一台局放检测仪标 0.1 至 20 MHz,另一台标 300 至 1500 MHz,这两组数字看着像灵敏度的高低,说的其实是两回事。它们描述仪器愿意接收哪一段频率的电流,不描述它能测出多小的放电量。
上下限的定义在 GB/T 7354-2018 的 3.9.2 条里写得很清楚:传输阻抗从通带峰值下降 6 dB 的那两个频率,低的叫下限频率,高的叫上限频率。6 dB 这个数不随意,它对应电压幅值掉到一半,20 倍对数的 0.5 是负 6.02 分贝。标称 0.1 至 20 MHz 的正确读法是:这一段里信号大体进得来,0.1 MHz 以下与 20 MHz 以上被压掉一半以上。上限不是截止线。
中心频率与带宽由上下限算出来。该标准 3.9.3 条给了两个式子,中心频率取上下限的几何平均,带宽取上下限之差。一组数字换个说法,仍然是同一件事,只是把窗口开在哪、开多宽说清楚了。换个说法而已。
表1 把这几个量的关系摆开。
表1 上下限、中心频率、带宽及脉冲分辨时间的含义
| 量 | 怎么来 | 说明什么 | 读错会怎样 |
|---|---|---|---|
| 下限频率 | 传输阻抗下降 6 dB 的低端频点 | 低于它的成分被压掉一半以上 | 当成能测多小的放电量 |
| 上限频率 | 传输阻抗下降 6 dB 的高端频点 | 高于它的成分被压掉一半以上 | 当成能测多快的放电 |
| 中心频率 | 上下限的几何平均 | 窗口中心落在哪 | 与算术平均混用,结果差一截 |
| 带宽 | 上下限之差 | 窗口开多宽 | 当成精度指标 |
| 脉冲分辨时间 | 由带宽决定,与之成反比 | 能分辨多密的连续脉冲 | 忽略它,密集放电读数失真 |
带宽回答窗口开在哪,量程回答窗口里能看多大。两个问题不能互换答案,混着答会把选型带偏。
带宽越宽,能分辨的相邻脉冲越密,这条在标准里写得很直接:脉冲分辨时间与测量系统的带宽成反比,见 3.9.5 条的注。分辨时间短,两次放电挨得再近也能分开。分辨时间长,两个脉冲的响应叠在一起,读数便不再是任何一次放电的真实幅值。
脉冲分辨时间的定义带明确判据:两个波形与极性相同、电荷量相等的相继脉冲,间隔只要短到使响应幅值变化不超过单次响应的 10%,这个间隔即分辨时间。它不是看得见看不见的门槛,是读数还准不准的门槛。
标准给出的两组典型值差得很远。宽带测量仪的脉冲分辨时间典型为 5 至 10 微秒,见 5.2.4 条。窄带测量仪典型在 80 微秒以上,见 5.2.6 条的注 3。两者差了约一个数量级,落到现场便是能不能数清的差别。
按分辨时间反推重复率,数目很直观。80 微秒对应每秒一万两千五百次,重复率超过 12.5 kHz 之后相邻脉冲开始叠加。8 微秒对应每秒十二万五千次,要到 125 kHz 才开始叠加。大电容试品、长电缆、变频供电的电机,放电重复率落在这个量级并不罕见。现场并不少见。
叠加的后果不是读数略微偏高。标准在 3.9.4 条的注里写明,叠加误差可以达到与被测脉冲相当的程度,甚至更高,取决于脉冲重复率与系统特性,累加与抵消两种情形都可能出现。一台窄带仪器在密集放电下给出的数,可能比真实值高一倍,也可能偏小,方向并不固定。
宽带与窄带的差别还落在极性上。标准写明,宽带仪器对放电电流脉冲的响应是一个良好阻尼的振荡,视在电荷量与极性都能由这个响应确定。窄带仪器的响应是对称振荡,读的是包络,极性信息随之丢失。极性在定位与放电类型判别里要用到,一次放电在传播路径两端测到的极性相反,方能判断放电点落在两个测点之间。
上限频率与上升时间之间还有一个粗略换算,工程上常用上升时间约等于 0.35 除以带宽。带宽 1 MHz 对应 350 纳秒,20 MHz 对应 17.5 纳秒,1.2 GHz 对应 0.29 纳秒。这个式子建立在单极点近似的假设上,属估算不属标准条款,窄带系统也不适用,它的响应是多次振荡,分辨时间以标准给的 80 微秒为准。
