（高电压与绝缘技术专业论文）直流电压下油纸绝缘模型放电发展过程的研究.pdf

， 华北电力人学硕十学何论文 摘要 现有的直流电压下局部放电测量方法还不完善，缺少渗断的标准。因此，研究直流 电压下局部放电的特征和放电过程可对放电的诊断方法提供依据。 本文构建了直流电压下油纸绝缘局部放电模拟系统，其中包括放电模型、局部放电 信号检测系统和局部放电数据采集系统。结合升压法和恒压法，实验研究了在恒定温度 下放电模型的放电发生、发展、直至击穿的过程。采用特高频法、常规脉冲电流法和宽 带脉冲电流法实时测量了放电发展过程中的局部放电信号，分析了直流电压下油纸绝缘 模型放电的发展过程。 所观察的现象表明：直流局部放电的频率非常低，偶尔出现簇状放电；在外施电压 改变的时候，局部放电现象会显著增强，随后减弱。 研究结果表明：随着放电的发展，放电次数、平均放电量、最大放电量和总放电量 均变化不大，难以找出放电阶段的特征；宽带电流信号的t f 谱图可以给出一些局部放 电的类型。 关键词：油纸绝缘，直流局部放电，特高频，脉冲电流，等效时频变换 一冀黟 彳算 _ _ i 华北电力人。学硕 ：学何论文 a b s t r a c t t h ee x i s t i n gm e a s u r e m e n tm e t h o do fp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) u n d e rd cv o l t a g ei sn o t p e r f e c t ，m a dd i s c h a r g ep r o c e s s e sl a c kd i a g n o s t i cc r i t e r i a t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho np a r t i a l d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c h a r g ep r o c e s s e su n d e rd cv o l t a g ee x c i t a t i o n i s v e r y i m p o r t a n tf o rt h ee x p e r i m e n t a ls o l v i n gt h ep r o b l e m i nt h i sp a p e r ad c - p ds i m u l a t i o ns y s t e mi n o i l - p a p e ri n s u l a t i o ni sb u i l t ，i n c l u d i n ga d i s c h a r g em o d e l ，ad e t e c t i o ns y s t e mo fp d ，a n da d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fp d b yu s i n gt h e c o m b i n a t i o nm e t h o do fc o n s t a n tv o l t a g ea n ds t e p - u pv o l t a g e ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f d i s c h a r g ea tc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei so b s e r v e d b yt h em e t h o do fu h f , c o n v e n t i o n a lp u l s e c u r r e n ta n du w b ，t h ep ds i g n a l so fd e v e l o p m e n tp r o c e s sa r em e a s u r e di nr e a l - t i m e ，t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fd cd i s c h a r g ei no i l p a p e ri n s u l a t i o ni sa n a l y z e t h eo b s e r v e dp h e n o m e n as h o wt h a tt h ef r e q u e n c yo fd c p di sv e r yl o w , t h ec l u s t e r so f p dh a p p e n so c c a s i o n a l l y , a n dp da c t i v i t ye n h a n c e ss i g n i f i c a n t l yw h e nt h ev o l t a g ei s c h a n g