第4章 超声波局部放电检测技术.docx
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第4章超声波局部放电检测技术
第四章超声波局部放电检测技术
第一节超声波局部放电检测技术概述
一、发展历程
超声波局部放电检测技术凭借其抗干扰能力及定位能力的优势，在众多的检测法中占有非常重要的地位。
超声波法用于变压器局部放电检测最早始于上世纪40年代，但因为灵敏度低，易于受到外界干扰等原因一直没有得到广泛的应用。
上世纪80年代以来随着微电子技术和信号处理技术的飞速发展，由于压电换能元件效率的提高和低噪声的集成元件放大器的应用，超声波法的灵敏度和抗干扰能力得到了很大提高，其在实际中的应用才重新得到重视。
挪威电科院的L.E.Lundgaard.从上世纪70年代末开始研究局部放电的超声检测法，并于1992年发表了介绍超声检测局部放电的基本理论及其在变压器、电容器、电缆、户外绝缘子、空气绝缘开关中的应用情况的文章。
随后美国西屋公司的RonHarrold对大电容的局部放电超声检测进行了研究，并初步探索了超声波检测的幅值与脉冲电流法测量视在放电量之间的关系。
2000年，澳大利亚的西门子研究机构使用超声波和射频电磁波联合检测技术监测变压器中的局部放电活动。
2002年，法国ALSTOM输配电局的研究人员对变压器中的典型局部放电超声波信号的传播与衰减进行了比较研究。
2005年德国EkardGrossman和KurtFeser发表了基于优化的声发射技术的油纸绝缘设备的局部放电在线测试方法，通过使用二维傅里叶变换对信号进行处理，可达10pC的检测灵敏度。
同一年，南韩电力研究所研究员发表了关于电力变压器局放超声波信号及噪声的分析方法的文章。
国内清华大学、华北电力大学、西安交通大学、武汉高压所等科研机构自上世纪90年代开始逐渐开展超声波局部放电检测的研究。
西安交通大学提出了相控定位方法，先通过时延算出放电的距离，再根据相控阵扫描的角度确定放电的空间位置。
武高所开发了JFD系列超声定位系统，其对一般变压器放电定位误差可小于10cm。
经过几十年的发展，目前超声波局部放电检测已经成为局部放电检测的主要方法之一，特别是在带电检测定位方面。
该方法具有可以避免电磁干扰的影响、可以方便地定位以及应用范围广泛等优点。
传统的超声波局部放电检测法是利用固定在电力设备外壁上的超声波传感器接收设备内部局部放电产生的超声波脉冲，由此来检测局部放电的大小和位置。
由于此方法受电气干扰的影响比较小以及它在局部放电定位中的广泛应用，人们对超声波法的研究逐渐深入。
目前，超声波检测局部放电的研究工作主要集中在定位方面，原因是与电测法相比，超声波的传播速度较慢，对检测系统的速度与精度要求较低，且其空间传播方向性强。
在利用超声波进行局部放电量大小确定和模式识别方面的工作相对较少，上世纪80年代德国和日本科学家曾在此方面进行过研究，近年来有学者提出了利用频谱识别局部放电模式的新方法，其研究也取得了一些新成果，但目前仍处于实验室研究阶段，现场应用情况并不理想。
此外，将超声波法与射频电磁波法（包括射频法和特高频法）联合起来进行局部放电定位的声电联合法成为一个新的发展趋势，在工程实际中得到了较为广泛的应用。
二、技术分类及特点
尽管脉冲电流法是局部放电研究的基础，但是电脉冲信号在现场检测时会有很大的干扰，很难正确得到放电信号，另外还存在在线结果与离线结果的等效性等问题。
超声波检测法具有以下特点。
1、抗电磁干扰能力强
目前采用的超声波局部放电检测法是利用超声波传感器在电力设备的外壳部分进行检测。
电力设备在运行过程中存在着较强的电磁干扰，而超声波检测是非电检测方法，其检测频段可以有效躲开电磁干扰，取得更好的检测效果。
2、便于实现放电定位
确定局部放电位置既可以为设备缺陷的诊断提供有效的数据参考，也可以减少检修时间。
超声波信号在传播过程中具有很强的方向性，能量集中，因此在检测过程中易于得到定向而集中的波束，从而方便进行定位。
