電氣設(shè)備直流局部放電測(cè)量中的新技術(shù)研究

摘要：本文針對(duì)高壓電氣設(shè)備局部放電，在簡(jiǎn)述局部放電原因、危害、特點(diǎn)及局部放電測(cè)量特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出幾項(xiàng)局部放電測(cè)量新技術(shù)，以此為實(shí)際的高壓電氣設(shè)備局部放電測(cè)量工作提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：高壓電氣設(shè)備;局部放電;局部放電測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM930.1????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

對(duì)于高壓電氣設(shè)備，它會(huì)受到局部放電很大影響，導(dǎo)致絕緣損壞。對(duì)此，在設(shè)備監(jiān)測(cè)中必須重視并做好局部放電測(cè)量，掌握局部放電相關(guān)信息。隨著對(duì)局部放電測(cè)量重視度的不斷提高，出現(xiàn)了很多可用于測(cè)量局部放電的新技術(shù)和新方法，這對(duì)不同設(shè)備的局部放電測(cè)量和局部放電測(cè)量準(zhǔn)確度、靈敏度及可靠性的提升具有十分重要的作用和意義。

1電氣設(shè)備直流局部放電

局部放電是一種高壓電氣設(shè)備常見(jiàn)現(xiàn)象，指設(shè)備絕緣受到電場(chǎng)作用后在局部范圍產(chǎn)生放電。發(fā)生局部放電會(huì)對(duì)絕緣介質(zhì)造成一定程度的影響，當(dāng)局部放電比較輕微時(shí)，對(duì)設(shè)備絕緣造成的影響不大，使絕緣強(qiáng)度緩慢降低;但如果局部放電強(qiáng)度很大，則絕緣強(qiáng)度將快速降低，導(dǎo)致絕緣損壞?；诖?，一方面對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)充分受工作電壓持續(xù)作用時(shí)，避免絕緣結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生局部放電;另一方面要在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中做好監(jiān)測(cè)，如果監(jiān)測(cè)到局部放電超出允許程度，則需將設(shè)備退出，并立即檢修或予以更換^[1]。

在有氣體或者是液體存在的固體電介質(zhì)當(dāng)中，如果局部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到可以擊穿的程度，則會(huì)開(kāi)始放電。對(duì)于局部放電現(xiàn)象，通常是因?yàn)榻^緣體有電場(chǎng)集中造成的，一般這種放電主要表現(xiàn)為不超過(guò)1μs 的瞬時(shí)脈沖。如果絕緣產(chǎn)生局部放電，將使絕緣壽命受到影響而縮短。在放電時(shí)，絕緣將受到電子持續(xù)沖擊作用，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的局部放電還會(huì)引起不同形式的反應(yīng)或效應(yīng)，比如氣泡外壁受到帶電質(zhì)點(diǎn)連續(xù)撞擊，導(dǎo)致絕緣自身化學(xué)鍵被打斷而產(chǎn)生裂解，使絕緣自身分子結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，進(jìn)而劣化，并快速損壞。

局部放電現(xiàn)象是局部過(guò)熱問(wèn)題及元件發(fā)生老化的主要預(yù)兆;對(duì)于局部放電趨勢(shì)，它是指局部放電和時(shí)間之間的關(guān)系，過(guò)程較為曲折，在不同的階段既可能上升也可能下降;絕緣結(jié)構(gòu)中一旦發(fā)生局部放電，將伴隨一系列其它反應(yīng)，同時(shí)還會(huì)引起局部發(fā)熱。鑒于局部放電具有上述特點(diǎn)，怎樣避免和消除局部放電問(wèn)題，確保設(shè)備始終處于安全正常的狀態(tài)，是每一位維護(hù)人員必須重視的事情。此時(shí)首要工作就是結(jié)合局放測(cè)量特點(diǎn)，采用合理可行的測(cè)量技術(shù)，尤其是在科技發(fā)展進(jìn)程中衍生出的各類(lèi)新測(cè)量技術(shù)^[2]。

2電氣設(shè)備直流局部放電測(cè)量主要特點(diǎn)及其與交流局放的差異

相對(duì)于電氣設(shè)備耐壓試驗(yàn)，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行的局放測(cè)試屬于非破壞性，同時(shí)測(cè)試掌握電氣設(shè)備實(shí)際局放情況能對(duì)電氣設(shè)備自身絕緣情況進(jìn)行綜合判斷，這樣能避免對(duì)絕緣造成破壞。對(duì)于新電氣設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行局放測(cè)試，能找出其中存在的薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)或制造等方面存在的差錯(cuò)。可將局放測(cè)試作為一種對(duì)電氣設(shè)備絕緣性能進(jìn)行鑒別的有效方法，同時(shí)也是使電氣設(shè)備處于安全穩(wěn)定狀態(tài)的有效手段。對(duì)于處在運(yùn)行狀態(tài)的電氣設(shè)備，不僅要定期開(kāi)展常規(guī)試驗(yàn)，而且還要做好局放試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄和分析，這樣能深入了解電氣設(shè)備絕緣實(shí)際情況，確定老化程度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有局放痕跡時(shí)，應(yīng)立即確定放電位置，并采取有效措施加以處理，保證電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性與安全性。

