局部放電聲學偵測完整指南

簡介

電流互感器絕緣系統中的局部放電是絕緣故障即將發生的最可靠早期警報，而聲發射檢測是最實際可行的方法，可在不停用設備的情況下識別已安裝配電 CT 中的主動局部放電。內部主動放電的 CT 會透過在其絕緣介質和外殼中傳播的超音波聲波訊號來傳達其惡化的狀況 - 此訊號可藉由以下儀器偵測到 壓電傳感器¹ 您可以在無需一分一秒計劃停機的情況下，使用正確的方法解釋設備，並採取正確的維護回應行動。.

直接的答案是：配電 CT 中的局部放電聲波檢測是透過檢測超音波壓力波來進行的 - 通常是在電壓較低的情況下。 超音波頻率範圍² - 該技術對已安裝的 CT 維護具有獨特的價值，因為它是非侵入性的，不需要斷開二次電路，可以在通電條件下進行，並提供電局部放電測量方法無法提供的位置資訊 - 使維護團隊能夠區分需要緊急更換的 CT 內部絕緣缺陷和不需要 CT 干預的外部電暈源。.

對於配電維修工程師、絕緣狀況評估專家，以及負責 CT 機組管理的可靠性團隊而言，本指南提供了聲波局部放電偵測的完整技術架構 - 從聲波訊號產生的物理原理到感測器選擇、量測方法、訊號解讀，以及維修決策。.

目錄

• 什麼是 CT 絕緣系統中的局部放電，以及聲发射檢測是如何工作的？
• 如何選擇和定位用於 CT 局部放電檢測的聲發射傳感器？
• 如何執行結構化 CT 聲波局部放電量測？
• 如何解讀聲波發射訊號並進行 CT 維護決策？
• 有關配電 CT 中局部放電聲波偵測的常見問題解答

什麼是 CT 絕緣系統中的局部放電，以及聲发射檢測是如何工作的？

局部放電是一種只在導體間橋接部分絕緣的放電 - 它不會構成高壓導體與大地之間的完全破壞路徑，但它會使放電部位周圍的絕緣材料逐漸退化，直到最終形成完全破壞路徑。在 CT 絕緣系統中 - 無論是油紙、環氧澆鑄樹脂或 SF₆ 氣體 - 局部放電是主要的降解機制，可將絕緣系統從可使用狀態轉換為失效狀態，時間範圍從幾個月到幾年不等，視放電強度和絕緣類型而定。.

CT 絕緣中局部放電的物理現象

局部放電發生在絕緣薄弱的部位 - 鑄造樹脂中的空隙、油紙絕緣中的氣泡、分層介面、金屬雜質以及局部電場應力升高的區域。在這些部位，局部電場會超過缺陷內絕緣介質的破壞強度 - 通常是充滿氣體的空隙，其介電強度遠低於周圍的固體或液體絕緣。.

當局部磁場超過空隙的擊穿強度時，空隙內會發生快速放電 - 持續納秒到微秒。這種放電：

• 電氣： 在一次電路中產生電流脈衝並在二次電路中產生相應的誘導脈衝 - 電氣 PD 測量方法的基礎
• 熱能： 在放電位置沉積能量，使周圍的絕緣材料碳化，並在連續放電循環中擴大空隙
• 聲學上： 產生快速的局部壓力變化（機械衝擊），從放電位置以聲波形式向外傳播，穿過周圍的絕緣介質和 CT 外殼

局部放電事件產生的聲波是一種寬帶壓力脈衝，在 20-500 kHz 的超音波頻率範圍內具有顯著的能量含量。訊號透過 CT 絕緣介質 (油、樹脂或氣體) 和 CT 外殼壁傳播，隨距離衰減並在材料介面反射，直到抵達 CT 外表面，接觸式壓電感測器可偵測到該訊號。.