分辨时间可以实测,不必只信参数表。用一台能发双脉冲的校准器,把两个等幅脉冲的间隔从宽往窄调,逐档记录读数,直到读数相对单个脉冲变化超过 10%,这个间隔即实测的分辨时间。测试要在整条回路上做,测到的是系统分辨时间,比仪器单独标出的值更贴近现场。实测才作数。
下限抬高的目的是躲开工频与低频干扰,代价是把宽脉冲的低频能量一并切掉。这两件事同时发生,只看收益会挑出偏高的下限,只看代价会挑出偏低的下限。
低频段挤着的东西很多。50 Hz 电源及其低次谐波、变频器的开关频率及其边带、开关电源的纹波、试验回路里由地电位差驱动的环流,都在几百赫兹到几十千赫之间。脉冲电流法的下限推荐在 30 至 100 kHz,位置正好压在工频谐波群的上方,把这一片挡在门外。
挡的同时也在切信号。局放脉冲越宽,能量越往低频集中,上升沿越慢,低频分量越重。绕组内部传播一段距离之后脉冲被展宽,能量重心随之下移,此时把下限抬到 100 kHz,读到的幅值会明显小于真实值。读小了。
标准对这类试品留了口子。5.2.4 条的注 2 写明,对具有线圈的试品,如变压器与电机,要求的频带可以降低到几百 kHz 甚至以下,可接受的上限频率由相关技术委员会规定。这句话解释了一件常被误解的事:变压器局放不必硬套 1 MHz 的上限,绕组本身已经把脉冲的高频成分耗掉了。
下限还决定了噪声进来多少。白噪声的功率与带宽成正比,折算到电压上是与带宽的平方根成正比,带宽翻一倍,噪声电压涨到约 1.41 倍。窄带仪器能读到更小的放电量,靠的正是把噪声挡在外面,代价写在前一节,分辨时间变长,抗干扰换来的正是时间。
下限设得合不合适,可以用一次环境扫描来判断。探头接上但不加高压,把 10 kHz 至 1 MHz 的背景噪声扫一遍,看哪一段相对安静。安静段落在仪器通带内,背景噪声才压得住。整段被变频器边带占满,说明这处现场的低频段已经不可用,只能换耦合方式,或者把测量挪到停机窗口。
两组推荐值不是两个档次的优劣排序,是两种取舍方案。宽带牺牲抗干扰能力换取波形信息,窄带牺牲波形信息换取抗干扰能力与量值复现性。
宽带的推荐范围由三个条件同时限定:下限频率落在 30 至 100 kHz,上限频率不高于 1 MHz,带宽落在 100 至 900 kHz。三个条件要一起满足才叫符合推荐值,只对上其中一条不算。缺一不可。
窄带的推荐范围是两个区间:带宽 9 至 30 kHz,中心频率 50 kHz 至 1 MHz。带宽小、中心频率高,品质因数便高,对带外干扰的抑制能力强,读数在不同实验室之间更容易对上。
表2 把两组的差别摆在一处。
表2 宽带与窄带测量仪的推荐值及用途
| 项目 | 宽带 | 窄带 |
|---|---|---|
| 下限频率 | 30 至 100 kHz | 由中心频率与带宽决定 |
| 上限频率 | 不高于 1 MHz | 由中心频率与带宽决定 |
| 带宽 | 100 至 900 kHz | 9 至 30 kHz |
| 中心频率 | 由上下限算出 | 50 kHz 至 1 MHz |
| 脉冲分辨时间 | 典型 5 至 10 微秒 | 典型 80 微秒以上 |
| 响应形态 | 良好阻尼的振荡 | 对称振荡,包络与电荷成正比 |
| 能读出什么 | 视在电荷量与极性 | 幅值,极性信息丢失 |
| 适合的场合 | 需要判波形、分离多个放电源 | 需要抗干扰、需要量值复现 |
取值可以自验。下限 100 kHz、上限 1 MHz 时,带宽 900 kHz、中心频率约 316 kHz,三个条件都在推荐范围之内。把下限放到 30 kHz、上限收到 500 kHz,带宽 470 kHz、中心频率约 122 kHz,同样落在范围内。两组都合规,测同一台试品给出的波形却不会一样,因为窗口位置不同。
同一个放电源在两组窗口下的读数不一致,属正常现象。宽带窗口宽,脉冲响应完整,读数接近脉冲的真实幅值。窄带窗口窄,响应被拉长成对称振荡,读到的是包络峰值,与宽带结果可以相差一个不小的比例。两份报告放在一起比之前,先确认各自用的是哪一组窗口。
