变压器类设备局部放电测量.docx

1、变压器类设备局部放电测量变压器类设备局部放电测量山东临沂供电公司李涛2010年9月一、局部放电的定义：根据GB/T73542006局部放电测量中的定义，局部放电是指导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电，这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。当电力设备的绝缘内部存在气隙或生产过程中造成一些缺陷，在高电场强度作用下，气隙首先击穿，并会发生多次的重复击穿和熄灭，而周围的绝缘介质仍保持着绝缘性能，整个绝缘结构并未形成电极间的贯穿性放电通道。局部放电一般存在于固体绝缘的空隙中，液体绝缘的气泡中，电极表面的尖锐部位或电场中的悬浮金属的表面；介质的沿面放电，层压材料中的放电，固体绝缘的表面和内层的树

2、枝状爬电等也属于这一类。二、局部放电的危害：如果电气设备绝缘在运行电压下出现局部放电，这些微弱的放电会使绝缘材料受到电晕腐蚀、局部过热、紫外线辐射和氧化作用，产生的累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿，设备损坏。如油纸绝缘在局部放电作用下会产生不饱和烃C2H2、H2、CH4和x蜡，蜡质会积留在固体绝缘上，放电产生的气体又使放电增加，造成在场强高的部位或绝缘纸有损伤的部位发生击穿，或沿着层间间隙爬电，或形成树枝状放电，在放电通道上会形成整齐的碳化层，最终贯穿绝缘。虽然局部放电会使绝缘劣化而导致损坏，但它的发展是需一定时间的，发展时间与设备本身的运行状况及局部放

3、电种类，与其产生的位置和设备的绝缘结构等多种因素有关。因此，一个绝缘系统寿命与放电量的关系分散性很大，这也是该项测试技术有待研究的一个课题。总的来讲，对一个绝缘系统的好坏判断是其局部放电越小越好。三、局部放电测量的目的和意义用传统的绝缘试验方法很难发现局部放电缺陷，并且lmin交流耐压试验还会损伤绝缘，影响设备以后的运行性能，随着电压等级提高，这个问题更为严重。因而，测试电气设备的局部放电特性是目前预防电气设备故障的一种好方法，可以发现潜在绝缘薄弱部位，通过局部放电试验的变压器类设备，在运行中可靠性是比较高的。目前局部放电已列为变压器类设备的出厂、交接和预试项目，在国家电网公司输变电设备状态检

4、修试验规程中列为诊断性试验项目，成为国内外广泛采用的一种评定绝缘质量的有重大意义的方法，是一种非破坏性试验。进行局部放电测量的目的主要有：1.验证设备在规定电压下，局部放电量应小于规定数值；2.确定起始和熄灭放电电压；3.制定在规定电压下的放电标准。四、局部放电特征参量及形成机理（一）局部放电的主要特征参量 表征局部放电的主要特征有以下三个：1.视在放电量q：是指在试品两端注入一定电荷量，使试品端电压的变化量和局部放电时端电压变化量相同。此时注入的电荷量即称为局部放电的视在放电量，以皮库(pC)表示。实际上，视在放电量与试品实际点的放电量并不相等，后者不能直接测得。试品放电引起的电流脉冲在测量

5、阻抗端子上所产生的电压波形可能不同于注入脉冲引起的波形，但通常可以认为这二个量在测量仪器上读到的响应值相等。2.局部放电起始电压Ui：是指试验电压从不产生局部放电的较低电压逐渐增加时，在试验中局部放电量超过某一规定值时的最低电压值。3.局部放电熄灭电压Ue：是指试验电压从超过局部放电起始电压的较高值逐渐下降时，在试验中局部放电量小于某一规定值时的最高电压值。（二）局部放电的形成机理根据放电类型来分，局部放电大致可分为绝缘材料内部放电、表面放电及高压电极的尖端放电。1.内部放电如绝缘材料中含有气隙、杂质、油隙等，这时可能会出现介质内部或介质与电极之间的放电，其放电特性与介质特性及夹杂物的形状、大