定義 CT 聲波局部放電檢測的關鍵技術參數：

• 發聲頻率範圍： 內部 CT PD 為 20-300 kHz；油紙 CT 絕緣的峰值能量通常為 80-150 kHz；澆鑄樹脂 CT 絕緣的峰值能量為 100-250 kHz
• 訊號傳播速度： 變壓器油中為 1,400-1,500 m/s；環氧鑄造樹脂中為 2,500-3,500 m/s；鋼殼中為 5,100 m/s - 速度差異可透過到達時間法進行來源定位
• 訊號衰減： 在油中每 100 mm 為 6-12 dB；在鑄造樹脂中每 100 mm 為 15-25 dB；衰減隨頻率增加 - 低頻成分會在距離放電源更遠的地方傳播
• 偵測臨界值： 對於 CT 外殼上的接觸式壓電感測器而言，最小可檢測 PD 電荷等效值約為 100-500 pC；電氣 PD 量測更為靈敏 (5-10 pC)，但需要二次電路存取。
• 感應器頻率響應： 寬頻壓電感測器：20-300 kHz 的平坦響應；共振式壓電感測器：峰值靈敏度為 150 kHz ±20%；共振式感測器在設計頻率提供較高靈敏度，但會錯失共振頻帶以外的訊號
• 適用標準： IEC 60270³ (電性 PD 量測 - 參考方法）、IEC 62478（高壓測試技術 - 聲波發射）、IEC 60599（溶解氣體分析 - 補充診斷方法）

在現場維護應用中，聲波發射偵測比電子 PD 量測更具優勢：

根據 IEC 60270 進行的電性 PD 量測是 PD 量測的參考方法 - 它提供以皮庫侖為單位的校準電荷量測，也是用於工廠驗收測試的方法。然而，在現場進行電性 PD 量測需要接觸 CT 二次電路、校準耦合電容器和無雜訊的量測環境 - 這些條件在通電的配電變電站中很少能實現。聲發射檢測只需要實體接觸 CT 外殼表面 - 它可以在 CT 完全通電、負載的情況下執行，無需修改任何二次電路，並且存在電磁雜訊環境，這使得現場電氣 PD 測量變得不切實際。.

如何選擇和定位用於 CT 局部放電檢測的聲發射傳感器？

感測器的選擇和定位是影響聲學 PD 檢測品質的兩個最重要變數 - 選擇正確的感測器若位置錯誤，則會遺漏內部 PD 訊號，而定位正確的感測器若頻率響應錯誤，則會檢測到外部干擾而非內部放電。.

CT 聲波 PD 檢測的感測器選擇

壓電接觸傳感器（主要方法）：
接觸式壓電感測器緊貼 CT 外殼表面，偵測透過外殼壁傳送的聲波。它們提供內部 PD 檢測的最高靈敏度，也是 CT 聲波 PD 檢測的標準方法。.

選擇標準：

• 頻率範圍： 油浸 CT 為 50-200 kHz；澆鑄樹脂 CT 為 80-300 kHz - 樹脂的衰減較高，因此需要較高的頻率靈敏度，以便在訊號衰減至雜訊本底之前偵測到來自放電源的訊號。
• 靈敏度： 最低 -65 dB ref 1 V/μbar，可在 300 mm 距離內透過油可靠偵測 PD 源；最低 -55 dB 適用於鑄造樹脂應用
• 外殼相容性： 適用於鐵磁性 CT 外殼的磁性安裝底座 - 可提供一致的耦合力和可重複的感測器定位，以進行趨勢監測；適用於非鐵磁性外殼的黏性耦合

機載超音波感應器（補充方法）：
非接觸式超音波感應器可偵測來自表面電暈和外部 PD 來源的空氣聲波發射。它們用於區分外部電暈（會產生強大的空氣信號但接觸信號很弱）和內部 PD（會產生強大的接觸信號但空氣信號很弱）。.

