高压电气试验的局部放电检测方法及故障诊断研究

引言

局部放电是高压电气设备绝缘系统中的一种常见现象，它发生在绝缘介质中的局部区域，在电气设备的绝缘系统中，由于电场分布不均匀，绝缘内部或表面局部区域的电场强度达到击穿场强，导致该局部区域发生放电，但尚未贯穿整个绝缘系统的现象。导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电。局部放电产生的带电粒子会轰击绝缘材料，破坏其分子结构，使绝缘性能逐渐下降。每次局部放电都会在绝缘材料内部留下微小的损伤痕迹，随着放电次数的增加，这些损伤会累积，导致绝缘老化加速，缩短电气设备的使用寿命，如果局部放电长期存在且得不到控制，最终可能会导致整个绝缘系统被击穿，引发电气设备短路故障。因此，对高压电气设备进行局部放电检测与故障诊断具有重要意义。

1 高压电气试验的定义与核心目的

高压电气试验是指在特定的试验条件下，利用专业的试验设备和仪器，对额定电压在 1kV 及以上的电力设备施加规定的高压电信号（包括交流电压、直流电压、冲击电压等），检测设备在高压作用下的电气性能和绝缘状态的技术过程。其核心目的包括三个层面：验证设备性能：确认新制造、新安装或大修后的电力设备是否符合设计标准和运行要求，确保其在额定电压下能够安全稳定运行；排查潜在缺陷：通过试验发现设备在制造、运输、安装或运行过程中产生的绝缘老化、局部放电、机械损伤等隐蔽性故障，避免故障扩大导致停电事故；评估运行风险：结合试验数据判断设备的老化程度和剩余寿命，为电力系统的运维决策提供依据，降低设备突发故障的概率。

2 局部放电检测方法

2.1 超声波检测法

超声检测是一种应用范围较广的无损检测方法，对缺陷进行定性和定量分析时超声检测的关键内容。超声波检测法是利用局部放电产生的超声波信号进行检测的方法。当电气设备发生局部放电时，放电区域内的分子会形成剧烈的撞击，产生瞬时体积改变和脉冲压力波，其中超声波是声波分量之一。通过安装声电转换器，将声音信号转化为电信号，经过处理后即可得到局部放电信息的特征量。超声波检测法具有不受电气干扰、可实现远距离无线测量的优点，且在大容量电容器检测中灵敏度较高。然而，超声波信号在穿透障碍物和金属物时能力较差，对障碍物的体积、厚度等有一定要求。超声波检测系统的核心部件为进口镀膜压电晶片，用于将频率误差控制在最小范围内。

2.2 化学检测法

当电力设备发生局部放电时，绝缘材料（如油纸绝缘）会在放电能量作用下发生分解，产生特定的气体或化学物质，如氢气（H₂）、乙炔（ C₂H ₂）等。通过分析油中溶解气体的成分和含量（即溶解气体分析DGA），可判断局部放电的类型和严重程度。应用场景：广泛应用于变压器的在线故障诊断，对发现早期潜伏性故障较为灵敏。优缺点：能提供关于放电类型和严重程度的关键信息，为变压器绝缘状态评估提供有力依据。但该方法不能实时反映突发性故障，且目前尚未形成统一的判断标准，不同实验室或检测设备的分析结果可能存在差异。

2.3 声学测法

声学检测基于声波的产生、传播和接收原理对电力设备进行故障诊断。当电力设备内部发生局部放电、机械振动异常等故障时，会产生一系列复杂的物理过程，进而产生声波。电力设备绝缘内部放电瞬间，放电通道内的能量迅速释放，使周围介质（如变压器油、绝缘气体等）发生局部的快速膨胀和收缩，形成压力波，这种压力波以声波的形式在介质中传播。通过在设备表面或合适位置安装声学传感器，可以接收这些声波信号，例如，变压器油中典型的局部放电会产生 20kHz.300kHz 频段的超声波信号。当变压器内部发生局部放电时，放电能量使周围介质振动产生超声波，通过在变压器油箱壁等部位安装超声波传感器，可接收并检测这些超声波信号，进而判断局部放电的存在及位置。应用场景：适用于变压器、电缆和高压开关设备等的局部放电检测，尤其在现场环境复杂、电磁干扰强的情况下，声测法可作为辅助检测手段。

3 基于局部放电检测的故障诊断

3.1 故障特征提取

从局部放电检测数据中提取有效的故障特征是准确诊断的关键。常见特征包括放电脉冲的幅值、相位、频次、放电量等时域特征；通过对放电信号进行傅里叶变换等处理，获取其频率分布、特征频率等频域特征；以及利用相位分辨局部放电（PRPD）图谱，分析放电在工频周期内的相位分布规律，提取图谱的统计特征，如偏斜度、陡峭度等。例如，绕组端部放电的 PRPD 图谱通常呈现出特定的对称性和相位分布特点，与绝缘内部气隙放电图谱有明显区别。

3.2 模式识别诊断方法

包括人工神经网络、支持向量机等。以人工神经网络为例，首先收集大量已知故障类型的局部放电样本数据，对神经网络进行训练，使其学习不同故障类型与特征参数之间的映射关系。在实际诊断时，将待诊断的局部放电特征参数输入训练好的网络，网络输出对应的故障类型。这种方法能够处理复杂的非线性关系，诊断准确率较高，但对样本数据的数量和质量要求严格，训练过程耗时较长。

3.3 专家系统诊断方法

汇集电力设备故障诊断领域专家的知识和经验，建立知识库。当获取局部放电检测数据后，系统根据知识库中的规则进行推理判断，得出故障诊断结论。例如，若检测到放电脉冲幅值高、频次低且油中溶解气体分析显示有大量乙炔生成，专家系统可依据知识库中关于电弧放电的规则，诊断为变压器内部可能存在电弧放电故障。该方法具有可解释性强的优点，但知识库的构建和更新难度较大，依赖专家经验。

结束语

电力设备局部放电超高频检测技术的应用前景较广，应不断优化其算法，提高检测精度和可靠性，促进其智能化、高效化发展，以满足电力系统日益增长的安全需求。在应用技术的过程中，可配套使用红外热像仪扫描技术，检查电力设备的温度，对放电部位做进一步考察，与超高频测试结果互为参照，确保检测的准确性。

参考文献

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