局部放电基础研究与应用

放电脉冲信号及其频率特性

不同类型放电的各种特征

绕组类设备放电信号的传播规律

绕组类设备局部放电的量化和放电点定位

现场强电磁干扰的抑制技术

放电模式识别和诊断1放电故障诊断的基础性探讨发电机、变压器2023/2/20放电持续时间

纳秒至微秒数量级1三电容模型2023/2/20视在放电量q=CxUxm

Uxm：Cx两端电压

变更幅值

国家标准规定

低值方波电压u0(幅值U0)

经小电容C0(其值足够小)接至Cx两端

对视在放电量进行校订1视在放电量及校订2023/2/20绕组中某部位发生放电

该部位可看作电容试品

检测装置只能在绕组两端检测

检测的是经绕组向外传播的放电信号

方波校订电压也无法干脆接至放电部位1发电机、变压器放电故障诊断的特殊性2023/2/20局部放电发生、发展

取决于电极结构、介质种类及缺陷形式等

局部放电脉冲电流会受这些因素影响

放电脉冲波形特性

探讨绕组类设备放电脉冲传播规律的前提

选择放电检测装置频率特性要求的依据2局部放电脉冲及其特征2023/2/202.1放电脉冲电流测试系统(1)

——回路2023/2/20

2.1测试系统(2)

——误差来源2023/2/20

2.1测试系统(3)——检测电阻2023/2/20

2.1测试系统(4)

——测量装置2023/2/20

2.1测试系统(5)

——测量误差2023/2/20

2.1测试系统(6)

——干扰防护2023/2/202.1试验模型(1)

——三大类2023/2/202.1试验模型(2)

——空气放电模型2023/2/202.1试验模型(3)

——电机线棒模型2023/2/202.1试验模型(4)

——空气放电模型2023/2/202.1试验模型(5)

——油中放电模型

油中放电试验模型

n

有机玻璃盒—布置电极—绝缘材料每种各5个n

油纸绝缘放电

n

胶纸筒表面放电n

浸油纸板气泡放电2023/2/20

2.1.1

空气中放电脉冲电流实测波形(1)

2023/2/20

2.1.1

空气放电脉冲波形(2)

2023/2/20

2.1.1

空气放电脉冲波形(3)2023/2/20

2.1.1

空气中表面放电脉冲电流实测波形(1)2023/2/20

2.1.1

空气中表面放电脉冲波形(2)2023/2/20

2.1.1

空气中表面放电脉冲波形(3)2023/2/20

2.1.1

空气中表面放电脉冲波形(4)2023/2/20

2.1.1

空气中表面放电脉冲波形(5)2023/2/20

2.1.1

空气中悬浮放电脉冲电流实测波形(1)2023/2/20

2.1.1

空气中悬浮放电脉冲波形(2)2023/2/20

2.1.1

电机线棒气隙放电脉冲电流实测波形(1)2023/2/20

2.1.1

电机线棒气隙放电脉冲波形(2)2023/2/20

2.1.2

油纸绝缘放电脉冲电流实测波形(1)2023/2/20

2.1.2

油纸绝缘放电脉冲波形(2)2023/2/20

2.1.2

油纸绝缘放电脉冲波形(3)2023/2/20

2.1.2

油中胶纸管表面放电脉冲波形2023/2/20

2.1.2

油中气泡放电脉冲电流实测波形2023/2/20

2.1.3

放电脉冲电流波形分类(1)2023/2/20

2.1.3

放电脉冲电流波形分类(2)2023/2/20局部放电信号检测方法

高频:小于1MHz甚高频:30300MHz

特高频:300MHz3GHz

高频法简洁，可校订视在放电量

不易避开干扰

高频和甚高频法会受架空线电晕影响

特高频(UHF)段

空气电晕放电与油中局放信号存在差异

检测油纸变压器局放信号的UHF重量

可避开空气电晕影响2.2局部放电特高频信号(1)2023/2/20电气设备内绝缘系统发生局部放电

由放电点向无限大空间辐射电磁波

接受双臂阿基米德螺线天线检测放电信号

超宽频带信号传感器(上限频率1500MHz)

