TWI440871B - 模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測方法及裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測方法及裝置,尤其是指一種能辨識得知係模鑄型變壓器的內部或外部有放電情形,甚至能進一步得知是模鑄型變壓器之高壓線圈的哪一個線圈匝放電的檢測方法及裝置者。
高科技廠商常使用模鑄型變壓器,造成模鑄型變壓器故障最主要的問題是高壓線圈的絕緣退化,局部放電則是絕緣退化最主要的原因,如果未能即時檢測出局部放電,模鑄型變壓器發生故障,將造成工廠巨大的損失。
目前模鑄型變壓器的檢測技術如下:
(1)最具代表性的檢測方法為E.Gockenbach在2000年所提出,其係將光纖纏繞在高壓線圈上,利用局部放電發生時,會在局部放電源處產生溫升效應,溫度上升造成光纖內部光信號強度的減弱,在光纖的接收端就可檢測出局部放電發生,但是此方法只能檢測局部放電,無法完成局部放電的定位;再者光纖設備成本過高,雖然可以將三相高壓線圈串起來,但由於每相的負載不同,高壓線圈溫度自然不同,以致影響檢測的準確度;當模鑄型變壓器的容量越大,高壓線圈的尺寸越大,纏繞在高壓線圈上的光纖密度越高,則成本越高,準確度越低;最後無法利用光纖感測器檢測附近的電暈。
(2)使用電氣法來檢測局部放電(包括使用高頻比流器、耦合電容與超高頻天線接收器等),這些方法在辨識局部放電與電暈相當困難;量測的頻率很高,相對量測系統的成本也很高;只適用檢測局部放電,無定位的功能。
今,本發明人即是鑑於上述現有技術所產生的缺失之處,而研發創設出本發明,以提供一種能完整的檢測、辨識與定位模鑄型變壓器局部放電與電暈位置之技術,進而改善現有技術之缺失者。
為達上述目的,本發明乃提供一種模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測方法,係利用高壓線圈發生局部放電時,電磁場發生變化並產生電磁信號與超音波信號,進而再透過局部放電源如果在高壓線圈的外側,可接收到電磁信號;局部放電源如果在高壓線圈的內側,則電磁信號可能會被金屬線圈所遮蔽,只能收到超音波信號之原則,進行判斷是否為該高壓線圈發生局部放電。若只有收到超音波信號時,則利用超音波在導波管上下兩端傳遞的時間差定位出高壓線圈之放電線圈匝的位置。
本發明依據上述之方法具體提出一模鑄型變壓器局部放電位置檢測裝置,係由設置在高壓線圈側邊之導波管、分別位在導波管的第一端及第二端之第一音射探頭與第三音射探頭、以及位在第一音射探頭旁側且彼此之間具設有隔音組件之第二音射探頭;據此,透過第二音射探頭的檢測得知該音射信號為外部電暈產生或是高壓線圈內部放電所導致,當第二音射探頭沒有信號,而第一音射探頭也沒有信號時,表示此時高壓線圈本身沒有內部放電情形,附近也沒有產生電暈,如果第二音射探頭沒有信號,而第一音射探頭有信號時,則此超音波信號一定是高壓線圈本身內部局部放電所產生,繼透過第一音射探頭與第三音射探頭接收信號之時間差計算得知高壓線圈的哪一個線圈匝放電。
本發明所提出之內部局部放電與外部電暈位置檢測方法與裝置至少具有以下具體之優點:
1. 本發明進行局部放電位置檢測時,其使用超音波的頻率約50kHz,故量測設備成本較低。
2. 本發明在高壓線圈上設計有導波管,可令音波藉由導波管傳到音射探頭,用以解決音波在高壓線圈內快速衰減的問題。
3. 該導波管的安裝容易且具有彈性,最重要的是透過導波管使得音射探頭與高壓線圈保持一個安全的距離,避免量測系統安全上的爭議。
4. 本發明可以辨識高壓線圈內部的局部放電或是外部的電暈信號,增加系統量測的可靠度。
