电力变压器局部放电的测量.pdf
1电力变压器局部放电的测量电力变压器局部放电的测量2雷云放电现象雷云放电现象3放电的主要类型放电的主要类型 放电：泛指流通电流的各种形式。放电、击穿、闪络等术语的异同。在不同的物理条件下，由于占主导地位的基本物理过程(碰撞电离、光电离、热电离、阴极电子发射等)不同，会 产生各种不同形式的放电现象。根据放电条件的不同，如电极结构(均匀、稍不均匀、极 不均匀，间隙、沿面等)、工作氛围(气体、液体、固体、真空等)、电源特性(直流、工频交流、脉冲、高频/微 波，功率大小等)，存在不同的放电形式。放电表现为辉光放电、火花放电、电弧放电、电晕放电、介质阻挡放电、高频/微波放电、脉冲放电等多种形式。41.电晕放电电晕放电地电极地电极电 晕 区电 晕 区52.辉光放电辉光放电6火花放电火花放电2.火花 放电火花 放电73.沿 面 放 电沿 面 放 电84.电 弧 放 电电 弧 放 电9放电发展过程（1）10放电发展过程（2）11放电发展过程（3）12放电发展过程（4）13放电发展过程（5）14什么是局部放电？尚未导致绝缘系统贯穿性击穿的放电现象。尚未导致绝缘系统贯穿性击穿的放电现象。绝缘中的气隙放电绝缘中的气隙放电 尖端电极的电晕放电尖端电极的电晕放电 不同介质间的表面放电不同介质间的表面放电 浮动金属体的悬浮放电浮动金属体的悬浮放电15局部放电的概念简称为简称为PD（Partial Discharge），指由于电气 设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下 发生的局部的重复击穿和熄灭的现象），指由于电气 设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下 发生的局部的重复击穿和熄灭的现象局部放电的危害局部放电发生在绝缘内部的气隙或气泡中，因 为在这个很小的空间内即使电场强度很大，它的放 电能量仍然非常小，所以它的存在并不影响电气设 备的短时绝缘强度。但如一个电气设备在运行电压 下长期存在局部放电现象，这些微弱的放电能量和 由此产生的一些不良效应，如不良化合物的产生，就可以慢慢地损坏绝缘，日积月累，最后可导致整 个绝缘被击穿，发生电气设备的突发性故障。局部放电发生在绝缘内部的气隙或气泡中，因 为在这个很小的空间内即使电场强度很大，它的放 电能量仍然非常小，所以它的存在并不影响电气设 备的短时绝缘强度。但如一个电气设备在运行电压 下长期存在局部放电现象，这些微弱的放电能量和 由此产生的一些不良效应，如不良化合物的产生，就可以慢慢地损坏绝缘，日积月累，最后可导致整 个绝缘被击穿，发生电气设备的突发性故障。16导致局部放电的原因?电晕发光区电晕发光区 电场的不均匀电场的不均匀 绝缘介质的不均匀因此在某些区域首先发生放电，而其它区 域仍然保持绝缘特性，这就形成了局部放电。绝缘介质的不均匀因此在某些区域首先发生放电，而其它区 域仍然保持绝缘特性，这就形成了局部放电。17以绝缘中的气隙放电为例。以绝缘中的气隙放电为例。s,Es g,EgsgsgEE ggssEED 由于 由于 g g 11,s 2sgEE2因此，气隙内的电场强度远比绝缘介质内的电场强度 高，而气隙的电气强度又比绝缘介质低。因此，气隙内的电场强度远比绝缘介质内的电场强度 高，而气隙的电气强度又比绝缘介质低。18我们可以探测到什么？局部放电过程所产生的各种物理化学现象：局部放电过程所产生的各种物理化学现象：电荷的迁移过程电荷的迁移过程电磁辐射电磁辐射光辐射光辐射超声波超声波介质分解反应脉冲电流法介质分解反应脉冲电流法UHF测量光学检测法超声测量法测量光学检测法超声测量法DGA电测量非电测量电测量非电测量19一、局部放电的电脉冲测量一、局部放电的电脉冲测量脉冲电流测量法是国家标准推荐的主要局部放 电测量方法。脉冲电流测量法的基本原理：伴随着绝缘介质中局部放电的产生，放电电荷 的转移将在放电回路中形成脉冲电流信号，可通过 测量被检测设备的外电路中所流过的脉冲电流来检 测放电信号。脉冲电流测量法是国家标准推荐的主要局部放 电测量方法。