絕緣診斷與絕緣試驗(yàn)(二)

局部放電的測(cè)量

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

1）局部放電的概念和特點(diǎn)：

局部放電的概念：

PartialDischarge簡(jiǎn)稱為PD，指在一定外施電壓作用下，電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣弱點(diǎn)處發(fā)生的局部重復(fù)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(gè)或幾個(gè)絕緣內(nèi)部缺陷中（如氣隙或氣泡），在這個(gè)小空間內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度很大。雖然其放電能量很小，短時(shí)間內(nèi)對(duì)電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度并不造成影響，但電氣設(shè)備在工作電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，局部放電會(huì)逐步擴(kuò)大，并產(chǎn)生不良化合物，使絕緣慢慢損壞，導(dǎo)致整個(gè)絕緣被擊穿，發(fā)生突發(fā)性故障

局部放電的特點(diǎn)：介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，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(xué)變化。

局部放電的檢測(cè)：這些現(xiàn)象都可以用來判斷局部放電是否存在，因此檢測(cè)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(cè)回路中的電流。又分為直接法與平衡法

PD電量法檢測(cè)

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

超聲波探測(cè)法：在電氣設(shè)備外壁放上由壓電元件和前置放大器組成的超聲波探測(cè)器，用以探測(cè)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(cè)其強(qiáng)度和發(fā)生部位PD非電量法檢測(cè)3）局部放電的脈沖電流測(cè)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(jī)理

ug隨外加電壓u升高，當(dāng)u上升到Us時(shí)，ug到達(dá)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(shí)氣隙中的電壓和電流的變化局部放電時(shí)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(shí)Cg及Cb已經(jīng)有了一個(gè)初始的直流電壓，所以此后的ug

值不能直接用上式來表達(dá)，ug

值與上式表達(dá)的值在絕對(duì)值上要小一個(gè)（Ug－Ur）值。外加電壓上升時(shí)，Cg上的電壓也順勢(shì)上升，當(dāng)它再次升到Ug時(shí)，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(shí)刻，此時(shí)通過Cg有一脈沖電流，局部放電時(shí)氣泡中的電壓和電流的變化如圖所示局部放電時(shí)氣隙中的電壓和電流的變化

真實(shí)放電量：

△qr=(Ug－Ur)[Cg+CmCb/(Cm+Cb)]≈UgCg

(1kV*1pF=1000pC)實(shí)際無法測(cè)量

整體電壓降落：△U=Cb（Ug-Ur)/（Cm+Cb)

（0.01pF*1kV/100pF=0.1V）可測(cè)

視在放電量：

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

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

試品通過Ck后與檢測(cè)阻抗并聯(lián)的回路

試品與檢測(cè)阻抗相串聯(lián)的回路

5）PD測(cè)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(hào)：如廣播，電力系統(tǒng)中的載波通訊，手機(jī)通訊，高頻保護(hù)信號(hào)，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(hào)：如可控硅整流設(shè)備在可控硅開閉時(shí)產(chǎn)生的脈沖干擾信號(hào)。其特點(diǎn)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(jī)干擾：高壓輸電線的電暈放電，相鄰電氣設(shè)備的內(nèi)部放電，以及雷電，開關(guān)繼電器的斷、合，電焊操作等無規(guī)律的隨機(jī)性干擾。旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(cè)量系統(tǒng)的靈敏度，嚴(yán)重噪音將使局部放電測(cè)量無法進(jìn)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(dòng)電路；相位鎖定或可移開窗；統(tǒng)計(jì)法等。耐壓試驗(yàn)工頻高壓試驗(yàn)直流高壓試驗(yàn)雷電沖擊高壓試驗(yàn)操作沖擊高壓試驗(yàn)1）交流高壓試驗(yàn)

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

交流耐壓試驗(yàn)實(shí)施辦法：電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程（DL/T596）已對(duì)各類設(shè)備的耐壓值作出了規(guī)定。以電力變壓器為例，當(dāng)大修且全部更換繞組后，按出廠試驗(yàn)電壓值進(jìn)行試驗(yàn)。在其它情況下，耐壓值取出廠試驗(yàn)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(yàn)電壓值

括號(hào)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(yàn)電壓值kV中性點(diǎn)交流試驗(yàn)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(yàn)

直流耐壓：是直流電力設(shè)備的基本耐壓方式。對(duì)于交流電網(wǎng)中的長(zhǎng)電力電纜等，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)常出現(xiàn)困難，因?yàn)殚L(zhǎng)電纜的電容量較大。為了減小試驗(yàn)電源的試驗(yàn)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(huì)對(duì)絕緣造成殘留性損傷

直流耐壓特點(diǎn)：

與交流耐壓不同，直流耐壓無局部放電損傷：

對(duì)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(shí)電壓按介電常數(shù)ε分布：電壓較多作用在油層上

直流時(shí)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(qiáng)度較高，所以電纜能耐受較高的直流電壓 為了加強(qiáng)絕緣的考驗(yàn)，電纜的直流耐壓值規(guī)定得較高。盡管如此，對(duì)于在交流電網(wǎng)中使用的電纜，直流耐壓對(duì)絕緣的考驗(yàn)不如交流耐壓接近實(shí)際。3）雷電沖擊高壓試驗(yàn)

