毕业论文-变压器局部放电的测量及影响因素的分析

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE II -变压器局部放电的测量及影响因素的分析摘要大型变压器是电力系统中的关键设备之一。在大型变压器运行的过程中，严重的电、热和环境应力的联合作用将导致绝缘结构中的薄弱部位发生局部放电并不断发展，直至绝缘击穿。对变压器的局部放电检测在当今也变得愈发重要。了解影响变压器局部放电测量的因素对于生产实际有着十分重要的意义。本文简单介绍了变压器局部放电的产生原因、表征参数和放电类型，并介绍变压器局部放电检测技术的现状，分析了脉冲电流法、超声检测法化学检测法等方法的基本原理。着重分析了局部放电信号在变压器绕组中的传播

2、特性，得到放电脉冲在绕组中的衰减特性和单个变压器绕组的频率特性。分析了局部放电信号在变压器油纸绝缘的产生与传播，得到一些影响变压器局部放电测量的因素。另外对于常用的脉冲电流法进行了误差分析，并对新兴的超高频检测法的影响因素作了简单介绍。关键词变压器；局部放电测量；绕组特性；油纸绝缘The analysis of partial discharge measurement and the affecting factors in transformerAbstractLarge-scale transformer is one of the most important apparatus in

3、 power system. In the process of large-scale transformer operation, severe combined effects of electrical, thermal and environmental stress will lead to the weak parts in the insulation structure of partial discharge occurs and continuous development until the insulation breakdown. Transformer parti

4、al discharge detection has become increasingly important in nowadays. Factors that affect transformer partial discharge measurements for the actual production is of great significance.This paper briefly describes the causes of transformer partial discharge characterization parameters and discharge t

5、ype, and describes the status of transformer partial discharge detection techniques, the basic principle of the pulse current method, ultrasonic testing method of chemical assay methods. The paper also analyzes the propagation characteristics of partial discharge signals in transformer windings, the

6、 frequency characteristics of the discharge pulse attenuation characteristics in the windings and a single transformer winding. It analyzes the generation and propagation of partial discharge signals in oil-paper insulation of transformer. We can get some of the impact of transformer partial dischar

7、ge measurements on factors. In addition to error analysis of the commonly used pulse current method, and emerging UHF detection method of influencing factors is briefly introduced.Keywords transformer; partial discharge measurement; winding characteristics; oil-paper insulationPAGE II- - PAGE IV -目录

8、摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328566321 The analysis of partial discharge measurement and the affecting factors in transformer PAGEREF _Toc328566321 h II HYPERLINK l _Toc328566322 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328566322 h 1 HYPERLINK l _Toc328566323 1.1 电力变压器中局部放电的机理 P

9、AGEREF _Toc328566323 h 1 HYPERLINK l _Toc328566324 1.1.1 变压器局部放电的产生原因 PAGEREF _Toc328566324 h 1 HYPERLINK l _Toc328566325 1.1.2 表征变压器局部放电的参数 PAGEREF _Toc328566325 h 2 HYPERLINK l _Toc328566326 1.1.3 变压器中常见的局部放电类型及波形特征 PAGEREF _Toc328566326 h 2 HYPERLINK l _Toc328566327 1.2 电力变压器局部放电检测技术研究现状 PAGEREF

10、_Toc328566327 h 3 HYPERLINK l _Toc328566328 1.2.1 常见的局部放电检测方法 PAGEREF _Toc328566328 h 4 HYPERLINK l _Toc328566329 1.2.2 数字化局部放电测量 PAGEREF _Toc328566329 h 5 HYPERLINK l _Toc328566330 1.2.3 超高频局部放电检测 PAGEREF _Toc328566330 h 5 HYPERLINK l _Toc328566331 1.3 本文主要内容 PAGEREF _Toc328566331 h 5 HYPERLINK l _

11、Toc328566332 第2章 局部放电信号在绕组中传播特性的研究 PAGEREF _Toc328566332 h 7 HYPERLINK l _Toc328566333 2.1 放电脉冲在绕组中的衰减特性 PAGEREF _Toc328566333 h 7 HYPERLINK l _Toc328566334 2.2 单个变压器绕组的频率特性 PAGEREF _Toc328566334 h 11 HYPERLINK l _Toc328566335 2.2.1 单个变压器绕组的暂态模型 PAGEREF _Toc328566335 h 11 HYPERLINK l _Toc328566336 2

12、.2.2 绕组的电压传输函数 PAGEREF _Toc328566336 h 12 HYPERLINK l _Toc328566337 2.3 本章小结 PAGEREF _Toc328566337 h 13 HYPERLINK l _Toc328566338 第3章 局部放电信号在油纸绝缘中的产生与传播 PAGEREF _Toc328566338 h 14 HYPERLINK l _Toc328566339 3.1 变压器的油纸绝缘结构分析 PAGEREF _Toc328566339 h 14 HYPERLINK l _Toc328566340 3.1.1 主绝缘结构 PAGEREF _Toc

