基于局部放電檢測技術(shù)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用

孔凡祥　孫志明

摘要：文章介紹了變壓器發(fā)生局部放電的主要原因、危害以及放電機理，變壓器內(nèi)部局部放電檢測的工作原理。通過對一臺電力變壓器進行現(xiàn)場實測，模擬出現(xiàn)場運行中的電力變壓器發(fā)生局部放電的模型，總結(jié)出電力變壓器進行局部放電檢測所采取的主要有效方法。

關(guān)鍵詞：油浸變壓器；局部放電；電力變壓器；變壓器故障；電器設(shè)備；絕緣材料

中圖分類號：TM855 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0117-04

高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電的因素較多，主要原因是電氣設(shè)備絕緣材料內(nèi)部存有絕緣相對薄弱點，如固體中存在的氣泡或雜質(zhì)、液體絕緣中場強比較集中的尖角或尖端放電以及絕緣氣體內(nèi)的小范圍擊穿。當具有氣泡或雜質(zhì)的絕緣材料在受到外加高場強作用下，將會在這些不同物質(zhì)的分界面上出現(xiàn)電荷的積累，這種電荷積累被稱為夾層式極化。實踐證明，局部放電在一般的電氣設(shè)備中都會存在，電壓等級越高，局放發(fā)生的可能性相對更大。這些比較微弱的局放過程雖然產(chǎn)生的能量比較小，但是它的存在會使絕緣介質(zhì)的耐電性能逐漸產(chǎn)生劣化，最終可能會發(fā)展成為貫通性的擊穿過程，導致電氣設(shè)備發(fā)生嚴重的損壞。

1 電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電測試目的及意義

油紙絕緣電器設(shè)備如電流互感器、套管等在設(shè)計時工作電壓常是以局部放電量小于1pC為依據(jù)的，由于工藝影響等，規(guī)定放電量在試驗電壓下小于10pC。根據(jù)國家電網(wǎng)公司針對電力變壓器質(zhì)量等級的要求，電力變壓器的局部放電值小于100pC的數(shù)值為優(yōu)等品。運行中的電力變壓器，由于測試過程極易受到外界干擾，一般在試驗電壓下不大于300pC。

2 電氣設(shè)備局部放電的機理

2.1 局部放電的分類及定義

不同絕緣類型的電氣設(shè)備發(fā)生局部放電的類型也有很大不同，主要表現(xiàn)：固體絕緣以空穴居多，液體絕緣以氣泡為主。因此，根據(jù)放電的具體類型進行分類，主要有3類：發(fā)生在絕緣介質(zhì)的內(nèi)部放電；絕緣介質(zhì)及金屬表面的表面放電；發(fā)生在較高電場下的尖角放電。

為有效區(qū)分局部放電大小，對局放進行定量分析，主要測試以下5個參數(shù)：

2.1.1 視在電荷量q。電荷量的國際單位為庫倫，由于局放量非常小，一般視在電荷量用pC（皮庫）表示。

2.1.2 局放的測試電壓。指絕緣被試品所發(fā)生的局部放電量值不會超過一定數(shù)量值的同時，絕緣材料外界加上試驗所需的電壓數(shù)值。

2.1.3 局部放電的數(shù)值。電氣設(shè)備在一個統(tǒng)一的標準下，即相同的試驗外界條件、試驗方法、信號采集與處理方法以及執(zhí)行統(tǒng)一標準等的前提下所測得的局部放電數(shù)值。

2.1.4 放電起始電壓Ui。在高壓試驗中，隨著電壓上升的過程中，被試設(shè)備將會在某一電壓值時出現(xiàn)明顯的放電過程（或發(fā)生規(guī)定的數(shù)值），此電壓為被試品出現(xiàn)局部放電所需的最低電壓值。

2.1.5 局部放電熄滅電壓Ue。當被試品局部測試結(jié)束后，測試系統(tǒng)中沒有了局部放電信號后的最高電壓值。

2.2 電氣設(shè)備內(nèi)部放電成因與放電機理分析

圖1 局部放電等效圖

Cg為空穴電容；Ug為空穴電壓；Ua為絕緣介質(zhì)的外施電壓。

一般固體絕緣材料的氣泡均表現(xiàn)為夾層式極化的結(jié)構(gòu)形狀、方向與電場中電力線的方向垂直，如用電介質(zhì)的厚度用dd表示與氣泡（空穴）構(gòu)成串聯(lián)形式的局部位置，空穴厚度用dg表示，經(jīng)推導，與其他電介質(zhì)相互構(gòu)成串聯(lián)形式的氣泡（空穴）的介質(zhì)電容量可表示為：