雷電沖擊耐壓考驗(yàn)電力設(shè)備承受雷電過電壓的能力。只在制造廠進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)，因?yàn)楸卷?xiàng)試驗(yàn)會(huì)造成絕緣的積累效應(yīng)，所以在規(guī)定的試驗(yàn)電壓下只施加3次沖擊。對(duì)小變壓器是作為型式試驗(yàn)進(jìn)行的。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定額定電壓≥220kV，容量≥120MVA的變壓器出廠時(shí)應(yīng)進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)。電力系統(tǒng)中的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，不進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)。對(duì)主絕緣耐受雷電過電壓的能力，由交流耐壓試驗(yàn)等值地承擔(dān)

4）操作沖擊高壓試驗(yàn)

≥330kV電力設(shè)備的出廠試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)。對(duì)變壓器進(jìn)行出廠試驗(yàn)時(shí)，大多采用在高壓繞組上直接加壓法。在電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各個(gè)電壓等級(jí)變壓器的耐壓試驗(yàn)時(shí)，可采用操作沖擊感應(yīng)耐壓方式來取代工頻耐壓試驗(yàn)。由于利用被試變壓器自身的電磁感應(yīng)作用來升高電壓，所以沖擊電源裝置電壓較低，整個(gè)裝備比較簡(jiǎn)單。因?yàn)楣ゎl耐壓試驗(yàn)本來是等值地代表雷電和操作過電壓的，所以從這個(gè)意義上來說，進(jìn)行操作沖擊耐壓試驗(yàn)是合理的。而且試驗(yàn)本身不會(huì)在絕緣中產(chǎn)生殘留性損傷各種預(yù)防性試驗(yàn)方法的特點(diǎn)總結(jié)序號(hào)試驗(yàn)方法能發(fā)現(xiàn)的缺陷1測(cè)量絕緣電阻及泄漏電流貫穿性的受潮、臟污和導(dǎo)電通道2測(cè)量吸收比大面積受潮、貫穿性的集中缺陷3測(cè)量tgδ絕緣普遍受潮和劣化4測(cè)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(yàn)使抗電強(qiáng)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(yīng)耐壓試驗(yàn)(限于變壓器)使抗電強(qiáng)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(hào)6和7兩項(xiàng)為破壞性試驗(yàn)，其它各項(xiàng)均屬于非破壞性試驗(yàn)

絕緣預(yù)防性試驗(yàn)是在電力設(shè)備處于離線情況下進(jìn)行的。離線監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)是：

①需停電進(jìn)行，而不少重要的電力設(shè)備不能輕易地停止運(yùn)行；

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

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

在線監(jiān)測(cè)和診斷是電力設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行的，故可避免離線監(jiān)測(cè)及診斷的上述缺點(diǎn)，可使判斷更加準(zhǔn)確。自70年代以來，隨著傳感、信息處理及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。根據(jù)在線監(jiān)測(cè)和診斷的結(jié)論，還可以做到有的放矢地進(jìn)行維修，這種維修稱為預(yù)知性維修。

在線監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)的不足是投資費(fèi)用較大，只適用于大型和重要設(shè)備及變電所

在線監(jiān)測(cè)和診斷的優(yōu)缺點(diǎn)

1）tgδ的在線監(jiān)測(cè)

2）局部放電（PD）的在線監(jiān)測(cè)絕緣的在線監(jiān)測(cè)沖擊高壓試驗(yàn)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(jié)構(gòu)沖擊電壓測(cè)量a、雷電沖擊電壓波OC為視在波前OF為視在波前時(shí)間OG為視在半峰值時(shí)間（也稱為波尾時(shí)間）國標(biāo)規(guī)定：一、沖擊電壓波形b、操作沖擊電壓波國標(biāo)規(guī)定：沖擊電壓的一般表達(dá)式：u2=U1[exp（-t/τ1）-exp（-t/τ2）]時(shí)間常數(shù)：用τ1和τ2表達(dá)1.2/50μs的雷電波：τ1＞＞τ2

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

在t1時(shí)：u2=0.3U2m

在t2時(shí)：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(shí)間Tf

：因圖中ΔO1CF與ΔABD相似，故波前時(shí)間：Tf=(t2－t1)/(0.9－0.3)≈τ2?n7/0.6≈3.24τ2≈3.24RfC2標(biāo)準(zhǔn)波定義

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

其中充電時(shí)間常數(shù)τ2=RfC2U1RfC2等值電路

在求半峰值時(shí)間與電路參數(shù)關(guān)系時(shí)，仍然考慮τ1＞＞τ2，到達(dá)半峰值時(shí)間時(shí)，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(shí)間Tt時(shí)，考慮到Tt＞＞Tf，不計(jì)及Tf的影響 認(rèn)為u2≈U1exp（－t/τ1）

其中放電時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于充電時(shí)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(dá)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(chǔ)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(shí)間以微秒計(jì)，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(jí)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(jí)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(jí)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(fù)極性沖擊電壓多級(jí)沖擊電壓發(fā)生器回路放電時(shí)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(hù)電阻，一般為幾百千歐；R：充電電阻，一般為幾十千歐；rd:每級(jí)的阻尼電阻；C：每級(jí)的主電容，一般為零點(diǎn)幾個(gè)微法；Cs：每級(jí)相應(yīng)點(diǎn)的對(duì)地雜散電容，一般僅為幾個(gè)皮法；g1：點(diǎn)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(shí)起電路的連接作用；放電時(shí)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