绝缘诊断与绝缘试验(二)

局部放电的测量

1）局部放电概念和特点2）测量局部放电的几种方法3）局部放电的脉冲电流测量法4）脉冲电流法测PD的基本回路5）PD测量的抗干扰问题

1）局部放电的概念和特点：

局部放电的概念：

PartialDischarge简称为PD，指在一定外施电压作用下，电气设备内部绝缘弱点处发生的局部重复击穿和熄灭现象

局部放电的危害：

局部放电发生在一个或几个绝缘内部缺陷中（如气隙或气泡），在这个小空间内电场强度很大。虽然其放电能量很小，短时间内对电气设备的绝缘强度并不造成影响，但电气设备在工作电压下长期运行时，局部放电会逐步扩大，并产生不良化合物，使绝缘慢慢损坏，导致整个绝缘被击穿，发生突发性故障

局部放电的特点：介质内部发生局部放电时，伴随着发生许多现象。有些属于电的：如电脉冲的产生、介质损耗的增大及电磁波放射；有些属于非电的：如光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化。

局部放电的检测：这些现象都可以用来判断局部放电是否存在，因此检测的方法也可分为电的和非电的两类

脉冲电流法：将被试品两端的电压突变转化为检测回路中的电流。又分为直接法与平衡法

PD电量法检测

绝缘油的气相色谱分析法：通过检查电气设备油样内所含的气体组成含量来判断设备内部的隐藏缺陷

超声波探测法：在电气设备外壁放上由压电元件和前置放大器组成的超声波探测器，用以探测局部放电所形成的超声波，从而了解有无局部放电的发生，粗测其强度和发生部位PD非电量法检测3）局部放电的脉冲电流测量法局部放电的三电容模型

Cg：气泡的电容；

Cb：和Cg相串联部分的介质电容；

Cm：其余大部分绝缘的电容介质内部气隙放电的三电容模型

(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路

气泡很小，Cg比Cb大，Cm比Cg大很多 电极间加上交流电压u，则Cg上的电压为ug，

Ug=UCb/(Cg+Cb)例如：Cg=1pFCb=0.01pFCm=100pF则：Ug=1kV;U=100kV

局部放电机理

ug随外加电压u升高，当u上升到Us时，ug到达Cg的放电电压Ug，Cg气隙放电。于是Cg上的电压一下从Ug下降到Ur，然后放电熄灭。Ur叫做残余电压，它可以接近为零值，也可以为小于Ug的其它值局部放电时气隙中的电压和电流的变化局部放电时气隙中的电压和电流的变化

放电火花一熄灭，Cg上的电压将再次上升。由于此时Cg及Cb已经有了一个初始的直流电压，所以此后的ug

值不能直接用上式来表达，ug

值与上式表达的值在绝对值上要小一个（Ug－Ur）值。外加电压上升时，Cg上的电压也顺势上升，当它再次升到Ug时，Cg再次放电，电压再次降到Ur，放电再次熄灭。

Cg上的电压从Ug突变为Ur的一瞬间，就是局部放电脉冲的形成时刻，此时通过Cg有一脉冲电流，局部放电时气泡中的电压和电流的变化如图所示局部放电时气隙中的电压和电流的变化

真实放电量：

△qr=(Ug－Ur)[Cg+CmCb/(Cm+Cb)]≈UgCg

(1kV*1pF=1000pC)实际无法测量

整体电压降落：△U=Cb（Ug-Ur)/（Cm+Cb)

（0.01pF*1kV/100pF=0.1V）可测

视在放电量：

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

视在放电量是局部放电试验中的重要参量，国际和国家标准中，对于各类高压设备的△q的允许值均有所规定4）脉冲电流法测PD的基本回路电桥平衡回路

试品通过Ck后与检测阻抗并联的回路

试品与检测阻抗相串联的回路

5）PD测量的抗干扰问题1、周期性干扰：

⑴连续的周期性干扰信号：如广播，电力系统中的载波通讯，手机通讯，高频保护信号，谐波，工频干扰等等，其波形一般是正弦形。

⑵脉冲型周期性干扰信号：如可控硅整流设备在可控硅开闭时产生的脉冲干扰信号。其特点是该脉冲干扰周期性地出现在工频的某相位上。2、脉冲型随机干扰：高压输电线的电晕放电，相邻电气设备的内部放电，以及雷电，开关继电器的断、合，电焊操作等无规律的随机性干扰。旋转电机电刷和滑环间的电弧等。抗干扰措施