脉冲电流测量法的基本原理：伴随着绝缘介质中局部放电的产生，放电电荷 的转移将在放电回路中形成脉冲电流信号，可通过 测量被检测设备的外电路中所流过的脉冲电流来检 测放电信号。20以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部 放电的机理以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部 放电的机理Cg：气隙的电容；气隙的电容；Cb：和和Cg相串联部分的介质电容；相串联部分的介质电容；Cm：其余大部分绝缘的电容：其余大部分绝缘的电容。介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路局部放电的三电容模型局部放电的三电容模型21通常气隙很小，通常气隙很小，Cm Cg Cb。电极间加上交流电压。电极间加上交流电压u，则，则Cg上的电压为上的电压为ug介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路uCCCugbbg22ug随外加电压随外加电压u升高，当升高，当u上升到上升到Us，ug达到气隙达到气隙Cg的 击穿电压的 击穿电压Ug时，气隙时，气隙Cg放电。于是放电。于是Cg上的电压瞬间从上的电压瞬间从Ug 下 降到下 降到Ur，然后放电熄灭。，然后放电熄灭。Ur称为残余电压。称为残余电压。局部放电时气隙中的电压和电流的变化局部放电时气隙中的电压和电流的变化23放电火花一熄灭，放电火花一熄灭，Cg上的电压将再次上升。外加电压仍 在上升，上的电压将再次上升。外加电压仍 在上升，Cg上的电压也顺势而上升，当它再次升到上的电压也顺势而上升，当它再次升到Ug时，时，Cg 再次放电，电压再次降到再次放电，电压再次降到Ur，放电再次熄灭，放电再次熄灭局部放电时气隙中的电压和电流的变化局部放电时气隙中的电压和电流的变化24Cg上的电压从上的电压从Ug突变为突变为Ur的瞬间，就是局部放电脉冲 的形成的时刻，此时通过的瞬间，就是局部放电脉冲 的形成的时刻，此时通过Cg有一脉冲电流，局部放电时气隙 中的电压和电流的变化如图所示有一脉冲电流，局部放电时气隙 中的电压和电流的变化如图所示局部放电时气隙中的电压和电流的变化局部放电时气隙中的电压和电流的变化25当当Cg放电时，放电时，放电总电容放电总电容Cg应为应为Cg=Cg+Cm Cb/(Cm+Cb)Cg上的电压变化为上的电压变化为(UgUr)，故，故一次脉冲放出的电荷一次脉冲放出的电荷应为应为qr=(UgUr)Cg+Cm Cb/(Cm+Cb)当当Cm Cb，Cg Cb，Ur=0时，时，qrUg Cg介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路26介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路qr=(UgUr)Cg+Cm Cb/(Cm+Cb)在实际试验时，上式中的各个量，都是无法直接测量的。在实际试验时，上式中的各个量，都是无法直接测量的。所以需要寻找能反映局部放电的量来测量。所以需要寻找能反映局部放电的量来测量。外施电压是作 用在外施电压是作 用在Cm上的，当上的，当Cg上的电压变动上的电压变动(Ug-Ur)时，会造成外施电 压的变化量时，会造成外施电 压的变化量U应为应为U=Cb（Ug-Ur)/（Cm+Cb)27介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路qr=(UgUr)Cg+Cm Cb/(Cm+Cb)U=Cb（Ug-Ur)/（Cm+Cb)由此两式得由此两式得U=Cb qr/（Cg Cm+Cg Cb+Cm Cb）U是总电容上的电压变化量，与它相应的电荷变化量为是总电容上的电压变化量，与它相应的电荷变化量为qUCm+Cb Cg/(Cb+Cg)把把U 式代入上式式代入上式q，可得，可得qqr Cb/（Cg+Cb）28qqr Cb/（Cg+Cb）真实放电量：真实放电量：qr，是无法测量的；而，是无法测量的；而qUCm+Cb Cg/(Cb+Cg)=CXU式中式中CX为绝缘介质的总电容，因为为绝缘介质的总电容，因为U及及CX都是可以测得的，因此都是可以测得的，因此q也是可以测量的也是可以测量的.