因為q＝UC，C＝εs/d，qn為空隙電容的充電電荷，空隙上的電壓為：

圖2 放電脈沖波形圖

在交流工頻電場作用下，空穴所承受的電場強度將達到固體電介質(zhì)中平均場強的幾倍，例如，環(huán)氧樹脂相對介電系數(shù)εr＝3.8，根據(jù)推導可知，場強度是按照介電常數(shù)的反比進行分配，氣泡（空穴）的介電系數(shù)大于并約等于1，因此氣泡所承受的場強將會是環(huán)氧樹脂的3.8倍。再者，氣體的耐電強度（擊穿場強）同比固體絕緣材料的耐電強度低得多，如空氣的耐電強度只有環(huán)氧樹脂的1/10。因此，氣泡本身在耐電強度低又承受較高電壓的情況下，勢必會被擊穿。當氣隙擊穿后，氣隙兩端電壓降低到很低的數(shù)值（有時默認為放電擊穿瞬間氣泡端電壓為0）。放電發(fā)生后，能量被釋放，氣泡將再次被充電。因此，在氣泡兩端即發(fā)生反復(fù)充放電過程。

3 局部放電的檢測方法

3.1 超聲波法局部放電測試原理

人耳所能聽到的頻率在20Hz～20kHz范圍內(nèi)，頻率低壓20Hz稱為次聲波。超聲波就是一種振蕩頻率比人耳可聽見聲波頻率高的一種波，特性與聲波的特性比較接近。超聲波的傳播特性為一種疏密變化的機械波，傳播媒質(zhì)為氣體、液體和固體等。

當超聲波通過兩種不同物質(zhì)的界面時，由于兩種物質(zhì)有不同波阻抗，會產(chǎn)生入射和反射，若把入射波和反射波的振幅之比設(shè)為A0，設(shè)第一種物質(zhì)的聲波阻抗為ρ1c1，第二種物質(zhì)的波阻抗為ρ2c2，則入射波和反射波的振幅之比A0可表示為：

3.2 局部放電超聲測量

用超聲探頭獲得由局部放電引起的超聲信號，并用數(shù)字式局放儀或波形記錄儀記錄波形做定位測試。

圖3 超聲波探頭所測信號波形

3.3 其他非電檢測方法

3.3.1 光檢測法：設(shè)備內(nèi)部放電只有透明介質(zhì)才宜用光檢測法，如常見的聚乙烯絕緣電纜的導線線芯在進行水介質(zhì)掃描后，即可采用光電倍增管的方法進行局放檢測。缺點是靈敏度相對低，且易受各項條件的限制，局限性較大，適宜于暴露在外表面的放電類型，如電暈放電。

3.3.2 熱檢測法：由于在發(fā)生放電時產(chǎn)生能量的釋放與損耗，放電點會有發(fā)熱現(xiàn)象。故障較嚴重時，由于局放的熱效應(yīng)，可通過對事先埋設(shè)的熱電偶對各關(guān)鍵測量點的溫度或溫升進行檢測，因而確定局部放電的具體部位。但這種方法存在不靈敏、不能定量以及不能及時發(fā)現(xiàn)故障點的缺陷，現(xiàn)場一般很少采用。

3.3.3 分解物分析法：氣相色譜分析就是通過分析油中氣體成分來反映變壓器運行狀態(tài)方法，分析放電產(chǎn)生的化學生成物，例如用色譜分析儀測量可燃性氣體，從而推斷局部放電程度，判斷故障類型。此方法已被廣泛應(yīng)用，并取得較好效果。

4 變壓器局放模擬試驗

4.1 沖油設(shè)備的放電模擬

充油高壓設(shè)備內(nèi)部主要是發(fā)生在油中的放電，為此，采用一個裝有合格的變壓器油（25號）的透明有機玻璃進行相應(yīng)懸浮金屬顆粒、固體雜質(zhì)、電場場強集中以及氣泡與水分等常見情況下的局部放電模擬測試。

4.2 金屬顆粒產(chǎn)生的懸浮放電

將少量金屬屑放入高壓電極的附近，并用一絕緣良好的紙板支持金屬屑，用以進行模擬懸浮金屬在油中的放電過程。當外施電壓較低時，所測定的放電量為300pC左右，放電波形表現(xiàn)出不對稱性，在電源負半周放電量稍大。