DL/T 846.4-2016 管的是仪器,GB/T 7354-2018 管的是测量方法与测量系统的特性,两份文件的数字不能互相套用。把行标的 10 至 500 kHz 当成国标的推荐带宽,是现场常见的一处误读。
行标规定得直白:适用于测量频率范围在 10 kHz 至 500 kHz 的采用脉冲电流法的局部放电测量仪的生产、使用、检验,其他频带的脉冲电流法局放测量仪可以参照执行。这句话给的是仪器的适用档位,划出这一档仪器的生产与检验边界。
国标给的是测量系统传输阻抗的推荐通带。它限定的是下限、上限、带宽三项同时满足的关系,不是一台仪器面板上印的频率范围。仪器落在 10 至 500 kHz 内,并不自动满足宽带的三个条件,例如一台下限 5 kHz、上限 500 kHz 的仪器,带宽 495 kHz 符合,下限却掉出了 30 kHz 的推荐区。两回事。
这处区分能解释一个常见困惑:仪器标 10 kHz 至 500 kHz,实测有效带宽只有 100 至 400 kHz。标称范围是按行标的档位写的,有效带宽是传输阻抗真的没掉太多的一段,两者本来不必相等。
校准这一环与带宽绑在一起。刻度因数是在给定频段内用已知电荷的校准脉冲注入确定的,校准脉冲的上升沿要足够陡、持续时间要足够长,能量才铺得满被测通带。上升沿偏慢的校准器,注入能量集中在低频,拿它去校一台下限 100 kHz 的仪器,刻度因数会偏。校准记录里除了注入电荷量,还该写明校准器的上升沿与脉冲宽度。
选型时要分开看两件事。仪器能不能用于这一档,看行标的适用范围。系统的通带是否落在推荐区,回国标核对三项条件。两个问题混成一个,问出来的答案一定对不上。
频段高低对应的不是精度高低,是信号从哪个通道取出来。取法不同,频段自然不同,频段不同,能看到的缺陷类型也不同。
脉冲电流法走磁耦合,电流互感器套在接地线上,测的是放电电流在接地回路里产生的那一份。变压器与电缆的局放多用这一路,频段常见在 0.1 至 20 MHz,优点是有明确的电荷量刻度,可与 pC 直接对应。
暂态地电压走电场耦合,传感器贴在开关柜的金属外壳上,测的是内部放电在柜体上感应出的瞬态电压。Q/GDW 11304.16-2021 把这一路定义在 3 至 100 MHz,并要求传感器频带覆盖这一段、峰值带宽不小于 10 MHz,诊断型仪器还要具备两个以上通道与定位能力。
特高频走电磁波耦合,测的是气室内放电激发的高次模电磁波,频段在 300 至 1500 MHz。这一段的好处是手机、对讲机、电晕一类低频干扰进不来,代价是金属遮挡会挡掉大部分能量。DL/T 1498.4-2025 把 300 至 1500 MHz 写进了对 GIS 特高频在线监测装置的要求,而那份文件管的是在线监测装置,便携式检测仪不属其范围,拿它给便携仪背书站不住。
超声波走声耦合。接触式探头贴在柜壁上,频段 20 至 300 kHz。非接触式用 40 kHz 附近的空气声,隔着缝隙听。声学法能定位,也容易被环境机械噪声干扰,闭锁装置动作、风机运转都会落在这个频段。
四路之间不是替代关系。特高频对气室内部的放电敏感,金属法兰与屏蔽挡得住外部干扰,也挡得住内部能量往外传,传感器装在柜门外测同一放电,幅值可能低一个数量级。暂态地电压贴柜壁取信号,对柜内表面与沿面的放电更灵,受柜体结构影响小,缺点是无法定位到具体气室。声学法能给出声源方向,与电信号配合可做联合定位,环境噪声大时读数不稳。方法之间的选择,取决于要回答的是有没有放电、还是放电在哪一处。
缺陷类型与频段的对应并不严格,方向却是有的。气隙放电的脉冲陡,能量铺得宽,从高频段到特高频都能收到。悬浮电位放电的脉冲更陡,重复率也高,特高频与暂态地电压上都很明显。沿面放电常伴随声发射,声学法容易听到,电信号相对弱。电晕多出在导体毛刺处,低频段便能收到,也是现场干扰的主要来源。把缺陷特征与频段对上,再选方法,比按仪器参数高低排序可靠。
