最近工作開始接觸局部放電(Partial Discharge)，簡稱PD。這是很重要的一門技術。以前沒有深入探討過，但既然遇到了，就跟大家聊聊，分享什麼是PD。
局部放電（Partial Discharge）是指絕緣系統中局部區域產生的微小電氣放電，這種放電不會立刻造成整體絕緣擊穿，但會逐漸損壞絕緣材料，長期下來可能導致設備故障。就像牆壁裡的水管有一個小漏水點，雖然不是整條水管爆掉，但時間久了會讓牆壁變潮、發霉，最後整面牆都可能壞掉。局部放電就像電氣設備絕緣的「小漏電點」，時間久了會腐蝕設備。
更深層的說法，局部放電是發生在高壓絕緣材料內部或表面上的微小放電現象，通常是由於材料中存在氣泡、裂縫或界面不良造成電場集中，在局部超過擊穿強度時產生放電。
雖然這種放電能量很小（單位是 picocoulomb），但會產生臭氧、熱能與局部碳化，逐漸劣化絕緣結構，最終可能導致整體擊穿或跳電故障。所以我們會用各種感測器和儀器監測局部放電，提早發現設備的絕緣問題，避免突發故障或停電事故。
外部放電的危險性通常小於內部放電，是因為外部放電比較容易被發現與處理，而內部放電則隱蔽、不易檢測，且容易造成長期絕緣劣化，導致突發性的設備故障。局部放電雖然肉眼難以直接觀察，但可以透過多種專業儀器偵測與定位，以下是常用的幾種方法與儀器：
1. 超音波偵測儀（Ultrasonic Detector）
- 原理：局部放電會產生高頻聲波，超音波探頭可接收並分析聲音特徵。
- 優點：非接觸式，適用於變電所、開關櫃、電纜終端等設備。
- 適用範圍：外部放電或表面放電特別好用。
2. 特高頻（UHF）感測器
- 原理：局部放電產生特高頻電磁波（300 MHz~3 GHz），可用天線接收。
- 常用於：GIS（氣體絕緣開關）設備中的PD偵測。
- 優點：抗干擾能力強，準確性高。
3. 電流感測器（HFCT, High-Frequency Current Transformer）
- 原理：裝設在電纜地線或接地系統上，偵測由PD引起的高頻電流脈衝。
- 適用於：中高壓電纜、電機等系統。
- 優點：安裝簡單，可長期在線監測。
4. 脈衝電壓偵測器（Oscilloscope 或 PD分析儀）
- 原理：直接量測放電脈衝波形及幅度。
- 搭配：通常與電壓耦合器（如電容耦合器）或阻抗匹配設備一同使用。
- 適合實驗室或現場精密量測。
5. 紅外線熱影像儀（IR Thermography）
- 原理：雖不是直接測PD，但可用來檢查因PD產熱導致的局部升溫。
- 輔助工具：適合與其他PD儀器一起使用做綜合判斷。
6. 光學偵測（可見光 / 紫外線）
- 原理：局部放電可能產生電暈或光點，使用**紫外線成像儀（UV camera）**可以看到。
- 常見於：高壓變電站或室外電塔上的電暈放電偵測。
雖然有很多方式可捕捉PD，但我工作上接觸的大多為TE、TM、UHF、HFCT，底下逐一介紹：
1. TE Sensor（Transverse Electric Sensor）
- 原理：
TE 模式的電磁波中，電場方向垂直於傳播方向，而磁場則有一個分量沿著傳播方向。
TE sensor 專門對這類模式中的電場成分敏感，感測器結構設計是為了接收來自局部放電所產生的電場波動。
在金屬殼內部如 GIS、變壓器油箱內部等應用，電場訊號在金屬殼體內部能被良好引導與感測，TE sensor 通常有較好表現。
- 應用時機：
空間較大或易於佈設天線時，TE sensor 天線（如貼片天線、偶極天線）多需一定尺寸，適合較大空間內安裝。常見於GIS、金屬封閉母線、電容器等場域。
2. TM Sensor（Transverse Magnetic Sensor）
- 原理：
TM 模式的電磁波中，磁場方向垂直於傳播方向，而電場有一個分量沿著傳播方向。
TM sensor 對於這類模式中的磁場成分敏感，主要感測局部放電產生的磁場變化。 - 應用時機：
