超声波和暂态地电位局放检测仪性能测试试验研究

叶会生，李 欣，彭 平，谢耀恒，李 婷

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

超声波和暂态地电位局放检测仪性能测试试验研究

叶会生，李 欣，彭 平，谢耀恒，李 婷

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

根据超声波(AE)局部放电检测仪和暂态地电位(TEV)局部放电检测仪技术条件，结合现场需求，提出了用检测仪的线性度误差和稳定性误差表征局放检测仪性能的关键指标，并建立了专用性能测试平台，同时研究了2个厂家局放检测仪的测试性能。

超声波；暂态地电位；局部放电；性能检测；绝缘故障

随着中国经济的快速发展和城市化进程的不断加快，工业、农业以及商业等用电负荷不断增加，大型火力、水力、风力以及其它新能源发电厂和变电站的数量也越来越多，尤其“十一五”和“十二五”期间，电力系统电站和电气设备数量均成指数曲线增长，导致设备的巡视、试验和检修等工作量也成倍增长。但随着人口老龄化状况的不断加剧，电力设备的增长速度和电力员工增长速度矛盾日益突出，加之现代企业对精细化和精益化管理要求越来越高，导致工作量严重超过基层班组的生产承载力。带电检测作为一种可以在不停电状态下获得设备健康状态的有效手段，它仅可以及时获取设备状态信息，而且能够最大限度的减少工作时间、节省人力成本。因此，“十二五”期间带电检测得到了大力推广，并取得了显著成效。

电力设备在绝缘故障初期，常常伴随着潜伏性的局部放电现象，同时伴随着电脉冲、超声波、电磁辐射、光和化学反应，超声波(简称AE)和暂态地电位(简称TEV)可有效检测到设备内部的局放源向外辐射的超声波和电磁脉冲信号〔1，2〕，为及时发现电气设备潜伏性放电缺陷提供了一种重要手段。目前，超声波和暂态地电位局放检测在开关柜、GIS、电缆和变压器等设备故障诊断中得到了广泛应用，并成功发现了大量的典型案例，使得超声波和暂态地电位局放检测的应用越来越广泛〔3-4〕。

但目前有关超声波和暂态地电位局部放电检测仪器性能测试还未有统一标准，导致产品质量参差不齐，现场应用效果不尽如意，严重影响了现场应用效果。为此，本文根据超声波和暂态地电位局放检测仪技术条件，结合现场应用情况，提出了用线性度和稳定性表征超声波和暂态地电位局放检测仪性能的方法，并建立了专用试验测试平台，可以对检测仪的接收性能进行测试，同时不同仪器进行了性能测试。

1 超声波和TEV局放仪主要性能指标

1.1 超声波和TEV局放测试方法

当电气设备发生局部放电时，不仅会以电的形式向外发射电磁波，而且还会以非电量的方式向外发射光、热和超声波等非电量信息。以高压开关柜为例说明，当高压开关柜内发生局部放电时，同时伴随着产生电磁波和超声波，如图1所示。

图1 超声波和TEV局放检测示意图

产生的电磁波会在金属壁形成趋肤效应并且沿着金属表面进行传播，同时在金属表面产生暂态地电压，故可利用专门的传感器对暂态地电压信号进行检测，以判断开关柜内部的局部放电缺陷，同时可以利用同一放电源产生的暂态地电压信号到达不同位置传感器的时间差或幅值差对局部放电源进行定位。

超声波信号由局部放电源沿着绝缘介质和金属件传导到电力设备外壳，并通过介质和缝隙向周围空气传播。通过在电力设备外壳或设备附近安装的超声波传感器，可以耦合到局部放电产生的超声波信号，进而判断电力设备的局部放电情况。其中接触式超声波主要用于变压器、GIS等电力设备的检测，非接触式超声波主要用于开关柜、电力电缆等电力设备的检测，本文主要讨论接触式超声波和暂态地电位局放检测仪的性能测试方法。