直流情況下的局放檢測(cè)和交流情況并無(wú)太大差別。局放檢測(cè)會(huì)受到噪聲干擾影響，現(xiàn)在很多高壓發(fā)生器都會(huì)產(chǎn)生一定干擾，包括開(kāi)關(guān)動(dòng)作與某種電壓條件下的局放?；诖?，可通過(guò)濾波模塊建立來(lái)減小噪聲對(duì)局放檢測(cè)造成的影響，也就是通過(guò)硅堆整流，使高壓交流變實(shí)現(xiàn)直流輸出，該方式和普通發(fā)生器相比，高頻干擾相對(duì)較小，對(duì)直流局放檢測(cè)十分有利。對(duì)于它的檢測(cè)電路，主要由三部分組成：（1）直流高壓輸出部分;（2）高壓濾波部分;（3）局放檢測(cè)部分。

當(dāng)采取脈沖電流的方法對(duì)局放實(shí)施檢測(cè)的過(guò)程中，對(duì)耦合電容及檢測(cè)阻抗進(jìn)行串聯(lián)，此時(shí)，若需對(duì)脈沖波形予以捕捉觀察，則可將檢測(cè)阻抗更換為無(wú)感電阻，這樣能有效避采集波形發(fā)生畸變。除此之外，因直流電壓為單極性，所以在試樣中，局放信號(hào)同樣為單極性，以此特點(diǎn)為依據(jù)，能對(duì)干擾和局放信號(hào)予以區(qū)分。相較于交流電壓條件下的局放，在直流的情況中，局放無(wú)相角這一概念，所以和相交有關(guān)的所有分析方法，都無(wú)法在這種情況下使用。對(duì)此，必須采取新的可以在直流條件下使用的局放分析手段。對(duì)此，傳統(tǒng)方法是對(duì)脈沖波形進(jìn)行分析，即先捕捉放電脈沖，再對(duì)它的波形實(shí)施傅里葉變換，進(jìn)而掌握時(shí)頻特性。其表征參數(shù)有：放電幅值;脈沖上升與下降的時(shí)間;整體維持的時(shí)間;頻段范圍。通過(guò)對(duì)直流和交流兩種條件下的脈沖波形對(duì)比，能清楚的看出這兩個(gè)脈沖，無(wú)論是在時(shí)域波形上，還是在頻域分布上，均有著明顯的差異，進(jìn)一步明確了直流與交流局放在細(xì)節(jié)上的差異性。

3電氣設(shè)備直流局部放電測(cè)量新技術(shù)

3.1傳感器技術(shù)

（1）羅氏線圈。這是一種原邊僅一匝的傳感器，在電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中常用。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將磁芯從待測(cè)電氣設(shè)備地線穿過(guò)，其中磁芯可采用有機(jī)絕緣材料，也可采用具有較高磁導(dǎo)率的鐵氧體，一般情況下它的響應(yīng)頻率能達(dá)到數(shù)兆赫茲。磁芯鐵氧體通過(guò)和小電阻之間的并聯(lián)能形成自積分回路，當(dāng)頻帶范圍相對(duì)較寬時(shí)，傳遞函數(shù)幅頻表現(xiàn)為平坦。因有機(jī)絕緣材料的導(dǎo)磁率等于1，所以可采取增加匝數(shù)的措施來(lái)獲得想要的電感，同時(shí)在線圈的兩端與電阻或電容相并聯(lián)，形成諧振回路，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的選頻;則電阻則能起到阻尼的作用，使脈沖分辨率符合要求。在測(cè)量狀態(tài)下，輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓幅值和待測(cè)電流幅值為正比關(guān)閉，因鐵氧體存在磁飽的現(xiàn)象，所以如果檢測(cè)電流當(dāng)中含有工頻大電流，則輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)明顯畸變，此時(shí)要采取有效措施加以避免^[3]。（2）聲檢測(cè)。對(duì)局放進(jìn)行超聲檢測(cè)在聲-電換能器引入后成為可能。對(duì)于整個(gè)超聲檢測(cè)系統(tǒng)，超聲波傳感器，也就是超聲波探頭，為最主要的組成部分。它由幾部分構(gòu)成：壓電元件、放大器、濾波器、屏蔽殼。其中，對(duì)于壓電元件，它是傳感器主要部件，直接影響檢測(cè)靈敏度。在局放過(guò)程中產(chǎn)生的聲波能傳播于變壓器油，變成機(jī)械壓力波，對(duì)光纖傳感頭造成擠壓，使光路長(zhǎng)度改變。光需要從外部輸入，通過(guò)對(duì)光波的調(diào)制解調(diào)能確定變形程度，之后經(jīng)計(jì)算可定量聲波強(qiáng)度?？梢?jiàn)，對(duì)光纖與超聲傳感器進(jìn)行聯(lián)合使用，能達(dá)到理想的局放測(cè)量效果^[4]。（3）光檢測(cè)。對(duì)于光檢測(cè)傳感器，其原理為局放時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定光輻射，且當(dāng)放電不同時(shí)，所發(fā)出的光也有著不同波長(zhǎng)，但不會(huì)超過(guò)500-700nm的范圍。對(duì)這些光利用光纖實(shí)施光電轉(zhuǎn)換，然后對(duì)光電流具有的特性進(jìn)行檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)局放識(shí)別。雖然該方法的效果經(jīng)試驗(yàn)得到驗(yàn)證，但設(shè)備投資較高，且不穩(wěn)定，所以未能得到普及。（4）超高頻。如前所處，當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局放時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1μs，而頻率卻很高，可達(dá)1GHz，這使得能對(duì)0.5-1.0GHz這一頻帶進(jìn)行檢測(cè)的超高頻法被廣泛應(yīng)用。如今，可在GIS和大型發(fā)電機(jī)組電氣設(shè)備中使用的局放超高頻測(cè)量方法已經(jīng)出現(xiàn)，采用該方法對(duì)局放時(shí)產(chǎn)生的電磁波進(jìn)行提取時(shí)，基本不會(huì)受到其它信號(hào)影響，能大幅提升測(cè)量準(zhǔn)確度、靈敏度及可靠性，在現(xiàn)階段在線監(jiān)測(cè)中十分適用。由于該方法的靈敏度極高，所以目前已有很多成型產(chǎn)品，主要針對(duì)GIS、電機(jī)和電纜，而對(duì)電力變壓器而言，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用該方法進(jìn)行局放測(cè)量有很大的難度，所以還未能普及的程度，仍需進(jìn)一步研究和發(fā)展^[5]。

