局部放电检测技术的现状与发展

1、2005年 2月 电 工 技 术 学 报 Vol.20 No.2 第 20卷第 2期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2005 局部放电检测技术的现状和发展 郭 俊 吴广宁 张血琴 舒 雯 摘要 随着电力设备电压等级的提高局部放电检测作为一种非破坏性试验 文章回顾了局部放电检测技术的 发展 并对未来的局部放电检测作了展望局部放电 脉冲电流 超高频 高压脉冲 直流中图分类号 Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 ChinaPartial discharge, pulse c

2、urrent, UHF, high voltage continues pulses, DC1引言局部放电这种放电可能发生或可能不发生于导体的邻近 1ËäÈ»¾Ö²¿·ÅµçÒ»°ã²»»áÒýÆð¾øÔµµÄ´©Í¸ÐÔ»

3、47;´© ÌرðÊÇÓлúµç½éÖÊÈô¾Ö²¿·Åµç³¤ÆÚ´æÔÚ¶ÔµçÁ¦É豸½øÐ&#

4、208;¾Ö²¿·ÅµçÊÔÑ黹Äܼ°Ê±·¢ÏÖÐí¶àÓйØÖÆÔìÓë°²×°·½ÃæµÄÎ&#

5、202;Ìâ因此我国国家标准和国际电工委员会都对此 提出了相应规范人们对局部放电的认识可以追溯到 1777年他利用伏特新设计的检测仪可 以看到奇妙的星形或圆形尘埃轮廓他们认为 图 1 正极 和负极 处表面放电产生 的尘埃特征Fig.1 Dust figures produced by surface discharges under positive (left and negative polarity (right1873年 1896年 赫兹通过实验证明了 Maxwell 关于电磁波存在性及 其在空间 这些理论和实验工 国家自然科学基金资助项目 , 国家自然科学基金联

6、合基金项目 及霍英东教育基金资助项目30 电 工 技 术 学 报 2005年 2月作都成为了局部放电检测设备设计和物理模型开发 的基础该设备在 1919年开发出来一年后Schwaiger 发现了电晕放电时的无线电频率特性 这种无线电干扰电压法 至今仍在一 些国家1928年该方法可以认为是积分电桥的始 祖这种方法在局部放电的物理研究中具有独到 的优点此后 基于 对发生局部放电时产生的各种电 声局部放电检测技术中也相应出现了电检 测法和光测法 红外热测法等非电量检测 方法 随着变频电源的广泛应用在脉冲条件下的 局部放电检测也引起人们的关注同时对 未来在多种工作环境 高压直流大电 容条件下2局部放电

7、检测技术研究现状2.1电检测法局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移 动引起试样外部电极上的电压变化 每 次放电过程持续时间很短在油隙中一次放电时间也只有 1µs Èç´Ë¶Ì³ÖÐøʱ¼äµÄ·ÅµçÂö³å»á²úÉú¸ßƵµ&#

8、196;µç´ÅÐźÅÏòÍâ·øÉä³£¼ûµÄ¼ì²â·½·¨ÓÐÂö³åµçÁ÷·¨½éÖÊËðº&#

9、196;·ÖÎö·¨µÈµÈ20世纪 80年代由 S. A. Boggs博士和 G. C. Stone 博士提出的超高频检测法近年来得到广泛关 注 5脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测 试方法 IECIEC 270该标准规定了工频交流 下局部放电的测试方法 此方法也适合于直 流条件下的局部放电测量直测法常遇到各种干扰会严重影响测试灵敏度得到广泛采用差分电桥以及双电桥等形式 差分法可达 到数百甚至上千 平衡法的测量灵敏度一般 比直测法低目前市场上大部分电类 局部放电测试仪都采用直测法回路JF

