變壓器局部放電在線檢測(cè)方法研究

陳軒+黃心漢+范盛榮+彭剛

收稿日期：2013-06-18

作者簡(jiǎn)介：陳 軒（1990—），男，湖北漢川人，碩士研究生，研究方向：智能控制與智能應(yīng)用。

通訊聯(lián)系人，E-mail：chenxuanhappy@sina.com

文章編號(hào)：1003-6199（2014）03-0031-04

摘 要：變壓器絕緣系統(tǒng)是電力變壓器的重要組成部分，很大程度決定了變壓器的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。局部放電是變壓器內(nèi)絕緣劣化的重要原因，也是變壓器絕緣狀況的重要特征，本文分析局部放電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，介紹幾種變壓器局部放電在線檢測(cè)方法并進(jìn)行比較，采用一種優(yōu)化的在線檢測(cè)方法得到變壓器局部放電三維圖譜。

關(guān)鍵詞：局部放電；絕緣系統(tǒng)；在線檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Transformer Partial Discharge On-line Monitoring Method

CHENn Xuan1， HUANG Xin-han1， FAN Sheng-rong2，PENG Gang1

（1.School of Automation， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan，Hubei 430074， China；

2.Econergy Hust Monitor（Beijing）CO.LTD，Beijing 100102，China）

Abstract：Transformer insulation system is an important part of power transformer. To a great extent， it defines the reliability and economy of transformer. Partial discharge is one important reason of insulation deterioration in transformer， which is also an important feature of transformer insulation condition. This article analyzes the reason of partial discharge phenomenon， introduces several kinds of transformer partial discharge on-line monitoring methods， and carries on the comparison to these methods. An optimization on-line monitoring method is used to get the three-dimensional map of transformer partial discharge.

Key words：partial discharge； insulation system； on-line monitoring system

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能與人民的生活和生產(chǎn)建設(shè)的關(guān)系越來越密切，成為現(xiàn)代社會(huì)的主要能源。在超高壓和特高壓輸變電技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，電力設(shè)備容量及數(shù)量大幅增加，電網(wǎng)的規(guī)模也越來越大。電力系統(tǒng)在保證供電質(zhì)量的同時(shí)還需要保證穩(wěn)定可靠的供電能力。變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，如果變壓器發(fā)生故障而導(dǎo)致停電不僅帶來巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失，其間接的損失也無法估計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由電力變壓器引發(fā)的事故中，大多數(shù)是由于絕緣出現(xiàn)老化和損壞而造成的[1]。從某種意義上來說，變壓器運(yùn)行的可靠性主要取決于其絕緣的可靠性，絕緣的故障常起源于變壓器內(nèi)部的局部放電。因此加強(qiáng)對(duì)變壓器局部放電的在線檢測(cè)是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段[2]。

2 變壓器局部放電

局部放電是指在電場(chǎng)作用下，絕緣物質(zhì)局部區(qū)域被擊穿的電氣放電現(xiàn)象。絕緣體內(nèi)部或者表面局部區(qū)域不均勻?qū)е略搮^(qū)域電場(chǎng)發(fā)生畸變，電場(chǎng)強(qiáng)度高于平均場(chǎng)強(qiáng)并首先發(fā)生放電，形成局部放電，而其他的區(qū)域仍然保持絕緣特性。

被氣體包圍的導(dǎo)體附近發(fā)生的局部放電，稱為電暈；發(fā)生在絕緣體表面的局部放電，稱為表面局部放電；發(fā)生在絕緣體內(nèi)部的局部放電，稱為內(nèi)部局部放電。

電力變壓器油紙組合絕緣產(chǎn)生局部放電的原因主要有以下兩點(diǎn)[3]：

1）絕緣體內(nèi)部或者表面存在易于放電的氣泡，氣體的介電常數(shù)總是小于液體或固體材料，在交變電場(chǎng)下，串聯(lián)介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與介電常數(shù)成反比，所以氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度要比周圍液體或固體介質(zhì)的高。但是氣泡的擊穿場(chǎng)強(qiáng)在常規(guī)氣壓下總是比液體或者固體介質(zhì)低很多，因此氣泡在電場(chǎng)作用下易于產(chǎn)生放電。