电磁法与声学法的通用要求另有文件。GB/T 42287-2022《高电压试验技术 电磁和声学法测量局部放电》把高频段、甚高频段、特高频段的电磁法以及声学法一并纳入,对测量系统的校准与灵敏度核查提出要求。用这几路做检测,灵敏度核查要按它的口径做,不能只凭现场读数说话。不能凭读数。
表3 把四路的频段与折算量摆在一起,带宽由标称上下限算得,分辨时间按 0.35 除以带宽估算,属工程换算。
表3 四类检测方法的频段与折算量
| 方法 | 典型频段 | 带宽 | 中心频率 | 估算分辨时间 | 取信号的位置 |
|---|---|---|---|---|---|
| 脉冲电流法 | 0.1 至 20 MHz | 19.9 MHz | 约 1.41 MHz | 约 17.6 纳秒 | 接地线上的电流 |
| 暂态地电压 | 3 至 100 MHz | 97 MHz | 约 17.3 MHz | 约 3.6 纳秒 | 柜体表面的瞬态电压 |
| 特高频 | 300 至 1500 MHz | 1200 MHz | 约 671 MHz | 约 0.29 纳秒 | 气室内的电磁波 |
| 超声波 | 20 至 300 kHz | 280 kHz | 约 77.5 kHz | 约 1.25 微秒 | 柜壁或空气里的声 |
分辨时间的数量级差得很远,从微秒到亚纳秒。这个差别决定同一台设备用不同方法测,看到的脉冲密度完全不同,不能拿一种方法的读数去校验另一种方法的读数。不能互校。
系统带宽是各环节的交集,不是仪器单独标的那一段。传感器、连接线、前置放大、采集通道依次串联,任何一环窄,整条链随之变窄,仪器面板上的数字只代表它自己那一段。
传感器这一环常被忽略。脉冲电流法用电流互感器,其传输阻抗在标称频段内大致平坦,超出频段之后快速下降。哪吒这一类多模仪器把传输阻抗标为大于 10 mV/mA,也是在有效频段内的平均值,频段边缘达不到这个数。
连接线是第二处短板。几十米同轴电缆的高频衰减不可忽视,上限越高衰减越明显,长线之后实际通带上限会往下移。现场把探头线接到几十米外的读数单元,再按仪器标称的上限去解释波形,容易把线缆的衰减算进放电信号里。
采集通道是第三处。采样率与带宽要匹配,按采样定理,采样率至少是上限频率的两倍,工程上取 2.5 至 4 倍才够用。带宽 20 MHz 的通道,采样率要在 50 至 80 MS/s 以上。这条是工程惯例,标准并不直接规定采样率与带宽的比值,只要求数字仪器能如实反映脉冲。
前置放大装在哪,同样影响系统带宽。放大环节放在探头一端,信号在进入长线之前先被抬起来,线缆衰减对信噪比的破坏小。放大环节放在读数单元一端,长线把弱信号与噪声一起送过去,再放大也分不开。现场要把探头线延长几十米时,先确认探头端有没有前置放大,再谈带宽够不够。
系统带宽也能测出来。在探头端注入一个上升沿足够陡的阶跃,看读数单元输出的响应波形,按幅值降到峰值一半的两个频点估上下限。或者用扫频信号逐点测传输阻抗,画出一条曲线。两种做法都要在整条回路上做,只测仪器主机得不到系统的真实通带。
系统带宽的短板还可能出在耦合方式上。特高频传感器贴在柜门外,与装在气室内部的手孔传感器相比,同一放电在两者上得到的幅值可以差出一个数量级,频段相同也补不回来。这一类差别属于耦合效率,与带宽是两件事,混在一起谈会把问题归错地方。
以下几种说法在选型与验收场合反复出现,错的地方都不在个别数字,而在把不同层面的量当成了同一个量。
表4 五种常见误读与正确读法
| 说法 | 问题在哪 | 正确读法 |
|---|---|---|
| 频段越高越灵敏 | 频段高只说明取的是高频通道 | 灵敏度看可测放电量下限与噪声水平 |
| 带宽越宽越准 | 带宽宽则噪声进来多,量值复现性下降 | 精度看校准后的刻度因数与线性 |
| 标 1.5 GHz 即按 1.5 GHz 使用 | 上限是传输阻抗下降 6 dB 的频点 | 上限之上信号被压掉一半以上 |
| 仪器频段合规即系统合规 | 系统带宽取各环节交集 | 传感器与线缆同样要核 |
| 用在线监测标准验收便携仪 | 适用范围不同 | 便携仪按仪器标准与现场导则 |