10、D 2局部放电测 试仪等等检测时最小背 景干扰 3.5pC 无线电干扰电压法 无线电干扰电压法 最早可 追溯到 1925年通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电 的发生在国内故又叫射频检测法Rogowski 线圈电流传感器和射频天线传感 器等1996年设计出用于大型电机局部放电 在线监测用的宽频电流传感器 ZL97 2 42089.4该传感器在我国陕西秦岭发 电厂 清华大学朱德 恒等人将此传感器用于大型汽轮发电机 -变压器组 的局部放电在线监测RIV 方法能定性检测局部放电是否发生采用 Rogowski 线圈 传感器也能定量检测放电强度 130MHz现场测试证明 超高频 局部放电检测技术在 2

11、0世纪 80年代以前1982年 Boggs 和 Stone 在他们的试验中使测试仪器的测量频带达到第 20卷第 2期郭 俊 等 局部放电检测技术的现状和发展311GHz 在此频带下 可有效的实现噪声抑制从而深化对局部放电的机理性研究图 2 利用超宽带探测器使带宽达到 1GHz 后左边右边 前者中心频率在 500MHz 以上后者带宽可达几 GHz°üº¬ÐÅÏ¢¶àµÈÓŵãÊܵ½È&

12、#203;ÃǵĹØ×¢用于超高频局部放电检测的传感器主要为微带 天线传感器他们设计的传感器用于大型电机局部放电测试可探测到单根定子线棒的放电 微带天线传感 器已在检测大型电力变压器 电力电缆等设备的局部放电上有相关应用H. G. Sedding等人在 1991年 提 出 一 种 定 子 槽 耦 合器带状感应导体及两 端同轴输出电缆组成而是具有分布参数的性质且能够反映内部放电和外部干扰在波形上的差异 15DLA Òò´Ë¶Ô·Å

13、81;çÏûºÄ¹¦ÂʵIJâÁ¿ºÜÔç¾ÍÒýÆðÈËÃǵÄÖØÊÓËæ×ŵçѹµÄÉý¸ß

14、87;òÆøÅÝ´ËÍâ¾Ö²¿·ÅµçµÄÏÖÏ󽫵¼Ö½éÖʵÄËð»µÒò´Ë¿ÉÒÔͨ

15、85;ý²âÁ¿tg 的值来测量局部放电能量从而判断绝缘材料和结构的性能 情况由于辉光放电不产生放电脉冲信号普通的脉冲电流法检测装置中难以检测出来使得 tg 很大但是基本不能检测局部放电量的大小目前关于用 DLA 方法测局部放电的报道还很少从目前市场上看其中的脉冲电流法已经很成熟且容易进行放电量校准故在进行局部放电机理研究但是使其灵敏度大大下降 脉冲电流法应用并不很多安装方便频带宽等优点 现在大型电机GIS 等设备的在线监测中均有应用具有频带高抗电磁干扰能力强等显著优点但是制造工艺要求甚高2.2 非电量检测法局部放电发生时 声对此 声测法较之电

16、检测法与试样电容无关等优点其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发此时放电源如同一个声源由于放电持续时间很短 可达到数 MHz´«¸ÐÆ÷µÄÑ¡ÔñÊǹؼücondenser microphone电介体麦克风和动态麦克风 32电 工 技 术 学 报2005年 2月hydrophone用于固体中的测震 仪和声发射传感器 工作频带和灵敏度是两个最为重要的指标脉冲相应时间过长容易造成信号混叠而在宽频传感器中但是

17、进而降低测试灵敏度若为了增大灵敏度而增大传感器几何尺寸又会导致传感器工作频带减小 往 往结合现场条件较之电测法但是畸变严重这使得实际中一般不独立使用声测法近年来采用光测法在局部放电特征及介质老化 机理等方面的研究做了大量工作 由于传感器必须侵入设备光测法只能测试表面放电和电晕放电近年来将光纤技术和声测法相结合提出了声 光测法局部放电产生的声波压迫使得光纤性质改变从而可以测得放电 Black Burn 等人将光纤传感器伸入到变压器内部测 量局放 超声波在 油中传播 引起光纤变 形 从而光波将被调制可实现放电定位 19¸÷ÖÖ¾ø