e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s c h a r g e ，p a r a m e t e r si n c l u d i n g d i s c h a r g ef r e q u e n c y a v e r a g ea m p l i t u d e o fp d ，m a x i m u ma m p l i t u d eo fp d ，a n dt o t a l a m p l i t u d eo fp d ，a r el i t t l ec h a n g e d t h e r e f o r e ，i ti sd i f f i c u l tt od e c i d et h ed e v e l o p m e n to f d i s c h a r g e t h et fs p e c t r u m so fu w bs i g n a l sc a nr e c o g n i z et h em u l t i p l ep a r t i a ld i s c h a r g e s o u r e s k e yw o r d s ：o i l - p a p e ri n s u l a t i o n ，d cp a r t i a ld i s c h a r g e ，u h f , p u l s ec u r r e n t ，e q u i v a l e n t t i m e - f r e q u e n c yt r a n s f o r m s y a n gb o ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n i q u e ) d i r e c t e db yp r o f l ic h e n gr o n g i i 卜气_ 0 华，i t l 乜力人学硕十。何论文 目录 摘要i 第一章引言1 1 1 检测油纸绝缘系统直流局部放电的意义1 1 2 国内外直流局部放电测量的研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状2 1 3 目前存在的问题3 1 4 本文的主要工作4 第二章直流电压下油纸绝缘系统局部放电试验平台5 2 1 油纸绝缘局部放电模拟系统5 2 2 油纸绝缘局部放电检测系统9 2 3 油纸绝缘局部放电数据采集系统1 6 第三章直流局部放电信号的提取和分析方法18 3 1 直流局部放电谱图相关特征量1 8 3 1 1 视在放电电荷印。1 8 3 1 2 局部放电的重复率n 1 9 3 1 3 单次脉冲波形相关特征量的提取2 0 3 1 4 等效时频分析方法2 1 3 2 局部放电特征量分析统计程序设计2 2 第四章直流油纸绝缘圆柱平板模型放电发展过程的试验研究2 4 4 1 纸板和变压器油的预处理2 4 4 2 试验方法2 5 4 3 局部放电发展过程2 5 4 3 1 局部放电发展的现象2 5 4 3 2 局部放电信号的统计分析3 2 4 3 3 直流电压下油纸绝缘模型放电发展过程的解释3 7 第五章放电模式的识别4 2 5 1 内部放电为主导模型4 2 5 2 沿面放电为主导模型4 3 第五章结论4 6 参考文献4 7 i ， 叠 j11 孽f。警 华北电力人学硕十z 何论文 在学期间发表的学术论文情况5 2 致谢5 3 i v ，j t蘑-，蠢髯一1-】，j 华北电力人。z 硕十。学位论文 第一章引言 1 1 检测油纸绝缘系统直流局部放电的意义 随着电力系统的扩大，输电功率的增加，输电距离的增长以及海底电缆输电、 不同频率电网之间的联网与送电等的实际需求，高压直流输电系统得到快速的发 展。现代高压直流输电系统大致包括整流站、直流输电线路和逆变站三大部分。其 中采用油纸绝缘的关键设备换流变压器是换流站( 包括整流站和逆变站) 的主要一 次设备，是高压直流输电系统的关键部分，它的好坏直接影响直流输电的可靠程度 2 1 。换流变压器面对的最为重要的难题是绝缘问题，经过权威部门的调查和统计， 发现换流变压器中最常见的故障多见于线圈绝缘损坏、油纸绝缘强度降低、套管等 故障，换流变压器的故障率大约是交流变压器的两倍。其主要原因：一是换流变压 器阀侧绕组在运行中承受较高的直流分量，油纸复合绝缘结构在直流电压作用下电 场分布受到绝缘材料电阻率的影响，绝缘材料的电阻率又受温度、湿度、电场强度 及加压时问等诸多因素的影响，所以准确计算绝缘介质中的工作场强目f j 还比较困 难，这就给产品绝缘设计与制造提出了更高的要求；二是换流变压器在运行中所承 受的机械、热负荷也比一般交流变压器高，绝缘劣化比较严重：三是换流变压器的 阀绕组是全绝缘，每台单相双绕组换流变压器至少有3 个超高压引出端子，这必然 导致其绝缘结构复杂，增加在试验和运行中发生绝缘故障的可能性。