不同 CT 類型的感測器定位

油浸 CT（瓷或複合襯套）：

• 主傳感器位置：油箱下壁，油箱底座上方 50-100 mm - 來自內部 PD 源的油聲信號向下傳播，並集中在油箱底座；此位置可最大化內部 PD 檢測的信噪比
• 次要感測器位置：與主感測器成 90° 的中槽壁 - 可透過到達時間比較進行二維源定位
• 避免：襯套表面 - 如果感測器放置在襯套上，襯套表面的外部電暈會產生強大的聲音信號，掩蓋內部 PD 信號

鑄造樹脂 CT（環氧封裝）：

• 主要感測器位置：CT 機體底部，直接位於環氧樹脂表面 - 鑄造樹脂的聲衰減比油高，因此需要將感測器放置在盡可能靠近預期 PD 源位置（通常是高壓導體介面或磁芯-樹脂介面）的位置。
• 輔助感測器位置：以 120° 的間隔環繞 CT 機身周圍 - 針對樹脂封裝 CT 實現三點來源定位
• 耦合介質：澆注樹脂必須使用聲耦合凝膠 - 環氧樹脂的表面粗糙度會產生空氣間隙，在沒有耦合凝膠的情況下會嚴重衰減高頻信號

耦合品質驗證

在記錄 PD 量測之前，請確認聲耦合品質：

$SNR_{coupling} = 20 \times \log_{10}\left(\frac{V_{signal}}{V_{noise}}right) \geq 6 \text{ dB}$

在距離感測器 100-200 mm 的 CT 外殼表面上使用鉛筆鉛芯（Hsu-Nielsen 源） - 這會產生寬帶聲脈衝，驗證感測器是否正確耦合，以及信號路徑是否完整。正確耦合的感測器將顯示 SNR ≥ 6 dB 高於背景雜訊本底的乾淨脈衝響應。.

如何執行結構化 CT 聲波局部放電量測？

針對配電 CT 群組的結構化 PD 聲學測量活動需要一個明確的測量協議，以便在 CT 之間、測量時期之間，以及被測 CT 與已知健康參考值之間進行比較 - 因為絕對的聲學信號電平在沒有上下文的情況下毫無意義；只有相對的電平和趨勢才能識別出正在惡化的絕緣。.

步驟 1：建立基線測量

在聲波 PD 檢測識別出正在惡化的 CT 之前，必須在已知的健康條件下為車隊中的每台 CT 建立基線測量：

• 記錄調試時的基線或最後已知的健康狀態： 在試運行時或在確認健康絕緣測試後立即測量和記錄每個 CT 的聲波信號電平、頻譜和相位解析模式
• 記錄測量條件： 記錄一次電壓、一次電流、環境溫度和天氣狀況 - 聲波 PD 訊號電平會隨電壓（PD 啟始電壓）和溫度（絕緣黏度會影響訊號在油中的傳播）而變化
• 建立車隊參考： 確定整個 CT 機組聲音信號等級的統計分佈 - 信號等級高於機組中位數超過 6 dB 的 CT，無論絕對等級如何，都需要進行調查

步驟 2：定義測量順序和頻率

• 針對 15 年以上服務年齡的 CT 進行年度調查： 在 CT 使用壽命的後半段，絕緣劣化會加速；每年進行的聲波 PD 勘測可提供足夠的時間解析度，在劣化達到臨界水準之前偵測出來
• 每 6 個月對已知有隔熱問題的 CT 進行一次調查： 在上次調查中顯示聲波層級升高的 CT、異常的 CT 溶解氣體分析⁴ 結果，以及曾發生熱過載事件的 CT
• 故障事件發生後立即進行調查： 任何 CT 如果承受的通過故障電流超過額定短時間電流的 50%，則需要在 30 天內進行 PD 評估 - 故障電流熱應力可能會導致絕緣降解，在故障事件發生後的幾周內就會顯示為 PD。

步驟 3：執行測量規約

1. 準備測量環境： 記錄傳感器耦合到 CT 外殼但訊號來源斷開時的環境噪音水平 - 這將建立 SNR 計算的本底噪音；如果環境噪音在測量頻段超過 -40 dBV，請在繼續測量前找出並消除噪音來源。
2. 在定義的位置貼上感測器： 使用傳感器選擇部分步驟 1 中定義的 CT 類型特定定位；為澆鑄樹脂 CT 塗抹耦合凝膠；使用 Hsu-Nielsen 源測試驗證耦合品質
3. 記錄時域波形： 在每個感測器位置擷取至少 10 秒的連續聲波訊號 - 足以觀察多個功率頻率週期，並辨識相位相關的 PD 活動
4. 記錄頻譜： 擷取波形的 FFT 分析；識別峰值頻率成分；與基線頻譜比較 - 高於基線的新頻率成分表示新的 PD 活動
5. 記錄 相位解析 PD 圖案⁵: 使用參考電壓訊號使聲音量測與功率頻率電壓相位同步；繪製聲音事件振幅與相位角的關係圖 - PRPD 圖形形狀可辨識 PD 來源類型
6. 應用多感測器到達時間分析： 如果同時部署兩個或更多感測器，則記錄感測器位置之間的聲波訊號到達時間差 (TDOA) - 可計算聲源位置