6、小及位置都有关系。在此以固体或液体绝缘中的气隙（空穴）为例来阐述局部放电的形成：设在固体或液体电介质内部g处存在一个气隙或气泡，如图1（a）所示，为该气隙的电容，为与该气隙串联的绝缘部分的电容，为其余完好绝缘部分的电容，由此可得其等值电路，如图1（b）所示，其中g为放电间隙，它的击穿等值于g处气隙发生的火花放电，为相应于气隙放电脉冲频率的电源阻抗。图1 绝缘内部气隙局部放电的等值电路 (a) 示意图 （b）三电容等值电路在电源电压的作用下，上分到的电压为，如图2（a）中虚线所示。当达到该气隙的放电电压时，气隙内发生火花放电，放电产生的空间电荷建立反电场，使上的电压急剧下降到剩余电压时，火花熄灭

7、，完成一次局部放电。随着外加电压的继续上升，重新获得充电，当又达到时，气隙发生第二次放电，依此类推。气隙每放电一次，其电压瞬间下降，同时产生一个对应的局部放电电流脉冲，由于发生一次局部放电过程的时间很短，约为10-8s数量级，可以认为是瞬时完成的，故放电脉冲电流表现为与时间轴垂直的一条直线，如图2（b）所示。图2 局部放电时的电压电流变化曲线气隙放电时，其放电电荷量为 （1）因为，所以 (2)式中为实际放电量，但因、等在实际中无法测定，因此很难测得。由于气隙放电引起的电压变动将按反比分配在和上（因从气隙两端看，和串联连接），因而上的电压变动为 (3)也就是说，当气隙放电时，被试品两端的电压会下

8、降，这相当于被试品放掉电荷 (4)式中为视在放电量，通常以它作为衡量局部放电强度的一个重要参数。比较式（2）和式（4）可得 (5)由于，所以视在放电量要比实际放电量小得多，但它们之间存在比例关系，因而值可以相对地反映的大小。在实际试验中，由于放电空穴两端的电压变化不能得知，则真实放电量是不能测得的。但由放电引起电源输入端的电压变化可测到，绝缘介质整体电容可测得，则由局部放电引起的视在放电量q可求得。所以，在局部放电试验中，由局部放电仪测量所测得的值为由pC为单位表示的视在放电量，是在真实放电量不可能测出的情况下的一种变通方法，在实际运用中，通过由视在放电量的大小来判断绝缘的优劣。由上述及图2可

9、看出，内部局部放电总是出现在电源周期中的第一或第三象限，每周期的平均放电次数与外施电压u有关，每周放电次数随着u的上升与增加，大约呈直线关系，每个周期出现的局部放电脉冲可在局部放电测量仪的显示器上观察脉冲或放大波形分析，如图3所示。 当绝缘介质内出现局部放电后，外施电压在低于起始电压的情况下，放电也能继续维持。该电压在理论上可比起始电压低一半，也即绝缘介质两端的电压仅为起始电压的一半，这个维持到放电消失时的电压称之为局放熄灭电压。而实际情况与理论分析有差别，在固体绝缘中，熄灭电压比起始电压约低5-20。在油浸纸绝缘中，由于局部放电引起气泡迅速形成，所以熄灭电压低得多。这也说明在某种情况下电气设

10、备存在局部缺陷而正常运行时，局部放电量较小，也就是运行电压尚不足以激发大放电量的放电。当其系统有一过电压干扰时，则触发幅值大的局部放电，并在过电压消失后如果放电继续维持，最后导致绝缘加速劣化及损坏。2.表面放电 如在电场中介质有一平行于表面的场强分量，当其这个分量达到击穿场强时，则可能出现表面放电。这种情况可能出现在套管法兰处、电缆终端部，也可能出现在导体和介质弯角表面处，见图4。内介质与电极间的边缘处，在r点的电场有一平行于介质表面的分量，当电场足够强时则产生表面放电。在某些情况下，空气中的起始放电电压可以计算。 表面局部放电的波形与电极的形状有关，如电极为不对称时，则正负半周的局部放电幅值