1.2 主要性能指标

根据超声波和暂态地电位局部放电检测仪技术条件，超声波局部放电检测仪的主要性能指标包括检测频带、线性度误差、稳定性和灵敏度，暂态地电位局部放电检测仪的主要性能指标包括检测频带、量程、线性度误差、稳定性和脉冲计数，表1为超声波和暂态地电位局部放电检测仪主要性能指标要求值。

表1 超声波和TEV检测仪主要性能指标

根据现场应用需求，超声波和暂态地电位局部放电检测仪的准确度和重复性直接决定测试结果是否可用于定性判断设备的健康状况，而衡量局部放电检测仪的该性能指标的主要参数为线性度和稳定性，故对检测仪的线性度和稳定性进行测试即可判断仪器性能是否可用于现场检测。其计算方法为:

①线性度误差

式中 A0为检测仪测试背景值；当输入某一幅值信号U时，检测仪测试值为A；当输入某一幅值信号λU时，检测仪测试值为Aλ。

②稳定性误差

式中 当输入某一幅值信号U时，AT0为检测仪初始测试值，AT1为检测仪1 h后的测试值。

特别需要说明的是，公式(1)和(2)中检测仪的测试值均采用国际标准单位(即绝对值)，若检测仪测试结果显示的为相对值(如dB，dBV，dBmVh和dBμV值)，则应将相对值转化为绝对值进行误差计算，否则计算结果则无比较意义。

2 检测仪性能测试方法及平台

2.1 测试方法

2.1.1 接触式超声波局放检测仪

接触式超声波局放检测仪的测试原理如图2所示。其测试方法为:

①线性度测试

设置信号发生器输出频率为f的正弦波信号(SF6气体绝缘设备:取20～80 kHz范围内某一频率值，充油绝缘设备:取80～200 kHz范围内某一频率值)，调节信号发生器输出使被检测仪达到其满量程值Amax，记录示波器显示的参考传感器输出峰值电压Umax。

调节信号发生器输出，使示波器显示的参考传感器输出峰值电压为λUmax(λ＝0.8，0.6，0.4，0.2)，依次记录检测仪的输出值Aλ，按(1)式计算各测量点的线性度误差。

②稳定性测试

设置信号发生器输出波形为正弦波，频率为f (SF6气体绝缘设备:取20～80 kHz范围内某一频率值，充油绝缘设备:取80～200 kHz范围内某一频率值)，峰峰幅值为1 V，将检测仪开机连续工作1 h，分别记录检测仪开机和连续工作1 h后的输出值AT0和AT1，按式(2)计算误差。

图2 接触式超声波局放检测仪测试原理框图

2.1.2 暂态地电压局放检测仪

TEV局放检测仪的测试原理如图3所示。其测试方法为:

图3 TEV局放检测仪测试平台原理框图

①线性度测试

设置信号发生器输出频率为f(取3～50 MHz范围内某一值)的正弦波信号。调节信号发生器输出幅值使检测仪显示幅值大于等于30 dB，记录信号发生器输出电压U和检测仪响应值A；调节信号发生器输出幅值为λU(λ＝0.8，0.6，0.4，0.2)，记录检测仪的响应值Aλ，按(1)式计算各测量点的线性度误差。

②稳定性测试

设置信号发生器输出波形为正弦波，峰峰幅值为1 V，频率为3～50 MHz范围内某一适当值，将检测仪开机连续工作1 h，分别记录检测仪开机和连续工作1 h后的输出值AT0和AT1，按式(2)计算误差。

