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1、-变压器试验根底与原理 1概述 随着电力系统电压等级的不断提高，为使输变电设备和输电线路的建立和使用更加经济可靠，就必须改良限制过电压的措施，从而降低系统中过电压 雷电冲击电压和操作冲击电压 的水平。这样，长期工作电压对设备绝缘的影响相对地显得越来越重要。电力产品出厂时进展的高电压绝缘试验如：工频电压、雷电冲击电压、操作冲击电压等试验，其所施加的试验电压值，只是考核了产品能否经受住长期运行中所可能受到的各种过电压的作用。但是，考虑这种过电压值的试验与运行中长期工作电压的作用之间并没有固定的关系，特别对于超高电压系统，工作电压的影响更加突出。所以，经受住了过电压试验的产品能否在长期工作电压作用下
2、保证平安运行就成为一个问题。为了解决这个问题，即为了考核产品绝缘长期运行的性能，就要有新的检验方法。带有局部放电测量的感应耐压试验ACSD和 ACLD就是用于这个目的的一种试验。2局部放电的产生 对于电气设备的*一绝缘构造，其中多少可能存在着一些绝缘弱点，它在定的外施电压作用下会首先发生放电，但并不随即形成整个绝缘贯穿性的击穿。这种导体间绝缘仅被局部桥接的电气放电被称为局部放电。这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生GB/T 7354-2003局部放电测量。注 1：局放一般是由于绝缘体部或绝缘外表局部电场特别集中而引起的。通常这种放电表现为持续时间小于 1 微秒的脉冲。注 2：电晕是
3、局放的一种形式，她通常发生在远离固体或液体绝缘的导体周围的气体中。注 3：局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。高压电气设备的绝缘部常存在着气隙。另外，变压器油中可能存在着微量的水份及杂质。在电场的作用下，杂质会形成小桥，泄漏电流的通过会使该处发热严重，促使水份汽化形成气泡；同时也会使该处的油发生裂解产生气体。绝缘部存在的这些气隙气泡，其介电常数比绝缘材料的介电常数要小，故气隙上承受的电场强度比邻近的绝缘材料上的电场强度要高。另外，气体特别是空气的绝缘强度却比绝缘材料低。这样，当外施电压到达*一数值时，绝缘部所含气-隙上的场
4、强就会先到达使其击穿的程度，从而气隙先发生放电，这种绝缘部气隙的放电就是一种局部放电。还有绝缘构造中由于设计或制造上的原因，会使*些区域的电场过于集中。在此电场集中的地方，就可能使局部绝缘如油隙或固体绝缘 击穿或沿固体绝缘外表放电。另外，产品部金属接地部件之间、导电体之间电气联结不良，也会产生局部放电。由此可知，如果高电压设备的绝缘在长期工作电压的作用下，产生了局部放电，并且局部放电不断开展，就会造成绝缘的老化和破坏，就会降低绝缘的使用寿命，从而影响电气设备的平安运行。为了高电压设备的平安运行，就必须对绝缘中的局部放电进展测量，并保证其在允许的围。3局部放电的表征参数 通常表征局部放电最通用的
5、参数是视在电荷q。局部放电的视在电荷等于在规定的试验回路中，如果在非常短的时间对试品两端间注入使测量仪器上所得的读数与局放电流脉冲本身一样的电荷。视在电荷通常用皮库pC表示。通常视在放电量视在电荷与试品实际点的放电量并不相等，实际局部放电量是无法直接测得，而视在电荷是可以测量的。试品放电引起的电流脉冲在测量阻抗端子上所产生的电压波形可能不同于注入脉冲引起的波形，但通常可以认为这二个量在测量仪器上读到的响应值相等。两者之间的关系可以通过用图 1气隙放电的等效回路来导出。图 1 气隙放电的等效回路 图 1 表示了一种研究气隙放电的简化模型。设气隙放电时气隙两端的电压变化为cu，则实际局部放电电荷为