空間受限，需緊湊感測器時，TM sensor 結構可設計得較小巧（如微型磁環或感應線圈），更適合狹窄空間使用。例如：線纜終端、接頭、小型開關內部。有導波結構存在時（如管道、同軸結構），當電磁波以導波形式傳輸時，磁場分量可能更穩定或集中，TM sensor 可利用此特性精確感測。例如：PD在線監測中配合導波管使用或是地下電纜中採用磁感式TM sensor進行線路追蹤。或是目標是抑制共模雜訊或特定方向干擾時，因磁場感測器不易受某些電場共模干擾影響，使用TM在雜訊環境中可能更穩定。
在許多局部放電檢測技術中，兩種感測器的頻寬表現主要受其接收機制和天線結構設計影響。一般而言，TE sensor（橫電場感測器）通常能夠展現較寬的頻寬，原因包括以下幾點：
- TE Sensor
- TE 感測器主要探測局部放電產生的電場成分。由於局部放電信號本身是一個極為短促且極具帶寬的脈衝訊號，而電場分量的捕捉技術在實現上通常較容易進行寬帶設計，因此 TE sensor 很容易設計出響應平坦、頻帶寬廣的感測器。
- 電場探測器的結構（如使用平板、貼片或其他形式的天線）使得其可在較寬的頻率範圍內維持穩定的響應。
- TM Sensor
- TM 感測器則主要依靠捕捉局部放電產生的磁場變化。這類感測器通常採用線圈或回路結構來進行感應，這種結構往往在設計時會引入固有的諧振頻率，從而使得其在某一頻段內的靈敏度最佳，而在其他頻段響應下降，導致頻寬相對狹窄。
- 磁場的耦合效果受限於天線幾何形狀及內部結構的設計，這也使得在保證增益的同時達到較寬頻帶變得較具挑戰性。
實際應用與設計考量：
- 局部放電特性：局部放電產生的信號往往涵蓋從數百MHz到數GHz的頻率範圍，為了完整捕捉此信號特性，感測器需要具備足夠寬廣的頻帶。
- 應用需求：在GIS（氣體絕緣開關）或其他高壓設備中，常常更青睞於具有寬頻帶響應的TE sensor，這樣可以確保對各頻段的PD脈衝都有良好的捕捉能力，從而提升檢測準確性。
既然有TE也有TM，那結合起來不就是TEM嗎？沒錯，確實有TEM sensor！TEM sensor 通常指的是一種能同時感測這類波形中電場與磁場特性的感測器，或能有效耦合到TEM模式的感測結構（例如：同軸探針、UHF天線、感測貼片）。
TEM Sensor 的特點與應用
1. 高頻偵測能力佳（UHF ~ GHz）
TEM感測器經常應用於超高頻局部放電偵測，例如：
- 同軸耦合器
- 貼片天線
- 同軸電纜內的檢波頭
2. 適用於自由空間或同軸導波結構中
當局部放電訊號沿著同軸電纜或在GIS內部空間中以TEM模式傳播，這類感測器能有效擷取訊號能量。
3. 有較好的阻抗匹配與能量轉換效率
TEM感測器常與50Ω系統匹配良好，訊號可直接接入高頻分析儀或頻譜儀。
接著介紹HFCT(高頻比流器)，是常用於局部放電（PD）量測的感測器之一，感測 PD 脈衝引起的 高頻電流信號（>150 kHz） 經接地系統流動時的感應電流。其優點為：安裝簡單（夾住接地線）、可在線監測、成本低。缺點為：易受接地雜訊干擾、不易區分放電類型、靈敏度低於UHF。
HFCT 常用於局部放電（PD）量測，特別是在低頻～數十MHz的範圍（如0.1～50 MHz）。雖然具有方便、非侵入式等優點，但容易受到雜訊干擾，原因：
1. 耦合方式屬於共模耦合或感應耦合
- HFCT 是套在電纜或接地線外圍的，感測的是通過導線的電流變化。
- 不只 PD 信號會產生高頻電流，開關操作、浪湧、雷擊、變頻器、高頻電子設備等也會造成高頻雜訊電流，HFCT 幾乎無法區分來源。
- 只要偵測到某段導體上的高頻脈衝電流，就可能誤判為 PD。
2. 雜訊源可透過接地系統耦合進來
- HFCT 通常安裝於接地線或屏蔽層上，而這些導體本身就是雜訊的傳播通道。
- 特別是在多設備共接地、接地回路長、或鄰近電力開關設備的環境中，雜訊容易「走進」HFCT的量測區。