步驟 4：源位置計算

對於 CT 外殼上已知位置的兩個感測器：

$\Delta d = v_{oil}\times \Delta t$

地點 $\Δ t$ 是測得的抵達時間差，而 $v_{oil}$ 是聲波在油中的傳播速度 (1,450 m/s)。聲源位於由恆定路徑長度差所定義的雙曲線上 $\Delta d$ - 使用三個或更多感測器時，多個雙拋物線的交點可提供點源位置。.

對於具有已知內部幾何形狀的 CT，使用三個感測器和仔細的 TDOA 測量，可以達到 ±20-50 mm 的來源定位精度 - 足以區分高壓導體介面（最嚴重）、磁芯-絕緣介面（中等嚴重程度）和槽壁（最低嚴重程度）上的 PD 源。.

應用場景

• 配電變電站年度 CT 車隊調查： 下罐壁上的接觸式壓電感測器；單感測器振幅和頻譜調查；與車隊基線進行比較；標示與基線相比增加 >6 dB 的 CT，進行後續多感測器調查
• 老化 CT 絕緣狀況評估 (>20 年使用年限)： 多感測器部署與 PRPD 分析；TDOA 來源定位；與溶解氣分析結果相關聯；基於聲學與化學綜合證據的維護決策
• 故障後 CT 絕緣評估： 故障事件發生後 30 天內立即進行單一傳感器調查；與故障前的基線進行比較；信號層級升高會觸發加速監測程式
• 新的 CT 委託基線： 調試時進行全面的多感測器檢測；記錄 PRPD 圖樣作為參考；記錄頻譜；將結果儲存在 CT 資產管理記錄中作為終生基線

如何解讀聲波發射訊號並進行 CT 維護決策？

訊號詮釋架構

聲學 PD 訊號詮釋需要區分四種訊號類型，這些訊號會產生重疊的振幅範圍，但具有明顯不同的頻率頻譜、相位解析模式和維護影響：

第 1 類：內部虛脫 (最危急)

• 聲學特性： 以 2 倍功率頻率重複率重複脈衝（每個電壓週期有兩個放電事件 - 一個在正半周，一個在負半周）；峰值頻率 80-150 kHz；接觸式感測器的訊號比空氣式感測器更強
• PRPD 模式： 位於 45° 和 225° 相位（正負電壓峰值）的對稱群組；振幅分佈在各群組內遵循高斯分布
• 維護影響： 主動式內部絕緣降解 - 在下一次計劃停機中安排更換；增加監測頻率至每月一次，直到更換為止

第 2 類：表面追蹤排放（高度嚴重性）

• 聲學特性： 不規則的脈衝模式；存在功率頻率相關性，但不對稱；峰值頻率 50-100 kHz；接觸式和機載式感測器均可偵測到信號
• PRPD 模式： 不對稱簇 - 一個半週期比另一個半週期強大；不規則的振幅分佈顯示不穩定的放電行為
• 維護影響： 表面絕緣降解 - 通常在襯套-凸緣介面或核心-樹脂介面；需要更換；不要延遲至下一次預定停機之後

類別 3：外部電暈（CT 嚴重性低）

• 聲學特性： 連續的嘶嘶聲，而不是不連續的脈衝；強大的空中信號；弱或無接觸信號；峰值頻率 20-50 kHz
• PRPD 模式： 集中在電壓零交叉點（90° 和 270°）；振幅分佈非常一致
• 維護影響： 來自鄰近導體、絕緣體或硬件的外部電暈 - 無 CT 絕緣降級；調查並糾正外部電暈來源；無需更換 CT