在实际应用中，GIS设备常采用幅值定位法，它是基于超声波信号的衰减特性实现的；变压器常采用空间定位法，目前市面上已有比较成熟的定位系统。
3、适应范围广泛
超声波局部放电检测可以广泛应用于各类一次设备。
根据超声波信号传播途径的不同，超声波局部放电检测可分为接触式检测和非接触式检测。
接触式超声波检测主要用于检测如GIS、变压器等设备外壳表面的超声波信号，而非接触式超声波检测可用于检测开关柜、配电线路等设备。
与此同时，超声波局部放电检测技术也存在一定的不足，如对于内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大、进行放电类型模式识别难度大以及检测范围小等。
因此，在实际应用中，如GIS、变压器等设备的超声波局部放电检测既可以进行全站普测，也可以与特高频法、高频法等其他检测方式相配合，用于对疑似缺陷的精确定位；而开关柜类设备由于其体积较小，利用超声波可对配电所、开闭站等进行快速的巡检，具有较高的检测效率。
目前，超声波局部放电检测范围涵盖变压器、GIS组合电器、开关柜、电缆终端、架空输电线路等各个电压等级的各类一次设备。
其中，变压器和GIS的超声波局部放电检测通常采用接触式方法，检测时将超声波传感器（通常为压电陶瓷材料）放置在设备外壳上，接收内部发生局部放电时产生的异常信号；开关柜的超声波检测既可以采用非接触式传感器在柜体各接缝处进行检测，也可以采用接触式传感器检测由内部传播至柜体表面的超声波信号；利用无损信号传导杆可以将超声波局部放电检测法应用于检测电缆终端工艺不良等绝缘缺陷，该方法已经取得了一定的应用效果；在配网架空输电线路巡线时，可通过一个超声波传感器接收线路上的绝缘缺陷所产生的放电信号，对线路的运行状况进行分析。
在实际应用中，由于超声波检测法具有出色的定位能力，其在变压器和GIS设备巡检过程中对内部缺陷点的确认和定位得到了较为广泛的应用，而开关柜的超声波检测也广泛应用于配电设备的巡检中。
三、应用情况
随着超声波局部放电检测技术研究的逐渐深入，其在全世界范围内得到了大量的推广。
目前，GIS、变压器、开关柜等设备均有成熟的检测装置和仪器供选择，各国在超声波检测领域也已积累了大量的检测经验与发现缺陷设备的经验。
2000年初，超声波局部放电检测技术开始引入国内。
2006年起，通过与新加坡新能源电网公司进行同业对标，以北京、上海、天津为代表的一批国内电网公司率先引进超声波局放检测技术，开展现场检测应用，并成功发现了多起局部放电案例，为该技术的推广应用积累了宝贵经验。
在过去的三年内，国内各电网公司均显著增加了各类超声波局部放电检测装置仪器的配备数量，国家电网公司仅2011年GIS、开关柜及电缆超声波局部放电检测装置配置数量上涨了近20倍，可见超声波检测法在实际应用中具有很强的实用性，得到了运行人员的充分肯定。
该技术在2008年北京奥运会、2010年上海世博会等大型活动保电工作以及特高压设备缺陷检测中均发挥了重要的作用。
国际电工委员会（IEC）TC42下属工作组正在致力于相关标准IEC62478的制订工作，国内相应的标准制订也正在进行中。
国家电网公司在引入、推广超声波局放检测技术方面做了大量卓有成效的工作。
2010年，在充分总结部分省市电力公司试点应用经验的基础上，结合状态检修工作的深入开展，国家电网公司颁布了《电力设备带电检测技术规范（试行）》和《电力设备带电检测仪器配置原则（试行）》，首次在国家电网公司范围内统一了超声波局放检测的判据、周期和仪器配置标准，超声波局放检测技术在国家电网公司范围全面推广。
2013年8月至2014年2月国家电网公司组织开展了超声波局放检测装置性能检测工作，首次对国内市场上数十款超声波带电检测仪器进行了综合性能的检测工作，对规范和引导国内仪器开发和制造技术领域起到了积极推动作用。
