電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)與波形分析①

巴文祥

(陜西黃河集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究所，陜西 西安 710043)

電氣設(shè)備由于存在絕緣缺陷而產(chǎn)生局部放電，如果不能及時(shí)的排除絕緣故障，長(zhǎng)期發(fā)展下去會(huì)產(chǎn)生絕緣擊穿的嚴(yán)重后果，通過(guò)局部放電檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備絕緣特性的檢測(cè)和評(píng)估，起到監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備是否安全運(yùn)行，減少電氣設(shè)備供電故障的作用[1-2]。近年來(lái)，對(duì)電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的研究已經(jīng)成為相關(guān)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)電氣設(shè)備是否產(chǎn)生局部放電，以及對(duì)放電部位和絕緣劣化程度的研究，在一定程度上確保了電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，具有重要的研究和現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

1 局部放電研究的核心問(wèn)題

1.1 局部放電產(chǎn)生原因

圖1 絕緣缺陷類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of insulation defect types

電氣設(shè)備設(shè)備中可能出現(xiàn)的絕緣缺陷類型如圖1所示，大致可以分為以下幾個(gè)方面：

1)內(nèi)部缺陷，在制造和運(yùn)行過(guò)程中在絕緣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生氣泡和空隙，這些內(nèi)部絕緣缺陷會(huì)使絕緣劣化，最終產(chǎn)生絕緣擊穿現(xiàn)象。

2)交界面缺陷，由于靜電屏蔽或者絕緣交界面接觸不良會(huì)產(chǎn)生局部放電，這種原因引起的局部放電可能性往往比較大。

3)絕緣子污染，設(shè)備表面污染或者金屬突起一般是在制造和不良安裝過(guò)程中產(chǎn)生的，這些微粒會(huì)在工頻狀態(tài)下引起絕緣擊穿。

4)懸浮導(dǎo)電微粒和毛刺，設(shè)備在制造或者安裝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生細(xì)小微?；蛘呙蹋瑫?huì)在交流電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生隨機(jī)的局部放電。

1.2 局部放電信號(hào)檢測(cè)

局部放電的產(chǎn)生往往伴有電脈沖、電磁輻射、聲、光、熱、氣等現(xiàn)象出現(xiàn)。研究局部放電伴隨現(xiàn)象，有助于全面的分析局部放電產(chǎn)生原因和絕緣狀態(tài)檢測(cè)。目前，局部放電檢測(cè)的方法大致可以概況為電氣測(cè)量法和非電氣測(cè)量法[5-6]。常用的方法如下：1)脈沖電流法；2)超聲波檢測(cè)法；3)氣相色譜檢測(cè)法；4)超高頻檢測(cè)法；5)光檢測(cè)法等。

由于局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻的電磁輻射，且頻率會(huì)在一個(gè)特定的波段分布比較集中。同時(shí)，在局部放電現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在各種干擾信號(hào)，其大致分為：白噪聲、窄帶周期性信號(hào)和脈沖型信號(hào)等，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)到的局部放電信號(hào)波源如圖2所示：

圖2 局部放電信號(hào)波源Fig.2 Partial discharge signal source

1.3 局部放電定位

目前，在實(shí)際應(yīng)用中比較實(shí)用的局部放電定位方法有以下幾種類型：

1)平分面定位法，在三維空間選擇兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)裝上傳感器A、B，同時(shí)保證A、B兩點(diǎn)高頻暫態(tài)信號(hào)時(shí)差為零，可以判定局部放電發(fā)生在A、B兩點(diǎn)的平分面P1上。用相同的辦法，在三維空間任意選擇兩個(gè)高頻暫態(tài)信號(hào)時(shí)差為零的檢測(cè)點(diǎn)，確定一個(gè)平分面P2、P3。則三個(gè)平面相交于空間一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是局部放電的發(fā)生部位。如圖3所示：