3. 頻寬限制導致難以使用頻譜分析過濾
- HFCT 通常的工作頻帶較低（相較於UHF等更高頻sensor），約幾MHz左右。
- 此頻段內的工業干擾（變頻器、開關電源、無線通訊等）特別多且能量強，使得單靠濾波器很難排除所有雜訊。
- 相較之下，UHF感測器因工作在300MHz以上，這一帶的工業干擾源相對較少。
4. 無方向性、無選頻能力
- HFCT 沒有天線結構，也沒有場型選擇性，基本上哪裡有高頻電流，它就會接收到。導致對空間或方向的干擾辨識力低。
HFCT 使用時機與優勢場景為何？
1. 電纜系統（尤其是中高壓電纜）
- 安裝位置：HFCT 可夾掛在電纜終端、接地排、屏蔽層接地點，非侵入式，不需要改變任何接線或破壞設備。
- 用途：
- 偵測電纜內部的PD（如絕緣破損、端頭缺陷）
- 長距離線路監測（HFCT可安裝在多個節點）
優點：安裝快速、不需斷電，可搭配攜帶式設備進行例行巡檢。
2. 開關櫃、母線、變壓器中性點接地監測
- HFCT 安裝於設備的接地排或出線端，偵測流過的高頻 PD 電流。
- 即便是密閉空間，只要外部露出接地線或出線就能安裝。
優點：不需拆開開關櫃，適合既有設備改裝。
3. 做為第一層「粗略偵測/初篩工具」
- HFCT 可做為現場快篩工具，用來判斷是否有 PD 活動，後續再以 UHF、AE（聲發射）、TE/TM 等高精度感測器交叉驗證。
優點：靈敏度夠高，可快速察覺 PD 活動，即便在雜訊環境也能辨別某些重複性PD模式。
4. 成本與普及性考量
- 相較 UHF 感測器，HFCT 成本低、結構簡單，製作與維護成本都較低。
- 市面上多數 PD 攜帶式測試儀器（如 Megger、OMICRON、Techimp）幾乎都標配 HFCT 探頭。
接下來介紹UHF感測器，UHF sensor 同時抓取電磁與磁場，即量測電磁波。當局部放電發生時，會產生非常快速的電荷運動與能量釋放（ns級脈衝），這會在空間中輻射出高頻電磁波，頻率範圍一般為 300 MHz ~ 1.5 GHz（UHF 頻段）。這些波是以 TEM 模式傳播，也就是電場（E）與磁場（H）互相垂直、且都垂直於波的傳播方向。
UHF Sensor 就像天線，天線會因接收到電磁波而在其端點產生高頻微小電壓，這些訊號會經過前置放大、濾波與訊號處理後送入PD分析儀。也就是說，UHF sensor 的輸出是因為TEM波耦合入其結構產生的感應電壓。
UHF感測器和TEM感測器同樣都是捕捉電磁波，兩者差別在哪？雖然 UHF 感測器 和 TEM 感測器 的確都是捕捉 局部放電（PD）輻射出的電磁波（EM wave），但它們在結構設計、使用方式、安裝位置與頻率響應等方面有本質上的差異。
奇怪，TEM sensor 缺點為何是無法應用於實際變電設備中？只能用於實驗室環境？其實這是名詞解釋的問題。最早期的TEM sensor定義，是指安裝在一種稱為 TEM Cell（橫電磁波測試腔體） 裡的探針，用來接收內部產生的 PD 電磁波。TEM Cell 是一種屏蔽、均勻、可控制的測試空間。它提供一個模擬PD輻射電磁波的環境，可用來：校準 UHF 感測器的靈敏度與方向性、比對不同PD來源對UHF場分布的影響、研究不同放電類型在EM場中的差異。所以說，TEM Sensor 並不是一種現場感測器，而是一種實驗室用的參考或校準工具。
現在確實有廠商把他們的現場用感測器標為 TEM sensor。這背後的原因主要是命名方式的演進與市場語言的混淆。這些廠商所稱的 TEM Sensor，實際上是設計用來接收 PD 輻射出的 TEM 波（橫電磁波），頻率涵蓋 UHF 範圍。他們用 TEM sensor 命名，是因為它針對的是 TEM 模式電磁波，不是因為裝在 TEM Cell 裡面。換句話說：這種 TEM sensor ≈ 一種特製的 UHF 天線。有些廠商為了表明他們的感測器對 TEM 波段特別靈敏或方向性好，就用了 TEM sensor作為產品名稱，實際上它的結構仍是某種 UHF 接收器。