自2010年以来，国家电网公司先后举办了20余期电力设备状态检测技术及技能培训工作，共培训技术与技能人员3000余人，培训内容涉及超声波局放检测等多个项目，为该技术的推广应用打下了广泛的人员基础。
第二节超声波局部放电检测技术基本原理
一、超声波的基本知识
超声波是指振动频率大于20kHz的声波。
因其频率超出了人耳听觉的一般上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波。
超声波与声波一样，是物体机械振动状态的传播形式。
按声源在介质中振动的方向与波在介质中传播的方向之间的关系，可以将超声波分为纵波和横波两种形式。
纵波又称疏密波，其质点运动方向与波的传播方向一致，能存在于固体、液体和气体介质中；横波，又称剪切波，其质点运动方向与波的传播方向垂直，仅能存在于固体介质中。
1声波的运动
声音以机械波的形式在介质中传播，换句话说，也就是对介质的局部干扰的传播。
对于液体而言，局部干扰造成介质的压缩和膨胀，压力的局部变化会造成介质密度的局部变化和分子的位移，此过程被称为粒子位移。
在物理学中，对于声波的运动有着更为正式的描述：
（4-1）
这里c指声速。
此描述声波运动的通用微分方程是由描述连续性、动量守恒和介质弹性的三个基本方程联立而得。
2声波的阻抗和强度
声在气体中的传播速度是由状态方程决定的；对于液体，速度是由该液体的弹性决定的；对于固体，则是由胡克定律决定的。
图4-1显示了作用在一小滴液体上的力。
合成作用力使该颗粒以速度v移动。
对于平面波，声的压强和颗粒的速度的比例被称为声阻抗：
（4-2）
图4-1作用于柱形声学颗粒（声线）上的力
声阻抗和电阻抗类似，并且当压强和速度异相的时候也可以是复数。
但是，对于平面波，声阻抗是标量（Z=p0c）并被称为介质特征阻抗。
声波强度（单位时间内通过介质的声波能量，单位为W/m2）是一个非常重要的物理量。
声波强度可以用峰值压强P、峰值速度V的多种表达式表示，其中包括：
（4-3）
在实际应用中，声波强度也常用分贝（dB）来度量。
3声波的反射、折射与衍射
当声波穿透物体时，其强度会随着与声源距离的增加而衰减。
导致这个现象的因素包括声波的几何空间传播过程、声波的吸收（声波机械能转为内能的过程）以及波阵面的散射。
这些现象都导致了声波的强度随着与声源间距离的不断增大而不断减小。
在无损的介质中，球面波强度与球面波阵面的面积成反比，圆柱波强度与相对于声源的距离成反比，这样的衰减被称为空间衰减。
因为此类衰减仅与波形传播的空间几何参数有关。
图4-2中描述的就是平面波、圆柱波及球型波在传播过程的几何空间衰减情况。
图4-2不同波阵面类型对应的不同衰减情况
当声波从一种媒介传播到另一种具有不同密度或弹性的媒介时，就会发生反射和折射现象，从而导致能量的衰减，如图4-3所示。
在平面波垂直入射的情况下，描述衰减的传播系数由下式给出：
（4-4）
显然，当两种媒介声阻抗相差很大时，只有小部分垂直入射波可以穿过界面，其余全部被反射回原来的媒介中。
在油和钢铁的分界面上，压力波的传播系数是0.01，而在空气和钢铁的分界面上，传播系数为0.0016。
图4-3声的折射与反射
当波以一定角度倾斜入射时，就会产生折射现象。
Snell定律很好地定量地描述了折射现象。
（4-5）
如果ci>ct并且入射波角度大于arcsin（ci/ct），就会发生全反射。
与其它所有的波一样，声波在遇到拐角或障碍物时也会发生衍射现象。
当波长与障碍物尺寸相差不大或远大于障碍物尺寸时，衍射效果非常明显；但是当波长远小于障碍物尺寸时，则几乎不会发生衍射现象。
4声波在气体中的吸收衰减
大部分气体对声波的吸收作用非常小，但是对于在某些条件下的某些气体，比如六氟化硫和二氧化碳，吸收作用对于能量的衰减意义重大。
吸收作用与频率的平方成正比，并与静压力成反比。
在空气中，吸收作用主要由空气的湿度来决定。
计算吸收作用的通用公式（不考虑松弛损耗）由等式（4-6）给出，式中
是粘滞系数，