圖3 平分面定位法示意圖Fig.3 Bisection plane location method

2)方位定位法，通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)高頻暫態(tài)信號(hào)到達(dá)的先后順序就可以確定局部放電發(fā)生的大體位置，如果檢測(cè)點(diǎn)足夠多就可以很容易的確定局部放電發(fā)生位置。如果4所示：

圖4 方位定位法示意圖Fig.4 Azimuth location method

3)時(shí)差定位法，在電氣設(shè)備絕緣子表面安裝兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)檢測(cè)點(diǎn)局部放電信號(hào)脈沖到達(dá)的時(shí)間差，并通過(guò)電磁波信號(hào)傳播速度進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算就可以很容易的確定局部放電發(fā)生在絕緣子之間的具體位置，如圖5所示：

圖5 時(shí)差定位法示意圖Fig.5 TDOA location method

2 局放檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成和原理

針對(duì)電氣設(shè)備復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)和特殊的工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖6所示：

圖6 局部放電檢測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Partial discharge detection system

該系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和上位監(jiān)控等系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的檢測(cè)和絕緣劣化程度的評(píng)估，系統(tǒng)原理圖如下：

圖7 系統(tǒng)原理圖Fig.7 System schematic diagram

3 主程序設(shè)計(jì)和波形分析

3.1 主程序設(shè)計(jì)

由于局部放電脈沖信號(hào)往往會(huì)比較弱，在進(jìn)行信號(hào)采樣時(shí)，需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換處理，把處理后的數(shù)據(jù)送到中央處理芯片，進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)分析、判斷和存儲(chǔ)，最后送到上位計(jì)算機(jī)。工作人員通過(guò)上位機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)視和分析，達(dá)到局部放電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，其主要處理流程如下：

圖8 主程設(shè)計(jì)流程Fig.8 Main program design flow

3.2 局部放電信號(hào)波形分析

通過(guò)局部放電信號(hào)波形分析，就可以把各種放電類型分開，方便維修人員局部放電定位和維修，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，其波形分析如下：

1)如果有兩個(gè)以上的傳感器同時(shí)采集到局部放電信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)周期性的尖脈沖，則局部放電發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部，波形如圖9：

圖9 設(shè)備內(nèi)部放電Fig.9 Internal discharge of equipment

2)如果在出線或繞組上有多個(gè)局部放電產(chǎn)生，放電信號(hào)在穿過(guò)絕緣紙時(shí)，信號(hào)幅值削弱，會(huì)出現(xiàn)如雞蛋外型脈沖群，波形如圖10：

圖10 出線或繞組放電Fig.10 Outlet or windings discharge

3)如果設(shè)備內(nèi)部連接良好，圖譜波形是一個(gè)尖脈沖，當(dāng)機(jī)械部件松動(dòng)和接觸不良，則會(huì)產(chǎn)生幅度不均勻的周期性脈沖，波形如圖11：

圖11 機(jī)械振動(dòng)放電Fig.11 Mechanical vibration discharge

4)如果在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)或更多的脈沖，脈沖幅度不是太高，且脈沖邊緣清晰，則可以判定是開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的局部放電,如圖12：

圖12 開關(guān)動(dòng)作放電Fig.12 Switching discharge

4 結(jié)論

電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行與其絕緣狀態(tài)的良好是分不開的，局部放電是設(shè)備絕緣老化的主要原因，所以通過(guò)檢測(cè)電氣設(shè)備的局部放電就可以間接的了解設(shè)備的絕緣特性，本文通過(guò)研究局部放電產(chǎn)生原因和局部放電波形特性，設(shè)計(jì)了一套局部放電檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)的局部放電定位方法和局部放電采集波形分析，將各種放電類型分門別類，能夠讓維修人員快速的定位局部放電發(fā)生部位，準(zhǔn)確高效的排除電氣設(shè)備絕緣故障，從而提高了電氣設(shè)備運(yùn)行的安全性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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