絕緣診斷與絕緣試驗(二)

局部放電的測量

1）局部放電概念和特點2）測量局部放電的幾種方法3）局部放電的脈沖電流測量法4）脈沖電流法測PD的基本回路5）PD測量的抗干擾問題

1）局部放電的概念和特點：

局部放電的概念：

PartialDischarge簡稱為PD，指在一定外施電壓作用下，電氣設備內(nèi)部絕緣弱點處發(fā)生的局部重復擊穿和熄滅現(xiàn)象

局部放電的危害：

局部放電發(fā)生在一個或幾個絕緣內(nèi)部缺陷中（如氣隙或氣泡），在這個小空間內(nèi)電場強度很大。雖然其放電能量很小，短時間內(nèi)對電氣設備的絕緣強度并不造成影響，但電氣設備在工作電壓下長期運行時，局部放電會逐步擴大，并產(chǎn)生不良化合物，使絕緣慢慢損壞，導致整個絕緣被擊穿，發(fā)生突發(fā)性故障

局部放電的特點：介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電時，伴隨著發(fā)生許多現(xiàn)象。有些屬于電的：如電脈沖的產(chǎn)生、介質(zhì)損耗的增大及電磁波放射；有些屬于非電的：如光、熱、噪音、氣體壓力的變化和化學變化。

局部放電的檢測：這些現(xiàn)象都可以用來判斷局部放電是否存在，因此檢測的方法也可分為電的和非電的兩類

脈沖電流法：將被試品兩端的電壓突變轉(zhuǎn)化為檢測回路中的電流。又分為直接法與平衡法

PD電量法檢測

絕緣油的氣相色譜分析法：通過檢查電氣設備油樣內(nèi)所含的氣體組成含量來判斷設備內(nèi)部的隱藏缺陷

超聲波探測法：在電氣設備外壁放上由壓電元件和前置放大器組成的超聲波探測器，用以探測局部放電所形成的超聲波，從而了解有無局部放電的發(fā)生，粗測其強度和發(fā)生部位PD非電量法檢測3）局部放電的脈沖電流測量法局部放電的三電容模型

Cg：氣泡的電容；

Cb：和Cg相串聯(lián)部分的介質(zhì)電容；

Cm：其余大部分絕緣的電容介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型

(a)具有氣泡的介質(zhì)剖面(b)等值電路

氣泡很小，Cg比Cb大，Cm比Cg大很多 電極間加上交流電壓u，則Cg上的電壓為ug，

Ug=UCb/(Cg+Cb)例如：Cg=1pFCb=0.01pFCm=100pF則：Ug=1kV;U=100kV

局部放電機理

ug隨外加電壓u升高，當u上升到Us時，ug到達Cg的放電電壓Ug，Cg氣隙放電。于是Cg上的電壓一下從Ug下降到Ur，然后放電熄滅。Ur叫做殘余電壓，它可以接近為零值，也可以為小于Ug的其它值局部放電時氣隙中的電壓和電流的變化局部放電時氣隙中的電壓和電流的變化

放電火花一熄滅，Cg上的電壓將再次上升。由于此時Cg及Cb已經(jīng)有了一個初始的直流電壓，所以此后的ug

值不能直接用上式來表達，ug

值與上式表達的值在絕對值上要小一個（Ug－Ur）值。外加電壓上升時，Cg上的電壓也順勢上升，當它再次升到Ug時，Cg再次放電，電壓再次降到Ur，放電再次熄滅。

Cg上的電壓從Ug突變?yōu)閁r的一瞬間，就是局部放電脈沖的形成時刻，此時通過Cg有一脈沖電流，局部放電時氣泡中的電壓和電流的變化如圖所示局部放電時氣隙中的電壓和電流的變化

真實放電量：

△qr=(Ug－Ur)[Cg+CmCb/(Cm+Cb)]≈UgCg

(1kV*1pF=1000pC)實際無法測量

整體電壓降落：△U=Cb（Ug-Ur)/（Cm+Cb)