是相速度，
是平衡密度，
是两种介质在常压（Cp）、确定体积（Cv）下的摩尔比热的比值，M是每摩尔的体积，
是导热系数。
（4-6）
二、超声波局部放电检测基本原理
电力设备内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音。
超声波法（AE，AcousticEmission，又称声发射法）通过在设备腔体外壁上安装超声波传感器来测量局部放电信号。
该方法的特点是传感器与电力设备的电气回路无任何联系，不受电气方面的干扰，但在现场使用时易受周围环境噪声或设备机械振动的影响。
由于超声信号在电力设备常用绝缘材料中的衰减较大，超声波检测法的灵敏度和范围有限，但具有定位准确度高的优点。
局部放电区域很小，局部放电源通常可看成点声源。
超声波局部放电检测的原理示意图如图4-4。
图4-4超声波检测局部放电基本原理
声波在气体和液体中传播的是纵波，纵波主要是靠振动方向平行于波传播方向上的分子撞击传递压力。
而声波在固体中传播的，除了纵波之外还有横波。
发生横波时，质点的振动方向垂直于波的传播方向，这需要质点间有足够的引力，质点振动才能带动邻近的质点跟着振动，所以只有在固体或浓度很大的液体中才会出现横波。
当纵波通过气体或液体传播到达金属外壳时，将会出现横波，在金属体中继续传播，如图4-5所示。
图4-5声波的传播路径
不同类型、不同频率的声波，在不同的温度下，通过不同媒质时的速率不同。
纵波要比横波快约1倍，频率越高传播速度越快，在矿物油中声波传播速度随温度的升高而下降。
在气体中声波传播速率相对较慢，在固体中声波传播要快得多。
表4-1列出了纵波在20℃时几种媒质中的传播速度。
表4-120℃时纵波在不同媒质中的传播速度（m/s）
媒质
速度
媒质
速度
媒质
速度
空气
330
油纸
1420
铝
6400
SF6
140
聚四氟乙烯
1350
钢
6000
矿物油
1400
聚乙烯
2000
铜
4700
瓷料
5600~6200
聚苯乙烯
2320
铸铁
3500~5600
天然橡胶
1546
环氧树脂
2400~2900
不锈钢
5660~7390
声波的强弱，可以用声压幅值和声波强度等参数来表示。
声压是单位面积上所受的压力，声强是单位时间内通过与波的传播方向垂直的单位面积上的能量。
声强与声压的平方成正比，与声阻抗成反比。
声波在媒质中传播会产生衰减，造成衰减的原因有很多，如波的扩散、反射和热传导等。
在气体和液体中，波的扩散是衰减的主要原因；在固体中，分子的撞击把声能转变为热能散失是衰减的主要原因。
理论上，若媒介本身是均匀无损耗的，则声压与声源的距离成反比，声强与声源的距离的平方成反比。
声波在复合媒质中传播时，在不同媒质的界面上，会产生反射，使穿透过的声波变弱。
当声波从一种媒质传播到声特性阻抗不匹配的另一种媒质时，会有很大的界面衰减。
两种媒质的声特性阻抗相差越大，造成的衰减就越大。
声波在传播中的衰减，还与声波的频率有关，频率越高衰减越大。
在空气中声波的衰减约正比于频率的2次方和1次方的差（即
）；在液体中声波的衰减约正比于频率的2次方（
）；而在固体中声波的衰减约正比于频率（
）。
表4-2给出了纵波在不同材料中传播时的衰减情况。
表4-2纵波在几种材料中传播时的衰减
材料
频率
温度（℃）
衰减（dB/m）
空气
50kHz
20~28
0.98
SF6
40kHz
20~28
26.0
铝
10MHz
25
9.0
钢
10MHz
25
21.5
有机玻璃
2.5MHz
25
250.0
聚苯乙烯
2.5MHz
25
100.0
氯丁橡胶
2.5MHz
25
1000.0
声波的传播速率与声波的衰减特性在超声波局部放电定位应用中起到了重要的理论支持。
通过提取超声波信号到达不同传感器的时间差（TDOA，TimeDifferenceofArrival），利用其传播速率即可实现对放电源的二维或三维定位，通过对比两路或多路超声波检测信号的强度大小，即可实现对放电源的幅值定位。