视在放电量：视在放电量：q，是局部放电试验中的重要参量，在，是局部放电试验中的重要参量，在IEC和 国家标准中，对于各类高压设备的视在放电量和 国家标准中，对于各类高压设备的视在放电量q的允许值均 有所规定的允许值均 有所规定qqr Cb/（Cg+Cb）可见）可见q比真实放电量比真实放电量qr 小得多，它以小得多，它以pC作为计量单 位。其中作为计量单 位。其中C代表电荷量库仑。代表电荷量库仑。291.直接测量电路直接测量电路(a)电流脉冲探测，其中电路的检测阻抗与试品相串联，试 品的放电脉冲电流通过检测阻抗向放大器提供脉冲信号。电流脉冲探测，其中电路的检测阻抗与试品相串联，试 品的放电脉冲电流通过检测阻抗向放大器提供脉冲信号。(b)电压脉冲探测，电路检测抗阻与耦合电容器串联，局部 放电脉冲电压的一部分加在检测阻抗上；电压脉冲探测，电路检测抗阻与耦合电容器串联，局部 放电脉冲电压的一部分加在检测阻抗上；基本测量回路基本测量回路放大滤波放大滤波CxZDCk高压电源耦合电容检测阻抗被试品电源阻抗放大滤波放大滤波CxZDCk高压电源耦合电容检测阻抗被试品电源阻抗(a)电流脉冲检测 电流脉冲检测(b)电压脉冲检测直接测量电路电压脉冲检测直接测量电路302.平衡测量电路平衡测量电路多采用桥式电路，可以调整到对外界干扰信号有最好的平 衡效果；当多采用桥式电路，可以调整到对外界干扰信号有最好的平 衡效果；当Ck 和和Cx 性质相同时有理想的平衡效果。性质相同时有理想的平衡效果。CxCk高压电源耦合电容差分放大器被试品电源阻抗Zm1Zm2平衡电路平衡电路313.现场实测电路现场实测电路直接加压和感应加压，一般采用感应加压方式直接加压和感应加压，一般采用感应加压方式(可同时考核 主绝缘和纵绝缘可同时考核 主绝缘和纵绝缘)、电源频率、电源频率150250Hz，利用套管电容作 耦合电容。，利用套管电容作 耦合电容。axAXCkZ32无论是检测电压脉冲，还是检测电流脉冲，都存在将检 测信号转化为是在放电量的问题。无论是检测电压脉冲，还是检测电流脉冲，都存在将检 测信号转化为是在放电量的问题。qCXU由三电容模型可知，在不同被检测设备中即使发生相同 大小的放电，由于被测设备的电容不同，则测到的放电脉冲 幅值也会有很大差异。因此当改变测量回路任何参数时，都 必须对系统进行标定。标定方法为：在被测设备两端瞬时注入一定电荷量，使 被测设备端电压的变化和由局部放电引起的端电压的变化相 同，此注入量即为局部放电的视在放电量。由三电容模型可知，在不同被检测设备中即使发生相同 大小的放电，由于被测设备的电容不同，则测到的放电脉冲 幅值也会有很大差异。因此当改变测量回路任何参数时，都 必须对系统进行标定。标定方法为：在被测设备两端瞬时注入一定电荷量，使 被测设备端电压的变化和由局部放电引起的端电压的变化相 同，此注入量即为局部放电的视在放电量。放电量测量的标定放电量测量的标定33以幅值为以幅值为U0的方波通过串接小电容的方波通过串接小电容Cq注入试品两端，此 注入电荷量为注入试品两端，此 注入电荷量为Q0=U0 Cq如果此时测量系统的响应为如果此时测量系统的响应为h，则系统的校准系数为，则系统的校准系数为k=U0 Cq/hPD试验的直接校准回路34当进行实际检测，被测设备内部发生放电时，如测 量系统的响应为当进行实际检测，被测设备内部发生放电时，如测 量系统的响应为h,则对应的是在放电量为则对应的是在放电量为Q=k h=U0 Cq h/h为使校准保证达到一定的精度，为使校准保证达到一定的精度，Cq必须满足必须满足pFCCCCCCCqmkmkxq101.0上式中上式中Cm为测量阻抗的等值电容。通常为测量阻抗的等值电容。通常Cq为为100pF。35局部放电最主要的监测量就是视在放电量局部放电最主要的监测量就是视在放电量。qCXU它是其他测量参量的基础。它是其他测量参量的基础。局部放电的测量参数局部放电的测量参数361.