（0.01pF*1kV/100pF=0.1V）可測

視在放電量：

△q=△U{Cm+[CbCg/(Cb+Cg)]}=△UCm≈UgCb(1kV*0.01pF=10pC)可測

視在放電量是局部放電試驗中的重要參量，國際和國家標準中，對于各類高壓設備的△q的允許值均有所規(guī)定4）脈沖電流法測PD的基本回路電橋平衡回路

試品通過Ck后與檢測阻抗并聯(lián)的回路

試品與檢測阻抗相串聯(lián)的回路

5）PD測量的抗干擾問題1、周期性干擾：

⑴連續(xù)的周期性干擾信號：如廣播，電力系統(tǒng)中的載波通訊，手機通訊，高頻保護信號，諧波，工頻干擾等等，其波形一般是正弦形。

⑵脈沖型周期性干擾信號：如可控硅整流設備在可控硅開閉時產(chǎn)生的脈沖干擾信號。其特點是該脈沖干擾周期性地出現(xiàn)在工頻的某相位上。2、脈沖型隨機干擾：高壓輸電線的電暈放電，相鄰電氣設備的內(nèi)部放電，以及雷電，開關繼電器的斷、合，電焊操作等無規(guī)律的隨機性干擾。旋轉(zhuǎn)電機電刷和滑環(huán)間的電弧等?？垢蓴_措施

背景噪音決定最小可見視在放電量，亦即決定測量系統(tǒng)的靈敏度，嚴重噪音將使局部放電測量無法進行。

目前常采用的抗干擾措施包括：軟硬件濾波；平衡電路；差動電路；相位鎖定或可移開窗；統(tǒng)計法等。耐壓試驗工頻高壓試驗直流高壓試驗雷電沖擊高壓試驗操作沖擊高壓試驗1）交流高壓試驗

交流耐壓：是交流設備的基本耐壓方式。適用于≤220kV以下的電力設備。以變壓器為例，如圖所示串級變壓器高壓繞組中點接殼的串級變壓器原理電路圖工頻高壓的測量工頻高壓的測量雜散參數(shù)的影響工頻分壓器測壓電路（雜散參數(shù)的影響）

交流耐壓試驗實施辦法：電力設備預防性試驗規(guī)程（DL/T596）已對各類設備的耐壓值作出了規(guī)定。以電力變壓器為例，當大修且全部更換繞組后，按出廠試驗電壓值進行試驗。在其它情況下，耐壓值取出廠試驗電壓的85％。規(guī)程給出的電力變壓器的交流工頻耐壓值如表所示電力變壓器交流試驗電壓值

括號內(nèi)數(shù)值適用于不固定接地或經(jīng)小電抗接地系統(tǒng)

額定電壓kV最高工作電壓kV線端交流試驗電壓值kV中性點交流試驗電壓值kV全部更換部分更換繞組全部更換部分更換繞組3540.5857285726672.5140120140120110126.0200170（195）9580220252.036039530633685（200）72（170）330363.046051039143485（230）72（195）500550.063068053657885140721202)直流高壓試驗

直流耐壓：是直流電力設備的基本耐壓方式。對于交流電網(wǎng)中的長電力電纜等，在現(xiàn)場進行交流耐壓試驗常出現(xiàn)困難，因為長電纜的電容量較大。為了減小試驗電源的試驗容量，規(guī)程采用直流耐壓來檢查電纜絕緣的質(zhì)量。直流耐壓基本上不會對絕緣造成殘留性損傷

直流耐壓特點：

與交流耐壓不同，直流耐壓無局部放電損傷：

對于電纜等油紙絕緣，在交、直流電壓作用下，在油和紙上的電壓分布不一樣 交流時電壓按介電常數(shù)ε分布：電壓較多作用在油層上

直流時電壓按電阻系數(shù)ρ分布：電壓較多作用在紙上 紙的耐壓強度較高，所以電纜能耐受較高的直流電壓 為了加強絕緣的考驗，電纜的直流耐壓值規(guī)定得較高。盡管如此，對于在交流電網(wǎng)中使用的電纜，直流耐壓對絕緣的考驗不如交流耐壓接近實際。3）雷電沖擊高壓試驗