5. 由於外部電暈會同時產生瞬間的電磁場變化與超音波信號,故可依電磁信號與超音波信號定位出變壓器附近電暈的位置。此外,並能進一步利用音射探頭兩者之時間差計算出電暈與二探頭間的距離,以定位出局部放電出現的線圈匝,更可將局部放電源位置範圍縮小到兩點。
請參第一圖,本發明之模鑄型變壓器局部放電位置檢測裝置係包括有:一導波管(1)、一第一音射探頭(2)、一第二音射探頭(3)、以及一第三音射探頭(4);其中:該導波管(1),係設置在模鑄型變壓器(5)之高壓線圈(51)的側邊處;該第一音射探頭(2),位在該導波管(1)的第一端,該第一音射探頭(2)主要係為量測高壓線圈(51)的內部音波信號;該第二音射探頭(3),位在該第一音射探頭(2)旁側,且與該第一音射探頭(2)彼此之間具設有隔音組件(6),確保第一、第二音射探頭(2)、(3)完全隔離;該第二音射探頭(3)主要設計為該第一音射探頭(2)的參考信號,它主要收集來自會干擾該第一音射探頭(2)之外部音源(如電暈)所產生的超音波,所以只要該第二音射探頭(3)有信號,此信號即屬於外部電暈;又第一、第二音射探頭(2)、(3)透過BNC接頭將音射信號傳出,並能經由放大器與濾波器,在示波器(8)上觀察音射信號;該第三音射探頭(4),位在該導波管(1)的第二端。
其中,所述之第一、第二、第三音射探頭(2)、(3)、(4)各分別由四個壓電材料(21)、(31)、(41)疊設而成,各壓電材料(21)、(31)、(41)的尺寸為直徑×長度等於10mm×5mm,且在30k~80kHz可得最佳的頻率特性。
又,在本發明較佳實施例中,該導波管(1)可設置在模鑄型變壓器(5)之W相的高壓線圈(51)上,也可以同時安裝於W、U、V三相的高壓線圈(51)上,而該導波管(1)長度為模鑄型變壓器(5)的上、下夾件(52)之間的距離。且該導波管(1)為一強化玻璃,並具有良好的絕緣特性,音波衰減係數低。
該第一音射探頭(2)的底部設有一音阻抗匹配層(22),用以確保其所具之壓電材料(21)與導波管(1)兩者之間有最佳的音波功率轉移;該第二音射探頭(3)上方為一音阻抗匹配層(32),用以確保其壓電材料(31)與集音器(7)的表面兩者之間有最佳的音波功率轉移。
而就本發明之模鑄型變壓器局部放電位置檢測方法之流程為:
(A)首先檢查該第二音射探頭(3)是否有音射信號【參第三圖】,如果有信號,則此音射信號一定是外部電暈所產生,所以轉換到辨識電暈的放電流程。
(B)如果該第二音射探頭(3)沒有信號,則進入辨識局部放電的流程,並接著檢查該第一音射探頭(2)是否有音射信號,如果該第一音射探頭(2)沒有信號,其音射波形如第四圖所示,則此時模鑄型變壓器(5)本身沒有內部放電,附近也沒有產生電暈,回到開始,重新繼續檢查該第二音射探頭(3)是否有超音波信號。
(C)如果該第二音射探頭(3)沒有信號,且該第一音射探頭(2)有信號,則此超音波信號一定是內部局部放電所產生,接著檢查超音波信號前面是否有電磁信號,如果前面沒有電磁信號,此時可利用第三音射探頭(4)與第一音射探頭(2)接收到音射信號的時間差計算高壓線圈(51)之放電線圈匝的位置,如公式(一)所示【系統方塊圖如第五圖所示,第一、第二、第三音射探頭(2)、(3)、(4)的音射波形如第六圖所示】。
(D)如果前面有電磁信號,利用第一、第三音射探頭(2)、(4)接收到之電磁信號的時間差,可以將局部放電源之範圍縮小到對稱於導波管(1)的兩個點,如公式(二)所示【系統方塊圖如第七圖所示,第一、第三音射探頭(2)、(4)的音射波形如第八圖所示】;其中,一般局部放電源會出現在接近高壓端的點,因為該點承受較高的電氣應力。
即,在量測模鑄型變壓器(5)時,背景都沒有任何音源出現,該第一、第二音射探頭(2)、(3)收到的信號如第四圖所示,此時模鑄型變壓器(5)本身沒有內部放電,設備外部或其他設備也沒有產生電暈。而在沒有電磁信號時,若高壓線圈(51)發生局部放電時,電磁場便會發生變化,並產生電磁信號與超音波信號,局部放電源如果在高壓線圈(51)的外側,可接收到