背景噪音决定最小可见视在放电量，亦即决定测量系统的灵敏度，严重噪音将使局部放电测量无法进行。

目前常采用的抗干扰措施包括：软硬件滤波；平衡电路；差动电路；相位锁定或可移开窗；统计法等。耐压试验工频高压试验直流高压试验雷电冲击高压试验操作冲击高压试验1）交流高压试验

交流耐压：是交流设备的基本耐压方式。适用于≤220kV以下的电力设备。以变压器为例，如图所示串级变压器高压绕组中点接壳的串级变压器原理电路图工频高压的测量工频高压的测量杂散参数的影响工频分压器测压电路（杂散参数的影响）

交流耐压试验实施办法：电力设备预防性试验规程（DL/T596）已对各类设备的耐压值作出了规定。以电力变压器为例，当大修且全部更换绕组后，按出厂试验电压值进行试验。在其它情况下，耐压值取出厂试验电压的85％。规程给出的电力变压器的交流工频耐压值如表所示电力变压器交流试验电压值

括号内数值适用于不固定接地或经小电抗接地系统

额定电压kV最高工作电压kV线端交流试验电压值kV中性点交流试验电压值kV全部更换部分更换绕组全部更换部分更换绕组3540.5857285726672.5140120140120110126.0200170（195）9580220252.036039530633685（200）72（170）330363.046051039143485（230）72（195）500550.063068053657885140721202)直流高压试验

直流耐压：是直流电力设备的基本耐压方式。对于交流电网中的长电力电缆等，在现场进行交流耐压试验常出现困难，因为长电缆的电容量较大。为了减小试验电源的试验容量，规程采用直流耐压来检查电缆绝缘的质量。直流耐压基本上不会对绝缘造成残留性损伤

直流耐压特点：

与交流耐压不同，直流耐压无局部放电损伤：

对于电缆等油纸绝缘，在交、直流电压作用下，在油和纸上的电压分布不一样 交流时电压按介电常数ε分布：电压较多作用在油层上

直流时电压按电阻系数ρ分布：电压较多作用在纸上 纸的耐压强度较高，所以电缆能耐受较高的直流电压 为了加强绝缘的考验，电缆的直流耐压值规定得较高。尽管如此，对于在交流电网中使用的电缆，直流耐压对绝缘的考验不如交流耐压接近实际。3）雷电冲击高压试验

雷电冲击耐压考验电力设备承受雷电过电压的能力。只在制造厂进行本项试验，因为本项试验会造成绝缘的积累效应，所以在规定的试验电压下只施加3次冲击。对小变压器是作为型式试验进行的。国家标准规定额定电压≥220kV，容量≥120MVA的变压器出厂时应进行本项试验。电力系统中的绝缘预防性试验，不进行本项试验。对主绝缘耐受雷电过电压的能力，由交流耐压试验等值地承担

4）操作冲击高压试验

≥330kV电力设备的出厂试验应进行本项试验。对变压器进行出厂试验时，大多采用在高压绕组上直接加压法。在电力系统现场进行各个电压等级变压器的耐压试验时，可采用操作冲击感应耐压方式来取代工频耐压试验。由于利用被试变压器自身的电磁感应作用来升高电压，所以冲击电源装置电压较低，整个装备比较简单。因为工频耐压试验本来是等值地代表雷电和操作过电压的，所以从这个意义上来说，进行操作冲击耐压试验是合理的。而且试验本身不会在绝缘中产生残留性损伤各种预防性试验方法的特点总结序号试验方法能发现的缺陷1测量绝缘电阻及泄漏电流贯穿性的受潮、脏污和导电通道2测量吸收比大面积受潮、贯穿性的集中缺陷3测量tgδ绝缘普遍受潮和劣化4测量局部放电有气体放电的局部缺陷5油的气相色谱分析持续性的局部过热和局部放电6交流或直流耐压试验使抗电强度下降到一定程度的主绝缘局部缺陷7操作波或倍频感应耐压试验(限于变压器)使抗电强度下降到一定程度的主绝缘或纵绝缘的局部缺陷表中序号6和7两项为破坏性试验，其它各项均属于非破坏性试验

绝缘预防性试验是在电力设备处于离线情况下进行的。离线监测的缺点是：

①需停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；

②只能周期性进行而不能连续地随时监视，绝缘有可能在诊断期间发生故障；

③停电后的设备状态，如作用电场及温升等和运行中不相符合，影响诊断的正确性。譬如前述的绝缘tgδ检测，采用电桥法时，由于标准电容器的额定电压的限制，一般只加到10kV，这对于220kV～500kV的电力设备而言，电压是很低的。离线监测的缺点