还有一种说法把 pC 读数与带宽直接挂钩,说带宽宽所以测得准。视在电荷量靠校准得到,刻度因数用已知电荷注入确定,与带宽的关系是间接的:带宽影响脉冲响应能否完整采集,校准才决定读数对应多少 pC。校准失效时,带宽再宽也读不出正确的电荷量。
这几种说法的共同点,是把标称参数当成了实测量。频段是厂家按传输阻抗测出来的,带宽可以由上下限算出,两者都能核对。灵敏度、线性、噪声水平要靠校准及比对确认,参数表上的数字只是设计目标,不是这一台机器此刻的状态,两者要分开看。
选型先定对象与缺陷类型,再定耦合路径,末了才核频段与分辨时间。顺序倒过来,先看参数表挑频段,挑出来的仪器往往与现场要查的缺陷对不上。
多模仪器把几段窗口装在一台机器里,读参数时要一段一段对。哪吒的四种手段各有频段。特高频 300 至 1500 MHz,动态范围负 80 至负 5 dBm。高频 0.1 至 20 MHz,传输阻抗大于 10 mV/mA。暂态地电压 3 至 100 MHz,动态范围 70 dB。接触式超声 20 至 300 kHz,非接触式 40 kHz 附近,动态范围 70 dB。金吒的手持机型给出的是同一组频段,取信号的方式不同,用于开关柜巡检。
参数表上没有写频段的机型要如实对待。子龙走的是高频电流法配时频分离,官方页面列的是测量方式与抗干扰能力,没有给出频段与灵敏度的数值。这类情形不能替厂家补数,选型时把频段、带宽、可测放电量下限三项列进技术协议,让对方书面确认。
超低频与振荡波那一路的仪器,带宽概念落在另一处。孟德的信号分离用频谱选频,选频范围 1 kHz 至 10 MHz 可调,采样 14 位,量程 0.1 至 10000 pC。选频范围可调意味着窗口位置由使用者设定,读波形前要先确认当时选的是哪一段,否则同一份数据换个人看会得出不同结论。
选型核对的顺序可以固定下来:先问被测设备的绝缘结构与可能的缺陷类型,再定用哪一路耦合,再看该路的频段是否覆盖缺陷激发的频率,再算分辨时间够不够分辨现场预期的重复率,末了核采样率、动态范围、校准方式。
按对象选路可以更具体。开关柜巡检以暂态地电压加超声为主,柜内表面与沿面放电用这两路,特高频做辅助确认。GIS 以特高频为主,气室手孔装内置传感器,外置的贴盆式绝缘子。电缆与变压器以高频电流法为主,互感器套在接地线上,配合时频分离看波形。电机定子绕组用超声与高频电流法配合,绕组内部放电的声信号衰减小。四类对象频段不同,原因是缺陷激发的频率与传播路径不同,不是仪器档次不同。不是档次差别。
不是。带宽宽,能分辨的脉冲更密、波形更完整,同时进来的噪声更多,量值复现性下降。选宽带还是窄带,取决于要判波形还是只要一个可比的数。
不是。1500 MHz 是上限频率,信号到这里已经被压掉一半,之上衰减更快。这个标称说明仪器在 300 至 1500 MHz 这一段有可用的传输特性,不说明它能处理中心频率在上限附近的放电。
频段只描述窗口位置,还有几项没被它覆盖:传感器的耦合效率、传输阻抗的平坦度、噪声水平、校准的刻度因数。四项里任何一项不同,读数便会不同。
间接关系。视在电荷量由校准确定,带宽影响脉冲响应能否被完整采集与分辨。带宽不足会让密集放电的读数失真,校准不准会让所有读数按同一比例偏掉。
不能。DL/T 1498.4-2025 的适用对象是 GIS 特高频在线监测装置,便携式检测仪的验收按仪器标准与现场导则走,两者的考核项目与判据不是一套。
一组频段数字,落到现场要做的换算是三件:上下限换成窗口位置,带宽换成脉冲分辨时间,分辨时间换成能承受的放电重复率。三件做完,一台仪器的频段标注才算读懂了。
读不懂的代价不在参数表上。窄带仪器在密集放电下读数失真,方向还不固定。上限被线缆衰减悄悄拉低,波形里的高频细节消失,人却以为设备本来如此。拿在线监测的标准去验收便携仪,报告写得齐整,结论站不住。
下次拿到一台仪器,先看上下限,再算带宽与中心频率,再把带宽折成分辨时间。三步走完,参数表上的数字才变成现场能用的判断。数字才落地。