随着直流输电 电压等级的不断提高，直流输电系统中相关电工设备油纸绝缘结构的某些薄弱环节 就会产生甚至加剧直流电压下的局部放电，在局部放电的长期作用下，由于放电引 起的一系列物理效应和化学变化，如带电质点的轰击、热效应、活性生成物、辐射 效应、机械力作用等，造成绝缘性能的劣化，加速了绝缘老化，局部放电逐步发展 将导致绝缘击穿，以至造成无法预料的事故，可能会导致该设备运行出现故障口 引。 局部放电检测是当i j 人们公认的发现潜在性绝缘故障最及时最有效的一种技 术，无论是研究机构、制造厂商、还是电力系统运行部门，都广泛地把局部放电测 量作为质量监控的重要指标。局部放电在线监测能够连续、实时地反应出电力设备 内部的绝缘劣化状况，因此已经成为掌握电力设备绝缘状况的重要手段之一。因此， 研究油纸绝缘系统的直流局部放电，就可能确定采用油纸绝缘高压直流设备的质 量，并揭露其结构及工艺上的缺陷，可能为其绝缘结构设计及绝缘材料的研制提供 部分理论依据，也可能对直流输电系统中采用油纸绝缘系统的设备状态进行评估， 并为其制定合理的运行、维护以及更新计划，实现为油纸绝缘设备的状态检修提供 科学依据，也是提高直流下油纸绝缘设备的可用率和运行可靠性的重要保障抽一3 。 f 扛北电力人学硕十。孚何论文 1 2 国内外直流局部放电测量的研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对于直流条件下局部放电测试方法的研究早在上世纪5 0 年代就已丌展，当 时测试方法基本上仍沿用交流条件下的测试系统，主要测试对象是电缆，采用放电 次数、放电量来衡量试样绝缘状况。美国圣地亚实验室利用直流局部放电测量技术 来检测电缆绝缘老化状况和寿命的预测，提出电缆局部放电分析情况，描述了电缆 的贮存年限与放电次数、放电量的关系曲线，认为电缆老化和失效的主要因素是局 部放电。 荷兰的d e l f t 科技大学的u f r o m m 等人做了大量关于直流局部放电测试及模式 识别的工作。将交流局部放电检测中三维谱图中的相位信息变换为放电时间i b j 隔， 引入f 的概念，从而将交流中的三维谱图识别技术引入直流中。同时，建立了时延 及恢复模型，认为放电脉冲的幅值大小与前一个放电脉冲无关，也与后一个放电脉 冲无关，主要取决于放电时延。一个较大的脉冲导致较小的恢复时1 1 i j ，其中有两方 面的影响，其一：大脉冲产生较多的空问电荷，导致较大的恢复时问；其二，大脉 冲产生了较多的亚稳态气体分子，导致气泡的击穿场强降低，从而导致较小的恢复 时间。根据实验结果，第二因素占主导地位。 另外，同样是荷兰的d e l f t 科技大学的j j s m i t s u p e t e r h f 在f r o m m 的基础上 又进行了进一步的研究。他们认为直流局部放电在相对低的电压等级时遵循“汤森 放电理论”，此时，脉冲幅值相对较低，脉宽相对较长；在相对高的电压等级，放 电遵循“流注理论”，此时，脉冲幅值相对较高，脉宽相对较短阳”。理论模型的 研究有助于对局部放电模式识别的深入研究和对局部放电本质的更深刻的理解。 意大利b o l o g n a 大学的a c a v a l l i n i 和g c m o n t a n a r i 等人利用威布尔分布 的形状参数、幅值脉冲间隔时间曲线的偏斜度和陡峭度等参数，分析放电脉冲 的波形和频谱，初步区分了电晕、沿面和内部三种放电类型。并且指出某些情况 下直流局部放电可能并非直流设备失效的最主要原因，但是它往往是最终失效的先 兆，而且它还可以揭示绝缘中的薄弱点。因此，进行直流局部放电测量有重要的实 用价值。 1 2 2 国内研究现状 国内关于直流局部放电的研究刚刚起步，且主要集中在高压储能电容器上。华 中科技大学的林福昌教授、姚宗干教授等人对全膜结构脉冲电容器在直流条件进行 了局部放电试验研究，与寿命试验相结合，发现了一些有利于判断脉冲电容器绝缘 状况的试验参数n 2 1 。 2 |r，j】 晴键瓢1jl 华北电力人：硕十：侮论文 西安交大的于钦学教授、邱昌容教授等人对油纸绝缘的直流局部放电进行了研 究，发现了油纸绝缘的放电重复率随温度、电压的增加而增加，常温下电压降至接 近零时放电次数最多，随着时问的延长放电逐渐减少到无放电，而且在高温下能看 到熄灭电压3 ；该校的严璋教授等人对高压直流设备中局部放电的识别进行了研 究，着重讨论了基于放电指纹和模式识别的局部放电识别方法1 。 西南交大的吴广宁教授等人对新的和经历一定放电次数的电容器进行直流局 部放电测量，然后对放电信号基于t - n 矛h q - n 曲线进行分析，发现新旧两种电容器的 直流局部放电信号有明显的不同饰7 1 。 清华大学的高胜友、李福祺教授等人提出了一种微机化的电力电容器的放电检 测装置，对5 种典型缺陷的电容器( 人为制造的缺陷包括气隙、油隙、油纸沿面放电、 油纸中的金属杂质以及引线表面) 所导致的局部放电进行检测，然后基于联合神经 网络方法进行了模式识别，取得了较高的识别率矾；刘刚和屠德民教授提出了在干 扰环境下测量局部放电信号的选频平衡法，其最小可测放电量与试样的电容量成正 比等埔1 。 