11、是不相等的，见图5。当产生表面放电的电极处于高电位时，在负半周出现的放电脉冲较大、较稀;正半周出现的放电脉冲较密，但幅值小。此时若将高压端与低压端对调，则放电图形亦相反。图4 介质表面出现的局部放电 图5 表面局部放电波形3.电晕放电（电极尖端在气体中的放电） 电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体表面附近的电场强度达到气体的击穿场强时所发生的放电。在高压电极边缘，尖端周围可能由于电场集中造成电晕放电。电晕放电在负极性时较易发生，也即在交流时它们可能仅出现在负半周。电晕放电是一种自持放电形式，发生电晕时，电极附近出现大量空间电荷，在电极附近形成流注放电。现以棒一板电极为例来解释，在负电晕情况下

12、，如果正离子出现在棒电极附近，则由电场吸引并向负电极运动，离子冲击电极并释放出大量的电子，在尖端附近形成正离子云。负电子则向正极运动，然后离子区域扩展，棒极附近出现比较集中的正空间电荷而较远离电场的负空间电荷则较分散，这样正空间电荷使电场畸变。因此负棒时，棒极附近的电场增强，较易形成。 在交流电压下，当高压电极存在尖端，电场强度集中时，电晕一般出现在负半周，放电波形见图6，或当接地电极也有尖端点时，则出现负半周幅值较大，正半周幅值较小的放电。图6五、局部放电测量方法电气设备绝缘内部发生局部放电时将伴随着出现许多外部现象，有些外部现象属于电现象，如产生电流脉冲、引起介质损耗增大、产生电磁波辐射等

13、；有些属于非电现象，如产生光、热、噪声、气压变化和分解物等。可以利用这些现象对局部放电进行检测，根据被检测量的性质不同，局部放电的检测方法可分为电气检测法和非电检测法两大类。在大多数情况下，非电检测法的灵敏度较低，多用于定性检测，即只能判断是否存在局部放电，而不能作定量的分析。目前应用得比较广泛和成功的是电气检测法，特别是测量绝缘内部气隙发生局部放电时的脉冲电流，它不仅可以灵敏地检出是否存在局部放电，还可判定放电强弱程度。（一）非电检测法1.超声波法利用测超声波检测技术来测定局部放电的位置及放电程度，这种方法较简单，不受环境条件限制。但灵敏度较低，不能直接定量。在进行局部放电测量中当发现变压器

14、有大于5DO0pC的故障放电，超声波声测量方法常用于放电部位确定及配合电测法的补充手段。但声测法有它独特的优点，即它可在试品外壳表面不带电的任意部位安置传感器，可较准确地测定放电位置，且接收的信号与系统电源没有电的联系，不会受到电源系统的电信号的干扰;因此进行局部放电测量时，以电测法和声测法同时运用，两种方法的优点互补，再配合一些信号处理分析手段，则可得到很好的测量效果。2.光检测法 利用光电倍增技术来测定局部放电产生的光，由此来确定放电的位置及其发展过程。这种方法灵敏度较低，局限性大，对于绝缘内部的局部放电，只有在透明介质中才能检测，目前，一种利用光纤将局部放电所发出的光量经光电传感器从设备

15、内部引出来的整套仪器正在研究开发之中。实践证明，光检测法较适宜于暴露在外表面的电晕放电和沿面放电的检测。3.热检测法由于局部放电在放电点会发热，当故障较严重时，局部热效应明显，这时可用预先埋入的热电偶来测量各点温升，从而确定局部放电部位。这种方法既不灵敏又不能定量，因而很少在现场测量使用。4.测分解物法 油纸绝缘材料在局部放电作用下会分解产生各种气体，分析局部放电时产生的化学生成物，例如用色谱分析仪测量高压电气设备的油中，由于放电产生的微量可燃性气体，从而推断局部放电的程度，从而判断故障类型，已在生产实际中广泛应用，并取得较好的效果。各种气体中对判断故障有价值的气体有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢

16、、一氧化碳、二氧化碳等。 绝缘中存在局部放电时，当放电较小并在故障点引起的温度高于正常温度不多时。由油裂解的产物主要是甲烷和氢;当局部放电故障扩大，形成局部爬电或火花、电弧放电时，会引起局部高温，产生乙炔、乙烯和一氧化碳、二氧化碳，如利用五种特征气体的三比值法，可用来判断变压器故障性质，但实际上对电力设备进行绝缘故障判断时，仅根据一次测量数据往往是不够的，宜利用色谱分析，观察各有害气体随时间的增量，并和局部放电超声测量和电测法数据作比较，进行综合判断，才能更加有效地判断故障性质。 当故障涉及到固体绝缘时，会引起一氧化碳和二氧化碳含量的明显增长。但根据现有统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情