3.2定位技術(shù)

（1）超聲波定位。該方法在對(duì)變壓器設(shè)備的局放定位中較為常用，其定位的原理為利用傳感器對(duì)局放后產(chǎn)生的壓力波進(jìn)行接收，然后測(cè)量局放開(kāi)始到接收到壓力波所需時(shí)間，以測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，對(duì)局放位置和傳感器之間的距離進(jìn)行計(jì)算，再通過(guò)三角測(cè)量，確定多個(gè)傳感器和局放之間的相對(duì)位置來(lái)找出具體的局放位置。近幾年在聲發(fā)射技術(shù)快速發(fā)展的進(jìn)程中，超聲波定位得以進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，使得可采用這一方法進(jìn)行局放定位的設(shè)備類(lèi)型越來(lái)越多^[6]。（2）電氣定位。它是對(duì)幾種方法的總稱(chēng)：1）行波法：根據(jù)局放源行波實(shí)現(xiàn)定位，它的定位精度會(huì)受到繞組、脈沖失真等因素的影響，在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的電氣設(shè)備中較為適用，如電纜等。2）電容比法：對(duì)繞組兩端因局放產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行電容傳遞分量測(cè)量來(lái)確定和繞組間的相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而對(duì)局放進(jìn)行準(zhǔn)確定位。3）多點(diǎn)測(cè)量：主要用于變壓器設(shè)備的局放定位，因該方法將設(shè)備頻率關(guān)系及傳輸特性作為定位的依據(jù)，所以無(wú)法準(zhǔn)確定位。4）脈沖比較：現(xiàn)假設(shè)放電源每個(gè)引線端實(shí)測(cè)脈沖波形均唯一，然后對(duì)待測(cè)和已知脈沖進(jìn)行比較，以此定位待測(cè)脈沖。該方法在多種繞組結(jié)構(gòu)中均可使用，但需要利用電磁模型來(lái)校正，操作過(guò)程比較復(fù)雜^[7]。以該方法為基礎(chǔ)，Marshall等提出一種波形識(shí)別的方法，其原理和脈沖比較基本相同，該方法不僅能在局放定位中使用，而且還能確定待測(cè)繞組對(duì)不同波形的響應(yīng)速度，進(jìn)而獲得放電量幅值。（3）聲、電聯(lián)合定位。超聲波定位會(huì)受到外界噪聲影響使精度降低，對(duì)此可采用聲、電聯(lián)合定位來(lái)解決，即選擇一個(gè)電信號(hào)，將其作為參考基準(zhǔn)，然后選擇相應(yīng)的傳感器，根據(jù)信號(hào)時(shí)差與速度對(duì)球面方程進(jìn)行求解，進(jìn)而確定局放的位置。這一方法最大的特點(diǎn)在于簡(jiǎn)單直觀，但會(huì)受到電磁干擾，定位中要采取有效措施解決。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行局放測(cè)量，是設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與鑒定設(shè)備絕緣狀態(tài)重要基礎(chǔ)，測(cè)量結(jié)果能直接反映出設(shè)備絕緣是否老化，從而提出發(fā)現(xiàn)潛在隱患，為制定合理有效解決方案提供可靠參考借鑒，使電氣設(shè)備始終處在安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

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收稿日期：2019-07-11

作者簡(jiǎn)介：馬麗（1989—），女，陜西榆林人，本科，畢業(yè)于東北電力大學(xué)，助理工程師，研究方向：直流系統(tǒng)及UPS系統(tǒng)。