暂态地电压局部放电检测人员要求
（1）熟悉暂态地电压局部放电检测技术的基本原理、诊断分析方法；
（2）了解暂态地电压局部放电检测仪的工作原理、技术参数和性能；
（3）掌握暂态地电压局部放电检测仪的操作方法；
（4）了解开关柜设备的结构特点、工作原理、运行状况和导致设备故障的基本因素；
（5）具有一定的现场工作经验，熟悉并能严格遵守电力生产和工作现场的相关安全管理规定；
（6）经过上岗培训并考试合格。
3.2.1.4 暂态地电压局部放电检测开关柜设备要求
（1）开关柜设备上无其他作业；
（2）开关柜金属外壳应清洁并可靠接地；
（3）应尽量避免干扰源（如气体放电灯、排风系统电机）等带来的影响；
（4）进行室外检测应避免天气条件对检测的影响；
（5）雷电时禁止进行检测；
（6）被测开关柜设备带电运行或者施加试验电压。
3.2.1.5 暂态地电压局部放电检测环境要求
（1）环境温度不宜低于5℃；
（2）环境相对湿度不宜大于80%，若在室外不应在有雷、雨、雾、雪的环境下进行检测；
（3）在检测时应避免外部干扰源。
3.2.1.6 暂态地电压局部放电检测仪器要求
基本功能
（1）能够显示暂态地电压信号的强度；
（2）具备单次测试和连续测试两种测试模式；
（3）具备报警设置功能及告警功能；
（4）具备数据管理和数据导入导出功能。
高级功能
（1）具备脉冲计数功能，可以显示2s脉冲数；
（2）可通过不同测量模式的综合分析进行局部放电定位和种类识别；
（3）通过数据管理软件，对开关柜进行绝缘状态分析、数据统计分析等；
（4）能够输出与暂态地电压信号前沿同步的脉冲信号。
性能指标要求
（1）测量量程：0～60dBm V；
（2）分辨率：1dBm V；
（3）误差：不超过±2d Bm V；
（4）传感器频率范围：3～100MHz。
使用条件要求
（1）环境温度：-10～55℃；
（2）环境相对湿度：0～85%；
（3）大气压力：80～110k Pa。CX
3.2.1.7 暂态地电压局部放电检测工器具要求
开展暂态地电压局部放电超声波检测前，还应仔细核对仪器仪表及工器具是否满足检测要求。根据常规检测需要，建议包括表1-3-1的内容。
表1-3-1 暂态地电压局部放电检测工器具要求
3.2.1.8 暂态地电压局部放电检测点要求
检测点因电力设备的不同而不同，它们是根据电力设备的结构来确定的。测试开关柜局部放电过程中应先确定各电力设备所处的位置，主要检测母排（连接处、穿墙套管/支撑绝缘件）、断路器、CT、PT、电缆接头等设备的局部放电情况，这些设备大部分位于开关柜前面中部及下部，后面上部、中部及下部。我们应在开关柜上述位置进行局部放电检测。
现场检测时，在每面开关柜的前面、后面均应设置测试点，具备条件时，在侧面设置测试点，前面选2点，后面、侧面选3点，检测位置可参考图1-3-12所示。
图1-3-12 暂态地电压参考检测位置示意图
暂态地电压现场检测如图1-3-13所示。
图1-3-13 暂态地电压现场检测图
根据现场需要设置相应的检测位置，如有条件，应对开关柜进线穿墙套管、母线桥架等处进行局部放电测试。
3.2.1.9 暂态地电压局部放电检测规范化流程
开关柜的局部放电检测在开关柜的结构和频谱特性方面与其他电力设备存在明显区别。首先，放电部件封闭于金属壳体内，检测设备的传感器难以深入开关设备内部，因此检测过程难以排除环境电磁噪声的影响。其次，开关柜及其部件主要采用空气绝缘或环氧树脂固体绝缘，绝缘强度较弱，电磁放电的频谱较低，基本上与环境电磁噪声的频带重合。因此，开关柜的暂态地电压检测必须遵循一定的程序，才能得出准确的结论。典型的操作流程如图1-3-14所示。现场检测步骤如下：
图1-3-14 开关柜局部放电现场检测的基本流程
（1）检查仪器完整性，确认仪器能正常工作，保证仪器电量充足或者现场交流电源满足仪器使用要求。