17、况下劣化分解，表现在油中一氧化碳的含量上，一般情况下没有严格的界限;二氧化碳含量的规律更不明显。因此，在考察这两种气体含量时更应注意结合具体变压器的结构特点，如油保护方式、运行温度、负荷情况、运行历史等情况加以分析，以尽可能得出正确的结论。（二）电气检测法1.无线电干扰测量法（RIV法）由于局部放电会产生频谱很宽的脉冲信号（从几千赫到几十兆赫），所以可以利用无线电干扰仪测量局部放电的脉冲信号，通过试品两端直接耦合，或天线等其他采样元件耦合，测量试品的局部放电脉冲信号。2.介质损耗法（放电能量法）由于局部放电伴随着能量损耗，所以可以用电桥来测量被试品的tg 值随外施电压的变化，由局部放电损耗变化

18、来分析被试品的状况。油纸电容型电流互感器和套管在实际运行中出现过多例，介损超标，取油样色谱分析氢和甲烷等成分明显异常，局放超标。3脉冲电流法由于局部放电产生的电荷交换，产生高频电流脉冲，通过与试品连接的检测回路产生电压脉冲，将此电压脉冲经过合适的宽带放大器放大后由仪器测量或显示出来。这种方法灵敏度高，是目前国际电工委员会推荐进行局部放电测试的一通用方法，也被我们今天普遍采用。（三）脉冲电流法的试验回路和测量仪器1.试验回路 测量局部放电的基本回路有3种，如图7所示，其中图7(a)、(b)可统称为直接法测量回路；(c)称为平衡法测量回路。 图7 局部放电测量的基本回路 (a)测量阻抗与耦合电容器

19、串联回路（并联法）；(b)测量阻抗与试品串联回路（串联法）；(c)平衡回路 图中：Zf高压滤波器；Cx试品等效电容；Ck耦合电容；Zm测量阻抗；Z调平衡元件；M测量仪器 第一种回路主要包括：a.试品等效电容Cx。 b.耦合电容Ck。Ck在试验电压下不应有明显的局部放电。 c.测量阻抗Zm。测量阻抗是一个四端网络的元件，它可以是电阻R或电感L的单一元件，也可以是电阻电容并联或电阻电感并联的RC和RL电路，也可以由电阻、电感、电容组成RLC调谐回路。调谐回路的频率特性应与测量仪器的工作频率相匹配。测量阻抗应具有阻止试验电源频率进入仪器的频率响应。连接测量阻抗和测量仪器中的放大单元的连线，通常为单屏

20、蔽同轴电缆。 图8 RC型检测阻抗原理图 图9 RLC型检测阻抗原理图 对RC型，当电容C较小时，检测阻抗上的波形与流过被试品的脉冲电流相似，但其频带较宽、噪声较大，被试品的工频充电电流大时使检测阻抗上工频分量不能完全滤除，从而影响测量。 RC型一般用于平衡测量回路，R值一般选用2001200，电容C即为电缆分布电容，实际应用时不需另加。 RLC型对局部放电脉冲检测有很高的灵敏度，而对被试品工频的充电电流呈现低阻抗，频带较窄，噪音水平较低。缺点是波形易呈现振荡，但适当选择R（2-3k)可使振荡阻尼抑制，所以普遍采用RLC型检测阻抗。d.根据试验时干扰情况，试验回路接有一阻塞阻抗Zf，以降低来自

21、电源的干扰，也能适当提高测量回路的最小可测量水平。 e.测量仪器M。 三种试验回路的选择原则：a.试验电压下，试品的工频电容电流超出测量阻抗Zm允许值，或试品的接地部位固定接地时，可采用图7(a)试验回路。 b.试验电压下，试品的工频电容电流符合测量阻抗Zf允许值时，可采用图7(b)试验回路。 c.试验电压下，图7(a)、(b)试验回路有过高的干扰信号时，可采用图7(c)试验回路。d.测量阻抗的选取应使Ck和Cx串联后的等效电容值在测量阻抗所要求的调谐电容C的范围内，否则会降低测量灵敏度。平衡法是利用两台试品相互作为祸合电容并平衡抑制干扰，或将电容值差别不大的另一电容器作为祸合电容。平衡法的测