放电能量 W表征局部放电的基本参数，除了视在放电量表征局部放电的基本参数，除了视在放电量q外，还有 外，还有 一次脉冲放电能量一次脉冲放电能量WW=qr(Ug-Ur)/2=q(Cg+Cb)(Ug-Ur)/(2 Cb)当外施电压由零上升到当外施电压由零上升到Us时，时，Cg上的电压为上的电压为Ug，即，即 Ug=Us Cb/(Cg+Cb)可得可得W=qUs(Ug-Ur)/(2 Ug)如如Ur0，则，则WqUs/2372.放电重复率N放电重复率放电重复率N：是表征是表征PD的另一个基本参数。因为在加 压半周期内能发生好几个脉冲。所以定义一秒钟内产生的脉 冲数叫做放电重复率的另一个基本参数。因为在加 压半周期内能发生好几个脉冲。所以定义一秒钟内产生的脉 冲数叫做放电重复率N，N也是一个重要参量。可以通过实 验求得也是一个重要参量。可以通过实 验求得如果如果每半周内的放电次数为每半周内的放电次数为n，则，则N=2fn=100n局部放电时气隙中的电压和电流的变化局部放电时气隙中的电压和电流的变化383.累积参数平均放电电流：平均放电电流：如果在测量时间如果在测量时间T内出现放电内出现放电m次，各次 相应的视在放电量为次，各次 相应的视在放电量为qa1,qam，则平均放电电流平均放电电流综合反映了放电量和放电次数。，则平均放电电流平均放电电流综合反映了放电量和放电次数。放电功率：放电功率：如果在测量时间如果在测量时间T内出现放电内出现放电m次，各次相 应的视在放电量和外加电压瞬时值的乘积为次，各次相 应的视在放电量和外加电压瞬时值的乘积为qa1 ut1,qam utm,则放电功率反映了放电量、放电次数和放电时的外加电压，包含有 最多的局部放电信息则放电功率反映了放电量、放电次数和放电时的外加电压，包含有 最多的局部放电信息TquPmiaiti 1TqImiai 1394 起始和熄灭电压起始放电电压：起始放电电压：当外加电压逐渐上升，达到能观察到局 部放电时的最低电压。当外加电压逐渐上升，达到能观察到局 部放电时的最低电压。熄灭电压：熄灭电压：当外加电压逐渐降低到观察不到局部放电 时，外加电压的最高值。对油纸绝缘，通常放电起始电压高于熄灭电压。而对固体绝缘，两者相差不大。当外加电压逐渐降低到观察不到局部放电 时，外加电压的最高值。对油纸绝缘，通常放电起始电压高于熄灭电压。而对固体绝缘，两者相差不大。40变压器内部常见的局部放电带有绝缘屏障的油间隙放电；带有绝缘屏障的油间隙放电；气体间隙放电；气体间隙放电；沿面放电沿面放电(围屏放电围屏放电)；悬浮电位放电；悬浮电位放电；杂质小桥诱发的放电。杂质小桥诱发的放电。41电力变压器中局部放电的 波形特征(1)带有绝缘屏障的油间隙放电带有绝缘屏障的油间隙放电0510152025-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4t (us)i (mA)0100200300400500-30-25-20-15-10-505t (ns)i(mA)(2)油中空气隙放电电流波形油中空气隙放电电流波形42050100150200250-50-40-30-20-10010t (ns)i (mA)02004006008001000-30-20-1001020t (ns)i(mA)(3)沿面放电沿面放电(4)杂质小桥放电杂质小桥放电43 变压器绕组特性变压器绕组特性44变压器绕组相应于一个阻容网络。变压器绕组相应于一个阻容网络。45 对变压器内部局部放电进行检测时，通常只能从 变压器外部有限的几个测量端口获得信号。对变压器内部局部放电进行检测时，通常只能从 变压器外部有限的几个测量端口获得信号。由于放电点在变压器中的出现具有很强的随机 性，放电信号由放电源经过变压器绝缘介质、绕 组到达外部的测量装置，必然受到绕组结构传播 特性的多种影响，具体表现为造成信号幅值的衰 减、波形的畸变和时间延迟等现象。由于放电点在变压器中的出现具有很强的随机 性，放电信号由放电源经过变压器绝缘介质、绕 组到达外部的测量装置，必然受到绕组结构传播 特性的多种影响，具体表现为造成信号幅值的衰 减、波形的畸变和时间延迟等现象。