電磁信號;局部放電源如果在高壓線圈(51)的內側,則電磁信號可能會被金屬線圈所遮蔽,此時只有收到超音波信號。若只有收到超音波信號時,可利用超音波在導波管(1)上下兩端傳播的時間差定位出放電線圈匝的位置。
假設導波管(1)長度為L,局部放電的位置距離導波管(1)中心為x
,使用示波器(8)觀察音射波形,假設音波到達第一、第三音射探頭(2)、(4)的時間差為△t,如果第三音射探頭(4)超前第一音射探頭(2),則△t為正,x
>0表示放電的線圈匝位置在導波管(1)中心的上方距離x
公尺;反之,如果第三音射探頭(4)落後第一音射探頭(2),則△t為負,x
<0表示放電的線圈匝位置在導波管(1)中心的下方距離x
公尺,其音射信號如第六圖所示;可由式(一)計算x
,由此計算出距離導波管(1)中心為x
的線圈匝在放電。
x
=v glass
(△t
/2)=3413(△t
/2) (一)
有電磁信號時,高壓線圈(51)內部局部放電源的定位,可以精準定位到導波管(1)對稱的兩點。系統方塊圖如第七圖所示,局部放電所產生的信號請參考第八圖,音波到達第一、第三音射探頭(2)、(4)的時間差為△t,△t=85.5μs,由式(一),可計算出在導波管中心的上方x
=14.6cm的那一匝在放電,請參考第七圖;當局部放電發生時,電磁信號與音射信號兩者信號的時間差,等於音波在高壓線圈(51)與導波管(1)傳遞所須要的時間,假設局部放電源與導波管(1)的水平距離
為y
,音波在高壓線圈(51)的波速為1536m/s,可得音波傳到第三音射探頭(4)的時間為式(二) t EM
為電磁信號與第三音射探頭(4)的音波信號的時間差,由此可計算出y
,只是仍無法分辨局部放電源是在導波管(1)的左邊或右邊。一般局部放電源會出現在接近高壓端的點,因為該點承受較高的電氣應力。
而辨識模鑄型變壓器(5)外部的電暈的流程可分為:(A)以電磁信號與超音波信號來定位外部電暈的辨識流程;以及(B)以超音波信號來定位外部電暈的辨識流程。
就(A)電磁信號與超音波信號來定位外部電暈的辨識流程而言:由於電暈形成時,瞬間的電磁場變化除了形成一個強力的超音波源,也形成一個電磁場向四面八方傳遞。
(a)首先檢查音射探頭組的第二音射探頭(3)是否有超音波信號【參第九圖】,如果第二音射探頭(3)沒有超音波信號,便轉換到辨識局部放電的流程。
(b)如果第二音射探頭(3)有超音波信號,則此超音波信號一定是外部電暈所產生,接著檢查此超音波信號前面是否有電磁信號,如果沒有電磁信號,再轉換到以超音波來定位外部電暈放電的流程。
(c)如果第二音射探頭(3)有超音波信號與電磁信號,可利用第二音射探頭(3)的電磁信號與超音波信號的時間差,計算電暈與第二音射探頭(3)的距離l
,如式(三)所示。
(d)外部電暈的定位可利用l
與導波管(1)長度L兩者大小關係,電暈的相對位置與系統方塊圖請參考第一圖,如果L<l
,則外部電暈的位置在電力電纜,第一、第二音射探頭(2)、(3)的音射波形如第十圖所示。如果L=l
,則外部電暈的位置在高壓絕緣端子(53),第一、第二音射探頭(2)、(3)的音射波形如第十一圖所示。如果L>l
,則外部電暈的位置在高壓線圈(51)表面,第一、第二音射探頭(2)、(3)的音射波形如第十二圖所示。
即有電磁信號時,計算電暈與第二音射探頭(3)的距離,只要觀察第二音射探頭(3)的波形,因為電磁信號的速度為光速,△t EM
為第二音射探頭(3)的電磁信號與音射信號之時間差,則可計算電暈與第二音射探頭(3)的距離為l
。
l
=340×△t EM
(三)
如果L<l
,則外部電暈的位置在電力電纜:如第十圖所示,△t EM
=0.717ms
,則l