在线监测和诊断是电力设备在运行状态下进行的，故可避免离线监测及诊断的上述缺点，可使判断更加准确。自70年代以来，随着传感、信息处理及电子计算机技术的快速发展，在线监测和诊断技术也得到迅速的发展。根据在线监测和诊断的结论，还可以做到有的放矢地进行维修，这种维修称为预知性维修。

在线监测和诊断技术的不足是投资费用较大，只适用于大型和重要设备及变电所

在线监测和诊断的优缺点

1）tgδ的在线监测

2）局部放电（PD）的在线监测绝缘的在线监测冲击高压试验冲击电压波形冲击电压发生器原理冲击电压发生器结构冲击电压测量a、雷电冲击电压波OC为视在波前OF为视在波前时间OG为视在半峰值时间（也称为波尾时间）国标规定：一、冲击电压波形b、操作冲击电压波国标规定：冲击电压的一般表达式：u2=U1[exp（-t/τ1）-exp（-t/τ2）]时间常数：用τ1和τ2表达1.2/50μs的雷电波：τ1＞＞τ2

u2的构成：u2由两个指数分量相加构成波形时间的确定：波前时间相对于波尾半峰值时间要短得多。波前时间Tf基本上由较小的时间常数τ2决定；半峰值时间Tt基本上由相对大得多的时间常数τ1决定

在t1时：u2=0.3U2m

在t2时：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

由上两式可得t2－t1≈τ2ℓn7波前时间Tf

：因图中ΔO1CF与ΔABD相似，故波前时间：Tf=(t2－t1)/(0.9－0.3)≈τ2ℓn7/0.6≈3.24τ2≈3.24RfC2标准波定义

在求波前时间Tf与电路参数的关系时，可近似地认为exp（－t/τ1）随时间t几乎不变，且设其值恒定为1。即u2≈U1[1－exp（－t/τ2）]

其中充电时间常数τ2=RfC2U1RfC2等值电路

在求半峰值时间与电路参数关系时，仍然考虑τ1＞＞τ2，到达半峰值时间时，双指数分量中的exp（－t/τ2）早已衰减到接近零值，如图中双指数曲线所示。因此在确定半峰值时间Tt时，考虑到Tt＞＞Tf，不计及Tf的影响 认为u2≈U1exp（－t/τ1）

其中放电时间常数τ1=RtC1

根据波形定义U2m/2≈U2mexp（－Tt/τ1）

故Tt=τ1ℓn2≈0.69τ1

≈0.69RtC1标准波定义C1U1Rt等值电路U1RfC2C1U1Rt波头的形成：放电电阻Rt→∞，球隙g0放电后，电压u2上升。τ2相当于充电时间常数。τ2=RfC1C2/（C1＋C2）Tf=3.24RfC1C2/（C1＋C2）因C1＞＞C2，Tf≈3.24RfC2波尾的形成：电压u2到达峰值U2m后，电容C1和C2一起经过电阻Rt放电。因一般C1＞＞C2，放电快慢主要决定于C1τ1≈Rt(C1＋C2)≈RtC1Tt＝0.69Rt(C1＋C2)≈0.69RtC1C2上电压u2的波形波前波尾二、冲击电压发生器的基本原理

冲击电压发生器概念：冲击电压发生器由一组并联的储能高压电容器，自直流高压源充电几十秒钟后，通过铜球突然经电阻串联放电，在试品上形成陡峭上升前沿的冲击电压波形。冲击波持续时间以微秒计，电压峰值一般为几十kV至几MV

发明人：产生较高电压的冲击发生器多级回路，首先由德国人E.马克思（E.Marx）提出，为此他于1923年获得专利，被称为马克思回路单级冲击电压发生器回路回路1回路2由于受到硅堆和电容器额定电压的限制，单级冲击电压发生器的最高电压不超过200~300kV。正极性冲击电压负极性冲击电压多级冲击电压发生器回路放电时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：供电高压变压器；D：整流用高压硅堆；r：保护电阻，一般为几百千欧；R：充电电阻，一般为几十千欧；rd:每级的阻尼电阻；C：每级的主电容，一般为零点几个微法；Cs：每级相应点的对地杂散电容，一般仅为几个皮法；g1：点火球隙；g2～g4：中间球隙；g0：隔离球隙；

“电容器并联充电，而后串联放电”

电阻R的连接与隔离作用：在充电时起电路的连接作用；放电时则起隔离作用

电容并联串联转换方法：诸电容由并联变成串联是靠一组球隙分