2）絕緣結(jié)構(gòu)中如果有導(dǎo)電雜質(zhì)存在，在導(dǎo)電雜質(zhì)的邊緣由于電場(chǎng)比較集中，就有可能產(chǎn)生局部放電。如果導(dǎo)體有毛刺或針尖狀，則在針尖附近電場(chǎng)比較集中，也可能產(chǎn)生局部放電。在變壓器中如果有某一金屬部件沒有電的連接而成為一個(gè)懸浮電位體，或是導(dǎo)體間連接點(diǎn)接觸不好，都會(huì)在該處出現(xiàn)很高的電位差，從而產(chǎn)生局部放電。

圖1為1000kv交流特高壓HGIS典型局部放電示意圖[4]。

3 變壓器局部放電在線檢測(cè)方法

變壓器局部放電在線檢測(cè)是通過傳感器在線獲得與變壓器內(nèi)部局部放電相關(guān)的信息，利用計(jì)算機(jī)及信號(hào)處理器技術(shù)對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行去噪、提取放電脈沖并對(duì)局部放電情況進(jìn)行描述和分類，為進(jìn)一步評(píng)估變壓器內(nèi)部絕緣運(yùn)行狀態(tài)提供參考信息。在提取局部放電信號(hào)的過程中存在著以窄帶周期型干擾、周期型脈沖干擾、隨機(jī)脈沖干擾和白噪聲為主的四類電磁干擾。針對(duì)這些干擾，目前主要有快速傅氏變換FFT閾值法、自適應(yīng)數(shù)字濾波系統(tǒng)、小波變換等方法等[5]。

局部放電的過程除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會(huì)產(chǎn)生輻射、超聲波、發(fā)光、發(fā)熱以及生成新的物質(zhì)。根據(jù)局部放電的檢測(cè)方法可以分為非電測(cè)量法和電氣測(cè)量法兩大類。

3.1 非電測(cè)量法

非電測(cè)量法主要有超聲波檢測(cè)法、光檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法、溫度檢測(cè)法。

1）超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法主要是根據(jù)局部放電過程中產(chǎn)生的超聲波傳播的方向和時(shí)間來確定放電位置，包括電-聲定位和聲-聲定位。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，由于超聲波通過不同介質(zhì)向外傳播，到達(dá)油箱壁的時(shí)間不同。在變壓器油箱的外殼安裝多個(gè)超聲波傳感器，由于空間位置不同，檢測(cè)到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)時(shí)間不同，通過測(cè)量超聲波傳播的延時(shí)時(shí)間可以確定局部放電源的空間位置[6]。

2）光檢測(cè)法

光檢測(cè)法的原理是將光電探測(cè)器接收的來自放電源的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再放大處理。不同類型局部放電產(chǎn)生的光波波長(zhǎng)不同，小電暈光波長(zhǎng)≤400nm呈紫色，大部分為紫外線；強(qiáng)火花放電光波長(zhǎng)介于400nm到700nm之間，呈桔紅色，大部分為可見光。固體、介質(zhì)表面放電光譜與放電區(qū)域的組成氣體、固體材料的性質(zhì)、表面狀態(tài)及電極材料等有關(guān)。普遍采用的有兩種光檢測(cè)法。一種是熒光光學(xué)檢測(cè)法，通過熒光光纖檢測(cè)局部放電所產(chǎn)生的熒光來檢測(cè)局部放電現(xiàn)象[7]。另外的一種是超聲-光學(xué)檢測(cè)方法，通過提取局部放電超聲信號(hào)傳播到光纖上時(shí)光纖的形變信號(hào)來檢測(cè)局部放電[8]。

3）化學(xué)檢測(cè)法

變壓器局部放電可能會(huì)導(dǎo)致變壓器中絕緣材料分解產(chǎn)生生成物，化學(xué)檢測(cè)法就是通過檢測(cè)生成物的成分和濃度來判斷局部放電的狀態(tài)。變壓器因局部放電而產(chǎn)生的主要生成物包括H2，CH4，CO2，C2H2等。離線化學(xué)檢驗(yàn)法通過實(shí)驗(yàn)室油色譜定期對(duì)油中的氣體分析，但所獲得的信息為長(zhǎng)期異常現(xiàn)象產(chǎn)生氣體的累加值，對(duì)于突發(fā)性故障預(yù)防較低。化學(xué)方法的在線檢測(cè)技術(shù)正逐步推廣，包括變壓器油色在線檢測(cè)、變壓器油中氫氣濃度在線檢測(cè)、變壓器油中乙炔在線檢測(cè)等，它們可以反映不同氣體的動(dòng)態(tài)特性，從而提取出變壓器內(nèi)的局部放電信息[9]。