三、超声波局部放电检测装置组成及原理
典型的超声波局部放电检测装置一般可分为硬件系统和软件系统两大部分。
硬件系统用于检测超声波信号，软件系统对所测得的数据进行分析和特征提取并做出诊断。
硬件系统通常包括超声波传感器、信号处理与数据采集系统，如图4-6所示；软件系统包括人机交互界面与数据分析处理模块等。
此外，根据现场检测需要，还可配备信号传导杆、耳机等配件，其中信号传导杆主要用于开展电缆终端等设备局部放电检测时，为保障检测人员安全，将超声波传感器固定在被测设备表面；耳机则用于开关柜局部放电检测时，通过可听的声音来确认是否有放电信号存在。
图4-6超声波局部放电组成框图
（一）硬件系统
1超声波传感器
超声波传感器将声发源在被探测物体表面产生的机械振动转换为电信号，它的输出电压是表面位移波和它的响应函数的卷积。
理想的传感器应该能同时测量样品表面位移或速度的纵向和横向分量，在整个频谱范围内（0～100MHz或更大）能将机械振动线性地转变为电信号，并具有足够的灵敏度以探测很小的位移。
目前人们还无法制造上述这种理想的传感器，现在应用的传感器大部分由压电元件组成，压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸铅、钛酸钡等多晶体和铌酸锂、碘酸锂等单晶体，其中，锆钛酸铅（PZT-5）接收灵敏度高，是声发射传感器常用压电材料。
电力设备局部放电检测用超声波传感器通常可分为接触式传感器和非接触式传感器，如图4-7所示。
接触式传感器一般通过超声耦合剂贴合在电力设备外壳上，检测外壳上传播的超声波信号；非接触式传感器则是直接检测空气中的超声波信号，其原理与接触式传感器基本一致。
传感器的特性包括频响宽度、谐振频率、幅度灵敏度、工作温度等。
（a）非接触式传感器（b）接触式传感器
图4-7超声波传感器实物图
（1）频响宽度。
频响宽度即为传感器检测过程中采集的信号频率范围，不同的传感器其频响宽度也有所不同，接触式传感器的频响宽度大于非接触式传感器。
在实际检测中，典型的GIS用超声波传感器的频响宽度一般为20kHz~80kHz，变压器用传感器的频响宽度一般为80kHz~200kHz，开关柜用传感器的频响宽度一般为35kHz~45kHz。
（2）谐振频率。
谐振频率也称为中心频率，当加到传感器两端的信号频率与晶片的谐振频率相等时，传感器输出的能量最大，灵敏度也最高。
不同的电力设备发生局部放电时，由于其放电机理、绝缘介质以及内部结构的不同，产生的超声波信号的频率成分也不同，因此对应的传感器谐振频率也有一定的差别。
（3）幅度灵敏度。
灵敏度是衡量传感器对于较小的信号的采集能力，随着频率逐渐偏移谐振频率，灵敏度也逐渐降低，因此选择适当的谐振频率是保证较高的灵敏度的前提。
（4）工作温度。
工作温度是指传感器能够有效采集信号的温度范围。
由于超声波传感器所采用的压电材料的居里点一般较高，因此其工作温度比较低，可以较长时间工作而不会失效，但一般要避免在过高的温度下使用。
上述传感器特性受许多因素的影响，包括：
1、晶片的形状、尺寸及其弹性和压电常数；2、晶片的阻尼块及壳体中安装方式；3、传感器的耦合、安装及试件的声学特性。
压电晶片的谐振频率（f）与其厚度（t）的乘积为常数，约等于0.5倍波速（V），即f•t＝0.5V，可见，晶片的谐振频率与其厚度成反比。
超声波传感器是超声法局部放电检测中的关键技术，在实际选用中应结合工作频带，灵敏度，分辨率以及现场的安装难易程度和经济效益问题等进行综合衡量。
在灵敏度要求不高的场合，一般选用谐振式压电传感器。
光纤传感器作为一种新发展起来的技术，有着很好的发展前景，但应用有一定困难。
对于现场状况比较复杂的场合，在安装方式可实现的条件下可以考虑不同的传感器进行组合安装，这种组合可以是不同传感器对同一种安装方式的组合，同一种传感器不同频带宽度的组合，这样一方面可提高检测灵敏度，另一方面可排除干扰减少误判，获取更为丰富的局部放电的信息。