18、2;µ²ÄÁϻᷢÉú·Ö½âÆÆ»µÍ¨¹ý¼ì²âÉú³ÉÎïµÄ×é³ÉºÍŨ¶È»¯Ñ§

19、8;ì²â·½·¨Ò»°ã¼ì²âÆøÌåÒÑÔÚGIS在 GIS 中 主要 生成 SOF 2和 SO 2F 220在电力变压器中DGA¾-¼ÃËüͨ¹ýÉ«Æ×Öù¼ì²â&#

20、179;ö±äѹÆ÷ÓÍÖи÷ÖÖ¿ÉÈÜÐÔÆøÌåµÄº¬Á¿在大型气冷发电机中 冷却气体进行采样进而判断绝缘状 态的例子至今为止基本不能反映放电的性质在众多非电量检测中超声测法能够有效地定位放电源液体绝缘介质中应用广泛灵敏度不高且很难或者不能对放电性质故常和电检测法结合应用3 局

21、部放电检测技术的发展近年来电力设备绝缘出现大批过早老化的情况被证实用在高压直流和高压连续脉冲下也能反映设 备的绝缘状态传统的局部放电检测技术在此条件下无法获得良好效果3.1 高压直流下局部放电检测技术随着脉冲功率技术的应用简称高压储能电容器然而一是当前的产品验收手段不能有效的检测出产品的某些内部缺 陷对电容器进行局部放电检测无疑是判断产品质量的有效手段和进行绝缘预防性试验 的重要项目之一如何将直流局部放电检测 技术用于大容量 高压储能电容器的绝缘评估在国外当各种因素都得到很好控制时可达到 1000CpC 第 20卷第 2期郭 俊 等 局部放电检测技术的现状和发展33于直流局部放电的研究鲜有报道

22、得出了放电重复率随温度与外加电压的变 化关系西安交通大学刘刚和屠德民提出了在干扰环境下测量局部放电信号的选频平衡法该方法能较好抑制噪声西南交通大学的张血琴采用传统的脉冲电流法与数字滤波技术相结合的方法试验发现测量中的干扰源主要包括电源干扰通过 FFT 滤波和窄带滤波法以及小波分析技术能对抑制这些干扰取得比较满意的效果10t /ms-150-100-50050100150V /m V滤 波 前 的 放 电 信 号 10t /ms-150-100-50050100150V /m V采 用 8阶 巴 特 沃 斯 高 通 滤 波 后 的 放 电 信 号 图 3 滤波前后局部放电信号波形 Fig.3 P

23、D signals before and after filter在工程实践中其灵敏度仍然取决于外界干扰信号的大小 根据理论计算 但是试验表明 建立高灵敏度3.2 脉冲条件下局部放电检测技术 20世纪 90年代以来出现了大批变频调速电机绝缘过早破坏的情况采用 PWM变频电源国际上针对变频调速电机绝缘过早破坏开展了 一定的研究工作美国德国 K. Muller等研究者认为传统的局部放电测量系统不能准确的测量 PWM 变频电机内部的局部放电工频条件下进行测量的高频条件下最终导致绝缘的老化 同时相差只有 12个数量级因此成为研究变频电机过早老化的关键问题之一意大利的 G. Coletti等人利用图 4

24、所示的测试电路日本的Hitoshi Okubo¶Ô±ÈÁ˹¤ÆµºÍÂö³åÌõ¼þÏÂÆðʼ·ÅµçµçѹµÄ¹Øϵ图 4 方波下局部放电检测电路Fig.4 PD detection cir

