变压器局部放电的种类、特点、诊断方法

变压器局部放电的种类、特点、诊断方法 1 局部放电的定义: 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。 2 变压器局部放电的种类及其特点: 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。 2.1 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，C为该气隙的g CC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，ba 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 Z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Cu,Usin,tgm Cb，如图2(a)中虚线所示。当达到该气隙的放电电压uUu,Usin,tgsgmC，Cbg 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Cg剧下降到剩余电压时，火花熄灭，完成一次局部放电。随着外加电压的继续Ur 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。CuUggs 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,U,U,Ugsr 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 CCab (1) q,(C，),UrggC，Cab 因为C,,C，所以 ab q,(C，C),U,(C，C)(U,U) (2) rgbggbsr CC式中q为实际放电量，但因、等在实际中无法测定，因此q很难测得。 grbr ,UCC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gab CCC,U看，和串联连接)，因而上的电压变动为 abaa Cb (3) ,U,,UagC，Cab 也就是说，当气隙放电时，被试品两端的电压会下降，这相当于被试品放掉,Ua 电荷 q (4) q,(C，C),U,C,U,C(U,U)ababgbsr 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q (2)和式(4)可得 Cb (5) q,qrC，Cgb 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C,,Cqqgbr 例关系，因而值可以相对地反映的大小。 qqr 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qr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,Ua 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。 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。 2.2 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。 图4 介质表面出现的局部放电 图5 表面局部放电波形 2.3 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。 流电压下，当高压电极存在尖端，电场强度集中时，电晕一般出现在负在交 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5 放电波形 3 局部放电的诊断方法 变压器局部放电时伴有电脉冲、电磁辐射、声、光、局部发热以及放 电导致绝缘材料分解 出气体等现象，通过这些现象可以检测局部放电。通常将检测方法分为电测法和非电测法。 3.1局部放电的电测法 变压器局部放电定量检测主要采用的是电信号检测技术，包括脉冲电流法、超高频检测法和超宽频检测法等。 目前应用广泛的是脉冲电流法，主要在变压器中性点、外壳接地线或套管末屏接地线或串入罗果夫斯基线圈,或用一个与变压器高压套管抽头连接的检测阻抗来检测。 随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向超高频和超宽频方 向发展。超高频局部放电检测法是通过接收变压器内部放电所产生的超高频电信号，实现局部放电的检测。研究表明，变压器局部放电的脉冲上升沿的时间基本为一，发射的电磁波中高频分量十分丰富，通过接收该高频分量是可 以实现变压器局部放电检测的。UHF法接收局部放 电信号主要有两种方式:天线法司和电容祸合法采样频率可分别达到1.2 GHz和1.5 GHz。其优点是可 以对现场局部放 电检测的干扰进行有效的抑制，但 由于 电力变压器 内部绝缘结构 的复杂性，电磁波在传播过程 中会发生多次折反射和衰减，同时变压器箱壁的屏蔽作用也给局部放电的传播带来不利的影响，这就大大地增加 了变压器局部放 电超高频检测法的难度。 超宽频带(UWB)局部放电检测技术是在足够宽的频率范围内对局部放电进行检测，具有测量频率高、频带宽、信息量大等优点，可以较全面地研究局部放电的本特征，是基于超高频基础上的检测频带的拓宽，检测频率可达数GHz，实质 是一种超宽频带的UHF检测法。近年来对于局部放电进行超宽频带研究处于探索阶段，需要研究解决的技术关键包括局部放电UWB传感器技术、超宽频局部放电信号的实时采集技术和噪声干扰抑制技术等。 3.2局部放电的非电测法 局部放电的非电测法中应用最广的是化学检测法。局部放电化学检测是通过检测局部放电导致周围绝缘材料分解气体的接受/不接受程度对变压器的局部放电故障做早期诊断。放电产生的气体与放电能量是紧密相关的。离线化学检测方法，即实验室油色谱分析发展 已经成熟，积累了较多的故障诊断经验，但分析过程相对 比较复杂，分析周期较长。化学方法的在线检测正逐步应用推广，包括变压器油色谱在线检测、变压器油氢气浓度在线检测、变压器油中乙炔在线检测等，它们可以反映不同气体的动态特性，具有更好的展现变压器内部变化的潜能，但是这个知识体系是随现场经验的增多而逐渐积累起来的，是需要时间、精力、资金和创造力的。化学检测是一种定性检测法，不能检测放电量，对发现缓慢性的早期潜伏性故障较灵敏，不能反映突发性的故障，如围屏放电、主绝缘放电这类对变压器绝缘造成极大危害的流柱型放电。 电力变压器局部放电超声检测也有很好的应用前景。在电力变压器内部发生 能量的放出，超声波在不 同介质(油纸、隔板、局部放电时，会伴随有超声波 绕组、油等)中向外传播，到达固定在变压器油箱壁上的超声波传感器。根据由超声波传感器探测到的超声信号进行局部放 电的判断分析称为超声检测法。其优点是一方面不影响电气主设备的安全运行，另一方面不会受电磁干扰。缺点是放电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的，超声信号常常因为多种因素影响而失真，例如传播途径、频率、速度相关特性以及不同介质中的传播衰减等。典型的超声波传感器的频带大约为50KHz到200KHz。 光纤技术已经应用在局部放电的超声探测上，其优点是仅接收由油中直接路径传播的局部放电超声信号，而避免传统的油一钢复合路径造成的影响。测量原理是 当局部放电的超声信号传播到光纤上时会发生碰撞从而使光纤发生形变，紧接着导致光纤长度和折射系数发生变化。光波在光纤中传播时受到超声信号的相位调制，然后采用合适的调制解调器把局部放电的信号提取出来。尽管在实验室里采用光学技术对电气设备的局部放电和老化做了许多有用的研究，但该技术达到现场应用还有很大的距离。造成这种局限的主要原因有光学设备的造价高、对电气设备的入侵性以及被检测的电气设备 自身的原因。 红外检测也被应用于电力变压器局部放电的检测。红外检测是基于局部放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像原理实现热点测量。但由于变压器结构和传热过程的复杂性，要利用红外成像方法直接检测位于变压器本体内部的局部放电是十分困难的。目前变压器红外检测针对变压器外部故障(包括导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和变压器套管故障等)是有效的。 参考文献 【1】赵玉林，朱学东.高电压技术.北京:中国电力出版社，2008 【2】邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术.北京:水利电力出版社，1994 【3】陈华钢.电气设备预防性试验方法.北京:水利电力出版社，1994 【4】律方成,，刘云鹏，李燕青.电力变压器局部放电检测与诊断方法评述.华北电力大学学报【J】2003，11第30卷第6期 【5】李云阁，施围，张祥全，韩绍周，王煊，万荣兴.高压电器.2007 第6期 【6】李云阁，冯玉昌，张祥全，韩绍周，王煊，万荣兴.电网技术.2007 第10期