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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

高电压试验技术电磁和声学法测量

（IECTS62478:2016,IDT)

GB 20178-2014 土方机械 机器安全标签 通则.pdf图1仪器信号处理的分类

GB/T42287—2022/IECTS62478:2016

本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 本文件等同采用IECTS62478：2016《高电压试验技术电磁和声学法测量局部放电》，文件类型 由IEC的技术规范调整为我国的国家标准。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国电器工业协会提出。 本文件由全国高电压试验技术和绝缘配合标准化技术委员会（SAC/TC163)归口。 本文件起草单位：华东电力试验研究院有限公司、西安高压电器研究院股份有限公司、西安交通大 学、中国电力科学研究院有限公司、国网陕西省电力有限公司电力科学研究院、国网河北省电力有限公 司电力科学研究院、国网河南省电力公司电力科学研究院、国网四川省电力公司电力科学研究院、宁波 职业技术学院、国网宁夏电力有限公司电力科学研究院、中国计量科学研究院、国网经济技术研究院有 限公司、南方电网科学研究院有限责任公司、国网西藏电力有限公司电力科学研究院、国网湖北省电力 有限公司营销服务中心（计量中心）、国网四川省电力公司阿坝供电公司、新疆特变电工自控设备有限公 司、思源电气股份有限公司、国网浙江省电力有限公司电力科学研究院、上海交通大学、南方电网电力 科技股份有限公司、国网智能电网研究院有限公司、武汉大学、西安西电避雷器有限责任公司、中科（深 圳)能源物联网有限公司、西安西电开关电气有限公司、内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科 学研究院分公司、北京交通大学、平高集团有限公司、广西电网有限责任公司电力科学研究院、石家庄科 林电气设备有限公司、甘肃电器科学研究院、中国长江电力股份有限公司、山东大学、西安茂荣电力设备 有限公司、华北电力大学、广东电网有限责任公司电力科学研究院、国网重庆市电力公司电力科学研究 院、国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院、杭州柯林电气股份有限公司、山东泰开成套电器有限公 司、厦门斯玛特思智能电气有限公司、国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、云南电网有限责任公 司电力科学研究院、国网上海市电力公司金山供电公司、江苏省如高高压电器有限公司。 本文件主要起草人：司文荣、张小勇、李军浩、傅晨钊、雷民、李彦明、王春杰、周玮、李强、赵学风、 高树国、王亭、王天、苏春强、刘宏亮、张晨萌、沈建位、王建生、吴旭涛、刘娜、杜商安、蒲路、胡良蓉、高超、 王大飞、郭玥、汪司珂、王大兴、危鹏、许铁军、常家森、赵琳、王辉、卢启付、翰登峰、关伟民、韩帅、何计谋 王伟、王建文、王玲、张伟、车传强、孙继星、林麟、饶夏锦、段洪民、燕琦、吴治国、李清泉、王国利、袁鹏、 李腾、马国明、李兴旺、王嘉易、谢成、李勇、金鑫、谢炜、郑维霞、申巍、桑仲庆、朱太云、彭晶、杨洋、张榆、 孙京京、谢东、范兴财。

局部放电会产生电磁和声波信号，辐射光及造成绝缘材料的化学分解；这些物理的和化学的效应可 以通过各类诊断性方法及相应的传感元件（传感器）进行检测。除了IEC60270描述所谓的常规电气检 测方法，还可以采用非常规方法测量局部放电（见附录A、附录B和附录C)。 本文件对于电磁和声学这两类非常规检测方法应用存在的特殊需求给出了推荐，是这一方向测量 局部放电的基础。

局部放电会产生电磁和声波信号，辐射光及造成绝缘材料的化学分解；这些物理的和化学的效应可 以通过各类诊断性方法及相应的传感元件（传感器）进行检测。除了IEC60270描述所谓的常规电气检 测方法，还可以采用非常规方法测量局部放电（见附录A、附录B和附录C)。 本文件对于电磁和声学这两类非常规检测方法应用存在的特殊需求给出了推荐，是这一方向测量 局部放电的基础。

高电压试验技术电磁和声学法测量 局部放电

电压试验技术电磁和声学法测

本文件描述了电气设备绝缘中局部放电的电磁（高频/甚高频/特高频）及声学测量方法。 本文件适用于不同应用场景、不同频率范围和不同灵敏度的局部放电传感器，以及相应的定位、测 量系统校准或灵敏度核查。