4）紅外檢測(cè)法

紅外檢測(cè)法是利用電力設(shè)備內(nèi)部的局部放電產(chǎn)生的電熱能量轉(zhuǎn)換，檢測(cè)局部放電區(qū)域的表面溫度升高的變化。對(duì)于復(fù)雜的絕緣系統(tǒng)，紅外檢測(cè)法需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算，可以得到一定的量化關(guān)系，但是紅外檢測(cè)法用于定量的研究還存在困難[10]。

5）溫度檢測(cè)法

變壓器局部放電會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部的溫度發(fā)生異常，通過檢測(cè)變壓器內(nèi)部的溫度可以了解變壓器內(nèi)部的運(yùn)行狀況，為局部放電的檢測(cè)提供參考[11]。

3.2 電氣測(cè)量法

電氣測(cè)量法主要有脈沖電流法、超高頻法。

1）脈沖電流法

脈沖電流法是通過將阻抗接入到測(cè)量回路中來檢測(cè)的[12]。脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測(cè)方法，IEC-60270是IEC于2000年正式公布的局部放電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。脈沖電流法通常被用于變壓器出廠時(shí)的型式試驗(yàn)以及其他離線測(cè)試中，其離線測(cè)量靈敏度高。脈沖電流法主要存在的問題是：抗干擾能力差，無法有效應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)；對(duì)于變壓器類具有繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)備在標(biāo)定時(shí)產(chǎn)生很大的誤差；由于檢測(cè)阻抗和放大器對(duì)測(cè)量的靈敏度、準(zhǔn)確度、分辨率以及動(dòng)態(tài)范圍等都有影響，因此當(dāng)試樣的電容量較大時(shí)，受耦合阻抗的限制，測(cè)試儀器的測(cè)量靈敏度受到一定限制；測(cè)量頻率低、頻帶窄，包含的信息量少。

目前進(jìn)行脈沖電流法檢測(cè)時(shí)采用了由羅果夫斯基線圈制成的電流互感器來提取脈沖電流信號(hào)，使檢測(cè)回路與被測(cè)變壓器僅有磁耦合而沒有電氣連接，在一定程度上削弱了電氣干擾[13]。并且現(xiàn)在還出現(xiàn)了寬頻帶脈沖電流法的研究[14]，并且研制了基于甚寬帶脈沖電流法檢測(cè)系統(tǒng)[15]，這種系統(tǒng)在脈沖定量上與傳統(tǒng)脈沖電流法相當(dāng)?shù)那疤嵯拢岣吡藢掝l帶脈沖電流法的靈敏度和抗干擾能力，并且能夠在復(fù)雜的背景干擾下分離并識(shí)別放電信號(hào)和類型。

2）超高頻法

超高頻檢測(cè)法通過超高頻傳感器接收局部放電輻射的超高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)，通過檢測(cè)變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300～3000MHz）電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)和定位，并實(shí)現(xiàn)抗干擾。超高頻法具有測(cè)量頻率高、檢測(cè)頻帶可調(diào)、抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以較全面地研究變壓器絕緣系統(tǒng)中局部放電的本征特征[16]。

超高頻檢測(cè)法的原理是：每一次局部放電都發(fā)生正負(fù)電荷中和，伴隨有一個(gè)陡的電流脈沖，并且向周圍輻射電磁波。局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局部放電源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強(qiáng)度有關(guān)[17]。當(dāng)放電間隙比較小或放電間隙的絕緣強(qiáng)度比較高時(shí)，放電過程的時(shí)間比較短，電流脈沖的陡度比較大，輻射高頻電磁波的能力比較強(qiáng)。變壓器油——隔板結(jié)構(gòu)一般能輻射出達(dá)到幾GHz的電磁波，而一般現(xiàn)場(chǎng)干擾的頻率不高于400MHz，可以看出，超高頻檢測(cè)法能夠有效避免各種電磁干擾。這種電磁波遵循麥克斯韋電磁場(chǎng)基本方程，引入動(dòng)態(tài)向量A→和動(dòng)態(tài)標(biāo)量φ，這時(shí)麥克斯韋基本方程組轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)位方程：