25、cuit under square wave power国内对于高频电压下绝缘材料的局部放电特性 研究很少针对大功率变频电机的研究和报道目前也还不多 采用局部放电评价高压连续脉冲下聚酰亚胺绝缘薄 膜绝缘状况如图 5所示脉冲条件下局部放电检测技术的关键在于如何 区分电源脉冲信号和局部放电脉冲信号对电源脉冲信号只能34 Tek Stop: 500kS/s 19Acqs 电 工 技 术 学 报 2005 年 2 月 来的专家系统应包括多元数据和同步处理技术 (4 为使不同实验室里局部放电实验具有可比 性和重复性 行修订 总之 对高压设备可靠性要求的不断增长将需 局部放电诊断工具 在实际测 高 如高压

26、直流 要更高级的局部放电诊断工具 量中 特别是在多种非工频环境 下 应继续对现存的局部放电测量标准进 2 3 的可靠性和经济方面的问题已得到重视 Ch3 5.00mV Ch2 5.00V M 100µs Ch2 4.2V 压连续脉冲 还有更多的工作有待开展 参考文献 图5 PWM 电 源 下 U 型 线 试 样 中 局 部 放 电 波 形 采 用 10kHzPWM 方 波 电 源 峰 -峰 值 4kV 时 测 得 Fig.5 PD signals of U-sample under peak-to-peak 4kV PWM power sourse 1 2 3 IEC270 标 准

27、吴广宁 . 大型发电机故障放电在线监测及诊断技术. 成都 西南交通大学出版社 2001 Dakin T W, Malinaric P J. A capacitive bridge method for measuring integrated corona-charge transfer and power loss per cycle. Trans AIEE PAS, 1960,79: 648 653 衰减 10100 倍 级 仍比局部放电信号高 23 个数量 另一方 此外 脉冲条件下 此类干扰一方面淹没了局部放电信号 面对测试仪器也有一定的危险 也是研究的一个重点 局部放电对绝缘破坏机理及

28、其与工频条件下的联系 4 分析与讨论 近年来 随着电力设备电压等级的不断提高以 局部放电作为评 4 Izeki N, Tatsuta F. Three types of partial discharges in electrical insulation. Conf. Record on IEEE Intern. Symp. in El. Ins., Montreal 1984: 327 331 及对设备运行可靠性要求的提升 纳 检测 的研究 目前 估设备绝缘状态的一个重要指标被大多数人所采 国内对交流下电力设备绝缘局部放电的 建立起多种有效的检测和评估系统 但在 模式识别及其对绝缘的破坏机

29、理都有较深入 5 Boggs S A, Stone C. Fundamental limitations in the measurement of corona and partia discharge. IEEE Trans. on EI 1982, 17 (2: 143 150 6 Dakin T W, Malinaric P J. A capacitive bridge method for measuring integrated corona-charge transfer and power loss per cycle. Trans AIEE PAS 1960, 79:648

30、653 高压直流和高压连续脉冲条件下无论是局部放电的 检测技术或是其破坏机理的研究都尚处于起步阶段 另外 随着信息技术的发展 数字化的局部放 7 Izeki N, Tatsuta F. Three types of partial discharges in electrical insulation. Conf. Record on IEEE Intern. Symp. in El. Ins., Montreal, 1984: 327 331 电测试系统显现出明显优势 波以提高检测灵敏度 别 技术对局部放电信号进行处理 进一步确定绝缘状况 一方面可采用数字滤 对放电进行模式识 将此用于 9

31、8 另一方面采用数字信号处理 人们可以利用功能越来 Lemke E. A new partial discharge measuring procedure based on the evaluation of the cumulative charge. Conf. on PD in Electrical Insulation Bangalore/ India ,1976:1 吴广宁 大学学报 马积勋 吴欣延等 线监测用宽频电流传感器及应用的研究 1996, 30(6 8 14 22 大型电机局部放电在 西安交通 越强大的计算机开发出所谓的专家系统 实验室条件下 由此看来 以下特点 测情况下