2.2 测试平台

按照接触式超声波局放检测仪和TEV局放检测仪的性能测试方法，本文研制了相应的测试平台，能够对其主要指标参数进行测试。测试平台如图4所示，其中接触式超声波局放检测仪测试平台包含信号源、发射传感(或换能器)、圆柱钢制试块、参考传感器、示波器和同轴电缆，TEV局放检测仪的测试平台包括信号源、检测主机和同轴电缆，TEV测试系统包含外置信号源与内置信号源，方便于实验室检测与现场检测。测试平台各仪器性能指标如下:①超声波:信号源幅值0～10 V，示波器带宽2.5 G，采样率20 Gs/s，换能器频率范围0～100 kHz，参考传感器频率范围20～80 kH，钢制试块高10 cm，Φ20 cm；②暂态地电位频率0～120 MHz。

图4 局放检测仪测试平台

3 局放检测仪性能测试试验

3.1 测试应用及被测设备

采用外置信号源进行局放检测仪的性能测试试验，应用测试系统对两种不同厂家的接触式超声波局放检测仪和TEV局放检测仪的性能进行测试，两家仪器都为一体机，分别表示为厂家A和厂家B。

3.2 测试结果

根据接触式超声波局放检测仪和TEV局放检测仪测试方法，按照图4进行性能测试试验，测得检测仪的输入和输出关系曲线如图5所示。

图5 检测仪输入和输出关系曲线

从图5(a)可以看出，厂家A和厂家B的超声波局放检测都具有较高的线性相关性，经线性拟合后厂家A的相关性为0.999 6，大于厂家B的0.999 2，在相同输入信号情况下厂家B的仪器输出结果较厂家A的大；从图5(b)可以看出，厂家A和厂家B的TEV局放检测仪也均具有较高的线性相关性，经线性拟合厂家A的相关性为0.998 9，大于厂家B的0.997 3，在相同输入信号情况下厂家A的仪器输出结果较厂家B的大。

表2为厂家A和厂家B检测仪的测试误差。从表中可以看出，厂家A超声波和TEV检测仪的线性度最大误差分别为1.74%和-2.93%，厂家B超声波和TEV检测仪的线性度最大误差分别为10.71%和-14.94%。二者的线性度测试误差均不大于±20%，稳定性误差均不超过0.5%，满足局放检测仪技术条件要求，但整体上厂家A的局放检测仪测试精度高于厂家B的。

表2 超声波和TEV检测仪测试误差%

4 结论

1)本文提出的超声波和TEV检测仪性能测试方法及检测平台可满足实际需求。

2)厂家A和厂家B的超声波和TEV局放检测仪均满足技术条件要求，整体上厂家A的性能指标优于厂家B的。

3)该方法可为今后超声波和暂态地电位局放检测仪的性能测试提供依据，规范GIS特高频局部放电检测仪器性能测试。

〔1〕魏振，张强，齐波，等.高压开关柜典型缺陷局部放电TEV特征的研究〔J〕.高压电器，2014，50(2):60-67.

〔2〕郝英帅，徐力扬，殷怡杰，等.基于Logistic模式树的开关柜局部放电识别方法〔J〕.高压电器，2014，50(2):80-85.

〔3〕王铮，刘二丽，张认成，等.基于人工神经网络的开关柜局部放电超声波检测方法〔J〕.华东电力，2011，39(3): 498-501.

〔4〕韩涛.基于TEV的开关柜局部放电检测及模式识别方法研究〔D〕.天津大学，2011.

Experimental study on instrument performance of AE and TEV detectors

YE Huisheng，LI Xin，PENG Ping，XIE Yaoheng，LI Ting
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

According to the technical conditions of acoustic emission(AE)partial discharge(PD)detectors and transient earth voltage(TEV)partial discharge(PD)detector，and combined with the spot demand，a method that the key indicators of partial discharge detectors are represented by linearity error and stability error are proposed in the paper.The special performance test platform is established，and the test performance of partial discharge detectors from two different manufactories is studied.

acoustic emission(AE)；transient earth voltage(TEV)；partial discharge(PD)；performance test；insulation fault

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0032-04

叶会生(1982)，男，高级工程师，主要从事电力设备带电检测技术管理与研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.007

2015-12-29 改回日期:2016-02-24