上式說明局部放電產(chǎn)生的電磁波是以速度v沿著r方向分布，即沿電磁波傳播方向流動(dòng)[18]。因此，通過耦合這種以TEM波形式傳輸?shù)碾姶判盘?hào)可以檢測(cè)到變壓器內(nèi)部的局部放電，并用于診斷絕緣狀態(tài)。

局部放電超高頻測(cè)量中心頻率通常在數(shù)百M(fèi)Hz、帶寬為幾十MHz。通常在超高頻范圍內(nèi)（300～3000MHz）測(cè)量局部放電電磁信號(hào)，不會(huì)受到外部電暈等脈沖干擾（一般小于150MHz）的影響，因而能有效提高測(cè)量系統(tǒng)信噪比。局部放電超高頻檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一是高靈敏度傳感器的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中普遍采用超高頻天線來進(jìn)行局部放電超高頻檢測(cè)。

4 不同檢測(cè)方法比較

超聲波檢測(cè)法、光檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法、溫度檢測(cè)法為非電測(cè)量法，但由于超聲波檢測(cè)法以外的方法實(shí)現(xiàn)起來都比較困難，因此沒有得到大范圍的應(yīng)用。超聲波檢測(cè)法是目前應(yīng)用比較廣泛的方法之一，具有受電氣干擾少，實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠方便的進(jìn)行帶電檢測(cè)，不會(huì)對(duì)變壓器造成不可逆的傷害，但是超聲波檢測(cè)法的局部放電定位精度有所欠缺。

脈沖電流法和超高頻法是電氣測(cè)量法。脈沖電流法是目前國際上唯一有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的局部放電檢測(cè)方法，而且能夠直接測(cè)量視在放電量。但是脈沖電流法存在檢測(cè)帶寬不足的缺點(diǎn)。超高頻法是近些年發(fā)展的方法，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，相比于脈沖電流法，超高頻法接收頻帶寬，能夠比較全面地收集局部放電本征信息。

綜合超高頻法和脈沖電流法獲取變壓器局部放電的信號(hào)，可以有效抑制外部干擾。通過分布式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和采集，能夠獲得變壓器真實(shí)的局部放電信號(hào)及特征參數(shù)。不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同檢測(cè)方法特征表

5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的是綜合超高頻法和脈沖電流法的變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。其中脈沖電流法的測(cè)量頻帶為50kHz～5MHz，超高頻法的測(cè)量頻帶為0.3GHz～3GHz。采用差動(dòng)平衡法結(jié)合超高頻法實(shí)現(xiàn)外部干擾的鑒別，同時(shí)采用小波和IIR濾波器、開窗法實(shí)現(xiàn)了對(duì)白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除。設(shè)變壓器局部放電的視在放電量為q，放電相位為φ，放電時(shí)間為t，如圖2所示為綜合超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)和脈沖電流法局部放電檢測(cè)技術(shù)采集到的變壓器局部放電三維圖譜q-φ-t。

圖中藍(lán)色直方柱表示檢測(cè)到的局部放電信號(hào)，黃色直方柱表示檢測(cè)到的背景噪聲或者干擾。從圖2中可以看到，在相位為0°、90°、300°附近變壓器局部放電比較嚴(yán)重，極有可能是變壓器油里面有氣泡造成的。

6 結(jié) 論

電氣測(cè)量法的靈敏度高，可以完成定量檢測(cè)；非電氣測(cè)量法靈敏度較低，受到傳感器技術(shù)發(fā)展的限制很難做到定量測(cè)量，所以在實(shí)際應(yīng)用中以采用電氣測(cè)量法為主，非電測(cè)法為輔的測(cè)量方法。隨著對(duì)電力變壓器局部放電脈沖所輻射的電磁波的認(rèn)識(shí)的深入，綜合局部放電超高頻檢測(cè)法和和脈沖電流法將成為會(huì)成為變壓器局部放電在線檢測(cè)的主要方向。

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脈沖電流法和超高頻法是電氣測(cè)量法。脈沖電流法是目前國際上唯一有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的局部放電檢測(cè)方法，而且能夠直接測(cè)量視在放電量。但是脈沖電流法存在檢測(cè)帶寬不足的缺點(diǎn)。超高頻法是近些年發(fā)展的方法，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，相比于脈沖電流法，超高頻法接收頻帶寬，能夠比較全面地收集局部放電本征信息。