局部放电效应的检测和测量

3.4.1 传感器输出电压sensoroutputvoltage 电磁或声学传感器的响应[单位为伏特（V)或分贝毫伏（dBmV)]。 3.4.2 传感器有效口径sensoreffectiveaperture 传感器最大输出功率[单位为毫瓦（mW)]与输人电场功率密度[单位为毫瓦每平方毫米 （mW/mm²）]之比。 注1：传感器有效口径以平方毫米（mm²）表征。 注2：在这种情况下，被测量是由局部放电信号引发的瞬态电场所产生的脉冲能量。 3.4.3 传感器有效高度sensoreffectiveheight 传感器有效长度sensoreffectivelength 传感器输出电压幅值[单位为伏（V)]与输人电场强度[单位为伏每毫米（V/mm)]之比。 注1：传感器有效高度以毫米(mm)表征。 注2：通常情况下输出包含一个暂态电压脉冲。 3.4.4 天线因子antennafactor 有效高度（或长度)的倒数，定义为输人电场强度[单位为伏每毫米（V/mm)与传感器输出电压幅 值[单位为伏（V)]之比。 注：天线因子以毫米倒数（mm一）表征。

短上升沿时间(<1ns)的局部放电脉冲电流会激发出从HF到UHF范围(3MHz～3GHz) 滋波，并在多种绝缘材料中传播。所产生的UHF电磁波的传播速度取决于材料的相对介电常数 如在油中约为2/3×c。或2X10°m/s（c。表示真空中的光速），频率范围取决于具体设备。

设备外壳的金属部件可充当波导或谐振腔，产生诸如色散、衰减、腔谐振、驻波、反射和衍射等效应； 所有这些效应将分别影响局部放电脉冲信号的传播和脉冲特性。 传输路径特性通常依赖如下因素： · 材料特性及尺寸； · 周围介质的电磁阻抗及介电性能； ·局部放电源和传感器之间的距离。

基于射频（RF)技术的非常规局部放电测量系统有两种不同的处理模式：一种采用HF/VHF的频 率范围，另一种采用UHF的频率范围。在HF和VHF范围内，通常可以测量电、磁和电磁场（例如 TEMoo）。在UHF范围内，主要测量各种模式的电磁波（例如TEMxx）。

HF标称频率范围覆盖3MHz～30MHz，VHF标称频率范围覆盖30MHz～300MHz。通常，在 HF和VHF范围内的窄带测量，测量带宽为3MHz;在VHF范围内的宽带测量，测量带宽为50MHz 和更宽。 UHF的标称频率范围在300MHz～3GHz之间。应用于UHF范围内的测量模式通常是一个或 多个单独频率的零频宽模式，分辨带宽通常在3MHz～6MHz之间，或全带宽模式。

在HF和VHF频率范围内通常使用基于电容、电感和电磁检测原理的传感器。 在UHF频率范围内，所使用的传感器通常是近场天线，例如具有场均压电极的盘形或锥形传 感器。 传感器通常输出高频振荡脉冲信号。输出信号在时域中表现为振荡脉冲，例如具有测量输出量的 最大包络；在频域中通常表现为由瞬态脉冲产生的频谱，测量输出量是相关特征频谱频率的最大幅值。 传感器的特征采用包括电容、电感和电阻元件组合的高频阻抗描述。高频阻抗和相应的测量频率 范围决定了传感器的测量模式和传输阻抗函数及局部放电引起的相关瞬态场分量幅值。 被测量可以是瞬态电压或脉冲电流值

4.3.3.2类型和特性

主要应用于HF至VHF频率范围的传感器示例如下： 电容器， 电流互感器， ·罗哥夫斯基(Rogowski)线圈， · 定向电磁耦合器， 2 薄膜电极， · 轴向场耦合器， · 暂态地电压(TEV)探头， · 电阻耦合器。 主要应用于UHF频率范围的传感器示例如下： ·圆盘和锥形传感器， · 外置窗口耦合器， · 舱口耦合器， 屏障传感器， · 场均压电极， · 波导传感器， · 特高频天线， ·定向电磁耦合器。 传感器特性可以分为如下几类： ·频率特性即传递函数， 极性保持， 方向性，

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与场强相关， 灵敏度， 取决于几何形状和位置的安装， 与模式相关， 传递特性， 监测区域应位于

4.3.3.3安装位置

传感器能安装在高压组件内部或外部介质孔上，例如检查窗或阀门。传感器宜尽可能安装在靠近 特定的局部放电检测区域及高压组件的金属外壳或屏蔽内。 在大型高压设备或系统中安装多个传感器以提高测量灵敏度，有助于局部放电源的检测和定位。 此外多个传感器也能用于灵敏度核查。 传感器不宜对高压组件的绝缘设计和功能产生任何负面影响