=2.4m,由第一圖的系統架構圖可知,此距離最有可能產生電暈的位置為電力電纜。
如果L=l
,則外部電暈的位置在高壓絕緣端子(53),如第十一圖所示,△t EM
=2.9ms
,則l
=1m,由第一圖的系統架構圖,此距離最有可能產生電暈的位置為高壓絕緣端子(53)。
如果L>l
,則外部電暈的位置在高壓線圈(51)表面,如第十二圖所示,△t EM
=2ms
,則l
=0.68m,由第一圖的系統架構圖,此距離最有可能產生電暈的位置為高壓線圈(51)表面,此時高壓線圈(51)表面已經破損,局部放電已經轉變成電暈,在空氣中放電。
就(B)以超音波信號來定位外部電暈的辨識流程而言:由於電暈形成時,瞬間的電磁場變化除了形成一個強力的超音波源,也形成一個電磁場向四面八方傳遞,第二音射探頭(3)收到超音波,此時也會收到電磁的信號,但是電磁信號容易被金屬設備所遮蔽,所以在某些角度可能會收不到電磁波,或者檢測場地充滿電磁干擾,無法利用電磁信號與超音波的關係來完成電暈的定位,則以超音波信號來定位外部電暈。
(a)首先檢查第二音射探頭(3)是否有超音波信號【參第十三圖】,如果第二音射探頭(3)沒有超音波信號,所以轉換到辨識局部放電的流程。
(b)如果第二音射探頭(3)有信號,則此超音波信號一定是外部電暈所產生,接著檢查此超音波信號前面是否有電磁信號,如果有電磁信號,以電磁信號與超音波信號來定位外部電暈的辨識流程。
(c)如果第二音射探頭(3)只有超音波信號,接著檢查第一音射探頭(2)的超音波信號是否超前第二音射探頭(3)的超音波信號,如果第一音射探頭(2)的超音波信號沒有超前第二音
射探頭(3)的超音波信號,則電暈一定距離第二音射探頭(3)較遠處,則外部電暈的位置在電力電纜,第一音射探頭(2)、第二音射探頭(3)的音射波形如第十四圖所示,電暈的相對位置與系統方塊圖請參考第一圖。
(d)如果第一音射探頭(2)的超音波信號超前第二音射探頭(3)的超音波信號,可利用第二音射探頭(3)與第一音射探頭(2)的超音波信號的時間差,計算電暈與第二音射探頭(3)的距離l
,如式(四)所示。
(e)外部電暈的定位可利用l
與導波管(1)長度L兩者大小關係,電暈的相對位置與系統方塊圖請參考第一圖。如果L=l
,則外部電暈的位置在高壓絕緣端子(53),第一音射探頭(2)、第二音射探頭(3)的音射波形如第十五圖所示。如果L>l
,則外部電暈的位置在高壓線圈(51)表面,第一音射探頭(2)、第二音射探頭(3)的音射波形如第十六圖所示。
即如果第二音射探頭(3)只有超音波信號,接著檢查第一音射探頭(2)的超音波信號是否超前第二音射探頭(3)的超音波信號,如果第一音射探頭(2)的超音波信號沒有超前第二音射探頭(3)的超音波信號,則電暈一定距離第二音射探頭(3)較遠處,如第十四圖所示,此時第一音射探頭(2)與第二音射探頭(3)的超音波信號幾乎同時到達。
當第一音射探頭(2)有超音波信號,如果沒有第二音射探頭(3)的輔助辨識,則一般就被誤判為內部放電;當第一音射
探頭(2)信號超前第二音射探頭(3),此模鑄型變壓器(5)本身的高壓絕緣端子(53)有電暈形成或高壓線圈(51)本身因內部放電造成表面破裂,在空氣中放電。利用音波傳遞的特性,可計算電暈與第二音射探頭(3)的距離,超音波在空氣中的波速v air
=340m/s
,超音波在導波管(1)的波速v glass
=3413m/s
,約為空氣中波速的10倍,導波管(1)的長度為L,第一音射探頭(2)與第二音射探頭(3)兩者時間差為△t
,則可計算放電的線圈匝與音射探頭組的距離l
。
當第一音射探頭(2)信號超前第二音射探頭(3),此模鑄型變壓器(5)本身有電暈形成。
(a)當L>l
,則電暈在高壓線圈(51)表面,第一音射探頭(2)與第二音射探頭(3)的超音波信號,如第十五圖所示,△t
=1.77ms
,由式(四)可得l