一 西安交大的李彦明教授、司文荣等人研究了直流电压下油纸绝缘中局部放电的 超高频特性，他们对采集到的放电信号进行频谱分析，发现不同放电类型的放电能 量的集中频带有差别，同时，他们还对单个放电脉冲进行了时域分析，直流下放电 脉冲波形不存在振荡分量和过冲，部分脉冲波形呈多峰状以及下降沿带有毛刺。不 同缺陷模型放电脉冲的上升沿、下降沿、半峰宽等波形参数均有差别，为直流下利 用放电脉冲波形参数识别放电类型提供了可能。但是，他们均只是在理论上有了一 定的发展，虽然有一些论文可供参考，但还没有形成切实可行的实施方案n l1 8 川引。 上述的试验和分析，尚未对直流电压下油纸绝缘模型的局部放电发展过程进行 深入的研究。 1 3 目前存在的问题 目前，国际上普遍采用i e c 6 1 3 7 8 - 2 标准对高压直流设备的绝缘结构进行考核。 i e c 6 1 3 7 8 2 标准中关于高压直流耐压试验的规定如下：直流耐压试验时间为2 小时， 要求充电时间不大于1 分钟，试验结束后，电压应在1 分钟内降至零伏。在直流耐压 试验的同时，进行局部放电的测试，并记录大于2 0 0 0 p c 视在放电量的脉冲次数，要 求最后3 0 分钟内脉冲数应不超过3 0 个，最后1 0 分钟内脉冲数不超过1 0 个。如果所记 录的局部放电脉冲数超过这一要求，试验应延长3 0 分钟，在延长的3 0 分钟内，局放 脉冲数如果满足上述要求，设备仍为合格晴8 。虽然现行的标准对直流设备的绝缘状 况考核已经十分严格，但是仍然不能杜绝高压直流设备，尤其是换流变压器在运行 过程中绝缘破坏事故的频频发生，这说明现行的直流高压试验标准仍然存在很多不 3 华北i u 力人学硕+ 学何论文 足： 1 、标准中规定的记录大于2 0 0 0 p c 视在放电量的脉冲次数，要求最后3 0 分钟内脉冲 数应不超过3 0 个，最后10 分钟内脉冲数不超过1 0 个。其中，视在放电量、脉冲个 数与；己录时l 日j 的选择依据不清楚，需要进行相关试验的验证。 2 、标准中没有直流电压下设备局部放电程度诊断的依据，无法判别由局部放电诱 发的故障处于初期、中期还是后期。 3 、小气隙放电难以检测。绝缘中的气隙放电必须满足两个必要条件，其一是放电 发生需要足够大的电场，其二是存在导致放电发生的自由电子。二者必须同时存 在放电才能发生，缺一不可。现行标准下第一个条件一般可以得到满足，但对于 放电发生的第二个必要条件，即放电的统计时延的大小可以从数分钟到数小时乃 至数天，统计时延的分散性导致现行局部放电试验标准不能完全反映直流设备的 绝缘状况。 4 、同前，现行标准中舰定的对直流设备局部放电试验所加试验电压一般远远高于 设备的运行工作电压，高电压下的某些局部强场有可能导致绝缘材料产生电树或 放电，造成绝缘隐患，进而引发设备的绝缘故障。 因此，本文通过对直流电压f 油纸绝缘模型的放电发展过程丌展研究，期望通 过分析检测到的直流局部放电信号，从中提取特征参量，借助特征参量，判别直流 局部放电的发展严重程度，为高压直流设备的出厂试验、运行中的性能状况研究和 高压直流设备绝缘老化状况判断的研究提供基本的试验依据。 1 4 本文的主要工作 为了研究直流电压下油纸绝缘模型放电发展现象与规律，本文主要丌展以下研 究工作： 1 ) 构建直流下油纸绝缘系统局部放电发展过程试验平台，其中包括局部放电 模型、在线测量系统( 超宽频带( u w b ) 脉冲电流信号测量系统、常规脉冲电流信 号测量系统以及特高频( u h f ) 测量系统) 、局部放电数据采集系统； 2 ) 采用升压法和恒压法相结合的方法，观察直流电压作用下油纸绝缘系统圆 柱平板电极模型放电发生、发展直至击穿的现象，采用特高频、常规脉冲和超宽频 带法在线监测局部放电发展演化规律； 3 ) 结合放电测量信号与绝缘纸板表面的碳化放电痕迹，分析局部放电发展的 过程。 4 1，j】一 t1j1jj 华北l 毡力人学硕十! 孚：何论文 第二章直流电压下油纸绝缘系统局部放电试验平台 本文建立的直流电压下油纸绝缘系统局部放电发展过程试验平台主要由三部 分组成，分别为油纸绝缘局部放电模拟系统，局部放电检测系统以及局部放电数据 采集系统，完整试验研究平台如图2 1 所示。本章将详细介绍整套试验平台的各个 组成部分。 图2 1 直流电压下油纸绝缘系统局部放电发展过程试验甲台示意图 2 1 油纸绝缘局部放电模拟系统 直流油纸绝缘局部放电模拟系统由高压直流发生装置、局部放电模型和变压器 油、绝缘纸板处理装置( 真空注油机、滤油机和微水测量仪) 组成。 2 1 1 高压直流发生装置 高压直流发生装置主要由工频高压发生装置、高压整流器、保护电阻、电阻分 压器构成。工频高压发生装置又由控制台和试验变压器构成。变压器是江都华宇高 压电气有限公司生产的y d t w 一1 0 1 0 0 型试验变压器；采用2 0 0 k v 高压硅堆整流 器；保护电阻阻值为2 0 0 kq ，不仅在试品被突然击穿时起限流作用，保护试验设备， 而且可以使直流高压发生装置内部即使存在的局部放电也会被硅堆阻截；电阻分压 器分压比为1 0 0 0 0 ：l ，可以从低压臂准确读取试验电压值。经试验验证，直流发生 装置的脉动系数很小，对局部放电的影响可以忽略。