13、328566340 h 14 HYPERLINK l _Toc328566341 3.1.2 纵绝缘结构 PAGEREF _Toc328566341 h 15 HYPERLINK l _Toc328566342 3.2 局部放电在油纸绝缘中的产生 PAGEREF _Toc328566342 h 15 HYPERLINK l _Toc328566343 3.2.1 绝缘中的局部放电源 PAGEREF _Toc328566343 h 15 HYPERLINK l _Toc328566344 3.2.2 绝缘中局部放电产生的典型位置 PAGEREF _Toc328566344 h 16 HYPERL

14、INK l _Toc328566345 3.3 局部放电信号在油隔板结构中的传播 PAGEREF _Toc328566345 h 16 HYPERLINK l _Toc328566346 3.3.1 基本理论 PAGEREF _Toc328566346 h 16 HYPERLINK l _Toc328566347 3.3.2 讨论 PAGEREF _Toc328566347 h 18 HYPERLINK l _Toc328566348 3.4 本章小结 PAGEREF _Toc328566348 h 19 HYPERLINK l _Toc328566349 第4章 影响变压器局部放电测量的因素

15、 PAGEREF _Toc328566349 h 20 HYPERLINK l _Toc328566350 4.1 变压器结构对局部放电测量造成的影响 PAGEREF _Toc328566350 h 20 HYPERLINK l _Toc328566351 4.1.1 绕组特性对局部放电测量的影响 PAGEREF _Toc328566351 h 20 HYPERLINK l _Toc328566352 4.1.2 变压器内部结构对局部放电测量的影响 PAGEREF _Toc328566352 h 20 HYPERLINK l _Toc328566353 4.2 由测量方法引起测量不准确的因素

16、PAGEREF _Toc328566353 h 21 HYPERLINK l _Toc328566354 4.2.1 脉冲电流法的误差分析 PAGEREF _Toc328566354 h 21 HYPERLINK l _Toc328566355 4.2.2 影响超高频测量局部放电的因素 PAGEREF _Toc328566355 h 23 HYPERLINK l _Toc328566356 4.3 外部干扰的影响 PAGEREF _Toc328566356 h 24 HYPERLINK l _Toc328566357 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc328566357 h 24 HY

17、PERLINK l _Toc328566358 结论 PAGEREF _Toc328566358 h 25 HYPERLINK l _Toc328566359 致谢 PAGEREF _Toc328566359 h 26 HYPERLINK l _Toc328566360 参考文献 PAGEREF _Toc328566360 h 27 HYPERLINK l _Toc328566361 附录A PAGEREF _Toc328566361 h 30 HYPERLINK l _Toc328566362 附录B PAGEREF _Toc328566362 h 40- PAGE 10 - PAGE 40

18、 -绪论随着电压等级的不断提高，绝缘承受的工作场强也显著提高，变压器内部局部放电所引起的故障逐渐引起人们的重视，相应的局部放电的测试方法也随之发展起来。目前局部放电试验已成为检查变压器内部绝缘缺陷质量的重要手段, 新安装和大修后的 220 kV及以上电压等级变压器, 必须通过局部放电试验才可以投入运行。国际电工委员会（IEC）和我国都在局部放电的测量原理、方法以及各项检测指标等方面制定了一系列标准1。但是电力变压器中由绝缘缺陷产生的局部放电源可能位于绕组高压引线、绕组端部的绝缘屏、绕组对地绝缘、匝间绝缘或油中杂质。而局部放电又可能是气泡放电、尖端放电或沿面放电等多种类型，对变压器内部局部放电进

19、行检测时，通常只能从变压器外壳接地引下线、高中压套管末屏接地线、中性点接地线以及铁芯及夹件的接地引出线等有限的几个测量端获得信号。放电点在绕组中的出现具有很强的随机性，所测到的放电信号从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、时延等现象，这些影响跟脉冲传播的距离和路径存在较强的关系，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2。电力变压器中局部放电的机理本节主要分析电力变压器中局部放电的机理，由此可以针对各变压器局部放电的检测方法的原理提出问题及解

20、决方案。变压器局部放电的产生原因在电场的作用下，变压器中的局部区域发生放电，而没有造成整个击穿的情况，这种现象为变压器局部放电。造成变压器局部放电的根本原因是：材料的组成不相同，电介质分布不均匀，电场的分布不均匀，于是导致变压器部分区域超过其平均击穿场强，发生击穿放电现象，其他区域仍然保持绝缘特性，形成了变压器局部放电现象。局部放电反映了绝缘故障，若不采取检测和维修技术，会造成绝缘损坏3。变压器局部放电形成的原因有：（1）变压器运行中器身绝缘材料上产生的裂缝，气泡和灰尘等杂质；（2）油中含有气泡或含气量高或其他异物；（3）某些部位电气接触不良3。表征变压器局部放电的参数变压器局部放电是复杂的现