雷電沖擊耐壓考驗電力設備承受雷電過電壓的能力。只在制造廠進行本項試驗，因為本項試驗會造成絕緣的積累效應，所以在規(guī)定的試驗電壓下只施加3次沖擊。對小變壓器是作為型式試驗進行的。國家標準規(guī)定額定電壓≥220kV，容量≥120MVA的變壓器出廠時應進行本項試驗。電力系統(tǒng)中的絕緣預防性試驗，不進行本項試驗。對主絕緣耐受雷電過電壓的能力，由交流耐壓試驗等值地承擔

4）操作沖擊高壓試驗

≥330kV電力設備的出廠試驗應進行本項試驗。對變壓器進行出廠試驗時，大多采用在高壓繞組上直接加壓法。在電力系統(tǒng)現(xiàn)場進行各個電壓等級變壓器的耐壓試驗時，可采用操作沖擊感應耐壓方式來取代工頻耐壓試驗。由于利用被試變壓器自身的電磁感應作用來升高電壓，所以沖擊電源裝置電壓較低，整個裝備比較簡單。因為工頻耐壓試驗本來是等值地代表雷電和操作過電壓的，所以從這個意義上來說，進行操作沖擊耐壓試驗是合理的。而且試驗本身不會在絕緣中產(chǎn)生殘留性損傷各種預防性試驗方法的特點總結序號試驗方法能發(fā)現(xiàn)的缺陷1測量絕緣電阻及泄漏電流貫穿性的受潮、臟污和導電通道2測量吸收比大面積受潮、貫穿性的集中缺陷3測量tgδ絕緣普遍受潮和劣化4測量局部放電有氣體放電的局部缺陷5油的氣相色譜分析持續(xù)性的局部過熱和局部放電6交流或直流耐壓試驗使抗電強度下降到一定程度的主絕緣局部缺陷7操作波或倍頻感應耐壓試驗(限于變壓器)使抗電強度下降到一定程度的主絕緣或縱絕緣的局部缺陷表中序號6和7兩項為破壞性試驗，其它各項均屬于非破壞性試驗

絕緣預防性試驗是在電力設備處于離線情況下進行的。離線監(jiān)測的缺點是：

①需停電進行，而不少重要的電力設備不能輕易地停止運行；

②只能周期性進行而不能連續(xù)地隨時監(jiān)視，絕緣有可能在診斷期間發(fā)生故障；

③停電后的設備狀態(tài)，如作用電場及溫升等和運行中不相符合，影響診斷的正確性。譬如前述的絕緣tgδ檢測，采用電橋法時，由于標準電容器的額定電壓的限制，一般只加到10kV，這對于220kV～500kV的電力設備而言，電壓是很低的。離線監(jiān)測的缺點

在線監(jiān)測和診斷是電力設備在運行狀態(tài)下進行的，故可避免離線監(jiān)測及診斷的上述缺點，可使判斷更加準確。自70年代以來，隨著傳感、信息處理及電子計算機技術的快速發(fā)展，在線監(jiān)測和診斷技術也得到迅速的發(fā)展。根據(jù)在線監(jiān)測和診斷的結論，還可以做到有的放矢地進行維修，這種維修稱為預知性維修。

在線監(jiān)測和診斷技術的不足是投資費用較大，只適用于大型和重要設備及變電所

在線監(jiān)測和診斷的優(yōu)缺點

1）tgδ的在線監(jiān)測

2）局部放電（PD）的在線監(jiān)測絕緣的在線監(jiān)測沖擊高壓試驗沖擊電壓波形沖擊電壓發(fā)生器原理沖擊電壓發(fā)生器結構沖擊電壓測量a、雷電沖擊電壓波OC為視在波前OF為視在波前時間OG為視在半峰值時間（也稱為波尾時間）國標規(guī)定：一、沖擊電壓波形b、操作沖擊電壓波國標規(guī)定：沖擊電壓的一般表達式：u2=U1[exp（-t/τ1）-exp（-t/τ2）]時間常數(shù)：用τ1和τ2表達1.2/50μs的雷電波：τ1＞＞τ2

u2的構成：u2由兩個指數(shù)分量相加構成波形時間的確定：波前時間相對于波尾半峰值時間要短得多。波前時間Tf基本上由較小的時間常數(shù)τ2決定；半峰值時間Tt基本上由相對大得多的時間常數(shù)τ1決定