整套直流高压发生器的原理图 如图2 2 、实物如图2 3 所示。 5 华北电力人学硕l j 学f 征论文 c 1 r o 图2 - 2 高压直流发生器原理图 石：白耦变爪器：正：试验变压器：d l 、d 1 ：高压硅堆；r 0 ：保护电阻；c l 、c i ：脉 冲电容器；r 。，r 2 ：电阻分压器。 矿3 k ；骂戆一二二矗 i | - “ 玉 0 一 r 繁。i ； l壮 i i ! l 噩j 赢彩r h 圈 i 蠹i ，! k 7 7 一 一 。、二_一嚣!塑搿：蠹 一二二一 图2 - 3 高压直流发生装置实物图 2 1 2 油纸绝缘系统局部放电模型 本文采用的油纸绝缘系统局部放电模型为圆柱平板放电模型，该模型由未经倒 角的圆柱铜电极、边缘倒角的圆板铜电极和绝缘纸板三部分组成。圆柱铜电极直径 为2 5 m m ，高为2 5 m m ；圆板铜电极直径为7 5 m m ，高度为1 0 m m ；绝缘纸板尺寸为 5 0 r a m ( 长) * 5 0 r a m ( 宽) * 2 m m ( 厚) ；所采用的变压器油是2 5 # 变压器油。电极的尺寸 均依据i e c 6 0 2 4 3 标准而定。局部放电模型的示意图和电极的实物图分别如图2 - 4 ( a ) 和图2 - 4 ( b ) 所示。 6 ikl 11j 华北l u 力人。学硕 ：学何论文 25 1 1 1 1 1 1 l l ，l ( a ) 模型示意图( b ) 电极文物图 图2 4 油纸绝缘系统局部放电模型 局部放电模型置于恒温箱中。恒温箱可以将箱内温度稳定在固定数值，因此可 以减小每次试验条件的差异度。恒温箱的外部尺寸为8 0 0 m m ( 长) 6 0 0 m m ( 宽) 6 0 0 m m ( 高) ，内胆尺寸为3 5 0 m m ( 长) x3 5 0 m m ( 宽) 4 0 0 m m ( 高) 。箱体外壳o 接地，特高频传感器通过法兰口固定并内置在箱体中，局部放电模型接在套管的底 部，导线杆从套管的顶部引出直接与耦合电容相连。示意图和实物图分别如图2 5 主 ( a ) 和图2 5 ( b ) 所示。? ? 芭 保 ，r 壳 c a ) 示意图( b ) 实物图 图2 5 恒温箱 2 1 3 变压器油和绝缘纸板处理装置 变压器油和绝缘纸板处理装置主要包括真空注油机、滤油机和微水测量仪三部 分。 1 ) 、真空注油机 7 渤剜 舡 互 华北电力人学硕l ：学位论文 真窄注油设备足用束1 二燥绝缘纸板、除去绝缘纸板内的水分和微小的气泡，使 绝缘纸板在变压器油中得到充分的浸泡，通过杏阅天威保变出版的电力变压器手 册，得知2 2 0 干伏的变压器真空度为1 3 3 p a ，5 0 0 千伏变压器真空度为5 0 p a ，真空 注油机的真空度最大可以达到8 p a ，温度最高可以达到3 0 0 度，可以完全满足实验 室内试验的要求。真空注油设备如图2 - 6 所示。 2 ) 、滤油机 滤油机采用的是重庆中能滤油机制造有限公司生产的z y - i o 型高效真空滤油 机，此滤油机能高效地脱除绝缘油中的水分、气体和杂质，提高油的耐压强度和油 品质最，保障电力设备的安全运行。过滤后变压器油中含水量5 p p m ，含气量 0 1 ，已达到国家规定的变压器油质量标准。憎1 。滤油机如图2 7 所示。 3 ) 、微量水分测量仪 微量水分测量仪采用的是山东淄博三泵科森仪器有限公司生产的w s 5 型微量 水分测定仪，该仪器采用卡尔菲休库仑滴定法，对不同物质进行微量水分测定， 并采用微型计算机控制，分析速度快、精度高、测定结果直接数字显示，并且具有 仪器故障自诊、信息显示等功能，是高效率、全自动的分析仪器。微量水分测量仪 如图2 8 所示。 图2 - 6 真空注油设备图2 7 滤油机图2 8 微量水分测量仪 2 1 4 试验研究平台的抗干扰分析和措施 直流油纸绝缘系统局部放电发展过程试验是在高压实验室中进行的，外部的电 磁干扰己相对较小，但现场存在的干扰还是不可避免的，可能存在干扰主要有：试 验设备内部的放电干扰、线路的电晕放电、各连接处接触不良带来的干扰、接地系 统的干扰、试验场地周围物体的悬浮电位放电、来自试验电源和仪器电源的干扰等。 为消除和抑制这些干扰，保证测量的可靠性，提高测量的灵敏度，采取以下措施： ( 1 ) 、采取有效措施，消除测量回路的干扰。如测量仪器的供电源经滤波器和隔离 变压器接入，以抑制来自仪器电源回路的各种干扰，同时还可与高压回路隔离，保 8 jl_j 1r 华北电力人学硕十学位论文 护测量设备不受损害；导线与设备、导线与局部放电模型的连接处最容易引起电场 集中，是产生电晕的薄弱环节，因此高压引线采用光滑铝质导杆，所有的连接头均 经过打磨倒角，无毛刺和尖端：试验回路接地采取独立地线，接地电阻尽量小，防 止地线环流产生干扰。( 2 ) 、尽可能抑制由电源、测量仪器和外界引入的干扰，并 充分利用仪器自带的功能，降低干扰水平。