(2008综合版)高压电气设备的局部放电定位技术

第1页共80页高压电气设备的局部放电测量和定位技术第一篇基础3局部放电测量原理3.1局部放电相关概念3.1.1局部放电测量基础3.1.1.1局部放电波形显示方式局部放电测量仪器，除有数值显示外，一般都具备波形显示功能，最常见的显示方式为椭圆时基显示方式、正弦时基显示方式和直线时基显示方式。椭圆时基显示方式，如图3-1-1所示，将正弦波试验电压的一个单个周波，即一个正半周和一个负半周，均匀地分配到整个椭圆上，其电压的零度点放在椭圆地最左端，沿顺时针方向旋转，180度点放置在椭圆的最右端，360度点与零度点重合，椭圆短轴的两个端点处，对应电压的峰值，上部为正峰值，下部为负峰值。电压峰值位置、过零点位置和轨迹的方向如图3-1-1所示。图3-1-1椭圆时基显示方式图3-1-2正弦时基显示方式图3-1-3直线时基显示如果放电图形以正弦时基显示方式，对应电压的峰值位置和电压过零点位置以及扫描方向如图3-1-2所示。如果放电图形以直线时基显示方式，对应电压的峰值位置和电压过零点位置以及扫描方向如图3-1-3所示。0180360+峰值-峰值-峰值+峰值3601800扫描方向扫描方向扫描方向0180360+峰值-峰值第2页共80页图3-1-7局部放电的三种放电形式3.1.1.2显示效果早期的局部放电测试仪多为指针式局放仪和模拟式阴极射线管显示局部放电的测试仪；近年来，局部放电测量中使用的具有波形显示的测量仪器多为数字式局部放电测试仪，两种仪器显示的波形从视觉上有一定的差别，对于模拟式局部放电仪，由于视觉的持续存在(视觉滞留)，其显示的波形实际上大约是试验电压的三个周波上的放电响应；而数字式局放仪显示的放电响应是以小于等于每秒24帧的速度显示，看到的放电响应是试验电压下一个周波内的真实图形。宽频带数字式局部放电测试仪显示的典型的放电图形，椭圆时基显示方式如图3-1-4、正弦时基显示方式如图3-1-5、直线时基显示方式如图3-1-6所示。图3-1-4椭圆时基显示典型放电图3-1-5正弦时基显示典型放电图3-1-6直线时基显示典型放电3.1.1.3局部放电的种类对于电气设备的某一绝缘结构，其中多少可能存在着一些绝缘弱点，它在－定的外施电压作用下会首先发生放电，但并不随即形成整个绝缘贯穿性的击穿。导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电称之为局部放电。对于局部放电可以在导体附近发生，也可以在远离导体的其它绝缘介质中发生。局部放电一般分为三种放电形式（如图3-1-7）：内部放电（在绝缘介质内部）、沿面放电（在绝缘介质表面）和电晕放电（在电极尖端）。内部放电、沿面放电一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的。通常这种放电表现为持续时间小于1微秒的脉冲。电晕放电是局部放电的一种形式，它通常发生在远离固体或液体绝缘的导体周围的气体中。180+峰值-峰值-峰值3601800扫描方向扫描方向扫描方向0180360+峰值-峰值+峰值局部放电沿面放电电晕放电内部放电第3页共80页3.1.1.4局部放电脉冲当试品中发生局部放电时，用接在试验回路中的适当的检测回路测得的电压或电流脉冲，叫做局部放电脉冲。试品中的一次放电产生一个电流脉冲，将电流脉冲输入到专用的测量回路中，使专用的测量回路的输出端产生一个与输入电流脉冲电荷成正比的电流信号或一个电压信号。3.1.2局部放电的表征参数3.1.2.1视在电荷（q）通常表征局部放电最通用的参数是视在电荷（q）。局部放电的视在电荷等于在规定的试验回路中，如果在非常短的时间内对试品两端间注入使测量仪器上所得的读数与局放电流脉冲本身相同的电荷。视在电荷通常用皮库（pC）表示。3.1.2.2脉冲重复率(n)脉冲重复率是表征局部放电的又一参数。其定义为在选定的时间间隔内所记录到的局部放电脉冲的总数与该时间间隔的比值。