21、象，需多种参数表征其放电的特征信息。变压器的绝缘状态用以下的特征量来表述：视在放电量、放电次数、放电频率、放电能量、放电重复率、放电平均电流、放电起始和熄灭电压、放电的均方率、放电功率、放电的相位。以上参数从不同角度来描述局部放电的特征信息，单一的参数不能够全面的表述局部放电的特征，需要综合运用来研究变压器局部放电3。变压器中常见的局部放电类型及波形特征根据变压器材料的特性和结构的层次,可以将局部放电分为以下几种类型：油中气泡放电、金属微粒的悬浮放电、尖端放电、沿面放电、内部放电等多种放电形式。发生在绝缘介质内的称为内部局部放电；发生在绝缘表面的称为表面局部放电；发生在导体边缘而周围都是气体的

22、，可称之为电晕。变压器内部局部放电图2-1 局部放电的等效分析图（a）简单模型（b）等效电路变压器经过长时间的运行，绝缘油在强电场作用下，会产生多种气体，气泡和悬浮的水蒸气微粒。它们会造成变压器内部电介质和场强分布不均匀，进而产生了内部放电，如图2-1。放电产生的空间电荷，会改变空间电场，使得放电成为了断续的过程。在放电过程中，夹杂着大量的放电脉冲。其放电形态如图2-2。图2-2介质内部气泡的放电图形变压器表面局部放电表面的局部放电过程与内部放电过程是基本相似的，不同的是气隙一端是导体，其他一端是电极，则放电产生的电荷积累在介质中，在其他介质表面发生的放电现象。由于电极和介质的作用的不对称性，

23、则放电脉冲分布不对称。放电相位主要集中在工频电压20 90和200 270范围之间。若放电的电极接高压，不放电的电极接地时，则负半轴出现的放电量较少，但是放电次数较多；正半轴的放电量较大，但放电次数较，少如图2-3（b）。若放电的电极接地，不放电的电极接高压，图形相反。图2-3表面局部放电图（a）放电模型（b）放电图形电晕放电变压器电晕放电是指变压器周围是气体介质的局部放电形式。由于介质中气体分子的可移动性，使放电位置是随机的，不会固定在某一位置上，电晕放电本质上是尖端放电，常会在变压器金属尖端附近发生，如图2-4。图2-4电晕放电图（a）放电模型（b）起始放电（c）电压过高时电力变压器局部放

24、电检测技术研究现状局部放电的检测都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局放的状态。电力变压器局放过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及生成一些新的生成物，并引起局部过热。因此，相应的出现了电脉冲检测法、超声波检测法、光测法、化学检测法、红外检测法等多种常见的传统检测方法。近几年来，局放检测在数字化测量、超高频 (UHF)检测等方面有了较快的发展4。常见的局部放电检测方法超声检测法用固定在变压器油箱壁上的超声传感器可以接受到变压器内部局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电的大小及位置。通常采用的超声波传感器是压电传感器，选用的频率范围为70150kHz，目的

25、是为了避开铁心的磁噪声和变压器的机械振动噪声。由于超声法受电气干扰小以及它在局部放电定位上的广泛应用，人们对超声法的研究较为深入。但变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样。目前使用的检测超声波传感器抗电磁干扰能力较差，灵敏度也不高，这就增加了检测难度。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展，超声检测的灵敏度有了较大的提高，因而该方法的发展应用是非常有希望的5。光测法它是用局部放电产生的光辐射进行的。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同。研究表明，通常在 500700nm之间。光电转换后通过检测光电流特性，可以实现局部放电的识别。虽然，在实验室中利

26、用光测法来分析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂昂贵，灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在实际中得以广泛应用。化学检测法当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。目前，该方法已广泛应用于变压器的在线故障诊断中。故障类型不同，故障程度也不同，气体的组成和浓度也不相同，由此建立起来的模式识别系统可实现故障的自动识别。但直到目前，仍然没有形成统一的判断标准。因为它对发现早期潜伏性故障较灵敏，但不能反映突发性故障。脉冲电流法脉冲电流法是通过检测阻抗、检测变压器套管接地线

27、、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流来获得实在放电量。是研究最早、应用最广泛的一种检测方法。国际专门机构对此也制定了专门的标准，该电流传感器通常按频带可分为窄带和宽带两种。窄带传感器一般在 10kHz左右，具有高灵敏度、抗干扰能力强等优点，但输出波形严重畸形。宽带传感器带宽为100kHz左右，具有脉冲分辨率高的优点，但信噪比低。该方法的主要缺点：一是由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响。因此，当试样的电容量比较大时，受耦合阻抗的限制，灵敏度也受到了一定的限制。二是测试频率低，一般小于1MHz，因而包含的信息量少。三是在离线状态其灵敏度

28、较高，而现场中易受外界干扰噪声的影响，抗干扰能力差。射频检测法它从变压器的中性点处测取信号。测量的信号频率可以达到30MHz，大大提高了局部放电的测量频率。同时测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统的运行方式，对于三相局部放电信号的总合无法进行分辨，而且信号易受外界干扰。但随着数字化滤波技术的发展，射频检测法在局部放电在线检测中得到了广泛的应用。数字化局部放电测量近年来，随着电子技术的飞速发展和电子计算机的广泛应用，计算机辅助测试系统在变压器局部放电中的应用越来越广泛。人们将计算机辅助测试系统与传统的测试方法相结合, 将测试的局部信号经过放大、滤波后进行 AB转换，将模拟量转换成数字量后送入