類別 4：機械振動和干擾（無 PD）

• 聲學特性： 電源頻率和諧波（50 Hz、100 Hz、150 Hz）下的連續訊號；與電壓相位無關；接觸式感測器上出現訊號，但與相位無關
• PRPD 模式： 所有相位角均勻分布 - 無相位關聯性
• 維護影響： 來自磁致伸縮、鬆動元件或外部機械來源的機械振動 - 不是 PD 訊號；無絕緣問題；若振動等級升高，則調查機械來源

維護決策流程圖

與輔助診斷方法的相關性

聲波 PD 偵測提供最可行的現場診斷 - 但其結論會因與其他方法的相關性而加強：

• 溶解氣體分析 (DGA)： 油浸 CT 中產生的氫 (H₂) 和甲烷 (CH₄) 確認了活躍 PD；乙炔 (C₂H₂) 指示高能量電弧放電；聲學信號電平上升與 DGA 氣體產生率之間的相關性確認了內部放電源
• 熱成像（紅外線）： CT 外殼表面的熱點顯示來自追蹤放電路徑的電阻性加熱；與相同位置的聲波訊號相關，確認表面放電活動
• 電性 PD 測量 (IEC 60270)： 提供以 pC 為單位的校準電荷測量 - 確定嚴重性評估所需，在 CT 已斷電、二次電路可存取的計劃停電期間執行

常見的詮釋錯誤

• 將所有升高的聲波訊號歸咎於內部 PD： 在配電變電站中，來自鄰近硬體的外部電暈是聲波 PD 假陽性指示的最常見來源；在得出內部 PD 存在的結論之前，請務必比較接觸式和空氣傳感器信號。
• 僅根據單次測量的振幅做出替換決策： 單一升高的振幅讀數，若沒有進行 PRPD 模式分析、頻譜比較和基線關聯，就無法提供足夠的證據來決定是否更換；聲學 PD 評估需要完整的訊號特性分析套件。
• 忽略低於「警報臨界值」的聲音訊號： 漸進式絕緣劣化會在數月至數年間產生逐漸增加的聲音訊號等級；今天的訊號比基線高 3 dB，下次調查時比基線高 4 dB 的訊號，比比基線高 6 dB 但穩定的訊號更值得關注 - 趨勢比絕對等級更有參考價值
• 在電壓暫態或切換事件發生後立即執行聲波 PD 勘測： 切換操作會產生聲響信號，這些信號在油浸式 CT 中可能會持續數分鐘；在任何切換操作之後至少要等待 30 分鐘，才能開始進行聲響 PD 測量。

總結

聲發射局部放電檢測是適用於已安裝配電 CT 的最實際的狀態監控技術 - 它不需要停電、不需要二次電路存取、不需要專門的變電所基礎設施，也不需要修改 CT 或其連接的電路。該技術的價值不在於在單一時刻偵測到 PD - 而在於為機組中的每台 CT 建立基線，在連續的測量活動中追蹤聲訊號電平的趨勢，並使用相位解析模式和頻譜來區分需要緊急更換的內部空洞放電和不需要 CT 干預的外部電暈。. 在配電 CT 機組管理中，聲發射局部放電檢測是一種維護投資，可將被動的 CT 故障回應（意外絕緣故障後的緊急更換）轉換為計劃的資產管理，在此過程中，可在故障前幾個月發現劣化的 CT，並在計畫停機期間進行更換，而無需承擔意外 CT 故障所帶來的安全風險、保護停機和緊急採購成本。.

有關配電 CT 中局部放電聲波偵測的常見問題解答

1. 瞭解用於高頻聲學監測的壓電傳感器的基本技術。. ↩

2. 探索放電事件所產生的特定超音波頻率特性。. ↩

3. 存取傳統局部放電量測的官方 IEC 60270 標準。. ↩

4. 瞭解溶解氣體分析如何透過油中的化學指標來識別絕緣降解。. ↩

5. 詳細說明如何解讀相位解析局部放電模式，以達到診斷目的。. ↩