如在本文试验中最高试验电压为7 5 k v ， 而选用2 0 0 k v 的无晕高压直流发生装置作为试验电源，使之留有较大裕度，以保证 试验过程中试验电源侧不会引入干扰；选用合适的电阻作为保护电阻，不仅能够在 试品被击穿时保护整套设备不被损坏，还能抑制由电源来的干扰进入试验回路；试 验现场周围的其他设备和物体尽量远离试验现场并可靠接地，防止悬浮放电干扰 【2 i 】 o 通过讨论和分析直流油纸绝缘局部放电检测中的干扰，采用相应的抗干扰措 施，在一定程度上提高了局部放电检测的可靠性和有效性，最终，当不放入局部放 电模型升压至负极性8 0 k v 时，整个测量系统的视在局部放电量小于5 p c ，说明整 个测量系统本身在j 下常试验电压下不会产生局部放电0 1 。 图2 - 9 为整个直流油纸绝缘系统局部放电模拟系统的实验室布置图。 图2 - 9 直流油纸绝缘系统局部放电模拟系统 2 2 油纸绝缘局部放电检测系统 油纸绝缘系统局部放电检测平台共包括常规脉冲电流检测系统、宽带脉冲电流 检测系统和特高频( u h f ) 检测系统三部分。 2 2 1 常规脉冲电流检测系统 常规脉冲电流法是人们研究最多也是最成熟的技术，油纸绝缘系统局部放电模 9 f # 北电力人。硕十学位论文 型的视在局部放电量大小由此种方法来评判1 。常规脉冲电流检测系统由检测阻 抗、同轴电缆和d s t - 4 型局部放电测试仪组成。 其中d s t - 4 型局部放电测试仪是山中国电力科学研究院伏安公司生产，其检测 频带足4 0 k h z 一8 0 k h z ，检测灵敏度是5 p c 。其基本工作原理如图2 1 0 所示。 图2 1 0 局部放电榆测试仪t 作原理图 检测阻抗用于将检测回路内的脉冲电流信号转换为脉冲电压信号。放大单元具 有滤波和放大功能。显示单元相当于一台专用示波器，局部放电波形主要以椭圆和 直接两种显示方式，但对于直流局部放电检测，由于缺乏相位信息，因此选用直线 显示方式观测，并且选择将显示单元直接与示波器相连接，以便更加清晰准确的观 察放电现象和实时记录放电数据心仉2 2 1 。 在显示单元上读取的局部放电脉冲值与试品的试在放电量q 是成正比的，但其 具体关系于回路及仪器性能有关，为此必须进行校准，以确定整个试验回路及仪器 的刻度因数尼，方可计算出视在放电量q 。校准是在接好局部放电模型时的实际试 验条件下进行的。“。目前采用的校准方法是根据视在放电量的定义，用在试品两端 注入标准瞬变电荷的方法来度量放电量的大小，如图2 1 l 所示。本文在局部放电数 据采集前，对常规脉冲电流检测系统中的局部放电测量仪的视在放电量标定均为 l o o p c 1 0 0 m v ，并且存在3 0 m v 的背景。 图2 - 11 局部放电仪刻度因数的校准同路 d s t - 4 型局部放电测试仪和检测阻抗如图2 1 2 和图2 1 3 所示。 1 0 ：111 111 华北l 乜力人学硕 ：学位论文 图2 1 2d s t 一4 型局部放电测试仪图2 - 1 3 榆测阻抗 2 2 2 宽带脉冲电流检测系统 宽带脉冲电流法是局部放电检测中最为灵敏的检测方法。本文用于检测局部放 电宽带脉冲电流信号的方法是匹配阻抗取样法。匹配阻抗取样法是将一个无感5 0 q 匹配阻抗经屏蔽后接入高压测试回路。直接在测试回路接入纯阻抗，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脉冲波形的特性，但 试验中一旦发生局部放电模型击穿，整个测量系统将会受损。另外，接入5 0 q 阻抗 将会改变电力系统接地电阻，在实际在线检测中难以应用。但由于它设计方便，理 论简单，目前主要在实验室用来研究放电脉冲的波形特征，分析放电物理过程 2 a 2 4 2 8 2 9 】 0 本文选择了改进的匹配阻抗法作为宽带脉冲电流传感器，其主要结构是采用一 个无感5 0 q 的匹配电阻并联自动保护装置经屏蔽后接入高压试验回路，保护装置的 作用是将无感电阻上的电压限制在2 v ，可在试品击穿受到瞬态高能量冲击时有效 地保护示波器，信号传输用5 0 q 的射频同轴电缆。传感器外观如图2 1 4 所示，下 边接头用于接地，左边通过同轴电缆与局部放电模型的低压段相接，右边通过同轴 电缆直接与示波器相连。 图2 1 4 宽带脉冲电流传感器 宽带脉冲电流传感器是宽带脉冲电流检测系统的关键器件，其性能的好坏直接 l l 华北i u 力人学硕f j 学位论文 决定了测量系统的好坏。为了考核宽带脉冲电流检测系统检测高频暂念信号的性 能，须研究其频率特性。研究的方法通常有两种：一是幅频特性法；二是方波响应 特性法。前者常用于稳态高频特性研究，后者则常用于暂态高频特性研究。由于局 部放电足一种卜升沿极陡的脉冲，属于暂态高频，所以本文在测量系统中输入一个 纳秒级上升沿的脉冲信号末测量传感器的响应输出，以此来检验传感器的在进行脉 冲测量时的频率响应特性1 。 信号发生器发出的方波源的陡上升沿信号如图2 15 所示，信号发生器发出的 方波源的陡上升沿信号与宽带电流传感器经同轴信号电缆后的信号波形如图2 1 6 所示。示波器测得原始方波源的上升沿为4 9n s ，幅值为l o v ，经过测量电阻和同 轴电缆后的上升沿为5 2n s ，幅值为6 8 v 。