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1一、局部放电的定义：根据GB/T7354－2006《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。2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，gC为该气隙的电容，bC为与该气隙串联的绝缘部分的电容，aC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，Z为相应于气隙放电脉冲频率的电源阻抗。3在电源电压tUumsin的作用下，gC上分到的电压为tUCCCumgbbgsin，如图2（a）中虚线所示。当gu达到该气隙的放电电压sU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gC上的电压急剧下降到剩余电压rU时，火花熄灭，完成一次局部放电。随着外加电压的继续上升，gC重新获得充电，当gu又达到sU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rsgUUU，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）三电容等值电路图2局部放电时的电压电流变化曲线4气隙放电时，其放电电荷量为gbabagrUCCCCCq)(（1）因为baCC，所以))(()(rsbggbgrUUCCUCCq(2)式中rq为实际放电量，但因gC、bC等在实际中无法测定，因此rq很难测得。由于气隙放电引起的电压变动gU将按反比分配在aC和bC上（因从气隙两端看，aC和bC串联连接），因而aC上的电压变动aU为gbabaUCCCU(3)也就是说，当气隙放电时，被试品两端的电压会下降aU，这相当于被试品放掉电荷q)()(rsbgbabaUUCUCUCCq(4)式中q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rbgbqCCCq(5)由于bgCC，所以视在放电量q要比实际放电量rq小得多，但它们之间存在比例关系，因而q值可以相对地反映rq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rq是不能测得的。但由放电引起电源输入端的电压变化aU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。5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。6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，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；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7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、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8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况下劣化分解，表