29、计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图和统计量，由此来分析变压器局部放电情况。通过数字化测量，可以使研究和检测人员更准确、更简单地了解变压器的绝缘系统情况，从而使局部放电识别告别了依靠测试人员的试验经验获取的历史。迄今为止，数字化测量都是针对脉冲电流法而进行的，它虽然有很多明显的优点，但仍然存在一些不足。超高频局部放电检测针对传统检测方法的不足,近几年出现了一种新的检测方法超高频(UHF)检测法。超高频局放检测通过传感变压器内部局部放电所产生的超高频(300-3000MHz)电信号,实现局部放电的检测和定位,并实现抗干扰。每一次局部放电都发生正负电荷中和，伴随有一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电

30、磁波。试验结果表明：局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局放源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。变压器油-隔板结构的绝缘强度比较高，因此变压器中的局部放电能够辐射很高频率的电磁波，最高频率能够达到数 GHz。研究表明，变压器中局部放电脉冲上升沿时间基本数纳秒，因此，它发射的电磁波中超高频分量相当丰富。这些超高频成分可以用电容传感器或超高频天线加以接收。本文主要内容本文简单介绍了变压器局部放电检测的现状，

31、提出现今测量方法无法准确测量的问题。着重分析局部放电信号在变压器绕组中以及变压器油纸绝缘结构中的传播特性，介绍影响变压器局部放电测量的因素。局部放电信号在绕组中传播特性的研究电力变压器中由绝缘缺陷产生的局部放电源可能位于绕组高压引线、绕组端部的绝缘屏、绕组对地绝缘、匝间绝缘或油中杂质。而局部放电又可能是气泡放电、尖端放电或沿面放电等多种类型，对变压器内部局部放电进行检测时，通常只能从变压器外壳接地引下线、高中压套管末屏接地线、中性点接地线以及铁芯及夹件的接地引出线等有限的几个测量端获得信号。放电点在绕组中的出现具有很强的随机性，所测到的放电信号从放电源经过变压器绝缘介质、绕组到达外部的测量装置

32、，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、时延等现象，这些影响跟脉冲传播的距离和路径存在较强的关系，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。变压器在实际的运行中要受到电磁、热、机械力等的作用，沿绕组长度的各处都有可能产生局部放电；同时，不同的局部放电类型会产生不同的激励信号，这使得分析局部放电信号的传播特性变得非常复杂。放电脉冲在绕组中的衰减特性变压器绕组为一个分布参数元件，具有对地电容、纵向电容和电感所组成的分布参数，因此不能将其视为一个集中参数对待。在研究中，经常用以下的等效电路来进行分析

33、，如图2-1所示1,12。图2-1变压器绕组的等效回路 在如图2-2中的变压器模型中，M点发生局部放电时，在放电的瞬间，电感不起作用，因此可用图2-3来研究其起始电位分布。图中K0为高压绕组单位长度纵向电容，C0为高压绕组单位长度对地电容。假设绕组中有一气隙，以Cc表示气隙电容，Cb表示与气隙串联部分绝缘介质的等效电容。P点与地之间m段和n段的入口电容若分别以Cm和Cn表示，那么图2-3可进一步化简为图2-4所示等效电路。图2-2具有放电点的变压器模型图2-3气隙放电时的等效电路气隙放电时，气隙两端的电压变化为uc，由此引起P点电压变化为 （2-1）式中 CP为P点与地之间的入口电容，CP=C

34、m+Cn。图2-4气隙放电时的简化等效电路设由P点的电压变化引起的m段任意点x电压变化为，则有 （2-2）该微分方程的通解为 （2-3）式中 。对于m段，A点开路，边界条件为 代入式（2-3），求得系数 将A、B代入式（2-3）得m段任意点x的电压 （2-4）同理，由P点的电压变化引起的n段任意点x的电压变化为 （2-5）计算得到m段和n段的等值电容为 （2-6） （2-7）因此 （2-8）由气隙放电等效电路可知，P点的视在放电量为 （2-9）将式（2-8）代入式（2-9），得到 （2-10）将分别代入式（2-4）、式（2-5）得 （2-11） （2-12）由式（2-11）、式（2-12）可以

35、看出，当M点发生放电时，沿绕组的起始电位分布如图2-5所示。图2-5绕组的起始电位分布由以上分析可知，变压器内部发生放电时，其对应绕组上所产生的脉冲电压将沿绕组两端进行衰减性传播。反应在首端的脉冲电压和之间的关系为 （2-13）由此可见，不仅与有关，而且与放电部位有关。由于绕组的这种衰减特性，在首端（或末端）所测出的视在放电量已不再能真实地反映出变压器内部放电部位上的实际放电电荷的特性。其误差的大小与放电部位距首端（或末端）的距离有关，距离越大，误差越大；放电如发生在首端，则与集中参数元件所测出的结果相似。绕组的衰减特性，不但与绕组的型式有关，而且与其排列的结构也有关。一般值越小衰减就越小。单