比較四種感測器：
實際應用時，sensor的選擇不是一個是非題，而是選擇題，要根據需求與場景決定使用何種感測器。一般來說現場環境使用UHF居多。UHF sensor 的應用彈性與抗干擾能力較強，但不能說它「完全贏過」TE 與 TM sensor，因為三者的應用場景、感測特性與設計目的不同。
UHF sensor 優勢
- 頻寬廣（幾百 MHz 到數 GHz）
- 抗干擾強：能排除工頻與環境雜訊
- 可遠距離接收輻射波
- 適合外貼、不破壞設備密封
- 廣泛應用於 GIS、變壓器、電纜終端
TE/TM sensor 特有優點
- 方向性強：可判別 PD 來源方向（有利定位）
- 耦合效率高：若正確對準場向，可接收更強 PD 能量
- 高靈敏度設計：對特定模式（電場或磁場）特別敏銳
- 常用於 實驗室研究、局部場特性分析，或內建於 GIS/變壓器腔體中
如果目的是「在線監測、穩定量測、多場景使用」，UHF 確實是首選。但若目的是「研究性質、分析場型、或嵌入式探頭」，TE/TM 不可替代。
這裡有個重點，方向性是一個決定性的指標。何為方向性？為什麼電場或磁場方向性強？難道電磁波就沒有方向性?
首先要了解什麼是方向性。在感測器或天線中，方向性指的是「對來自不同方向訊號的接收能力差異」。簡單說：
- 高方向性 = 對某個方向特別敏感
- 低方向性 = 各方向都差不多敏感（全向性）
電場、磁場為什麼方向性強？因為電場（E場）與磁場（H場）都是向量場，有明確的方向。感測器只能接收與其耦合方向一致的分量：
TE Sensor — 感測橫向電場
- 如果電場與感測器設計方向 一致 → 感測效果好
- 如果電場與感測器方向 垂直 → 幾乎感測不到
這就導致了它的方向性強：角度對準就很靈敏，沒對準就不靈敏。
TM Sensor — 感測橫向磁場
- 同樣道理：磁場方向必須與感測器環形線圈的磁通一致才有感應
- 若方向錯誤，感應電壓趨近於零
所以感測器如果只對 E 或 H 的某一方向敏感，就只會接收到那個方向分量的能量。這也是為什麼 TE / TM sensor「方向性強」。以此觀念延續看待UHF，UHF Sensor 為什麼方向性較低？UHF sensor 通常是設計成一種小型天線，盡量能從各方向接收 TEM 波的能量，所以方向性不會像 TE/TM 那麼強。
在實驗室若想要研究電力設備局部放電的特性圖譜，因為局部放電是人為創造的，研究員當然知道方向性，所以用TE或TM最適合研究特性。但真實工廠內的電力設備，並不知道局部放電在哪，因此要用UHF廣泛探測。
✅ 一、實驗室情境：用 TE / TM sensor
- 目的：研究 PD 的型態、特性圖譜、頻譜響應、方向性分析等基礎物理特性。
- PD 位置與方向可控：你知道放電點在哪，也知道它電場/磁場方向（或可調整）。
- 用 TE / TM sensor 好處：
- 可以設計精確的耦合方向，提高靈敏度。
- 可以量測不同模式的能量分佈（E場 vs H場）。
- 有助於建立數據庫與分析模型。
※ 這就是為什麼 TE/TM 感測器常見於 PD 實驗研究與學術論文中。
✅ 二、實務現場（變電站、GIS、變壓器內部等）：用 UHF sensor
- 目的：進行線上監測、異常警報
- 放電位置未知、方向複雜：設備密閉或大型，PD 方向與強度不可預測。
- 用 UHF sensor 好處：
- 可覆蓋整個區域，方向性寬容。
- 安裝方便，不用特別對準方向。
- 抗雜訊能力強，適合工業環境。
- 可以配多點 sensor 做三角定位。
※ 因此 UHF 是工業現場 PD 偵測的主流感測方式。
最後，還是那句老話，sensor 選用並不是一個是非題，而是選擇題。根據需求選用適當的 sensor。甚至可以搭配使用，例如使用UHF逮到PD，再用TE/TM定位放電位置。
