地线外置式局部放电射频信号检测方法及其应用
原文发表在《高压电器》2022年第10期。
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DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2022.10.025
电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备局部放电射频检测技术具有灵敏度高、抗干扰能力强的优势。该方法在电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备带电检测中得到了广泛重视和推广应用。然而，电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备的金属外壳限制了射频信号向外传播，极大降低了外置式射频检测技术的灵敏度。为此，提出一种地线外置式局部放电射频检测方法。首先，阐述了地线引出电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备金属外壳的结构，阐述了局部放电射频信号在地线上耦合、传导、辐射的原理；其次，利用时域有限差分法仿真了射频电磁波经过地线向外传播的动态过程，分析了设备外侧射频信号的时频特性；最后，应用了地线外置式射频信号检测方法，实现了避雷器内局部放电的高灵敏度检测与时间差定位。研究结果表明：地线外置式射频检测方法的灵敏度比现有技术提高了一倍；地线辐射的射频信号的特征频率与地线长度密切相关。地线外置式检测方法适合于电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备局部放电带电检测，该技术应用将进一步提升局部放电检测水平，为电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备安全可靠运行提供保障。
电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备局部放电射频检测技术近年来广泛应用于变压器、气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)、开关柜、电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力电缆等电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备。当电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备内部发生局部放电时，放电电流脉冲将会辐射出电磁波，因而通过探测射频信号可以及时发现电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备内部的绝缘缺陷。在现有的射频检测技术中，为了提升抗变电站电磁干扰能力，一般选择特高频(ultra?high-frequency，UHF)范围内的某段频带作为检测频带。UHF频带的范围是300 MHz~3 GHz。因此，一般将射频检测技术称为特高频检测技术。近年来应用局部放电射频带电检测技术，发现了多起电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备绝缘缺陷，为保障电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备的安全可靠运行做出了重要贡献。
在射频检测技术中，利用天线传感器或电容型耦合器接收射频电磁波信号，并将其转化成为电压信号进行输出。按照传感器的布置位置或安装方式不同，一般可将射频检测方法分为内置式或外置式。在内置式检测方法中，将传感器安装在观察窗或人手孔处，使传感器能够直接探测到设备内部的射频信号。而在外置式检测方法中，一般将传感器安装在电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备外壳连接部位，比如GIS设备的盆式绝缘子外侧、变压器类设备油箱的箱沿外侧、开关柜的缝隙处、电缆终端旁边等。在现有的外置式检测方法中，由于射频信号传播路径狭小，从而限制了这种检测方法的灵敏度。
电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备的地线从设备内部引出，经过套管结构穿过金属外壳后在设备外侧接地。比如：变压器中心点接地线与铁心接地引线、GIS避雷器接地引线等。在电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备内部的部分接地引线将会耦合到局部放电射频信号，并经过接地引线传递到设备外侧，最后在设备外侧的地线上输出信号。研究表明，通过测量某一段地线上的电位差可以实现局部放电检测。然而，在此方法中，需要对地线及地线套管进行接地屏蔽，并在引出点与屏蔽接地点之间设置信号电缆接头，这种屏蔽措施或信号输出结构在设备运行过程中难以实施。
为了在电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备运行状态下实现高灵敏度局部放电带电检测，文中提出一种局部放电射频信号的地线外置式检测技术。首先，阐述了地线的一般构造、地线耦合、传播与辐射电磁波信号的原理；然后，通过电磁波仿真展现电磁波传播的动态过程，分析了设备外部射频信号的时频特征；最后，在现场实测中应用了地线外置式检测方法，验证了这种检测方法的高灵敏度。
1 射频信号在地线上的传导与辐射机理
2 地线耦合与辐射电磁波的仿真分析
3 GIS避雷器局部放电地线射频检测
文中首先阐述了电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备局部放电的地线射频信号检测方法。然后，开展了地线耦合与辐射电磁波的仿真分析。发现电磁波通过地线向外辐射，主要能量以半波长偶极子天线方式向外辐射。最后，结合一次GIS避雷器局部放电定位的工作需求，利用地线射频检测技术实现了局部放电信号的双侧检测和时间差定位。通过分析时频域波形，证明了地线外置式检测方法具有更高的检测灵敏度，也验证了主要能量的频率特征。
地线结构广泛存在于变压器、GIS、套管等重要电力问答" target="_blank" rel="follow" href="http://www.cpem.org.cn/list19.html">电力设备中，地线外置式射频检测方法有广阔的应用前景。下一步，应大力推广地线外置式检测方法；并在检测中根据地线长度，计算射频信号峰值频率，进而通过优化选择检测频带，以获得更高的检测灵敏度。
叶兆平(1984—)，男，高级工程师，工学硕士，长期从事变电设备状态检修、诊断工作(E-mail：xjtuyzp@126.com)。
郑书生(1979—)，男，高级工程师，工学博士，从事高压设备状态监测及绝缘老化状态评估研究(E-mail：zss4@ncepu.cn)。
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
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