GIS局部放电监测中的PRPD/PRPS图谱原理与应用

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于 2025-06-11 09:46:46 首次发布

GIS局部放电监测中的PRPD/PRPS图谱原理与应用

PRPD 与 PRPS 图谱原理

相位分辨局部放电图谱（PRPD）是一种将每次局部放电事件的幅值与对应工频电压相位（0°–360°）关联的二维散点图。其中横轴为工频电压相位角，纵轴为放电幅值（通常以皮库仑为单位）；每个点代表一个放电脉冲事件。通过PRPD图谱，可以直观观察放电在电压周期内的分布特征，从而推断绝缘缺陷类型。例如电晕放电通常在相位90°和270°出现对称峰值，而内部空隙放电的相位分布则较为分散随机，表面放电常呈现不对称的放电簇。
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PRPS 图谱（相位分辨脉冲序列）是在PRPD基础上增加“时间”维度的三维图谱。其X轴为相位角，Y轴为放电幅值，第三维（或颜色）表示时间先后顺序。PRPS图谱能够展示放电行为随时间的动态变化。例如通过观察PRPS中脉冲强度的时间演变，可判断绝缘缺陷是否在持续恶化。总之，PRPD/PRPS图谱均依赖于对局放电脉冲与交流电压相位的同步测量（相位门控），将放电脉冲信号转化为可视化模式，帮助识别缺陷特征。

数据采集与信号处理

制作PRPD/PRPS图谱所需的数据类型主要包括：每个局放事件的时间戳、对应的工频相位角以及放电幅值（电荷量）。在现场监测中，常用的传感器包括：超高频(UHF)天线（检测300MHz–3GHz范围内的局放电磁辐射）、高频电流互感器(HFCT)（通过地线电流检测脉冲电流）、超声波传感器（检测20kHz–250kHz的声波）和暂态地电压(TEV)传感器等。这些传感器将局放电脉冲以模拟信号形式采集，经过带通滤波和放大后送入PD测量仪或DAQ板卡。信号处理流程通常包括：脉冲峰值检测、幅值标定（根据IEC 60270标准换算为pC电荷）、以及与参考相位（来自测试设备或电网）进行同步计算。现代PD测量系统可通过内部或外部同步方式准确获取相位信息，实现每个脉冲的相位门控处理。最终，所有脉冲事件数据按表格存储（常见格式为时间、相位、幅值三列），可直接导出为CSV/Excel等格式或专用二进制格式（如美国NIST推荐格式）以供后续分析。

缺陷诊断与图谱特征

不同类型的局放缺陷在PRPD/PRPS图谱中呈现出各自的“指纹”特征，有助于故障诊断。例如：

电晕放电：通常在交流电压峰值处放电，两相分别在90°和270°左右出现对称峰值。
内部空隙放电：由于缺陷位置随几何和电场分布变化，其脉冲在全相位范围内较均匀随机分布（相位分布宽广）。
表面放电：偏向单边半周放电，PRPD图上呈不对称的放电簇状分布。
尖端或金属颗粒放电：尖锐导体（针尖）或浮动金属颗粒的放电信号往往在PRPD中形成多个离散簇，对应于尖端放电点放电和颗粒与电场相互作用的不同相位。
悬浮电极或双导体放电：例如GIS中金属板浮置造成的放电在正负半周均有活动，PRPD图呈现正负半周对称分布。实际研究表明，不同缺陷的PRPD曲线可与典型故障图谱库比对，从而判定缺陷类型。此外，结合PRPS的时序信息可观察放电过程的演变，对诊断绝缘老化或缺陷扩展也有帮助。

典型厂商与产品实现

市场上多家厂商已将PRPD/PRPS分析集成到局放检测系统中。以奥地利OMICRON为例，其MPD Suite软件配合MPD 800/600等局放检测仪，可实时显示PRPD散点图及其他分析图（如Q–V谱、椭圆图等），支持多源PD分离与噪声抑制；MPD Suite允许将脉冲事件导出为CSV文件，便于后续MATLAB等工具处理。德国Megger（原PowerDiagnostix）推出的PDS-60/PDS-62便携式PD检测系统，软件同样支持PRPD实时显示和缺陷判别；其PD分析软件指出，PRPD图谱可帮助区分电晕与内部放电等故障类型。比如PDS 62-SIN产品资料中就提到，PRPD模式用于故障识别非常重要，可即时区分电晕和内部放电。国内厂商方面，如英诺威电气（InnovIT）的PDGuard-G5000在线监测系统也强调支持PRPD/PRPS图谱的同步分析与实时展示。此外，国电南瑞、海光电气、思拓电气等提供的GIS在线PD监测装置通常集成UHF和超声波传感器，也可通过相位同步方式生成PRPD/PRPS图用于诊断缺陷。总体而言，这些设备借助PRPD/PRPS图谱将复杂的PD信号转化为可视化的频率-幅值-相位关系，提升了故障定位和类型识别的可靠性。

分析工具与软件

除了专用硬件厂商提供的软件外，研究和监测人员常使用通用工具进行二次分析和图谱绘制。一方面，OMICRON MPD Suite等PD分析软件提供内建的图形界面，可实时查看PRPD/PRPS并进行统计。另一方面，MATLAB、Python等编程环境也可用于自定义PD图谱绘制和模式识别。相关资源库中已有完整的MATLAB脚本和示例数据，可生成局放三维谱图。通常流程是从测量仪器导出的CSV或MATLAB可读文件载入放电数据，然后利用绘图函数生成Phase–Amplitude–Time的图形，以实现对PRPD/PRPS特征的深入分析。此外，部分软件（如MATLAB）还支持导入IEC 61850或SCADA系统中的实时数据流，从而在GIS运行状态下长时间监测并更新PRPD/PRPS图谱，实现在线诊断。通过这些工具和软件的支持，工程师可以根据需要自由调整相位门宽、幅值门限等参数，从而生成清晰的PRPD/PRPS图谱并提取统计特征，用于局放模式识别和趋势分析。

参考文献： 本文所述内容参考了相关文献和标准文档。上述资料提供了PRPD/PRPS图谱技术的原理、数据需求、缺陷特征以及各类软件系统的实现细节。

📘 OMICRON MPD Suite

OMICRON. MPD Suite Software Highlights. 包括PRPD/PRPS图谱功能描述等内容。ODF 下载页：OMICRON官网 PDF ([omicronenergy.com][1])
OMICRON. MPD 800 产品介绍手册，说明支持IEC标准及多相同步测量。网页链接：OMICRON官网 ([omicronenergy.com][2])
OMICRON. MPD Suite 软件 v1.50 发布公告（2024年7月3日）。新增IEC 60270 性能检查等功能。页面链接：OMICRON新闻页 ([omicronenergy.com][3])