綜合超高頻法和脈沖電流法獲取變壓器局部放電的信號(hào)，可以有效抑制外部干擾。通過分布式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和采集，能夠獲得變壓器真實(shí)的局部放電信號(hào)及特征參數(shù)。不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同檢測(cè)方法特征表

5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的是綜合超高頻法和脈沖電流法的變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。其中脈沖電流法的測(cè)量頻帶為50kHz～5MHz，超高頻法的測(cè)量頻帶為0.3GHz～3GHz。采用差動(dòng)平衡法結(jié)合超高頻法實(shí)現(xiàn)外部干擾的鑒別，同時(shí)采用小波和IIR濾波器、開窗法實(shí)現(xiàn)了對(duì)白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除。設(shè)變壓器局部放電的視在放電量為q，放電相位為φ，放電時(shí)間為t，如圖2所示為綜合超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)和脈沖電流法局部放電檢測(cè)技術(shù)采集到的變壓器局部放電三維圖譜q-φ-t。

圖中藍(lán)色直方柱表示檢測(cè)到的局部放電信號(hào)，黃色直方柱表示檢測(cè)到的背景噪聲或者干擾。從圖2中可以看到，在相位為0°、90°、300°附近變壓器局部放電比較嚴(yán)重，極有可能是變壓器油里面有氣泡造成的。

6 結(jié) 論

電氣測(cè)量法的靈敏度高，可以完成定量檢測(cè)；非電氣測(cè)量法靈敏度較低，受到傳感器技術(shù)發(fā)展的限制很難做到定量測(cè)量，所以在實(shí)際應(yīng)用中以采用電氣測(cè)量法為主，非電測(cè)法為輔的測(cè)量方法。隨著對(duì)電力變壓器局部放電脈沖所輻射的電磁波的認(rèn)識(shí)的深入，綜合局部放電超高頻檢測(cè)法和和脈沖電流法將成為會(huì)成為變壓器局部放電在線檢測(cè)的主要方向。

參考文獻(xiàn)

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脈沖電流法和超高頻法是電氣測(cè)量法。脈沖電流法是目前國際上唯一有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的局部放電檢測(cè)方法，而且能夠直接測(cè)量視在放電量。但是脈沖電流法存在檢測(cè)帶寬不足的缺點(diǎn)。超高頻法是近些年發(fā)展的方法，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，相比于脈沖電流法，超高頻法接收頻帶寬，能夠比較全面地收集局部放電本征信息。

綜合超高頻法和脈沖電流法獲取變壓器局部放電的信號(hào)，可以有效抑制外部干擾。通過分布式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和采集，能夠獲得變壓器真實(shí)的局部放電信號(hào)及特征參數(shù)。不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同檢測(cè)方法特征表

5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的是綜合超高頻法和脈沖電流法的變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。其中脈沖電流法的測(cè)量頻帶為50kHz～5MHz，超高頻法的測(cè)量頻帶為0.3GHz～3GHz。采用差動(dòng)平衡法結(jié)合超高頻法實(shí)現(xiàn)外部干擾的鑒別，同時(shí)采用小波和IIR濾波器、開窗法實(shí)現(xiàn)了對(duì)白噪、周期性、脈沖性干擾的抑制和消除。設(shè)變壓器局部放電的視在放電量為q，放電相位為φ，放電時(shí)間為t，如圖2所示為綜合超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)和脈沖電流法局部放電檢測(cè)技術(shù)采集到的變壓器局部放電三維圖譜q-φ-t。

圖中藍(lán)色直方柱表示檢測(cè)到的局部放電信號(hào)，黃色直方柱表示檢測(cè)到的背景噪聲或者干擾。從圖2中可以看到，在相位為0°、90°、300°附近變壓器局部放電比較嚴(yán)重，極有可能是變壓器油里面有氣泡造成的。

6 結(jié) 論

電氣測(cè)量法的靈敏度高，可以完成定量檢測(cè)；非電氣測(cè)量法靈敏度較低，受到傳感器技術(shù)發(fā)展的限制很難做到定量測(cè)量，所以在實(shí)際應(yīng)用中以采用電氣測(cè)量法為主，非電測(cè)法為輔的測(cè)量方法。隨著對(duì)電力變壓器局部放電脈沖所輻射的電磁波的認(rèn)識(shí)的深入，綜合局部放電超高頻檢測(cè)法和和脈沖電流法將成為會(huì)成為變壓器局部放電在線檢測(cè)的主要方向。

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