天线输出信号

TDS684C数字示波器记录

带宽1GHz，最高采样率5GS/s

对信号进行功率谱密度分析2.2局部放电特高频信号(2)2023/2/20电晕：能量主要分布在0200MHz

在150MHz旁边有一窄而陡的能量尖峰

沿面放电：能量主要分布在0200MHz

在50MHz旁边有一窄而陡的能量尖峰2.2.1空气中放电信号的功率谱空气中

尖板电晕

沿面放电信号功率谱2023/2/20电晕：能量主要分布在501000MHz

在300MHz旁边出现最高能量峰值

沿面放电：能量主要分布在500800MHz

在600MHz旁边出现最高能量峰值2.2.2油中放电信号的功率谱(1)油中

尖板电晕

沿面放电信号功率谱2023/2/20气隙：能量主要分布在5001000MHz

45个能量高峰，在870MHz旁边最高

悬浮放电：能量主要分布在4001100MHz

约10个能量高峰，在780MHz旁边最高2.2.2油中放电信号的功率谱(2)油中

气隙放电

悬浮导体放电信号功率谱2023/2/20油中放电信号能量主要分布在3001100MHz

有多个较宽、不很陡峭的能量尖峰

空气中放电信号能量主要分布在0200MHz

绝大部分能量在几个极窄、陡的主尖峰中

用UHF法检测变压器局部放电

测量频段大于300MHz为宜

避开空气中电晕放电脉冲型干扰2.2.3频谱特性的差异2023/2/20放电信号由放电点经绕组向两端传播

衰减、变形、时移

检测系统绕组两端

所得放电信息受到影响

影响与脉冲特性、脉冲传播途径有关

脉冲检测信号的变更

放电源到测量端的路径信息

放电源的位置信息3放电脉冲信号沿设备绕组的传播2023/2/20以变压器为例

建立了局部放电脉冲在绕组中传播过程的

LCK电路网络仿真模型

变压器绕组按绕制方式划分成集中单元

每个集中单元由

电感性(L)支路

纵向

电容性(K)支路

并联3.1绕组中快速暂态过程数学模型(1)

2023/2/203.1绕组中快速暂态过程数学模型(2)

L支路：匝导线电阻/电感

匝间互感

K支路：匝间电容/漏导

饼间电容/漏导

单元的横向对地电容

C支路：

线匝对铁心/外壳电容

各单元间存在互感

2023/2/203.1绕组中快速暂态过程数学模型(3)

发生局部放电的绕组处看作电容性试品

用三电容模型等效

用陡脉冲电流源模拟放电的外在反映2023/2/203.1绕组模型验证(1)

变压器绕组实物模型

仿真分析和实际测试

在绕组的5个不同位置

第2、4、8、12、14个线饼

注入脉冲激励信号

比较测量端的仿真响应和实测信号

实测和仿真响应波形比较接近

实测起始部位存在一些较高频率的振荡2023/2/203.1绕组模型验证(2)

用相关分析方法

定量比较

同一位置注入

实测和仿真响应

具有最好的相关性

仿真模型能较好

反映脉冲沿变压器

绕组的传播特性2023/2/20

3.2绕组中放电点电气定位方法(1)

局部放电脉冲在变压器绕组中传播

传播过程中的变更与脉冲传播途径有关

绕组两端脉冲信号的变更

包含了由放电源到测量端的路径信息

反映了局部放电源的位置信息2023/2/20

3.2绕组中放电点电气定位方法(2)

探讨了三台电力变压器

SFPSZ7150000/220(高、中、低压三绕组)

DEP240000/500(高、低压双绕组)

OSFPSZ240000/400TH(高、低压双绕组)