22、量灵敏度略低于直测法，但它的抗干扰能力却比直测法高得多。2.测量仪器2.1测量仪器的频带 常用的测量仪器的频带可分为宽频带和窄频带两种，其由下列参数确定：图10 测量仪器的频带 (a)宽频带 (b)窄频带a.下限频率f1上限频率f2其定义为：对一恒定的正弦输入电压的响应A，宽频带仪器分别自一恒定值下降3dB时的一对(上、下限)频率；窄频带仪器分别自峰值下降6dB时的一对(上、下限)频率，如图10所示。 b.频带宽度f：宽频带和窄频带两种仪器的频带宽度均定义为 f=f2-f1宽频带仪器的f与f2有同一数量级；窄频带仪器f的数量级小于f2的数量级。c.谐振频率f0：窄频带仪器的响应具有谐振峰值，相

23、应的频率称为谐振频率f0。 2.2现场测量时仪器的选择 现场进行局部放电试验时，可根据环境干扰水平选择相应的仪器。当干扰较强时，一般选用窄频带测量仪器，例如f0=(30200)KHz，f=(515)KHz；当干扰较弱时，一般选用宽频带测量仪器，例如f1=(1050)KHz，f2=(80400)KHz。 2.3指示系统 局部放电的测量仪器按所测定参量可分不同类别。目前有标准依据的是测量视在放电量的仪器，这种仪器的指示方式，通常是示波屏与峰值电压表(pC)或数字显示并用。用示波屏是必须的。示波屏上显示的放电波形有助于区分内部局部放电和来自外部的干扰。 放电脉冲通常显示在测量仪器的示波屏上的李沙育(

24、椭圆)基线上。测量仪器的扫描频率应与试验电源的频率相同。3.视在放电量的校准 由于无法测量绝缘的实际放电量，目前的定量测试是用一方波电源经一已知的小电容在试品两端施加一电荷Q0，使其在放大器输人阻抗两端所得到的量值U0与试品的真实放电量作用在输人阻抗的效果一样。确定整个试验回路的换算系数K，称为视在放电量的校准，换算系数K受回路Cx、Ck、Cs(高压对地的杂散电容)及Zm等元件参量的影响。因此，试验回路每改变一次必须进行一次校准。3.1校准的基本原理 视在放电量校准的基本原理是：以幅值为U0的方波通过串接小电容C0注入试品两端，此注入的电荷量为 式中 U0方波电压幅值，V； C0电容，pF；

25、Q0电荷量，pC。 3.2校准方波的波形校准方波的上升时间应使通过校准电容C0的电流脉冲的持续时间比1/f2要短，校准方波的上升时间不应大于0.1s，衰减时间通常在100s到1000s范围内选取。目前大都选用晶体管或汞湿继电器做成小型电池开关式方波发生器，作为校准电源。 3.3直接校准 将已知电荷量Q0注入试品两端称为直接校准，其目的是直接求得指示系统和以视在放电量Q表征的试品内部放电量之间的定量关系，即求得换算系数K。这种校准方式是由国家标准GB73542003局部放电测量推荐的。直接法和平衡法测量回路的直接校准电路，如图11所示，其方法是：接好整个试验回路，将已知电荷量Q0=U0C0注入试

26、品两端，则指示系统响应为LN。取下校准方波发生器，加电压试验，当试品内部放电时，指示系统响应为LX。由此则可得换算系数Kh为图11 直接校准的接线 (a)直接法测量的直接校准接线；(b)平衡法测量的直接校准接线 Kh=(LX/LN)10（N1-N2）则视在放电量Q为 式中 Q视在放电量，pC； U0方波电压幅值，V； C0电容，pF； Kh换算系数。 为了使校准保证有一定的精度，C0必须满足 式中 Cm测量阻抗两端的等值电容。 4.4间接校准将已知电荷量Q0注入测量阻抗Zm两端称为间接校准，其目的是求得回路衰减系数K1。直接法和平衡法测量回路的间接校准电路，如图12所示。 图12 间接校准的接