在t1時：u2=0.3U2m

在t2時：u2=0.9U2m

∴0.3U2m≈U2m[1-exp（-t1/τ2）]，即exp（-t1/τ2）≈0.7 0.9U2m≈U2m[1-exp（-t2/τ2）]，即exp（-t2/τ2）≈0.1

由上兩式可得t2－t1≈τ2?n7波前時間Tf

：因圖中ΔO1CF與ΔABD相似，故波前時間：Tf=(t2－t1)/(0.9－0.3)≈τ2?n7/0.6≈3.24τ2≈3.24RfC2標準波定義

在求波前時間Tf與電路參數(shù)的關系時，可近似地認為exp（－t/τ1）隨時間t幾乎不變，且設其值恒定為1。即u2≈U1[1－exp（－t/τ2）]

其中充電時間常數(shù)τ2=RfC2U1RfC2等值電路

在求半峰值時間與電路參數(shù)關系時，仍然考慮τ1＞＞τ2，到達半峰值時間時，雙指數(shù)分量中的exp（－t/τ2）早已衰減到接近零值，如圖中雙指數(shù)曲線所示。因此在確定半峰值時間Tt時，考慮到Tt＞＞Tf，不計及Tf的影響 認為u2≈U1exp（－t/τ1）

其中放電時間常數(shù)τ1=RtC1

根據(jù)波形定義U2m/2≈U2mexp（－Tt/τ1）

故Tt=τ1?n2≈0.69τ1

≈0.69RtC1標準波定義C1U1Rt等值電路U1RfC2C1U1Rt波頭的形成：放電電阻Rt→∞，球隙g0放電后，電壓u2上升。τ2相當于充電時間常數(shù)。τ2=RfC1C2/（C1＋C2）Tf=3.24RfC1C2/（C1＋C2）因C1＞＞C2，Tf≈3.24RfC2波尾的形成：電壓u2到達峰值U2m后，電容C1和C2一起經(jīng)過電阻Rt放電。因一般C1＞＞C2，放電快慢主要決定于C1τ1≈Rt(C1＋C2)≈RtC1Tt＝0.69Rt(C1＋C2)≈0.69RtC1C2上電壓u2的波形波前波尾二、沖擊電壓發(fā)生器的基本原理

沖擊電壓發(fā)生器概念：沖擊電壓發(fā)生器由一組并聯(lián)的儲能高壓電容器，自直流高壓源充電幾十秒鐘后，通過銅球突然經(jīng)電阻串聯(lián)放電，在試品上形成陡峭上升前沿的沖擊電壓波形。沖擊波持續(xù)時間以微秒計，電壓峰值一般為幾十kV至幾MV

發(fā)明人：產(chǎn)生較高電壓的沖擊發(fā)生器多級回路，首先由德國人E.馬克思（E.Marx）提出，為此他于1923年獲得專利，被稱為馬克思回路單級沖擊電壓發(fā)生器回路回路1回路2由于受到硅堆和電容器額定電壓的限制，單級沖擊電壓發(fā)生器的最高電壓不超過200~300kV。正極性沖擊電壓負極性沖擊電壓多級沖擊電壓發(fā)生器回路放電時基本回路的等值回路τ2=（Rd＋Rf）C1C2/（C1＋C2）于是Tf=3.24（Rd＋Rf）C1C2/（C1＋C2）因C1＞＞C2，Tf≈3.24（Rd＋Rf）C2τ1≈(Rd＋Rt)(C1＋C2)≈（Rd＋Rt）C1Tt＝0.69(Rd＋Rt)(C1＋C2)Tt≈0.69（Rd＋Rt）C1T：供電高壓變壓器；D：整流用高壓硅堆；r：保護電阻，一般為幾百千歐；R：充電電阻，一般為幾十千歐；rd:每級的阻尼電阻；C：每級的主電容，一般為零點幾個微法；Cs：每級相應點的對地雜散電容，一般僅為幾個皮法；g1：點火球隙；g2～g4：中間球隙；g0：隔離球隙；

“電容器并聯(lián)充電，而后串聯(lián)放電”

電阻R的連接與隔離作用：在充電時起電路的連接作用；放電時則起隔離作用

電容并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換方法：諸電容由并聯(lián)變成串聯(lián)是靠一組球隙分