仿真探讨220kV和500kV变压器

归纳放电点的电气定位方法

用400kV变压器的试验结果验证2023/2/20

3.2绕组中放电点电气定位方法(3)绕组传播特性试验回路2023/2/20

3.2电气定位/220kV变压器SFPSZ7150000/220

高压绕组中部出线，纠结连续式

每半部分48饼，122饼为纠结式

2348饼为连续式

中压绕组94饼，纠结连续式

112和93、94饼为纠结式

1392饼为连续式

低压绕组55匝，螺旋式2023/2/20

3.2电气定位/500kV变压器DEP240000/500

高压绕组中部出线，连续纠结式

每半部分54饼

16、1518饼为连续式

其余为纠结式

低压绕组中部出线

每半部分48饼，连续式2023/2/20

3.2电气定位/400kV变压器OSFPSZ240000/400TH

绕高压绕组中部出线，插入电容连续式

每半部分56饼

120、5356饼为插入电容式

2152饼为连续式

凹凸压绕组与高压绕组自耦连接

共34饼，连续式2023/2/203.2电气定位/仿真探讨(1)220kV变压器仿真模型

不同节点注入脉冲信号

在高压绕组的A端和X端测量脉冲响应

高压绕组分上、下两段

分别有24个单元、25个节点

第5和第20节点注入脉冲信号时的响应2023/2/203.2电气定位/仿真探讨(2)第5节点

注入

A端响应

X端响应

2023/2/203.2电气定位/仿真探讨(3)第20节点

注入

A端响应

X端响应

2023/2/203.2电气定位/仿真探讨(4)放电发生位置

距绕组首端约17%(第5节点)

83%(第20节点)

放电位置与放电测量点之间的距离

影响脉冲时域波形幅值

影响脉冲幅频特性幅值

其他节点注入时同样规律

500kV变压器同样规律2023/2/20

3.2电气定位特征量依据仿真探讨

可用于定位放电点的特征量

0.91MHz范围内频响信号平均值

1MHz范围内信号能量

提出电气定位方法

幅比折线法(利用响应幅频特性重量)

能比直线法(利用局部放电信号能量)2023/2/20

3.2幅比折线法(1)

各频谱特性图的共同特点

相对其它频率位置

1MHz旁边的幅频特性较平坦

由绕组等效电路中的电容特性引起

电容性频段

幅频特性幅值与脉冲传播距离有亲密联系

可为局部放电电气定位供应良好依据2023/2/20

3.2幅比折线法(2)

以响应幅频特性|I(f)|在0.91MHz频段内

平均值H作为电气定位所依据的特征量

H确定值受多种因素影响

依据某节点注入脉冲时绕组首、末端响应

分别计算HA和HX

以比值HA/HX|0.9～1MHz作为定位特征量2023/2/20

3.2幅比折线法(3)比值HA/HX与放电位置有较好对应关系

用折线拟合HA/HX与放电点位置x的关系

A、B–首、末端注入脉冲时的比值

在HA/HX~x图中绘制连接

(0,A)(50%,(3A+5B)/8)(100%,B)

三点的折线

可利用此幅比折线定位放电点2023/2/20

3.2幅比折线法(4)变压器高压绕组不同节点注入放电脉冲

随着放电位置由首端向末端移动

HA/HX呈现单调下降趋势

幅比折线法的定位误差约为15%500kV

仿真400kV

实测2023/2/20

3.2能比折线法(1)

以响应量不同频段放电信号的能量

仿真探讨表明

响应信号1MHz以内的能量

与脉冲传播距离有亲密关系

可为局部放电电气定位供应良好依据2023/2/20

3.2能比折线法(2)

以响应幅频特性|I(f)|在1MHz以下的能量

作为电气定位所依据的特征量

E确定值受多种因素影响

依据某节点注入脉冲时绕组首、末端响应

分别计算EA和EX

以比值EA/EX|<1MHz作为定位特征量2023/2/203.2能比折线法(3)比值EA/EX与放电位置基本呈线性关系

用直线拟合EA/EX与放电点位置x的关系

A、B–首、末端注入脉冲时的比值

在EA/EX~x图中绘制连接

(0,A)(100%,B)

两点的直线

可利用此能比直线定位放电点2023/2/20

3.2能比折线法(4)变压器高压绕组不同节点注入放电脉冲

随着放电位置由首端向末端移动

EA/EX呈现下降趋势

能比直线法的定位误差约为8%220kV

仿真400kV

实测2023/2/20

3.3绕组类结构视在放电量校订方法(1)

视在放电量校订

国家标准GB/T7354-2003

《局部放电测量》

IEC60270:2000

《Partialdischargemeasurements》

规定了方法传统法

能很好地适用于集中型电容试品2023/2/20

3.3视在放电量校订方法(2)