在实际测量中，一般只考虑超过某一规定幅值或在规定幅值范围内的脉冲。3.1.2.3脉冲重复频率(N)就等间隔脉冲而言，脉冲重复频率N是在每秒钟内的放电脉冲数。3.1.2.4局部放电脉冲的相角φi和发生的瞬间时刻ti在试验电压最近一次正向过零时刻与局放脉冲之间的时间间隔ti，和局部放电脉冲的相角φi，以度表示。只有数字式局部放电仪才能容易的测量。3.1.2.5平均放电电流（I）平均放电电流I和放电功率也是表征局部放电的参数。在选定的参考时间间隔Tref内的单个视在电荷qi的绝对值的总和除以该时间间隔即为平均放电电流。）（131321irefqqqqTI平均放电电流一般用库仑每秒（C/s）或安培（A）表示。第4页共80页3.1.2.6放电功率（P）在选定的参考时间间隔Tref内由视在电荷qi馈入试品两端间的平均脉冲功率即为放电功率。）（231332211iirefuquququqTP式中：u1、u2、u3……ui为单个视在电荷qi对应的放电瞬时ti的试验电压瞬时值。放电功率用瓦特（W）表示。3.1.2.7平方率D在选定的参考时间间隔Tref内单个视在电荷qi的平方和除以时间间隔Tref。）（3312232221irefqqqqTP式中：u1、u2、u3……ui为单个视在电荷qi对应的放电瞬时ti的试验电压瞬时值。放电功率平方率D用平方库仑每秒（C2/s）表示。注：以上是主要的表征局部放电的参数，其它有关信息可参见标准GB/T7354-2003《局部放电测量》。3.1.3局部放电测量中的常用术语数字式局放仪（数字式局部放电综合分析仪）综合电子技术和数字技术为一体的测量局部放电的专用仪器，称为数字式局放仪。数字式局部放电测量仪器，已在国内外得到广泛应用，其主要优点在于：记录分析视在放电电荷iq定量的局放脉冲以及it时刻试验电压的瞬时值，或者对交流电压，在试验电压周波内的相位角i，并能方便的记录、存储、分析和估算与局部放电脉冲有关的其它相关量。记录的数据进行处理后，可以计算和显示出其它参量及其关系，例如，得到时间窗口中或在一段时间内局放活动的统计数据、采用数字技术降低干扰水平、用绘图方法表示结果、用来深入分析试品绝缘质量的参数的计算和方便的保存图形和分析波形的放电类型。时间开窗一般局部放电测试仪都带有时间开窗功能，可以在设定的时间段内断开及闭合，以便测量该时间段内的信号。如果干扰发生在有规律的时间间隔中，可以使用时间开窗功能，将这些时间间隔开在时间窗口之外，使其图3-1-8时间窗时间窗干扰放电第5页共80页关闭时间窗以外的所有信息。在用交流电压作试验时，真实放电信号通常仅有规则地重复发生在试验电压各周波的某一时间间隔内，使用时间窗可以采用相位锁定且让“门”只在这一时间间隔内打开。时间窗可以在任意位置开单窗(如图3-1-8)、或双窗。天线噪声门控抗干扰空间干扰，一般指各种电气设备或无线电波（干扰脉冲）以电磁波的方式通过空间传入试品，影响局部放电的测量。天线噪声门控抗干扰技术，一般采用两只耦合装置，一耦合装置按标准接线接收试品（含干扰信号）的局部放电信号，另一耦合装置选用天线或天线放大器，专用接收试品附近的空间干扰，使用仪器的天线噪声门控抗干扰功能，利用其中的天线接收到的干扰脉冲，控制另一耦合装置所在的通道的“门”，使测量通道在空间脉冲未到达时，信号通道的“门”始终为开状态，放电信号顺利通过，一旦空间干扰信号到达，立刻关闭该通道的“门”，保证该通道中的空间信号被拒绝之门外，显示的信号全为试品所产生的脉冲，而不包含外部空间的干扰。极性判别抗干扰对两耦合装置CD的输出端的脉冲极性进行比较，可以区分试品所产生的局部放电信号和来自试验回路的干扰。使用仪器的极性判别功能，利用其中一个耦合装置上相同极性的干扰脉冲，控制另一耦合装置所在的通道门，使该通道在脉冲极性正确时“门”打开，信号脉冲不正确时，关闭该通道的“门”，保证该通道显示的信号全为试品所产生的脉冲，而不包含外部试验线路的干扰。然而，使用极性判别方法很难区别由试品Cx及耦合电容Ck形成的回路中电磁感应引起的干扰与试品正常局部放电脉冲。