（2）测试环境（空气和金属）中的背景值，并在表格中记录。一般情况下，测试金属背景值时可选择开关室内远离开关柜的金属门窗等；在开关室不同的位置检测不同点的背景值，也可以在需要测试背景值的地方测试背景值；测试空气背景时，可在开关室内远离开关柜的位置，放置一块20cm×20cm的金属板，将传感器贴紧金属板进行测试。
（3）对开关柜进行暂态地电压检测时，传感器应与开关柜柜面紧贴并保持相对静止，待读数稳定后记录结果，如有异常再进行多次测量。
（4）一般可先采用常规检测。若常规检测发现异常，再采用定位检测进一步排查。
（5）对于异常数据应及时记录保存，记录故障位置。
（6）填写设备检测数据记录表，进行检测结果分析。
3.2.1.10 暂态地电压局部放电检测注意事项
（1）安全注意事项：
为确保安全生产，特别是确保人身安全，除严格执行电力相关安全标准和安全规定之外，还应注意以下几点：
①检测时勿碰勿动其他带电设备；
②不得操作开关柜设备，开关柜金属外壳应接地良好；
③保证待测设备绝缘良好，以防止低压触电；
④设备投入运行30min后，方可进行带电测试；
⑤测试现场出现明显异常情况（如异音、电压波动、系统接地等）时，应立即停止测试工作并撤离现场；
⑥应确保操作人员及测试仪器与电力设备的带电部位保持足够的安全距离；
⑦检测至少由两人进行，并严格执行保证安全的组织措施和技术措施；
⑧应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位或兼职其他工作。
（2）测试注意事项：
①注意测试过程中应避免信号线、电源线缠绕一起。
②排除干扰信号，必要时可关闭开关室内照明灯及通风设备。
③考虑背景噪声的波动特性，每隔一段时间就应当复测背景噪声，以保证背景噪声的时效性。
④检测过程中应确保传感器与开关柜金属面板紧密接触，传感器应尽量靠近观察窗、通风百叶等局部放电信号易泄漏部位的金属面板。
⑤应注意在每次测试读数时，检测仪器在检测部位停留5s以上，待数值稳定后再读数。如5s后数值还一直不稳定，则读取出现次数最多的数值。
⑥应尽可能保持每次测试点的位置一致，以便进行比较分析。
⑦如存在异常信号，则应在该开关柜进行多次、多点检测，查找信号最大点的位置。
3.2.2 超声波（AA）检测
3.2.2.1 超声波（AA）检测法基本原理
开关设备局部放电发生前，放电点周围的电场力、绝缘介质的机械应力和粒子力处于相对平衡状态。局部放电发生时，电荷的快速释放或迁移使得放电点周围的电场力出现变化，导致电场力、机械应力和粒子力失去平衡，引起放电点周围的粒子出现振荡性的机械运动，从而产生声音或振动信号。
超声波传感器通过检测放电所产生的超声波信号，利用外差法将被接收的信号转换成一个人耳可判别、可听见的声音信号，并将放电所产生的超声波大小以声压的形式显示出来，使用者通过分析耳机中传来的放电声音以及显示屏上声压的大小来判断设备是否存在放电现象，如下图1-3-15所示。
图1-3-15 超声波外差法示意图
外差法原理就像是收音机，可将信号准确地转换成声音，让人们容易辨认和了解。传感器接收到超声波信号，经过主机选频后，选出要接收的超声波信号。同时，在主机中，有一个本地振荡器，产生一个跟接收频率差不多的本振信号，它跟接收信号混频，产生差频，这个差频就是中频信号。中频信号再经过中频选频放大，然后再检波，就得到了原来的音频信号。音频信号通过功率放大之后，就可送至耳机发声了。
3.2.2.2 超声波（AA）局部放电检测装置的组成
超声波检测仪器的检测设备主要由传感器及其信号调理电路、功率放大电路、耳机、模数转换电路、微处理器电路、人机接口、存储器、通讯接口和电源管理单元组成，如图1-3-16所示。
图1-3-16 超声波检测设备原理框图
