华北电力大学程养春教授团队：基于电场反演的实验室局部放电试验中绝缘材料内部放电点定位方法准确度分析

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导语

绝缘材料内部局部放电难以直接观测，制约了电树枝生长机理的研究。华北电力大学程养春教授团队提出了一种基于边界电场反演与粒子群优化算法的放电点定位方法，实现了对不透明绝缘材料内部放电点的三维高精度定位，为电树枝生长过程的实时监测提供了全新手段。

研究背景

浸油纸板、交联聚乙烯、硅橡胶等固体绝缘材料广泛用于电力设备中。这些材料长期工作在强电场下，会逐步产生局部放电缺陷，在材料中形成树枝状通道，最终导致绝缘击穿。揭示电树枝的生长规律，对于改进绝缘材料性能、判断缺陷严重程度、预测绝缘结构剩余寿命具有重要意义。

然而，现有电力设备局部放电监测技术主要集中在判断缺陷是否存在以及定性判断缺陷严重程度，几乎不能判断电树枝的几何规模，更无法预测剩余寿命。在实验室研究中，对于透明绝缘材料可通过光学成像观测电树枝，但对于浸油纸板等不透明材料，电树枝绝大部分位于材料内部，光学方法无能为力。X射线断层扫描（XCT）技术也难以区分纸板自身孔洞与电树枝孔洞。因此，研究不透明材料中的电树枝观测方法尤为重要。

论文所解决的问题及意义

针对浸油纸板等不透明材料中电树枝难以实时观测的问题，程养春教授团队提出了一种电树枝的电气量测量方案，通过精确定位每次放电遗留电荷的位置，将所有放电点位置连接起来，即可勾画出绝缘材料中电树枝的三维几何形态。前期采用一维测量电极阵列实现了纸板条中炭化痕迹的二维定位，精度达到0.35 mm。

本次研究在此基础上，将测量电极扩展至二维平面，并结合粒子群优化算法，显著提升了定位精度。本文方法和技术可为监测电树枝实时生长过程提供一个不同于光学成像监测的途径，将极大地促进实验室中电树枝生长规律的研究。

论文方法及创新点

1. 基于镜像法的静电场正向计算模型

针对实验室针-板电晕放电试验中空气、石英玻璃、PCB三层介质场景，将介电常数相近的石英玻璃和PCB合并为一层，简化为两层介质模型。采用镜像电荷法计算边界电场，5次镜像法与有限元法计算结果差异仅0.01%。

图1 电晕放电试验平台设置及场点布置xOz截面示意图

图2 两层介质模型的xOz截面示意图

2. 基于粒子群优化算法（PSO）的逆问题求解

已知边界电场求解场源电荷位置是典型的静电场逆问题，难以直接求解。本文将其转化为空间搜索寻优问题，以匹配点电场强度比值作为特征量，构造目标函数进行求解。分析表明，目标函数在最优值附近具备单一极值，且在搜索范围内不存在明显局部最优解，易于寻优。选用粒子群优化算法（PSO）进行求解，种群数设为500，最大迭代次数600，实现了微米级求解精度。

3. 放电点定位算法误差分析

首先设定场源电荷位置，并利用镜像电荷法计算匹配点处的边界电场，将此结果作为测量值代入PSO算法求解场源电荷的最优解。场源电荷真实位置与PSO算法求解的最优位置之间的差异即为算法的误差。经计算，PSO各方向定位误差基本在1 nm以内，精度满足要求。

在此基础上，向测量信号中叠加1%~10%白噪声，结果表明误差随噪声线性上升：当噪声低于3%时，各方向误差小于0.05 mm；即使噪声达10%，总体误差仅约0.2 mm。验证了算法精度高、对随机噪声鲁棒性好，为后续真实放电试验提供了理论依据。

(a)定位误差的平均值

(b) 定位误差的方均根

图3 不同噪声水平下场源电荷定位误差

4. 局部放电定位方法的试验验证

开发了二维准分布式电场测量系统，在PCB中接地铜膜上方0.55 mm处布置20个圆形铜膜测量电极，实现边界电场强度的间接测量。采用电压信号比值作为匹配特征量，有效消去了系统性偏差。

图4 试验装置

通过针-板电晕放电试验测定整套系统的实际定位精度。试验中，以光栅尺测量针尖移动距离作为电荷实际位移的基准，与算法反演结果对比，避免坐标系差异影响。在针尖距绝缘表面2 mm、放电量1500~1800 pC条件下，三维空间定位误差均值约0.19 mm，xOy平面约0.168 mm，z轴方向小于0.5 mm，且重构轨迹与实际轨迹高度相似。验证了该方法在真实放电场景下的有效性。

图5 场源电荷实际位置与计算结果对比

结论

1）利用二维平面上的测量电极电压信号比值作为匹配点的特征量构造的优化问题目标函数，粒子群优化算法可实现场源电荷的准确定位，算法本身的单次计算误差约为1 nm。

2）随着测量信号中白噪声的增大，场源电荷定位误差整体呈线性上升趋势。当噪声小于3%时，各方向定位误差小于0.05 mm；即使噪声达到10%，总体定位误差平均值也仅约为0.2 mm。

3）通过实验室放电试验并利用光栅尺测量放电源移动距离，在高压电极尖端距离绝缘材料表面2 mm、放电量为 1500～1800 pC 时，本文建立的场源电荷定位方法在xOy平面的定位误差平均值约为0.168 mm，误差标准差约为0.143 mm；在 z轴方向上定位平均误差小于 0.5 mm，误差标准差为0.401 mm；在三维空间定位误差平均值约为0.19 mm。

团队介绍

程养春

教授，博士生导师，高电压与电磁兼容北京市重点实验室核心成员。主要从事输变电装备绝缘监测、故障诊断与状态评估技术，先进传感技术与输变电装备智能化方面的研究工作。近期重点研究局部放电现象的混沌特性、电力变压器绕组变形在线监测技术、电力设备状态评估与综合预警方法体系等。

赵丽

博士研究生，研究方向为绝缘材料局部放电缺陷检测与诊断。

本工作成果发表在2026年第11期《电工技术学报》，论文标题为"基于电场反演的实验室局部放电试验中绝缘材料内部放电点定位方法准确度分析"。本课题为国家自然科学基金资助项目。

引用本文

赵丽, 程养春, 杨紫淇, 曹荣浩, 许翰伟, 张嘉轩. 基于电场反演的实验室局部放电试验中绝缘材料内部放电点定位方法准确度分析[J]. 电工技术学报, 2026, 41(11): 3855-3867. Zhao Li, Cheng Yangchun, Yang Ziqi, Cao Ronghao, Xu Hanwei, Zhang Jiaxuan. Accuracy Analysis of the Method for Locating Internal Discharge Points of Insulating Materials in Laboratory Partial Discharge Experiment Based on Electric Field Inversion. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(11): 3855-3867.