6、 cbabacruCCCCCq 1 由于放电的时间很短，远远小于电源回路的时间常数，因此可以认为Ca 两端的电压变化为 cbabauCCCu 2 则视在电荷为 -cbabcbcbaacbcbaauCCCCCCCCuCCCCCq 3 将式1中的cu代如式3，简化可得 rcbbaqCCCq 4 通常由于气隙较小，气隙电容 CC 一般均大于与其串联局部的电容 Cb，因此实际局部放电电荷总是大于视在电荷。但是由于视在电荷可以直接测得，用它来表征局部放电仍是各国及标准推荐的方法。脉冲重复率是表征局部放电的又一参数。其定义为在选定的时间间隔所记录到的局部放电脉冲的总数与该时间间隔的比值。在实际测量中，一般
7、只考虑超过*一规定幅值或在规定幅值围的脉冲。平均放电电流 I 和放电功率也是表征局部放电的参数。在选定的参考时间间隔 Tref 的单个视在电荷 qi 的绝对值的总和除以该时间间隔即为平均放电电流。irefqqqqTI3211 5 平均放电电流一般用库仑每秒 C/s或安培A表示。在选定的参考时间间隔Tref由视在电荷qi馈入试品两端间的平均脉冲功率即为放电功率。iirefuquququqTP3322111 式中：u1、u2、u3ui 为单个视在电荷 qi 对应的放电瞬时 ti 的试验电压瞬时值。放电功率用瓦特W表示。注：以上是几个主要的表征局部放电的参数，其它有关表征参数可参见标准GB/T 73
8、54-2003局部放电测量 4局部放电的测量 局部放电测量方法分为电测法和非电测法两大类。电测法应用较多的是脉冲电流法ERA 法和无线电干扰电压法RIV 法。非电测法主要有声测法、光测法、红外摄像法和化学检测法等。目前，其中脉冲电流法由于其具有以下优点而广泛用于局部放电的定量测量。6-放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征如qn谱图和实测波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其开展趋势；对于突变信号反响灵敏，易于准确及时地发现故障；易于定量。非电测由于至今没有一个标准的局部放电定量方法，使其应用受到了一定限制。采用脉冲电流法ERA 法进展局部放电测量的根
9、本测试回路通常分为直接法和桥式法平衡法两大类，直接法又有并联测试回路和串联测试回路两种。图 2 脉冲电流法根本测试回路 图 2a和b为直接法测试回路。图 2a为并联测试回路，多用于试品电容 C*较大，试验电压下，试品的工频电容电流超出测量阻抗 Zm 允许值，或试品有可能被击穿，或试品无法与地分开的情况。图 2b为串联测试回路，多用于试品电容 C*较小的情况下，试验电压下，试品的工频电容电流符合测量阻抗 Zf 允许值时，耦合电容 CK 兼有滤波抑制外部干扰和提高测量灵敏度的作用，其效果随 C*/CK 的增大而提高。CK 也可利用高压引线的杂散电容 CS 来代替。这样，可使线路更为筒单，从而减少过
10、多的高压引线和联结头，防止电晕干扰，该方法多用于 22OkV 及以上产品的试验。图 2c为桥式测试回路，利用电桥平衡原理将外来干扰信号平衡掉，因而这种回路的抗干扰能力较强。但是，由于电桥的平衡条件与频率有关，因此只有当 C*和 C*的电容量比拟接近时，才有可能同时完全平衡掉各种外来的干扰。桥式测量的灵敏度一般低于直接法测试。进展局部放电模拟测量的仪器一般由指示局部和放大局部组成 数字测量仪还有数字处理局部。测试阻抗上的脉冲电压首先通过放大器放大，然后通过指示仪器来观察和计量。指示仪器分示波器和指示仪表两大类。示波器类能直接观察波形、相位、极性，并能测量视在放电量的大小。它便于研究局部放电的特性