由于传播路径的影响，上升沿只增加了 o 3n s ，波形无过冲和剧烈振荡现象，对比图2 1 5 可发现振荡是方波源信号自身的 ( 曲线上没有增加拐点) ，基本能反映信号的形状。信号发生器发出的方波源的陡上 升沿信号与宽带脉冲电流传感器经整个宽带脉冲电流测量系统( 工频试验变压器、 整流器、保护电阻、耦合电容器以及局放模型) 后的信号波形如图2 17 所示。信 号的幅值约为o 8 v ，上升沿为7 0 2 n s ，考虑到i u j 路中电感、电阻会影响输出波形， 可以接受2 n s 左右的测量误差。因此整个测量系统的脉冲响应虽不能保持信号的幅 值大小，但是能够较准确的反映出脉冲信号的上升沿。为下一步将要进行的直流电 压下油纸绝缘模型局部放电的放电脉冲信号采集工作打下了基础。 宽带脉冲电流传感器的频谱特性曲线如图2 18 所示。从频谱特性曲线可以看 出，该传感器带宽达8 0 m h z ，能够较真实的反应局部放电原始脉冲波形。 图2 1 5 原始波形上升沿信号 1 2 华北电力人学硕十。学位论文 基；瓣磊磊翼墼匝翌受因瓣赢忑瓣下一 图2 1 6 经5 m 同轴电缆和传感器后的上丁i 沿波形 图2 17 接入整个测量系统得到脉冲上升沿波形 - 晤频特陛曲线 图2 1 8 频潜特性曲线 1 3 华北电力人学硕卜学位论文 2 2 3 特高频检测系统 特高频检测方法最早应用于2 0 世纪8 0 年代英国g i s 设备的局部放电检测中。 电力系统中的电晕放电等主要电磁干扰信号的频率一般在1 0 0m h z 以下，在空气中 传播时衰减很快，而特高频段内的其它干扰相比于其它检测方法要少很多。因此， 选择特高频段的电磁信号作为检测信号，以避丌常规电气检测方法难以避了：的电力 系统中存在的干扰，从而提高局部放电检测的信噪比和监测灵敏度心毛蹦2 引。 油纸绝缘系统中每一次局部放电都会发生电倚中和，伴随一个陡的电流脉冲， 并向周围辐射电磁波，其规律遵循麦克斯韦的电磁场基本方程。此局部放电的脉冲 宽度为n s 级，可激发频率达l g h z 以上的电磁波，为一种横电磁波( t e m ) ，其中 的特高频成分非常丰富，因而可以用特高频天线来加以耦合接收，特高频法测量的 频率范围为3 0 0 m h z - - 3 g h z 。m 3 惦1 。本文中使用的局部放电特高频传感器为华北电 力大学高电压与电磁兼容实验室自主研制，特高频传感器结构示意图和实物如图 2 19 所示。 ( a ) 传感器结构示意图 ( b ) 传感器实物图 图2 1 9 特高频传感器 该特高频传感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天线，示意图如图2 2 0 所示。 图2 2 0 阿基米德螺旋天线r t 作原理 1 4 华北l 乜力人学硕十学位论文 由天线的工作原理可知，螺旋天线是根据无限长天线设计出的一种仅山角度表 征其特征的天线，并且天线电流在离丌馈电点时逐渐减小，因此在电流足够小处把 天线截断将不会影向它的宽带特性。它既满足“角度条件”又具有截尾后“终端效 应小的特性，因此可以将其频带做到很宽，而尺寸可以做得很小。但严格说来， 阿基米德平面螺旋天线并不是一个真正的非频变天线，因为它的几何结构并不满足 自相似条件。但只要螺旋线起始点到原点的距离及天线的总长度取得适当，并在其 最外层螺旋线木端接以吸收电阻或吸收材料，则可使这种天线具有很高的工作频带 射。因此，阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装 等优点。 特高频传感器的天线参数如下： 天线前端介质相对介电常数：5 0 0 螺线内径2 r o ：2 2 4 c m ，螺线外径d ：1 1 0 c m 下限工作频率：4 8 5 m h z ( 对应波长：6 1 8 c m ) 上限工作频率：1 5 0 0 m h z ( 对应波长2 0 0 c m ) 螺旋匝数：1 1印刷铜线宽度：1 1 m m 间隙：0 9 m m 螺旋增长率a ：0 0 6 3 4 该特高频传感器封装材料使用的是改性环氧树脂，具体方法为环氧树脂掺入一 定比例的二氧化钛，其中二氧化钛含量越高，其介电常数越高。浇铸后的天线还将 铜制的天线两臂和变压器油隔离开来，避免了其因在变压器油中氧化而性能变差。 该传感器阻抗变换使用的是l ：4 双孔磁芯变换器。馈线的阻抗为5 0 f l ，而螺 旋天线的阻抗约为2 0 0 q ，此时需要采用匹配网络的方法实现阻抗匹配。 放大器的增益特性如图2 2 l 所示。图2 2 l 表明，该放大器频带为3 0 0 m 1 5 g h z ， 设计最大增益4 0 d b ，增益平坦度不大于+ 4 d b ，输入阻抗d c 5 0 q 。 ( d b ) 4 0 3 0 2 0 l o 图2 2 l 特高频放大器增益特性曲线 1 5 日m h z ) 华北电力人。学硕十。誓何沦文 2 3 油纸绝缘局部放电数据采集系统 油纸绝缘局部放电采集系统主要包括两个部分：硬件部分和软件部分。硬件部 分主要包括：计算机、数字示波器；软件部分主要是数据采集和数据保存程序。 