=0.66m;可知道放電的線圈匝與音射探頭組的距離0.66m。
(b)當L=l
,則電暈在高壓絕緣端子(53),第一音射探頭(2)與第二音射探頭(3)的超音波信號,如第十六圖所示,△t
=2.64ms
,由式(四)可得l
=1m,可知道放電的線圈匝與第二音射探頭(3)的距離1m,判斷電暈的位置為高壓絕緣端子(53)。
(1)...導波管
(2)...第一音射探頭
(3)...第二音射探頭
(4)...第三音射探頭
(5)...模鑄型變壓器
(51)...高壓線圈
(6)...隔音組件
(41)...壓電材料
(21)...壓電材料
(31)...壓電材料
(52)...夾件
(22)...音阻抗匹配層
(32)...音阻抗匹配層
(53)...高壓絕緣端子
(7)...集音器
(8)...示波器
第一圖:本發明模鑄型變壓器的實驗模型示意圖
第二圖:本發明第一、二音射探頭的構造示意圖
第三圖:本發明於辨識高壓線圈內部局部放電的流程圖
第四圖:本發明第一、二音射探頭所量測的背景雜訊圖
第五圖:顯示音源來自高壓線圈內部,利用的時間差找出放電線圈匝的位置示意圖
第六圖:沒有電磁信號時,音源來自設備內部的音射信號示意圖
第七圖:顯示音源來自高壓線圈內部,利用電磁信號、第一、三音射探頭的時間差找出局部放電源的兩個位置示意圖
第八圖:顯示有電磁信號時,音源來自設備內部的音射信號,可完成精確的局部放電之定位示意圖
第九圖:本發明辨識有電磁信號的外部電暈之流程圖
第十圖:l
=2.4m,可判斷電暈的位置為電力電纜
第十一圖:l
=1m,可判斷電暈的位置為高壓絕緣端子
第十二圖:l
=0.68m,可判斷電暈的位置為高壓絕緣端子
第十三圖:辨識沒有電磁信號的外部電暈之流程
第十四圖:音源來自電力電纜的音射信號
第十五圖:可得知放電的線圈匝與音射探頭組的距離0.66m
第十六圖:l
=1m,可判斷電暈的位置為高壓絕緣端子
(1)‧‧‧導波管
(2)‧‧‧第一音射探頭
(3)‧‧‧第二音射探頭
(4)‧‧‧第三音射探頭
(5)‧‧‧模鑄型變壓器
(51)‧‧‧高壓線圈
(6)‧‧‧隔音組件
(52)‧‧‧夾件
(53)‧‧‧高壓絕緣端子
(7)‧‧‧集音器
(8)‧‧‧示波器
Claims (11)
- 一種模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,係包括有:一該導波管,係設置在模鑄型變壓器之高壓線圈的側邊處;一第一音射探頭,位在該導波管的第一端;一第二音射探頭,位在該第一音射探頭旁側,且與該第一音射探頭間具設有隔音組件;一第三音射探頭,位在該導波管的第二端。
- 如申請專利範圍第1項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,所述之第一、第二、第三音射探頭各分別由四個壓電材料疊設而成,且該壓電材料的尺寸為直徑×長度等於10mm×5mm,且在30k~80kHz可得最佳的頻率特性。
- 如申請專利範圍第1或2項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,該導波管設置在模鑄型變壓器之W相的高壓線圈上。
- 如申請專利範圍第1或2項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,該導波管設置在模鑄型變壓器之W、U、V三相的高壓線圈上。
- 如申請專利範圍第1或2項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,該導波管長度為該模鑄型變壓器所具設之上、下夾件之間的距離。
- 如申請專利範圍第1或2項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,該導波管為一強化玻璃,並具有良好的絕緣特性,音波衰減係數低。