按传统方法校订

仅当绕组首端放电时才正确反映视在放电量

绕组其他部位发生的放电

得到的是“视在的”视在放电量绕组类设备

脉冲传播

困难性2023/2/20

3.3传统法：220kV变压器仿真分析(1)绕组A端与地之间

注入24nC

校订脉冲

校订系数

在绕组的不同节点

注入24nC放电脉冲

在A端、X端测点检测响应

传统法校订

A端、X端测得的视在放电量2023/2/20

3.3传统法：220kV变压器仿真分析(2)A端测点X端测点

视在放电量与注入电荷差别较大2023/2/20

3.3传统法：500kV变压器仿真分析A端测点X端测点

视在放电量与注入电荷差别较大2023/2/20

3.3几何平均法校正视在放电量

qA、qX

A端、X端测点响应信号的校订结果

视在放电量220kV变压器500kV变压器2023/2/203.3试验验证：400kV变压器

不同部位放电时

视在放电量

未校正：A端测点最小只有

注入电荷的0.3倍

a端测点最大达

注入电荷的15倍

经校正后

最大为

注入电荷的2倍

差别大为缩小2023/2/20窄带干扰脉冲干扰4干扰信号特性及抑制方法(1)

设备运行现场电磁干扰猛烈

影响局部放电检测灵敏度

影响诊断牢靠性

依据频带分类2023/2/20干扰依据频带分类

窄带干扰

如载波通讯、放射机、开关电源等

脉冲干扰

如功率电子器件、导体电晕、

电机电刷火花等

相应的干扰抑制方法4干扰信号特性及抑制方法(2)

2023/2/20可以运用

模拟滤波器

自适应数字滤波法

小波变换分析法

频域抑制法4.1窄带干扰抑制(1)

2023/2/20基础：自适应处理器

FIR数字滤波器

自适应算法

随机梯度法

系统依据实际状况

变更滤波器

抑制干扰4.1自适应数字滤波(1)

2023/2/20滤波效果影响因素

滤波器阶数p

延迟

收敛因子4.1自适应数字滤波(2)

2023/2/20具有多辨别率(多尺度)特点

在时频两域表现信号的局部特征

可看作带通滤波器

在不同尺度a下对信号滤波

基本频率特性()

中心频率随a的缩小而增高

带宽与中心频率之比恒定

可用来抑制窄带干扰4.1小波变换(1)

2023/2/20

200MW发电机局部放电

在线检测信号

小波变换处理

原始信号x(t)

输出信号d(t)

窄带干扰

120kHz

150kHz

被完全抑制4.1小波变换(2)

2023/2/20

局部放电脉冲频谱宽幅频特性为水平线

窄带干扰幅频特性为垂直线4.1频域抑制窄带干换(1)

抑制方法

谱线删除频域开窗多通带滤波法2023/2/204.1频域抑制窄带干换(2)

谱线删除

干扰源较少时

频域开窗

干扰源稍多

且较密集

多通带滤波

干扰源多且密集

然后进行IFFT

时域图形中

窄带干扰抑制

2023/2/20可以运用

时域平均法

小波变换分析法

时域平均法

白噪围绕时间轴波动

遵从标准差为的正态分布

局部放电脉冲的发生相位基本不变4.2白噪声抑制时域平均法(1)

2023/2/20检测数据按工频周期的整数倍划分

对n个样本进行平均

有用信号幅度基本不变4.2时域平均法(2)

白噪标准差降为

干扰降为原来的2023/2/20在时、频两域突出信号的局部特征

函数的局部特征

用Lipschitz指数表征

斜坡、阶跃、函数的分别为1、0、1

小波变换随尺度j的变更与指数有关

在极值上反映得最为明显4.2小波变换分析法(1)

2023/2/20对小波变换的极大值

＞0随j增大而增大

＜0随j增大而减小

=0不随j变更

白噪的=–0.5–(＞0)

其小波变换极大值随尺度增加而减小

大尺度下的极大点主要属于有用信号4.2小波变换分析法(2)

2023/2/20消退白噪的做法

大尺度下的极值点为基础

依据高