36、个变压器绕组的频率特性单个变压器绕组的暂态模型单个变压器绕组是局部放电信号传播最直接的路径，对信号的影响最大，因此本文讨论单个变压器绕组自身的频率特性。作为传播局部放电信号的路径，变压器绕组是个分布参数网络，文献24给出的变压器绕组在中低频下的等值电路如图2-6（a）所示，其中 L、C、K、R、G、g 分别是线圈单位长度的主电感、对地电容、纵向电容、电阻、对地电导、纵向电导，其简化等效电路如图2-6（b）。（a）常用等值电路 （b）简化等值电路图2-6变压器绕组的等值电路对于该简化等值电路，有如下电流、电压沿绕组长度的分部解： （2-14） （2-15）式中 x为自首段的绕组长度；A和B是由绕

37、组的首末端边界条件确定的常数。图2-6的等值电路仅适合于在低频时对绕组的电流、电压分布作分析计算随着信号频率的增高，变压器绕组的对地寄生电感的作用不可忽略，可用附加寄生电感的电路来等效变压器绕组，如图2-7所示，其中 为绕组单位长度的对地寄生电感，其它参数的意义同图 2-6，N是级连的集中参数单元个数，根据文献24取 N=1020可很好地近似分布参数电路。图2-7高频下变压器绕组的等值电路绕组的电压传输函数首先我们定义变压器绕组末端开路的状态下的电压传输函数为 （2-16）式中 为绕组首端的电压，为在末端的响应值，设绕组的长度为l，由式（2-14）和（2-15）可得 （2-17）根据文献24中

38、所述，假设绕组参数为 =220 mH、=2500 pF、K/l=450 pF、=10，在 SaberSketch 里编辑图 2-7所示考虑寄生电感的模型（取=1H），用 Saber的交流小信号分析得到其传输函数（）的幅频特性如图2-8所示。图2-8变压器绕组的幅频特性由图2-8可知，由于高频下寄生电感的存在，出现了一系列的谐振点。在整个频率范围内，电压传输函数的幅频特性由两个临界的谐振区分成了三个频率范围区间，图中 CB 所示的中频段较为平缓，适合测量。变压器绕组中频段频率带具有如下两个重要特点：（1）信号的纯容性频率成分通过变压器绕组后增益相同，不会发生畸变，并且具有线性相位；（2）容性频率

39、成分电压在变压器绕组上是均匀分布的。作为局部放电的宽带检测，希望变压器绕组具有一个较宽的平缓频带，在信号无失真的情况下还可以准确定位。然而，该频带的大小除与变压器的容量有关外，绕组的结构形式是一个非常重要的因素。为此定义与绕组的结构形式密切相关的空间因数，其中C为变压器绕组总对地电容，K为绕组总的纵向电容。当较小时，该频带较宽，而随着的增大，该频带越窄，这说明对于纵向电容较大的纠结式绕组（3）存在着一个较宽的平缓频带，而对于大多数连续式绕组而言，不存在此平缓频带。本章小结本章主要分析局部放电信号在变压器绕组中的传播特性。根据分析可知，当变压器内部发生局部放电时，放电信号在绕组中会发生衰减，由于

40、测量时一般由绕组首端的高压套管侧屏引出，因此会有测量误差。并进一步分析绕组的频率特性，为局部放电检测的频带选择提供依据。局部放电信号在油纸绝缘中的产生与传播变压器的油纸绝缘结构分析目前大部分的电力变压器为油浸式变压器，油浸式变压器绝缘结构中所采用的主要绝缘材料是变压器油和绝缘纸，即油纸绝缘结构。油纸绝缘结构具有良好的耐电强度。变压器的内部绝缘可以分为主绝缘和纵绝缘，本节将简单介绍油浸式变压器的主、纵绝缘结构，以便进一步分析局部放电信号在其中的传播。主绝缘结构主绝缘为每一绕组与接地部分间或与其它绕组之间的绝缘。我国生产的油浸式变压器的主绝缘一般均采用油隔板结构形式，从附录B我们可以得到变压器油隔

41、板绝缘结构简图，如图3-1所示。对于这种结构，油与隔板分担的电场强度与其介电常数成反比，因而油间隙中的场强比隔板中的场强高，成为该绝缘结构的弱点11。图3-1绕组间隔板示意图在高压变压器绝缘结构中，隔板的数目随电压等级的提高而增多。对于绕组间的绝缘结构有两种形式：厚纸筒大油隙结构（纸筒厚度5mm，油隙宽度20mm）只用于35kV以下的电压等级变压器中；薄纸筒小油隙结构（纸筒厚度4mm，油隙宽度15mm）可用于110kV及以上的电压等级变压器中。由于高压变压器绕组端部的电场不均匀且铁轭是辐向不对称，所以电场也不对称。由于短路机械强度的要求，绕组必须支撑于铁轭（压板）上，对于35kV及以下的变压器