（1）超声波传感器：开关柜超声波检测所用传感器为敞开式超声波传感器，结构示意图可参见图1-3-17。盒体部分对传感器起保护作用，前端镂空可用于高效耦合在空气中传播的超声波信号。谐振器的作用是与特定频率的超声波信号产生谐振，从而有效耦合特定成分的超声波信号并抑制背景干扰，如图1-3-18所示。因此，从传感原理来说，敞开式传感器属于一种窄带的超声波滤波器。
图1-3-17 超声波传感器原理示意图
图1-3-18 超声波传感器
（2）前置放大电路：负责将传感器输出的微弱信号进行放大，以提高信号的抗干扰能力。
（3）带通滤波器：负责对输入超声波信号进一步选频，以抑制杂散的背景音频信号干扰。带通滤波器选频后一路输出到混频电路，另一路输出到对数放大电路。
（4）模拟混频电路：负责将40k Hz的超声波信号转换为频率约为1k Hz左右的可闻声音信号。
（5）音频功放电路：功率放大。
（6）外置耳机：供检测人员通过音频判断局部放电活动的有无。
（7）模数转换电路：负责将输出的模拟信号转换为数字信号，并提供给微处理器系统，实现信号的处理、分析和存储。
（8）人机接口电路：实现操作者与检测设备的信息交互。
（9）数据存储电路：实现检测数据和设备信息的就地存储。
（10）通讯接口电路：用于实现检测设备终端与数据管理系统的信息交换。(www.xing528.com)
（11）电源管理单元：负责电源的电压变换和储能部件的充电管理及监测。
3.2.2.3 超声波（AA）局部放电检测人员要求
（1）熟悉超声波局部放电检测技术的基本原理、诊断分析方法；
（2）了解超声波局部放电检测仪的工作原理、技术参数和性能；
（3）掌握超声波局部放电检测仪的操作方法；
（4）了解开关柜设备的结构特点、工作原理、运行状况和导致设备故障的基本因素；
（5）具有一定的现场工作经验，熟悉并能严格遵守电力生产和工作现场的相关安全管理规定；
（6）经过上岗培训并考试合格。
3.2.2.4 超声波（AA）局部放电检测开关柜设备要求
（1）开关柜设备上无其他作业；
（2）开关柜金属外壳应清洁并可靠接地；
（3）应尽量避免干扰源（如气体放电灯、排风系统电机）等带来的影响；
（4）进行室外检测应避免天气条件对检测的影响；
（5）雷电时禁止进行检测；
（6）被测开关柜设备带电运行或者施加试验电压。
3.2.2.5 超声波（AA）局部放电检测环境要求
（1）环境温度不宜低于5℃；
（2）环境相对湿度不宜大于80%，若在室外不应在有雷、雨、雾、雪的环境下进行检测；
（3）在检测时应避免外部干扰源。
3.2.2.6 超声波（AA）局部放电检测仪器要求
基本功能要求
（1）能够显示超声波信号的强度；
（2）具备报警设置功能及告警功能；
（3）具备数据管理和数据导入导出功能；
（4）使用耳机可以实时监听局部产生的超声波信号，通过声音辅助判断局部放电情况。高级功能要求
（1）应具有图谱显示功能，如实时图谱、相位图谱；
（2）应具备抗外部干扰的功能，如检测信号的硬件滤波和数字滤波等；
（3）宜具有参考相位测量功能；
（4）宜具有诊断分析功能；
（5）应具有放大倍数调节功能，并在仪器上直观显示放大倍数大小。
性能指标要求
（1）灵敏度：峰值灵敏度一般不小于60d B[V/（m/s）]，均值灵敏度一般不小于40dB[V/（m/s）]；
（2）线性度误差：不大于±20%；
（3）传感器频率范围：20～60k Hz；
（4）稳定性：局部放电超声波检测仪连续工作1h后，注入恒定幅值的脉冲信号时，其响应值的变化不应超过±20%。
使用条件要求
（1）环境温度：-10～55℃；
（2）环境相对湿度：0～85%；
（3）大气压力：80～110kPa。
3.2.2.7 超声波（AA）局部放电检测工器具要求
超声波局部放电检测工器具要求如表1-3-2。
表1-3-2 超声波局部放电检测工器具要求
3.2.2.8 超声波（AA）局部放电检测点要求