这就使得根据检测到的放电信号估算放电强度，进而判断故障类型、分析故障严重程度以及对故 障进行定位发生困难。这就使得根据检测到的放电信号估算放电强度，进而判断故障类型、分析故障严重程度以及对故 障进行定位发生困难。460246810-10123T(us)i(mA)The waveform of oil-gap PD pulse0246810-0.6-0.4-0.200.2T(us)i(mA)02004006008001000-5051015T(ns)i(mA)The waveform of bubble PD pulse0510152025-1.5-1-0.500.5T(us)i(mA)0100200300400500-100-50050T(ns)i(mA)The waveform of surface PD pulse0510152025-20246T(us)i(mA)02004006008001000-1-0.500.5T(ns)i(mA)The waveform of impurity PD pulse0510152025-0.0200.020.04T(us)i(mA)(a)油隙局部放电(b)气隙局部放电(c)沿面放电(d)杂质小桥诱发放电47 对于时域波形较宽的油隙放电，经绕组传输后 主要波形特征基本得到保留；对于时域波形较宽的油隙放电，经绕组传输后 主要波形特征基本得到保留；但对于沿面放电和气泡放电等窄脉冲放电，由 测量端获得的响应信号则发生非常大的畸变，已无法反应其但对于沿面放电和气泡放电等窄脉冲放电，由 测量端获得的响应信号则发生非常大的畸变，已无法反应其“原貌原貌”，输出波形为一衰减的振 荡波，基本与绕组的冲击电流响应一致，可见 主要反映的是绕组的传播特性。，输出波形为一衰减的振 荡波，基本与绕组的冲击电流响应一致，可见 主要反映的是绕组的传播特性。48局部放电的相位特征电晕放电相位图1.电晕放电放电脉冲主要集中在工频相位负半周的1.电晕放电放电脉冲主要集中在工频相位负半周的90附 近附 近。出现的放电脉冲几乎等幅值、等间隔。随着电压的升高 放电的大小几乎不变，但放电密度增加。出现的放电脉冲几乎等幅值、等间隔。随着电压的升高 放电的大小几乎不变，但放电密度增加。018049绝缘内部的气隙放电相位图2.气隙放电放电脉冲主要集中在工频相位气隙放电放电脉冲主要集中在工频相位2090和和200 270范围范围。在正负半周基本对称。在正负半周基本对称。50沿面放电相位图3.沿面放电放电脉冲主要集中在工频相位沿面放电放电脉冲主要集中在工频相位2090和和200 270范围范围。由于电极的不对称性导致放电脉冲在正负半 周也不对称。由于电极的不对称性导致放电脉冲在正负半 周也不对称。0180+51所以利用放电脉冲在外施电压工频相位上的统 计特征，比根据局部放电波形进行局部放电类型的 判断更为有效。所以利用放电脉冲在外施电压工频相位上的统 计特征，比根据局部放电波形进行局部放电类型的 判断更为有效。52局部放电危险吗？局部放电是否危险，取决于放电的类型。局部放电是否危险，取决于放电的类型。悬浮金属部件的悬浮放电悬浮金属部件的悬浮放电 油中的气泡放电油中的气泡放电 铁心多点接地铁心多点接地带有绝缘屏障的油间隙放电；带有绝缘屏障的油间隙放电；沿面放电；沿面放电；杂质小桥诱发的放电杂质小桥诱发的放电与固体绝缘有关的局部放电危险度高。不涉及固体绝缘的局部放电危险度相对较低。与固体绝缘有关的局部放电危险度高。不涉及固体绝缘的局部放电危险度相对较低。5354因此，测量局部放电量的大小，虽然是目前 监测设备绝缘状况的主要标准。但在实际应用 中，大多数情况对局部放电类型的判断比知道放 电点局部放电量的大小更为重要。因此，测量局部放电量的大小，虽然是目前 监测设备绝缘状况的主要标准。但在实际应用 中，大多数情况对局部放电类型的判断比知道放 电点局部放电量的大小更为重要。001515POS NEG phasecountsmagnitude(channel)001515POS NEG phasecountsmagnitude(channel)55局部放电监测系统局部放电监测系统56