目前应用最为广泛的是以压电陶瓷为材料的谐振式传感器，它利用压电陶瓷的正压电效应，在局部放电产生的机械应力波作用下发生形变产生交变电场。
虽然局部放电及所产生的声发射信号具有一定的随机性，每次局部放电的声波信号频谱不同，但整个局部放电声波信号的频率分布范围却变化不大，基本处于20～200kHz频段，传感器谐振频率一般选择在GIS为40kHz、变压器为160kHz。
常见的压电型谐振传感器的结构形式如图4-8所示，可分为单端式传感器和差分式传感器。
单端式传感器结构比较简单，且带负载能力强，但灵敏度略逊于差分式传感器；差分式传感器可以有效抑制共模干扰，具有较高的灵敏度，但是其结构复杂，且带负载能力较弱。
（a）单端式（b）差分式
图4-8压电型谐振超声波传感器的结构形式
2信号处理与数据采集系统
信号处理与数据采集系统一般包括前端的模拟信号放大调理电路、高速A/D采样、数据处理电路以及数据传输模块。
由于超声波信号衰减速率较快，在前端对其进行就地放大是有必要的，且放大调理电路应尽可能靠近传感器。
A/D采样将模拟信号转换为数字信号，并送入数据处理电路进行分析和处理。
数据传输模块用于将处理后的数据显示出来或传入耳机等供检测人员进行观察。
数据采集系统应具有足够的采样速率和信号传输速率。
高速的采样速率保证传感器采集到的信号能够被完整地转换为数字信号，而不会发生混叠或失真；稳定的信号传输速率使得采样后的数字信号能够流畅地展现给检测人员，并且具有较快的刷新速率，使得检测过程中不致遗漏异常的信号。
（二）软件系统
1人机交互界面
人机交互界面是指检测装置将其采集处理后的数据展现给检测人员的平台，一般可分为两种。
一种是通过操作系统编写特定的软件，在检测装置运行过程中通过软件中的不同功能将各种分析数据显示出来，供检测人员进行分析。
变压器与GIS的超声波局部放电检测装置通常为这种形式。
另一种是将传感器检测到的信号参数以直观的形式显示出来，如开关柜的超声波局部放电检测通常可通过记录信号幅值和听放电声音的方式来完成。
2数据的分析、处理和存储
超声波局部放电检测装置通过对其采集的信号进行分析和处理，利用人机交互界面将结果展现给检测人员，即为检测中的各种参数。
常用的检测模式包括连续模式、脉冲模式、相位模式、特征指数模式以及时域波形模式等，检测的参数包括信号在一个工频周期内的有效值、周期峰值、被测信号与50Hz、100Hz的频率相关性（即50Hz频率成分、100Hz频率成分）、信号的特征指数以及时域波形等。
在利用超声波局部放电检测方法检测开关柜时，检测装置通过混频处理，将超声波信号转为人耳能够听到的声音。
由于检测过程中存在一定的干扰源，检测装置显示的超声波强度可能会比较大，但是只要没有在装置中听到异常的声音，即可初步认定开关柜可能不存在放电现象。
此外，超声波局部放电检测装置均配有数据存储功能，在检测背景噪声信号以及可疑的异常信号时，可以对数据进行存储，以便进行对比和分析。
3缺陷类型识别
由于超声波信号传播具有较强的方向性特点，因此超声波局部放电检测被广泛应用于缺陷的精确定位，而其在缺陷类型的识别方面却鲜有突破。
目前，常用的超声波局部放电检测装置对于缺陷类型的识别主要依靠检测人员对检测参数进行分析后加以判断。
第三节超声波局部放电检测及诊断方法
一、检测方法
（一）概述
当前电力设备局部放电检测中，基于超声波原理的检测主要分为带电检测和在线监测两种方法。
带电检测是当前超声波法在电气设备局部放电检测中应用最广泛的一种检测方法；而国内电力系统内已经安装的几套超声波局部放电长期在线监测系统受技术和设备的稳定性所限，性能不稳定，出现高误报率，应用受到很大的限制，相关技术有待进一步的研究和完善。
一般的，超声波局部放电带电检测遵循
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