局部放电基础研究与应用.ppt

1、 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研究 发电机、变压器,放电持续时间 纳秒至微秒数量级,1 三电容模型,视在放电量 q = Cx Uxm Uxm ：Cx 两端电压 变化幅值 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, 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直接接至放

2、电部位,1 发电机、变压器放电故障诊断的特殊性, 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,2.1 放电脉冲电流测试系统 (1) 回路,2.1 测试系统 (2) 误差来源,2.1 测试系统 (3) 检测电阻,2.1 测试系统 (4) 测量装置,2.1 测试系统 (5) 测量误差,2.1 测试系统 (6) 干扰防护,2.1 试验模型 (1) 三大类,2.1 试验模型 (2) 空气放电模型,2.1 试验模型 (3) 电机线棒模型,2

3、.1 试验模型 (4) 空气放电模型,2.1 试验模型 (5) 油中放电模型,2.1.1 空气中放电脉冲电流实测波形 (1),2.1.1 空气放电脉冲波形 (2),2.1.1 空气放电脉冲波形 (3),2.1.1 空气中表面放电脉冲电流实测波形 (1),2.1.1 空气中表面放电脉冲波形 (2),2.1.1 空气中表面放电脉冲波形 (3),2.1.1 空气中表面放电脉冲波形 (4),2.1.1 空气中表面放电脉冲波形 (5),2.1.1 空气中悬浮放电脉冲电流实测波形 (1),2.1.1 空气中悬浮放电脉冲波形 (2),2.1.1 电机线棒气隙放电脉冲电流实测波形 (1),2.1.1 电机线棒

4、气隙放电脉冲波形 (2),2.1.2 油纸绝缘放电脉冲电流实测波形 (1),2.1.2 油纸绝缘放电脉冲波形 (2),2.1.2 油纸绝缘放电脉冲波形 (3),2.1.2 油中胶纸管表面放电脉冲波形,2.1.2 油中气泡放电脉冲电流实测波形,2.1.3 放电脉冲电流波形分类 (1),2.1.3 放电脉冲电流波形分类 (2), 局部放电信号检测方法 高频: 小于1 MHz 甚高频: 30 300 MHz 特高频: 300 MHz 3 GHz 高频法简单，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

5、信号的UHF分量 可避免空气电晕影响,2.2 局部放电特高频信号 (1),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 采用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),电晕：能量主要分布在0 200 MHz 在150MHz 附近有一窄而陡的能量尖峰 沿面放电：能量主要分布在0 200MHz 在 50MHz 附近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

6、,电晕：能量主要分布在 50 1000 MHz 在 300 MHz 附近出现最高能量峰值 沿面放电：能量主要分布在 500 800MHz 在 600 MHz 附近出现最高能量峰值,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,气隙：能量主要分布在 500 1000 MHz 4 5个能量高峰，在 870 MHz 附近最高 悬浮放电：能量主要分布在 400 1100MHz 约10个能量高峰，在 780 MHz 附近最高,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, 油中放电信号能量主要分布在3001100MHz 有多个较宽、不很陡峭的

7、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 避免空气中电晕放电脉冲型干扰,2.2.3 频谱特性的差异, 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 脉冲检测信号的变化 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,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

8、)支路 并联,3.1 绕组中快速暂态过程数学模型 (1),3.1 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,3.1 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,3.1 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

9、测起始部位存在一些较高频率的振荡,3.1 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,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 传播过程中的变化与脉冲传播途径有关 绕组两端脉冲信号的变化 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,3.2 绕组中放电点电气定位方法 (2), 研究了三台电力变压器 SFPSZ7150000/220 (高、中、低压三绕组) DEP240000/500 (高、低压双绕组) OSFPSZ240000/400TH (

10、高、低压双绕组) 仿真研究220kV和500kV变压器 归纳放电点的电气定位方法 用400kV变压器的实验结果验证,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,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,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

11、组中部出线 每半部分48饼，连续式,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 高低压绕组与高压绕组自耦连接 共34饼，连续式,3.2 电气定位 / 仿真研究 (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,3.2 电气定位 / 仿真研究 (2),第5节点注入A端响应 X端响应,3.2 电气定位 / 仿真研究 (3),第20节

12、点注入A端响应 X端响应,3.2 电气定位 / 仿真研究 (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,3.2 电气定位特征量,根据仿真研究 可用于定位放电点的特征量 0.9 1 MHz 范围内频响信号平均值 1 MHz 范围内信号能量 提出电气定位方法 幅比折线法 (利用响应幅频特性分量) 能比直线法 (利用局部放电信号能量),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 1 MHz 附近的幅频特性较平

13、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密切联系 可为局部放电电气定位提供良好依据,3.2 幅比折线法 (2), 以响应幅频特性 |I(f)| 在 0.9 1 MHz 频段内 平均值 H 作为电气定位所依据的特征量, H 绝对值受多种因素影响 根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 | 0.91MHz作为定位特征量,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%,

14、(3A+5B)/8) (100%, B) 三点的折线 可利用此幅比折线定位放电点,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,3.2 能比折线法 (1), 以响应量不同频段放电信号的能量, 仿真研究表明 响应信号 1 MHz 以内的能量 与脉冲传播距离有密切关系 可为局部放电电气定位提供良好依据,3.2 能比折线法 (2), 以响应幅频特性 |I(f)| 在 1 MHz 以下的能量 作为电气定位所依据的特征量, E 绝对值受多种因素影响 根据某节点注入

15、脉冲时绕组首、末端响应 分别计算 EA 和 EX 以比值 EA/EX | 1 MHz 作为定位特征量,3.2 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,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,3.3 绕组类结构视在放电量校订方法 (1),视在放电

16、量校订 国家标准 GB/T 7354 - 2003 局部放电测量 IEC 60270 : 2000 Partial discharge measurements 规定了方法 传统法 能很好地适用于集中型电容试品,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 复杂性,3.3 传统法：220kV变压器仿真分析 (1),绕组A端与地之间 注入 24 nC 校订脉冲 校订系数 在绕组的不同节点 注入 24 nC 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

17、得的视在放电量,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,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,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,3.3 实验验证：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, 窄带干扰 脉冲干扰,4 干扰信号特性及抑制方法 (1), 设备

18、运行现场电磁干扰强烈 影响局部放电检测灵敏度 影响诊断可靠性 依据频带分类, 干扰依据频带分类 窄带干扰 如载波通讯、发射机、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),可以使用 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),基础：自适应处理器 FIR数字滤波器 自适应算法 随机梯度法 系统根据实际情况 改变滤波器 抑制干扰,4.1 自适应数字滤波 (1),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), 具有多分辨率(多尺度)特点 在时频

19、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), 200 MW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 150 kHz 被完全抑制,4.1 小波变换 (2), 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,4.1 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

20、 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, 可以使用 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), 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, 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的变化与指数 有关 在极值上反映得最为明显,4.2 小波变换分析法 (1), 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 改变 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),消除白噪的做法 大尺度下的极值点为基础