硬件部分中包括的数字示波器采用了泰克t d s 2 0 2 4 b 数字示波器和泰克 t d s 2 0 2 2 b 数字示波器两种。结合特高频检波信号、常规脉冲电流信号以及宽带脉 冲电流信号的特点，分别选用泰克t d s 2 0 2 4 b 示波器未采集常规脉冲电流信号和特 高频检波信号，用泰克t d s 2 0 2 2 b 示波器来采集宽带脉冲电流信号。数字示波器泰 克t d s 2 0 2 4 b 和泰克t d s 2 0 2 2 b 最大带宽均为2 0 0 m h z ，最高采样率为2 g s ，最大 存储长度为2 5 0 0 。 泰克示波器采集到的数据均通过示波器u s b 端口传输到计算机进行保存，根 据这种传输协议，使用l a b v i e w 8 5 图形编程软件设计编写了数据采集程序用于示 波器与计算机之间通信，采集程序的界l 百f 分别如图2 2 2 所示。软件部分包括数据 保存路径、文件名、文件名编号等参数设置控件，可以将需要采集的数据以采集时 问为名称保存在指定的目录下。常规脉冲电流信号和特高频检波信号数据采集软件 采用二通道采集系统，通道1 和通道2 | 一j 时同步进行采集常规脉冲电流信号和特高 频检波信号；宽带脉冲电流信号数据采集软件采用单通道采集系统，此通道用来采 集宽带电流信号。 3 矗圜枷i 麓 l ，j 团圈圆i 溺 $ 圈圈啊 麓 一- 属嬲蕊蕊莲瀚 ：囔耄产攀o ! ：； e 簿吆j ： ，羚，泛 磁滋妇瞳，墨 霉湮漂 ：，? 劾二二糍 b玺1 0饕j j 跨；柚l 罅瑚：渤拗溯蛳瑚湖瑚m辎 t 蠡簖盔主。溢 +搪甜虞 芒辫意獬砖鞫”，畴灞嚣。篓 誊蕊- ，耋建照塞捌垒誊 慧醴曩l 弦 电成取钝 r 毒蔓仨峙 像缸 麓“纭 龟渡破 华北电力人学硕十学位论文 图2 2 3 局部放电数据采集系统 键蟹让严 咖职。麓 蹙崎l 浮 牺赶雠参 ， n 蜒。最_ 弓 华北电力人学硕f ：学何沦文 第三章直流局部放电信号的提取和分析方法 局部放电测量时对放电信号物理量的选取是揭示局部放电模型的结构，判断局 部放电发生、发展的基础。该物理量应该能清晰的反映局部放电模型的放电特征， 具有可测性和可量化。在很多情况下，通过对局部放电模型的试验，根据试验结果 可以预测到故障发展的程度。一般提取的直流局部放电特征量有：单次局部放电的 视在电荷q ；局部放电的重复率n 。在研究局部放电时，除了上述各项特征量外， 最好在做出局部放电的谱图，原因是从这些谱图中可以获得评估局部放电特性和判 断局部放电发展程度更为全面的信息。 3 1 直流局部放电谱图相关特征量 目f j 国际上流行的，针对直流局部放电谱图的特征量主要包括单次局部放电的 视在电荷q 。，局部放电的蕈复率n 。至于局部放电平均电流i 、局部放电平均功率 p 和单次局部放电的能量w 一般由后期计算确定。 3 1 1 视在放电电荷q 。 交流下对视在放电电荷的定义在直流下仍然适用，即视在放电电荷是指在局部 放电时，一次放电在局部放电模型两端出现的瞬变电荷。在局部放电发生的瞬i 日j ， 放电过程时问极短，我们可以认为气隙被完全击穿，并呈现导通状态，因此整个介 质的电容量变大。电介质中直流局部放电的等效模型如图3 1 所示。 v ( a )( b ) 图2 - 1 研究介质中直流局部放电的等效电路 如图3 l ( b ) 所示的等效电路，由于c 。上电荷改变了g ，所引起的c 。上的电压变 化虬： 1 8 华北电力人学硕十。学位论文 虬2 吼 e + c o c o ( c + c 6 ) ( 3 1 ) 通常气隙总是很小的，即e 口c o ，n i l t ；i - _ 式可写为： 虬= 吼( c + c 6 ) ( 3 - 2 ) 由于放电时i 日j 极短，可以假定在放电过程中，一方面电源束不及供给补充电荷，另 一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉，当气隙放电造成c 。上电压下降虬时， 各电容上的电荷重新分配，因此c 。l - - _ 的电压也下降了“： a u o = 虬g ( g + e ) a u vg譬 华北电力人学硕十学f 口论文 分钟时问段内，即此试验的最后3 分钟内，发生强烈的簇状放电，常规脉冲电流信号、 特高频信弓的放电次数、总放电量、最大放电量、平均放电量均激增( 图4 1 3 ) ；宽带 脉冲电流信号的平均幅值在3 5 m y 左右，整体呈上升趋势，但在试验的最后3 分钟时， 平均幅值减少、平均上升时间也变小( 图4 1 4 ) 。总体上看，在放电发展到即将击穿的 阶段时，总要伴随着时间长度不一，可能儿秒钟、几分钟甚至十几分钟的持续性强烈放 电。图4 1 5 是整个时段内局部放电过程示意图。 i 02 5 0s 0 07 5 01 0 0 0l z 5 01 5 0 0 1 7 5 02 啪2 2 s 02 憎 图4 一1 22 4 2 分钟簇状放电典型常) ；! l ! 脉冲电流信口 iiii 0 拗锄7 5 0l 咖i 拗l 锄1 7 5 02 咖猢2 仞 a