4.3.4仪器相关影响

4.3.4.1频域和时域信号处理

传感器的输出信号可以在时域或频域进行处理（见图1)。 宽带时域信号处理能更好地表征局部放电相关脉冲的完整波形，并且能够详细分析单个脉冲的波 形特征（例如局部放电信号反射，局部放电脉冲波形分析等）。 窄带频域信号处理具有更好的噪声抑制能力，在存在噪声和外部干扰的环境中具有更高的灵敏度。 由于带宽限制，在处理过程中会导致脉冲波形失真，使得单个脉冲波形分析不是完全可行的；但进行统 计分析是可以应用的，例如局部放电相位分布模式。

4.3.4.2处理带宽

图1仪器信号处理的分类

时域处理可使用宽频或超宽频率范围进行信号处理。在信号处理之前可采用滤波器抑制单个或多 个干扰。然后处理宽带峰值检测器检测到的信号，并通常在时域中与外加高压相位进行同步显示。 频域处理通常以各种频宽或零频宽模式执行，基本上是以具有特定分辨带宽的固定中心频率为中 心进行调谐接收。零频宽模式的输出通常在时域中进行显示，例如类似于典型的示波器显示或作为局

部放电模式相位谱图显示。 宽带频谱模式则处理扫频接收机（例如超外差)或“实时频谱分析仪”的输出信号，并以功率谱和频 率的关系进行显示。这也能显示为测量信号（局部放电和其他信号）的频谱。

在HF和VHF范围内，考虑到电感和电容耦合器的应用，仪器的量通常为安培（A)或伏特（V）。 UHF传感器的输出通常也是电压信号。这些仪器测量值与被测电磁场模式及传感器的传递特性线性 相关。 导出的量值宜与局部放电的参数相关。当使用UHF传感器直接输出电压时，可能是线性关系，也 可以是二次的关系，例如处理传感器信号的功率量（W)或与定义的测量电阻相关的信号能量（J)。 注：UHF传感器的天线特性根据其有效高度（mm）、有效口径（mm²）、天线因子（mm二)或天线增益（dBi)来描述

4.3.6性能和灵敏度核查

对于局部放电电磁波的检测和测量，该方法描述见图2。

图2 局部放电的电磁测量概述

宜注意的是，当采用电磁测量（射频)时，局部放电的视在电荷量不能通过校准的方法直接得到。 然而，可以进行检测灵敏度的核查，该方法已经在实践中证明是有用的。例如，用于气体绝缘金属 封闭开关设备(GIS)、旋转电机定子绕组等。图3给出了对GIS、电力变压器、定子绕组和电力电缆进行 性能和灵敏度核查的一般步骤。虽然不同高压设备的具体步骤略有不同，但一般方法见图2。

图3不同设备的性能和灵敏度核查概述

为了评估电磁波检测方法(如UHF)的灵敏度，宜进行其灵敏度核查。在最不利的配置下，检测灵 敏度通过直接与利用IEC60270方法同时检测到的实际局部放电源的视在放电量（pC)比较证明。 性能核查是对整个局部放电测量系统的功能检查，一般而言与视在放电量测量无关。 注：性能核查也能用于寻找合适的窄带测量频率。 HF至UHF范围内的局部放电检测主要应用于电力电缆附件和旋转机械蚕种场施工组织设计，通过电感和电容传感器 以及特殊设计的场强探头获得电磁暂态信号。对于电力变压器、气体绝缘开关设备和定子绕组，主要使 用VHF和UHF范围。

局部放电声学测量的基础是局部放电源可视作产生声波的点声源。这些声波通过高压设备的内部 结构传播并到达设备外表面。不同类型的波具有不同的传播速度，并且边界处的反射和折射将导致衰 减、吸收和散射。通常借助于压电传感器、结构声学共振传感器、加速度传感器、电容式传声器或声光传 感器来检测声波并将其转换成电信号。局部放电声学相关信号也可由气体绝缘设备（例如GIS)中的自 由移动颗粒产生。 对于局部放电检测，通常采用超声波频率范围（大约20kHz～250kHz)，以及可听声波范围（大约 100Hz~20kHz)。根据被测绝缘系统的形态（固态、液态和气态）选择用于声学检测的频率范围

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。

超高层商贸写字楼大厦建筑施工组织设计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