{电气工程管理}电气绝缘测试技术讲义第12课电力变压器在线检测

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1、电力变压器在线检测 局部放电,Partial Discharge on-line Monitoring,1,放 电,2,- 电晕 - 辉光 - 电弧,放电的主要类型,3,1. 电晕放电,4,火花放电,带电体,2. 火花 放电,5,3. 沿 面 放 电,6,4. 电 弧 放 电,7,放电发展过程（1）,8,放电发展过程（2）,9,放电发展过程（3）,10,放电发展过程（4）,11,放电发展过程（5）,12,什么是局部放电？,尚未导致绝缘系统贯穿性击穿的放电现象。,绝缘中的气隙放电 尖端电极的电晕放电 不同介质间的表面放电 浮动金属体的悬浮放电,13,局部放电的概念 简称为PD（Partial D

2、ischarge） ，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,14,导致局部放电的原因?,电晕发光区,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

3、就形成了局部放电。,15,以绝缘中的气隙放电为例。,s Es,g Eg,由于 g1, g2,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。,16,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：,电荷的迁移过程 电磁辐射 光辐射 超声波 介质分解反应,脉冲电流法,UHF测量,光学检测法,超声测量法,DGA,电测量,非电测量,17,一、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

4、过的脉冲电流来检测放电信号。,18,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； Cb：和Cg相串联部分的介质电容； Cm：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,局部放电的三电容模型,19,通常气隙很小，CgCb，CmCg。 电极间加上交流电压u，则Cg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,20,ug随外加电压u升高，当u上升到Us，ug达到气隙Cg的击穿电压Ug时，气隙Cg放电。于是Cg上的电压瞬间从Ug 下降到Ur，然后放电熄灭。Ur称为残余电压。,局部放

5、电时气隙中的电压和电流的变化,21,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，Cg上的电压也顺势而上升，当它再次升到Ug时，Cg再次放电，电压再次降到Ur，放电再次熄灭,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,22,Cg上的电压从Ug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,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,23,当Cg放电时，放电总电容Cg应为 Cg= Cg+CmCb/(Cm+Cb) Cg上的电压变化为(UgUr)，故一次脉冲放出的电荷应为 qr = (UgUr)Cg+CmCb/(Cm+Cb) 当Cm

6、Cb，Cg Cb，Ur = 0时，qrUgCg,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,24,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+CmCb/(Cm+Cb) 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。外施电压是作用在Cm上的，当Cg上的电压变动(Ug-Ur)时，会造成外施电压的变化量U应为 U = Cb（Ug-Ur) /（Cm+Cb),25,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+CmCb/(Cm

7、+Cb) U = Cb（Ug-Ur) /（Cm+Cb) 由此两式得 U=Cbqr/（CgCm+CgCb+CmCb） U是总电容上的电压变化量，与它相应的电荷变化量为 qUCm+CbCg/(Cb+Cg) 把U 式代入上式q ，可得 qqrCb/（Cg+ Cb）,26,qqrCb/（Cg+ Cb） 真实放电量：qr，是无法测量的； 而qUCm+CbCg/(Cb+Cg)= CXU 式中CX为绝缘介质的总电容，因为U及CX都是可以测得的，因此q也是可以测量的. 视在放电量：q，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q的允许值均有所规定 qqrCb/（Cg+ Cb

8、） 可见q比真实放电量qr 小得多，它以pC作为计量单位。其中C代表电荷量库仑。,27,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。 (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；,基本测量回路,(a) 电流脉冲检测 (b) 电压脉冲检测 直接测量电路,28,2. 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Ck 和Cx 性质相同时有理想的平衡效果。,平衡电路,29,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。

9、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。,放电量测量的标定,30,以幅值为U0的方波通过串接小电容Cq注入试品两端，此注入电荷量为 Q0 = U0Cq 如果此时测量系统的响应为h，则系统的校准系数为 k = U0Cq/h,PD试验的直接校准回路,31,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

10、应的是在放电量为 Q=k h= U0Cq h/h 为使校准保证达到一定的精度，Cq必须满足,上式中Cm为测量阻抗的等值电容。通常Cq为100pC。,32,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。,局部放电的测量参数,33,1.放电能量 W 表征局部放电的基本参数，除了视在放电量q外，还有一次脉冲放电能量W W =qr(Ug - Ur) /2 =q(Cg+Cb)(Ug - Ur)/(2 Cb) 当外施电压由零上升到Us时，Cg上的电压为Ug，即Ug=UsCb/(Cg+Cb) 可得 W =qUs(Ug - Ur) /(2 Ug ) 如Ur0，则 WqUs/2,3

11、4,2. 放电重复率N 放电重复率N：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N，N也是一个重要参量。可以通过实验求得 如果每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,35,3. 累积参数 平均放电电流：如果在测量时间T内出现放电m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。 放电功率：如果在测量时间T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qa1ut1, qamutm,则放电功率 反映了放电量、放电次数和放电时的

12、外加电压，包含有最多的局部放电信息,36,4 起始和熄灭电压 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。 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。,37,变压器内部常见的局部放电,带有绝缘屏障的油间隙放电； 空气隙放电； 沿面放电； 悬浮电位放电； 杂质小桥诱发的放电。,38,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,(2) 油中空气隙放电电流波形,39,(3) 沿面放电,(4) 杂质小桥放电,40,变压器绕组特性,41,变压器绕组相应于一个阻

13、容网络。,42,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。 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。,43,(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,44,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

14、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”，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。,45,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90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。,46,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2090和200 270范围。在正负半周基本对称。,47,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2090和200 270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。,48,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。,49,局部放电危险吗？,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 油中的气泡放电 铁心多点接地,带有绝缘屏障的油间隙放电； 沿面放电； 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。,50,51,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。,52,局部放电监测系统,53,