将仪器指向开关柜面板缝隙处，沿着缝隙检测超声波信号，检测部位包括断路器和金属封装的缝隙处、电缆或母线窗、母线通风板/盖处的缝隙、开关面板/门处的缝隙、高压电缆接头箱的侧面或底部的通风孔等部位。
现场检测时，在每面开关柜的前面、后面均应设置测试点，具备条件时，在侧面设置测试点，检测位置可参考图1-3-19所示。
图1-3-19 超声波参考检测位置示意图
超声波现场检测如图1-3-20所示。
1-3-20 超声波现场检测图
可使用远距离探头对开关柜进线穿墙套管、母线桥架等处进行局部放电测试，如下图1-3-21所示。
图1-3-21 对穿墙套管进行超声波检测
3.2.2.9 超声波（AA）局部放电检测规范化流程
典型的操作流程如图1-3-22所示。
图1-3-22 开关柜局部放电现场检测的基本流程
现场检测步骤如下：
（1）检查仪器完整性，确认仪器能正常工作，保证仪器电量充足或者现场交流电源满足仪器使用要求。
（2）测试环境中的背景值，并在表格中记录。一般情况下，测试背景值时要选择开关室内远离开关柜的地方，一般为开关室内的四个角，也可以在需要测试背景值的地方测试背景值。
（3）对开关柜进超声波行检测，将超声波探头指向开关柜面板缝隙处，沿着缝隙检测超声波信号，如有异常再进行多次测量。
（4）一般可先采用常规检测，若常规检测发现异常，再采用定位检测进一步排查。
（5）对于异常数据应及时记录保存，记录故障位置。
（6）填写设备检测数据记录表，进行检测结果分析。
3.2.2.10 超声波（AA）局部放电检测注意事项
安全注意事项
为确保安全生产，特别是确保人身安全，除严格执行电力相关安全标准和安全规定之外，还应注意以下几点：
（1）检测时应勿碰勿动其他带电设备；
（2）不得操作开关柜设备，开关柜金属外壳应接地良好；
（3）保证待测设备绝缘良好，以防止低压触电；
（4）设备投入运行30min后，方可进行带电测试；
（5）测试现场出现明显异常情况时（如异音、电压波动、系统接地等），应立即停止测试工作并撤离现场；
（6）应确保操作人员及测试仪器与电力设备的带电部位保持足够的安全距离；
（7）检测至少由两人进行，并严格执行保证安全的组织措施和技术措施；
（8）应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位或兼职其他工作。
测试注意事项
（1）注意测试过程中应避免信号线、电源线缠绕一起；
（2）排除干扰信号，必要时可关闭开关室内照明灯及通风设备；
（3）考虑背景噪声的波动特性，每隔一段时间就应当复测背景噪声，以保证背景噪声的时效性；
（4）应将超声波传感器沿着开关柜上的缝隙扫描进行检测，传感器与开关设备间一定要有空气通道，用来保证超声波信号可以传播出来；
（5）应注意在每次测试读数时，每一处扫描应持续10s，记录时应该记录该开关柜缝隙扫描测试中超声波稳定的最大值；
（6）应尽可能保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析；
（7）如存在异常信号，则应在该开关柜进行多次、多点检测，查找信号最大点的位置。
3.2.3 特高频检测
3.2.3.1 特高频检测法基本原理
电力设备绝缘体具有很高的绝缘强度，其放电信号的上升沿及持续时间极短，一般小于1ns。典型局部放电信号的频谱可从低频到数百兆赫甚至3GHz以上。放电脉冲波不仅以横向电磁波（TEM波）的形式传播，而且还会以横向电场波（TE波）和横向磁场波（TM波）的方式传播。局部放电产生的特高频信号可以有效地沿波导传播。特高频法的基本原理是通过特高频传感器对电力设备局部放电产生的特高频（0.3～3GHz）信号进行检测，从而判断设备局部放电状况，实现绝缘状态的判断。而由于现场干扰主要集中于0.3GHz频段以下，因