32、的局部放电分析 在线情况下或高压设备长期局放监 统计和故障诊断 未来局部放电测试技术的发展应有 10 王晓宁 ,朱德恒. 汽轮发电机局部放电在线监测技术 的 研 究 .大 电 机 技 术 装置的开发. 电学论 B 2003 3 1 4 11 江本邦夫. 用表面电流传感器的 GCB 用便携式诊断 1998 118 6 666 670 12 湖 北 省 电 力 试 验 研 究 院 . 三 峡 工 程 左 岸 电 站 2 号 TWUM-840MVA/550kV 变压器局部放电试验 . 变压 器 2003 9 24 26 13 李燕青 谢红玲等 .一种可测量真实放电量的局部放 (1 为了从需要测试的放

33、电信号中区分开干扰 信号 要开发出更有效的抗干扰技术 特别是在高 压直流和高压连续脉冲条件下进行局部放电检测 抗干扰问题显得尤为突出 (2 改善用于长期局部放电诊断监测系统的运行 可靠性 这个系统的可靠性应高于被监测的高压设备 (3 为了快速识别局部放电缺陷的危险性 未 第 20 卷第 2 期 电 实 验 电 路 .高 电 压 技 术 generation. 1990,6(4:33 IEEE 39 郭 2003 俊等 29 9 局部放电检测技术的现状和发展 12 14 研究. 变压器 1998 6 17 20 35 14 Boggs S A. Partial discharge: Overvi

34、ew and singal Electrical Insulation Magazine, 31 张血琴 郭俊 吴广宁. 采用直流局部放电的方法评 估高压储能电容器性能的试验研究. 2003 全国高校 电力系统及其自动化专业第 19 届学术年会论文集 2003: 1488 1490 32 张血琴 吴广宁 . 高压储能电容器局部放电信号的提 取与分析. 第九届全国工程电介质学术会议论文集 2003: 173 176 15 Sedding H G, Cambell R S, Stone G C,et al. IEEE Trans. on Energy Conversions, 1991,6(4:7

35、00 discharge detection-practical application. 706 IEEE 43 16 Lundgaard L E. Partial discharge-XIV: Acoustic partial Electrical Insulation Magazine, 1992, 8(5: 34 33 Zhang Xueqin, Wu Guangning. Capability evaluating of high energy density storage capacitor through DC partial discharge measurement. Pr

36、oceedings of the ICSD2004, 2004: 755 758 17 Lundgaard L E. Partial discharge-XIII: Acoustic partial discharge detection- fundamental considerations. IEEE Electrical Insulation Magazine 1992 8(4 25 31. 18 Gosgrave J A ,Murphy M M. Acoustic monitoring of partial discharges in gas insulated substations

37、 using optical sensors. IEE Proc. A.140,(5 369 374 34 Coletti G, Torello E. Influence of different square voltage waveforms on the partial discharges behaviour during tests on twisted pair specimens. Conference Record of the 2002 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2002: 36 39 19

38、BlackBurn T R, James R E. Optical fibre sensor for partial discharge detection and location in high voltage power transformers. Proc. IEE 6th Int. Conf. On Diel. Mat. Meas.,and Appl., 1992: 33 36 35 Hitoshi Okubo, Naoki Hayakawa. Partial discharge characteristics of inverter-fed motor coil samples u

39、nder ac and surge voltage conditions. 2003 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2003: 589 592 20 Chu F Y. SF 6 decomposition in gas insulated equipment. IEEE Trans.on EI, 1986, 21 detection Assessment of malfunctions. of Degradation IEE 693 726 on 21 Samat J. I

40、nterpretation of DGA data and its use in the Colloquium 36 Guo Jun, Shu Wen, Wu Guangning. New tools to determine the partial discharges of inverter fed motor. Proceedings of the ICSD2004, 2004: 868 871 Within Transformer Insulation Systems, 1991,6: 3/1 - 3/4 22 Kemp I J. Partial discharge plant-monit