42、采用垫块，对于66kV及以上的变压器采用垫块与隔板（角环）分割油隙。由于该处电场不均匀，电力线经过两种介质（变压器油和绝缘纸板），并且斜入固体介质，即存在着沿固体绝缘表面的电场切线分量，属于滑闪型结构。纵绝缘结构纵绝缘为绕组的线匝间、层间、线饼间的绝缘。在高压变压器中采用纸作为线圈匝间绝缘。线圈的段间绝缘，通常是由辐向油道或纸圈等组成。局部放电在油纸绝缘中的产生绝缘中的局部放电源层间缺陷：当使用较薄的绝缘纸板胶合在一起时形成较厚的屏障时可能产生层间缺陷，在层间内空隙点可能会长期存在，空隙可能会产生变化，它们可能在胶合状态时存在，也可能与光滑的导线连在一起，更进一步的是，当灌注了足够的变压器油后

43、，可以使这些空隙上升有时(例如在预防性试验时)，发现空隙在某一天消失了，因为气体被变压器油吸收了，空隙中充满了油。空隙也可能在套管中存在，高含量的潮气与热量相结合在高电场的作用下将会产生局部的高蒸汽压力，“膨胀”了绕组和木板的绝缘材料，此后，就在这种松软的材料中开始产生放电。汽泡：由于在放电时气体的演变和小水滴的蒸发而产生气泡，经验显示：在一个敞开式油容器中的气体气泡将会很快地分解成小气泡，在气泡内部一旦开始放电，这些小气泡很快就会消失，因此气泡只仅仅存在在那些用于机械支撑的固体绝缘材料中(如在楔块中)。自由金属粒子；在制造过程中自由金属粒子可能会被遗留下来。较小的粒子将被油流携带流动，较大的

44、粒子将会沉在容器的底部。电泳力的作用将会吸引高介电常数和传导性能好的粒子，使它们跑到高场强的部位去。固定金属粒子：固定金属粒子也可能会存在(如在木制品的零件中，或者是在绕组中固定绝缘纸的金属件等)。潮气：变压器运行年代长久后，其中将会有潮汽由于装置的直立性潮气也会渗透到绝缘材料内部潮气在放电的起始过程和熄灭过程起着不同的作用。在运行的加热周期中(如对一台已经退出运行的变压器施加能量)潮气将会从固体绝缘材料中压出来，由于潮气在变压器油中的溶解性较差，就会在变压器油中产生过饱和接着在纤维材料表面产生许多小水滴和气泡，水蒸发时就会得到许多微气泡，从而提高了放电的可能性。纤维材料中潮气含量的增加将会导

45、致纤维材料更导电。在这些情况下纤维材料就开始像金属粒子一样起作用从绝缘纸表面析出纤维素，纤维素在绝缘油中移动，这样就可能开始放电。潮气含量的增加，也将会增加绝缘材料的介质损耗在冷却周期中，水将会被凝结，被绝缘纸板局部吸收。绝缘纸板看起就“膨胀”起来了，由于绝缘纸板介质损耗产生热量，和绝缘纸板内部水分的蒸发，结果，在绝缘纸板内部的许多空隙中普遍开始放电。静电屏蔽的接触不良：对于静电屏蔽接触不良所造成的缺陷，因其容量大，将会造成大的放电。静电充电：静电充电会增加局部电荷的堆积，从而引起电场的增加，由此会引起放电。由于可以看到这些放电，可知放电轨迹是沿着绝缘纸板的表面进行的。表面痕迹：从放电进展过程

46、中产生的表面痕迹中，已经发现放电进展是沿着障碍物的表面和沿着支撑物的表面进行的。碳化了的轨迹可以起一个突出导体的作用，随着时间过去表面痕迹长度可能会增加。绝缘中局部放电产生的典型位置在变压器的绝缘结构中，由于油纸绝缘的特点和设计与制造上的原因，绝缘中的某些部位受到了过高的电场强度作用而首先发生局部放电。局部放电具体发生的典型部位又可分为：固体介质空穴处、电极尖角处、油隔板绝缘中的油隙、“油楔”以及油中沿固体介质表面处。局部放电信号在油隔板结构中的传播本节将选取油浸式变压器绝缘中易发生局部放电的典型部位，用简单模型分析局部放电信号在油隔板结构中的传播。基本理论变压器内部的局部放电源可以看作为一个

47、发射电磁波的点源局部放电产生的电磁波遵循麦克斯韦电磁场基本方程。当局部放电产生的电磁波从一种介质传播到另一种介质中时在界面处发生折反射，见图3-225。图3-2电磁波在两种介质表面上的反射与折射图3-2中，与分别为界面左侧介质的相对介电常数和磁导率，与为右侧介质相对介电常数和磁导率，为人射角，为折射角，为反射角，E为入射电磁波。任意点源电磁波曰可分解为TE和TM型z方向平面波谱的积分型叠加平面电磁波在平面分层复合介质中的传播，可用反折射系数描述。对于TE型波在界面处有 （3-1）式(1)中，和分别为界面的反、折射波与入射波幅值之比，称为局部反射系数和折射系数。非铁磁性介质的磁导率约等，即，由电