11、，并有能区分产品部放电和外部干扰的优点，指示仪表类的优点是读数清楚。但是，在放电稀少和有干扰的情况下，指示元件容易摆动和跳动，数据难以读准，而且抗干扰能力也差，因此要求有较好的屏蔽条件和电源滤波效果，常用的指示仪表有毫伏表，它可以测量视在放电电荷。放大器是放大脉冲电压所必需的。对放大器有三项主要的要求，即放大倍数、频带宽度和噪声水平。为了观测到足够小的视在放电荷，放大器的放大倍数一般要求在 1O3-104 以上。考虑到测量不同的放电荷需要，放大器一般应设置假设-干个衰减档。按测试频率来分，常用放大器可分为两种，一是宽频带放大器，这种仪器与耦合装置联合组成的测量系统的下限频率f1、上限频率f2和
12、频带宽度f推荐值为：30kHzf1100kHz；f2500kHz；100kHzf400kHz。这种放大器对波形的畸变小，对局放电流脉冲非振荡形的响应一般是一个比拟好的衰减振荡，脉冲分辨时间一般在 5-10s，脉冲幅值与被测脉冲幅值成正比，通过示波图能对各种信号进展区分。图 3 测量仪器的频带(a)宽频带；(b)窄频带 但是，由于带宽较宽它的抗干扰能力较差。另一种是窄频带放大器，这种仪器的特点是频带宽度f很小，频带中心频率fm能在很宽的频率围变化，频带宽度f和频带中心频率fm的推荐值为：9kHzf30kHz；50kHzfm1MHz。这种放大器对波形的畸变较大，对局放电流脉冲的响应一般是一个瞬态振
13、荡，振荡脉冲包络带的正、负峰值与被测脉冲幅值成正比。脉冲分辨时间一般在80s 以上，由于带宽窄它的抗干扰能力较强。要进展局部放电测量必须对测量系统进展校准，校准的目的是为了验证测量系统能够正确地测量规定的局放值。完整试验回路中测量系统的校准是用来确定视在电荷测量的刻度因数K，因为试品电容会影响回路的特性，因此要对每个被测试品分别进展校准，除非试品的电容值都在平均值的士 10以。一个完整试验回路中的测量系统的校准是在试品的两端注入电荷量 q 的短时电流脉冲 如图 4 所示。图 4 局部放电校准回路 图 4a是并联和串联校正回路，图4c是平 衡 校 正 回路。由于校准电容C0通常为一低电压电容器，
14、因此，校正一般是在试品不带电的情况下进展。为了使校准有效，校准电容器的电容量一般应-小于试品电容的 1/10。如果校准器满足要求，则校准脉冲就等效于放电量q=U C0 U：阶跃脉冲电压幅值的单个放电脉冲。在试验系统带电之前必须把校准电容C0移去，如果校准电容C0是高压型的且具有足够低的局部放电水平，则允许其连接在测试系统中。此时，校准电容必须小于试品电容 1/10 的要求不在适用。对几何尺寸较大试品，在对测量系统进展校准时，注入电容C0应尽量靠近被试品的高压端，一防止杂散电容的影响。按照国家标准 GB/T 7354-2003 的要求，脉冲校准器的阶跃脉冲电压上升时间应小于 60ns。衰减时间必
15、须大于测量系统 1/f1对应于 30-100kHz 下限频率：阶跃脉冲的衰减时间在 33-10 微秒之间。注：上述介绍的校准方法为直接校准，将电荷量 Q0 注入测量阻抗 Zm 两端称为间接校准。其目的是求得回路衰减系数，关于间接校准的方法可参看有关标准。校准时的考前须知 校准方波发生器的输出电压 U0 和串联电容 C0 的值要用一定精度的仪器定期测定，如 U0 一般可用经校核好的示波器进展测定；C0 一般可用适宜的低压电容电桥或数字式电容表测定。每次使用前应检查校准方波发生器电池是否充足电。从 C0 到 C*的引线应尽可能短直，C0 与校准方波发生器之间的连线最好选用同轴电缆，以免造成校准方波