27、线 (a)直接法测量的间接校准接线；(b)平衡法测量的间接校准接线 图12中的Cs是高压对地的总杂散电容，其值随试品和试验环境的不同而变化，是个不易测得的不定值。因此，通常以测量的方式求得回路衰减系数K1，其方法是：接好整个试验回路，将已知电荷量Q0注入测量阻抗Zm两端，则指示系统响应为。再以一等值的已知电荷量Q0注入试品Cx两端，则指示系统响应为。这两个不同的响应之比即为回路哀减系数K1，即 则视在放电量 直接法校准时，加电压试验的校准方波发生器需脱离试验回路，不能与试品内部放电脉冲直观比较。间接法校准时，校准方波发生器可接在试验回路并能与试品内部放电脉冲进行直观比较。因此，目前国内外的许多

28、检测仪器均设计成具有间接校准的功能。3.5校准时的注意事项 3.5.1校准方波发生器的输出电压U0和串联电容C0的值要用一定精度的仪器定期测定，校正周期一年一次；U0和C0的误差（或不确定度）应小于3。如U0一般可用经校核好的示波器进行测定；C0一般可用合适的低压电容电桥或数字式电容表测定。方波上升沿时间应满足标准要求，每次使用前应检查校准方波发生器电池是否充足电。3.5.2从C0到CX的引线应尽可能短直，C0与校准方波发生器之间的连线最好选用同轴电缆，以免造成校准方波的波形畸变。 3.5.3当更换试品或改变试验回路任一参数时，必须重新校准。 应用计算机控制的数字式局放仪时，同样需在加压进行测

29、量前对测量回路进行方波校正，根据不同的试品及测量方法注人一定量的校正脉冲信号，变压器的测量、校正可选用500-1000pC的注入量;对少油式电器，如互感器、套管等可选择注入10100pC。仪器自动选择合适的量程并显示测试的相应毫伏值或皮库值。六、局部放电测量的试验设备对于变压器、电磁式电压互感器等设备来说，要进行局部放电试验，需要先施加规定的试验电压，该电压远高于设备的额定电压，而变压器铁芯的伏安特性曲线，一般设计在额定频率和电压时接近弯曲部分。若在额定频率时，将试验电压电压施加于被试变压器的一侧绕组时，铁芯会饱和，必然使空载电流急剧增加，达到不能允许的程度:为了使在试验电压下，铁芯仍不致饱和

30、，可采取提高电源频率的办法。这一点可用变压器感应电动势的公式来说明E=4.44fWBSKfB式中 E感应电动势(V); f电源频率(50Hz); w线圈匝数; S铁芯截面积(m2); B磁通密度(T); K比例常数。由上式可知，若保持B不变，因K值为常数，当需要电动势增加一倍时，则频率必须相应增加一倍，因此试验电源的频率要大于额定电源频率的两倍及以上，即一般不低于100Hz，但不宜高于400Hz。这是因为铁芯中的损耗随频率上升而显著增加。因此，变压器等要进行局部放电测量，其所使用的试验电源一般采用50Hz的倍频会其他合适频率，这就需要能产生倍频电压的试验设备，目前常用的有以下几种：（一）中频无

31、刷励磁同步发电机组同步发电机组基本原理接线如图13所示。图中，电源装置、同补偿电抗器、中间升压变压器以及必要的外围测量设备联合使用。电源主要由三相异步电动机和无刷励磁的中频同步发电机组成中频发电机组，再配以启动、控制、测量和保护系统组成。其工作原理为:中频发电机发出一定频率(250Hz)的单相或三相交流电能，经中间变压器升压，同时用补偿电抗器来调整补偿被试变压器的电容性电流，以获得所需的试验电压。这种工作原理和方式可以得到所需频率的试验电压，电网电源仅用来驱动发电机组和提供直流励磁电源，使试验电源与电网电源实现隔离，从而消除了试验回路来自电网系统的干扰，无刷励磁方式也大大降低了电源本身的干扰水平。 试验时，发电机组及其控制部分安装在一辆标准挂车上，挂车有全封闭的车厢，为便于在观测局部放电的同时控制施加电压，通过远方操作控制箱，可随意控制升降电压的速度及出口开关与励磁开关的分合。（二）大功率变频电源(用大功率三极管组成可变频率