48、磁场与电磁波的相关理论有 （3-2）式(3-2)中，为f信号频率，c为光速。由式（3-1）、（3-2）可得 （3-3）由式(3-3)可知。电磁波在单一绝缘介质中是无衰减传播的。在多层介质中，由于各层介质的介电特性不同，电磁波在界面处产生多次反、透射现象，导致电磁波传播特性变化。根据单层介质中电磁波的界面反、透射关系，可递推出多层介质中电磁波的界面反、透射关系。经过多层绝缘介质传播后，透射的局部放电电磁波波幅将产生一定的衰减。局部放电超高频电磁波在变压器内部传播过程中，变压器油与浸油绝缘纸板相对介电常数存在差异，局部放电产生的电磁波在油纸绝缘系统中发生多次折反射之后，放电信号会有所衰减，从而降低

49、了检测灵敏度。讨论在变压器局部放电试验中，一般由绕组首端的高压套管侧屏引出获取信号。假设在油隔板绝缘结构中的油隙中有一气泡发生局部放电，该处产生的放电信号首先在油纸绝缘中衰减传播，进入高压绕组；由第二章分析可知，局部放电信号在绕组中也会发生衰减，因此，我们从绕组首端的高压套管侧屏测得的局部放电量是不准确的。本文将对下面的情况进行讨论，如图3-3所示，在油中的M点的气泡发生局部放电。图3-3变压器油中发生局部放电当M点发生局部放电时，放电脉冲会通过油隔板传入高压绕组，进而通过高压绕组进入测量仪器。为了研究放电脉冲在油隔板中的传播，本文试图建立从放电点到高压绕组之间的等效电路模型。放电点对地（油箱

50、壁）之间、与低压绕组之间存在杂散电容，放电点与高压绕组之间为油纸复合绝缘，可等效为电容，如图3-4所示。图3-4M点发生局部放电时的等效模型放电脉冲由于受杂散电容的影响，不会全部进入高压绕组，而由于放电点位置不同，各参数也不同，因而很难准确测量放电量。本章小结本章主要分析了变压器的油纸绝缘结构，并进一步分析局部放电在绝缘中的产生以及局部放电信号在油隔板结构中的传播。通过电磁场的理论可知，局部放电信号在油纸绝缘中衰减传播，这也是造成局部放电测量不准确的一大重要因素。影响变压器局部放电测量的因素变压器结构对局部放电测量造成的影响变压器是一个结构复杂的电力设备，其结构的特殊性决定了难以对其进行准确的

51、局部放电测量。绕组特性对局部放电测量的影响本文第二章已经对变压器的绕组特性作了一定分析。对变压器内部局部放电检测时，通常只能从变压器外壳接地线、高压套管末屏接地线及中性点接地线等测量端获得信号。放电点在绕组中的出现具有很强的随机性，所测到的放电信号从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、波形的畸变和延时等现象，这些影响跟脉冲传播的距离和路径存在较强的关系，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出现困难。在测量变压器局部放电之前，应对整个测试回路进行校正，以确定标

52、尺进行量度。实际进行校正时是在绕组首端进行校正，这样校正出来的系统只有在绕组首端部位发生局部放电时才能准确的反映出其视在放电量值。若放电发生在绕组内部，由于放电脉冲在绕组中的衰减，使得测到的视在放电量就要偏低。文献27通过对电力变压器绕组中不同位置发生局部放电的模拟实验，系统地研究了电力变压器绕组传播过程对局部放电测量结果的影响。并得出以下绕组对局放测量结果影响的结论：（1）由于局部放电标定通常都是在绕组首端进行的，这就导致对绕组中发生的实际局部放电的标定结果有着非常大的分散性，在绕组两端的标定结果有时可能出现近40倍的差异。进而影响到局部放电测量结果的分析。（2）利用绕组两端测量结果的几何平

53、均对方电量进行修正，可降低标定结果的分散性。（3）所获得的视在放电量受到放电耦合方式的影响较大，另外，大小相同而类型不同的放电量的标定结果也存在很大差异。变压器内部结构对局部放电测量的影响变压器内部结构复杂，对于油浸式变压器内，存在着油隔板绝缘结构、高低压绕组、铁心、铁轭等各种结构，对于局部放电信号的传播都有着很大的影响。例如，变压器油中有气泡发生介质内部局部放电，会产生一种横电磁波，这种波从放电点传播到超高频传感器可能会遇到3种情况：（1）经过单一绝缘介质（变压器油）传播到接受天线；（2）经复合绝缘介质（油-隔板，气隙-油-纸板）传播到接受天线；（3）传播过程中遇到金属导体（变压器箱体）。

54、那么下面根据电磁波的传播特性分析各结构对局部放电测量的影响：（1）绝缘介质中电磁能量沿电磁波传播方向流动。能量流动的速度即为波速，在传播过程中能量密度等振幅传播保持不变，也就是说，超高频局部放电电磁波在单一绝缘介质（变压器油）中是无衰减传播的。（2）当两种绝缘介质的和接近时，电磁波几乎无反射，全部折射到下一层介质中；但当两种介质的和相差较大时，局部放电产生的电磁波将在界面处产生反射，不能全部折射到下一层介质中。油和纸板的和相差较大，电磁波在界面处产生反射。（3）电磁波经过多次的折反射后，局部放电信号衰减的大小变得十分复杂。所以经过气隙-油-纸板出道天线的信号是畸变的。（4）电磁波经良导体后衰减