除非采用其它方法。平衡回路平衡回路接线如图3-1-11所示，局CCCDCk'天线CaUZ图3-1-9天线噪声门控抗干扰功图3-1-10极性判别抗干扰IrIpdIsIpdIpdZm1Zm仪器输出IZm1CD1CkZmCDCCCxIsIrIpd'Ca1CCZm1MIZmCCCaUZ图3-1-11平衡回路第6页共80页部放电测量仪接在两个耦合装置之间，试品和耦合电容的低压端均应对地绝缘，试品和耦合电容的低压端分别通过两个耦合装置接地，回路通过Cx和Ck抑制共模电流，放大试品中放电电流，具有抑制外部干扰的优势，能抑制辐射干扰及电源干扰，干扰抑制的效果与Cx和Ck的损耗有关，若选择同类设备作为Ck，即称为对称法，则其损耗值非常接近，干扰抑制效果较好。如果试品和耦合电容的各项参数相差较大时，可增加可变输入阻抗的耦合装置，调节两臂的阻抗，使之人为调节达到两路平衡，也能收到较好的效果。脉冲相关抗干扰在局部放电测量环境下，许多干扰都是随机的，而真正的放电几乎重复发生在施加电压的每一周波的相同的相位上，因此，可利用信号的平均技术，将随机发生的干扰的相对电平大大降低。相位1相位2相位3相位4相位5相位n相位n+1第一周波510第二周波510第三周波510第四周波510第五周波510相关处理后522222抗静态干扰静态干扰，相对于局部放电测量仪器的同步电压而言，在试品未施加电压之前或刚刚合闸之后，在屏幕上就出现的固定相位的干扰出现，也就是说，干扰在屏幕上无论何时，干扰总是固定不动的出现在电压波形的固定时刻，这样的干扰称为静态干扰，抑制这种干扰的简单方法，是将该固定相位上的干扰彻底根除，这种抗干扰方法叫做抗静态干扰法。抗动态干扰在局部放电测量中，往往会出现很强的随机干扰，幅值很大，与电压无关，而且在相位上是随机的，抑制这种干扰的有效方法之一，是选用动态抗干扰方法，选定合适的阈值，然后启动“抗动态干扰”中[动态]功能，仪器就会屏蔽掉大于阈值的干扰。在试验中，有时会出现很强的无线电波干扰，从波形的频域和时域分析可知，无线电波和放电波形由本质的不同（放电波形的失真取决于滤波器的选取），对于无线电波和类似无线电波的震荡波可以使用智能识别消除干扰。滤波通带和数字滤波仪器的滤波通带一般由固定的低通滤波器和若干固定高通滤波器组合而决定。高通滤波器的频率范围在kHzfkHz100301，低通滤波器的频率范围kHzf5002，数字滤波器可以在上述频率范第7页共80页围内任意组合。局部放电脉冲幅值频谱局部放电脉冲的上升沿一般在0.1μs~1μs左右，视放电类型有较大的变化范围，其频谱含有率主要取决于脉冲的上升沿，局部放电脉冲的频谱一般是由数十千赫兹到数千兆赫兹的连续频率复合而成。校准脉冲幅值频谱方波是由多个纯正弦信号复合而成的，理论上具有无限宽的频谱。校准脉冲是由一方波电压与一只很小的电容串联电路形成，其脉冲上升沿一般小于0.060μs,频谱高于局部放电脉冲的频谱。无线电干扰电压法（RIV）测量局部放电无线电干扰电压的测量一般多采用窄带测量的选频法，主要用于无线电广播信号引起的骚扰或干扰，但在一些欧美国家，仍采用此方法测量高压电气设备的局部放电，放电指标采用电压的单位（微伏）表示。耦合装置与检测阻抗Zm（输入单元）检测阻抗是拾取检测信号的耦合装置，在使用中，应根据不同的测试目的，被试品的种类来选择合适的检测阻抗，以提高局部放电测量的灵敏度、分辨能力、波形特性及信噪比。检测阻抗按调谐电容范围和测量类别分1～14号。（见表1）表1检测灵敏度及输入单元允许电流值输入单元序号调电容范围灵敏度(PC)(不平衡电路)允许电流有效值备注不平衡电路平衡电路16－25－100微微法0.0230mA0.25A225－100－400微微法0.0460mA0.5A3100－400－1500微微法0.06120mA1A4400－1500－6000微微法0.10.25A2A51500－6000－25000微微法0.20.5A4A60.006－0.025－0.1