此特高频法能有效地避开干扰信号，具有较高的灵敏度和抗干扰能力，可实现局部放电带电检测、定位、故障类型判断等优点。该方法的灵敏度相对较高，且具备较强的抗干扰能力。开关柜上通常有接缝或者小玻璃窗，可以不用考虑该方法在完全密封条件下很难检测的要求。
3.2.3.2 特高频局部放电检测装置的组成
见本篇1.2.1.2章节，此处不再叙述。
3.2.3.3 特高频局部放电检测人员要求
见本篇1.2.1.3章节，此处不再叙述。
3.2.3.4 特高频局部放电检测开关柜设备要求
（1）开关柜设备上无其他作业；
（2）开关柜金属外壳应清洁并可靠接地；
（3）应尽量避免干扰源（如气体放电灯、排风系统电机）等带来的影响；
（4）进行室外检测应避免天气条件对检测的影响；
（5）雷电时禁止进行检测；
（6）被测开关柜设备带电运行或者施加试验电压。
3.2.3.5 特高频局部放电检测环境要求
见本篇1.2.1.5章节，此处不再叙述。
3.2.3.6 特高频局部放电检测仪器要求
见本篇1.2.1.6章节，此处不再叙述。
3.2.3.7 特高频局部放电检测工器具要求
开展特高频局部放电检测前，还应仔细核对仪器仪表及工器具是否满足检测要求。根据常规检测需要，建议包括如表1-3-3的内容：
表1-3-3 特高频局部放电检测工器具要求
3.2.3.8 特高频局部放电检测点要求
检测点因不同的电力设备而不同，它们是根据电力设备的结构来确定的。测试开关柜局部放电过程中应先确定各电力设备所处的位置，主要检测母排（连接处、穿墙套管、支撑绝缘件）、断路器、CT、PT、电缆接头等设备的局部放电情况，这些设备大部分位于开关柜前面中部及下部，后面上部、中部及下部。我们应在开关柜上述位置进行局部放电检测。
现场检测时，在每面开关柜的前面、后面均应设置测试点，具备条件时，在侧面设置测试点，前面选2点，后面、侧面选3点，检测位置可参考图1-3-23所示。
图1-3-23 特高频电压参考检测位置示意图
特高频现场检测时探头应平贴在缝隙处或者柜体观察窗位置，如下图1-3-24所示。
图1-3-24 特高频现场检测图
3.2.3.9 特高频局部放电检测规范化流程
见本篇1.2.1.9章节，此处不再叙述。
3.2.3.10 特高频局部放电检测注意事项
安全注意事项
为确保安全生产，特别是确保人身安全，除严格执行电力相关安全标准和安全规定之外，还应注意以下几点：
（1）检测时应勿碰勿动其他带电设备；
（2）不得操作开关柜设备，开关柜金属外壳应接地良好；
（3）保证待测设备绝缘良好，以防止低压触电；
（4）设备投入运行30min后，方可进行带电测试；
（5）测试现场出现明显异常情况时（如异音、电压波动、系统接地等），应立即停止测试工作并撤离现场；
（6）在使用传感器进行检测时，应戴绝缘手套，避免手部直接接触传感器金属部件；
（7）应确保操作人员及测试仪器与电力设备的带电部位保持足够的安全距离；
（8）检测至少由两人进行，并严格执行保证安全的组织措施和技术措施；
（9）应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位或兼职其他工作。
测试注意事项
（1）检测中应将同轴电缆完全展开，避免同轴电缆外皮受到剐蹭损伤；
（2）在测量时应尽可能保证传感器与柜体缝隙或者观察窗的接触，不要因为传感器移动引起信号而干扰正确判断；
（3）在检测时应最大限度保持测试周围信号的干净，尽量减少人为制造出的干扰信号，例如手机信号、照相机闪光灯信号、照明灯信号等；
（4）在检测过程中，必须要保证外接电源的频率为50Hz；
（5）在开始检测时，不需要加装放大器进行测量。若发现有微弱的异常信号时，可接入放大器将信号放大以方便判断。
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