55、大，单位长度的相移也大，在良导体中沿垂直导体方向传播的电磁波，由于能量损耗而使场量（电、磁场强度及电流密度等）都按e的指数规律衰减，且随着电、磁导率的增加、频率的升高而衰减得越快。在电力变压器超高频局部放电测量中，变压器金属箱体外壳对测量影响很大，需采取措施才能检测到电磁波，如将超高频传感器置于变压器内部等34。由测量方法引起测量不准确的因素脉冲电流法的误差分析脉冲电流法是最常用的局部放电检测方法，也是唯一一个有测量标准的方法。定标的误差由第一章所述的脉冲电流法的测量机理可知，试品的局部放电量的大小是通过与一个已知方波电压的比较而得到的。对于方波电压的要求，IEC规定其上升沿陡度不大于0.1，

56、而现在无论对哪一种电气设备的测量均使用同一上升沿陡度的方波进行校正，显然不能很好的模拟真实的放电情况。实际上不同电力设备的绝缘介质不同，不同介质中放电形成时间也是不一样的。对这些不同绝缘介质中的局部放电用同一陡度的方波进行校正，由于介质放电形成时间和校正方波上升沿陡度不同，在试品两端的就会有差别，在检测阻抗上形成的响应也会有差别，所以必然会产生一个响应上的误差37。图4-1方波注入回路另外，分度电容的选择对局部放电测量也有影响。介质中出现局部放电时，放电气隙相当于一个脉冲源，可用一个阶跃电压来模拟气隙放电，经过（用模拟）耦合到试品两端，在检测元件上得到信号，即为模拟放电量，见图4-1。可见为使

57、定标准确，应尽量接近。方波注入方式产生的误差方波的注入方式不正确也会产生误差，这种情况在实际测量中常被忽略，常见的错误是方波没有加在试品两端，而是加在试品对地之间如图4-2，其原因是误认为检测阻抗很小，不会带来测量误差。图4-2方波注入方式不当测量选位的影响脉冲电流检测法是通过检测阻抗、检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，而获得视在放电量。从测点选位来看，如果在油箱外壳接地线上抽取电脉冲信号，由于运行中的变压器油箱为多点接地，因此，从油箱接地上耦合的信号必定很弱，检测灵敏度较差，这种抽样方法有较大局限性。根据具体情况，可在变压器高压套管末屏、中

58、性点及铁心接地线安装传感器以获取信号，组成“差动平衡对”。当变压器内部发生局部放电时，通过两传感器测点处的脉冲电流的极性应相反；而外部干扰（如母线上的电晕放电）信号在两传感器测点处的脉冲电流的极性则相同。用软件实现差动平衡，引入小波分析等现代信号处理技术及人工智能技术，滤除检测信号中的各周期性干扰以及随机性干扰，并准确区分内外放电脉冲。影响超高频测量局部放电的因素超高频检测过程中最重要的组成部分是传感器。传感器的灵敏度直接影响系统检测结果的精确度6。变压器外壳是一个封闭的金属箱体，对超高频电磁波信号有屏蔽作用不利于外置超高频天线进行检测，为了取得更好的检测效果，对于运行中的变压器，更多的做法是

59、把超高频天线深入变压器内部进行检测，通常箱体上的法兰盘和放油阀是比较合适安装的位置。根据超高频天线安装环境以及接触介质的不同，影响因素主要有：（1）安装位置的不同。在超高频检测中，天线安装位置的不同使得电磁波从局放源到天线的传播路径各异，传播路径中的各种介质和金属导体会影响超高频信号的频谱，使得相同类型和性能参数的天线在不同的安装位置检测到的信号频谱发生变化，进而对局部放电的测量结果发生影响。（2）变压器油的影响。由于变压器油和空气的相对介电常数差别较大，油中电磁波的传播速度变小，使得相同频率的电磁波长变短，从而改变天线的谐振频率，检测的到的频率也改变，影响局部放电测量结果的分析。（3）球形放

60、油阀的影响。球形放油阀可近似认为是一个空心的金属圆柱，具有一定的电磁屏蔽效果，对于安装于此的天线，会影响其接收性能。影响了天线对电磁波的检测，进而使局放测量不准确。文献采用仿真与试验研究相结合的方法，探索安装位置、变压器油和球型放油阀对天线传感器驻波特性和检测能力的影响。得到以下结论：（1）不同安装位置会影响天线的性能，从而进一步影响所测的信号频谱，但对信号的幅值影响不大；（2）由于电磁波的传播速度与空气中的速度不同，对于单极子类天线来说，变压器油会降低天线的谐振频率，改变天线的驻波特性，但不影响天线的检测能力；（3）由于变压器球形放油阀对单极子传感器有一定的屏蔽作用，对安装在入口出的单极子类