- 如申請專利範圍第1或2項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,該第一音射探頭的底部設有一音阻抗匹配層。
- 如申請專利範圍第1或2項所述模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測裝置,其中,該第二音射探頭上方為一音阻抗匹配層。
- 一種使用如申請專利範圍第1至8項中任意一項所述之裝置的檢測模鑄型變壓器局部放電位置之方法,其流程為:(a)首先檢查第二音射探頭是否有音射信號,如果有信號,則此音射信號一定是外部電暈所產生;(b)如果第二音射探頭沒有信號,則進入辨識局部放電的流程,並接著檢查第一音射探頭是否有音射信號,如果第一音射探頭沒有信號,則此時模鑄型變壓器本身沒有內部放電,附近也沒有產生電暈,回到開始,重新繼續檢查第二音射探頭是否有超音波信號;(c)如果第二音射探頭沒有信號,且第一音射探頭有信號,則此超音波信號一定是內部局部放電所產生,接著檢查超音波信號前面是否有電磁信號,如果前面沒有電磁信號, 此時可利用第三音射探頭與第一音射探頭接收到音射信號的時間差計算高壓線圈之放電線圈匝的位置;(d)如果前面有電磁信號,利用第一、第三音射探頭接收到之電磁信號的時間差,可以將局部放電源之範圍縮小到對稱於導波管的兩個點。
- 一種使用如申請專利範圍第1至8項中任意一項所述之裝置的定位模鑄型變壓器外部電暈的辨識方法,其流程為:(a)首先檢查音射探頭組的第二音射探頭是否有超音波信號,如果第二音射探頭沒有超音波信號,便轉換到辨識局部放電的流程;(b)如果第二音射探頭有超音波信號,則此超音波信號一定是外部電暈所產生,接著檢查此超音波信號前面是否有電磁信號,如果沒有電磁信號,再轉換到以超音波來定位外部電暈的流程;(c)如果第二音射探頭有超音波信號與電磁信號,可利用第二音射探頭的電磁信號與超音波信號的時間差,計算電暈與第二音射探頭的距離l ;(d)外部電暈的定位可利用l 與導波管長度L兩者大小關係,如果L<l ,則外部電暈的位置在電力電纜。如果L=l ,則外部電暈的位置在高壓絕緣端子。如果L>l ,則外部電暈的位置在高壓線圈表面。
- 一種使用如申請專利範圍第1至8項中任意一項所述之裝 置的定位模鑄型變壓器外部電暈的辨識方法,其流程為:(a)首先檢查第二音射探頭是否有超音波信號,如果第二音射探頭沒有超音波信號,所以轉換到辨識局部放電的流程;(b)如果第二音射探頭有信號,則此超音波信號一定是外部電暈所產生,接著檢查此超音波信號前面是否有電磁信號,如果有電磁信號,以電磁信號與超音波信號來定位外部電暈的辨識流程;(c)如果第二音射探頭只有超音波信號,接著檢查第一音射探頭的超音波信號是否超前第二音射探頭的超音波信號,如果第一音射探頭的超音波信號沒有超前第二音射探頭的超音波信號,則電暈一定距離第二音射探頭較遠處,則外部電暈的位置在電力電纜;(d)如果第一音射探頭的超音波信號超前第二音射探頭的超音波信號,可利用第二音射探頭與第一音射探頭的超音波信號的時間差,計算電暈與第二音射探頭的距離l ;(e)外部電暈的定位可利用l 與導波管長度L兩者大小關係,如果L=l ,則外部電暈的位置在高壓絕緣端子。如果L>l ,則外部電暈的位置在高壓線圈表面。
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TW99112094A TWI440871B (zh) | 2010-04-16 | 2010-04-16 | 模鑄型變壓器內部局部放電與外部電暈位置檢測方法及裝置 |
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