4.3 懸浮電極的放電

將一個制作好的細銅絲在不加壓電極上安裝好，要求高壓電極與銅絲尖端的距離保持在0.3rmn，并將裝有變壓器的容器放在一只絕緣良好，不存在局放的瓷質(zhì)絕緣支柱上，模擬一個電極懸浮在絕緣油中的放電過程。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，外施電壓保持在較低數(shù)值時，油中雜質(zhì)等在尖電極的間隙中聚集，經(jīng)測定，局部放電量在100～300pC之間。

4.4 雜質(zhì)在變壓器油中的放電

模擬纖維雜質(zhì)被混入變壓器油中，電壓上升時能夠很清晰地觀察到變壓器油中形成了纖維橋，并產(chǎn)生了持續(xù)放電的過程，此放電過程稱為“小橋理論”。但當此小橋沒有完全形成貫通過程時未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，此放電波形與電場強度比較集中的放電波形非常相似。

4.5 介質(zhì)中的金屬放電

將金屬顆粒放置在一個絕緣紙板間后浸入在變壓器油中，然后模擬絕緣材料中存有金屬粒，當發(fā)生放電后，放電量還是相對很穩(wěn)定，數(shù)值在400～800pC之間。

5 變壓器試驗結(jié)果分析

現(xiàn)場實測分析。通過對一臺運行中的220kV、300MVA的變壓器進行局部放電測量，當變壓器加上額定測量電壓時，所測到的局部放電量較小，數(shù)值小于50pC。但當試驗人員將激發(fā)電壓施加在被試變壓器時，測試系統(tǒng)測到較大的放電值，與額定測試電壓比較，局部放電值出現(xiàn)大幅值提高，放電脈沖的特性表現(xiàn)為每周期只一次，同時伴隨外加電壓時間的增長，放電量逐漸慢慢趨于穩(wěn)定。測試完畢，將測試過程中的放電波形進行詳細的波形記錄，并進行了認真分析，發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)律性，即較小量值的放電（屬于允許放電范圍內(nèi)）波形與電場強度比較集中以及在進行雜質(zhì)放電檢測過程所得到的結(jié)果極為相似。

圖4 現(xiàn)場超聲波傳感器安裝情況

6 結(jié)語

超聲波檢測技術(shù)對于確定放電位置與放電量定量測量是比較理想的方法，主要特點是測試簡單，受環(huán)境條件的限制較小。目前，局部放電常用的聲音測量法具有獨特的優(yōu)點，聲音傳感器可在設(shè)備外殼的表面（不影響設(shè)備運行的前提下）不帶電并保持安全距離的任意部位進行安裝，能夠準確測定具體放電位置，并且接收的信號與外界電源不存在任何電氣上的直接聯(lián)系，電源系統(tǒng)對局部放電信號的干擾將會被避免。因此，局部放電測量還是采用電測量法和超聲波聲測法的組合方式，優(yōu)點能夠相互補充，如果能夠配合一些改善濾波、抗干擾以及信號處理等增強軟硬件處理與分析能力的方法，將會使局部放電測量取得更好的效果。

參考文獻

[1] 宋克仁，馮玉全．高壓變壓器在線局部放電測量[J]．高電壓技術(shù)，1992，（1）．

[2] 黃盛潔，姚文冰．變壓器局部放電在線監(jiān)測技術(shù)研究[J]．高電壓技術(shù)，1996，（4）．

[3] 王勝輝．變壓器局部放電在線監(jiān)測高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D]．華北電力大學，2004．

[4] 胡啟凡，曹利安，謝毓城，等．變壓器試驗技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2001．

[5] 邱昌容，王乃慶．電工設(shè)備局部放電及其測試技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1994．

[6] 張潔．IEC61850的結(jié)構(gòu)化模型分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2004，（18）．

[7] 羅兵，孫才新．局部放電在線監(jiān)測中的電磁干擾及抑制方法[J]．高壓電器，1995，（3）．

[8] 董旭柱，王昌長，朱德恒．電力變壓器局部放電在線監(jiān)測研究的現(xiàn)狀和趨勢[J]．變壓器，1996．

作者簡介：孔凡祥（1977-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，赤峰供電公司農(nóng)電工作部生產(chǎn)處副處長，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)。

（責任編輯：文 森）