16、的波形畸变。当更换试品或改变试验回路任一参数时，必须重新校准。5变压器的局部放电测量 GB1094.3-2003标准规定的不同电压绕组的绝缘试验要求如表1 所示。该标准将局部放电试验和耐压试验结合到一起进展，根据设备最高电压 Um 的不同，分别规定进展长时耐压试验ACLD和短时耐压试验ACSD。表 1 不同电压绕组的绝缘试验工程 对于 设 备最 高 电压 Um72.5kV的 全 绝缘 变 压器 正 常-情况下不需进展局部放电测量。对于设备最高电压 Um72.5kV 的全绝缘变压器，一般情况下在进展短时耐压试验时需进展局部放电测量。变压器局部放电测量试验电压的幅值及时间顺序如图 5 所示。在不大
17、于试验电压U2的三分之一下接通电源并升压至31.1mU保持 5min；将试验电压升至 U2保持 5min；将试验电压升至 U1保持时间由式(7)计算得出；120 额 定 频 率/试 验 频 率 s ，但 不 少 于15s 7 然后，立即将电压降至 U2保持 5min，同时进展局部放电测量；再将电压降压至31.1mU保持 5min；最后将电压降至试验电压 U2 的三分之一以下切断电源。为保证相间电压不超过额定外施耐压值，试验电压 U2规定为：33.1mU相对地和mU3.1相对相。如果在上述试验过程中，试验电压不产生突然下降，并在施加电压 U2的 5min，所有测量端子上的视在电荷量的连续水平，低
18、于 300pC，没有出现明显地、不断地向接近这个极限方向增长的趋势，且在31.1mU电压下视在电荷量的连续水平低于 100pC，则试验合格。如果视在电荷量的读数超过规定的限值，则可进展长时间耐压试验，当满足长时间耐压试验的相应要求时，则证明产品合格。图 5 局放试验电压及时间顺序 对于高压绕组为分级绝缘的变压器，单相变压器只进展中性点接地相对地的短时耐压及局部放电测量。对三相变压器则需进展带有局部放电测量的相对地及带有局部放电测量的相对相两种试验，当进展相对相试验时中性点应接地。三相变压器试验顺序包括三次逐相施加单相试验电压。另外，对于设备最高电压 Um170kV 的全绝缘或分级绝缘变压器，I
19、EC 标准规定需进展长时间带有局部放电测量的耐压试验。对三相变压器允许采用单相逐相进展试验，也可采用对称三相连接方式的试验。如果采用三一样时试验，则应注意相间电压幅值并在外相间绝缘上进展充分考虑。施加电压的幅值、顺序及结果的判定准则详见标准的规定。变压器的局部放电测量信号一般均通过电容套管的测屏引出，当低电压线端使用非电容套管时，可采用外接耦合电容器或试验变压器的电容套管测屏引出。-国家标准规定，对于设备最高电压 Um72kV 的变压器均需进展局部放电测量且为例行试验工程。试验应施加于变压器所有分级绝缘的绕组上，不管这些绕组是自耦连接还是独立绕组。局放试验中，被试绕组的中性点端子应可靠接地，如
20、果绕组为三角形连接则应将其中一个端子接地。由于 U1、U2 均大于被试变压器的额定电压，所以为防止铁心磁通饱和，选用的试验电源频率应大于变压器的工作频率，通常选取的试验频率为100250Hz。局部放电的观测顺序 应在所有的分级绝缘绕组的线端上进展测量。对自耦联接的一对绕组的较高电压和较低电压的线路端子，也应同时测量。每个测量端子都应该在线端与地之间施加重复脉冲波来校准，这种校准是用来对试验期间得到的读数进展定量。在变压器一个指定线端上测得的视在电荷量是根据经上述校准后的最高的稳态重复脉冲波得出的。偶然出现的尖峰可以忽略不计。在施加试验电压的前后，应记录所有测量端子上的背景噪声水平。背景噪声水平
21、应低于规定的视在电荷量限值的一半。在电压升至 U2及由 U2再降低的过程中，应记录可能出现的放电起始电压和熄灭电压值。在施加电压 U2的第一阶段中应读取并记下一个读数。在施加电压 U1的短时间不要求观测。在电压 U2的第二阶段的整个期间，应连续观察并按定时间间隔记录局部放电水平。局部放电合格的判据 试验电压不产生突然下降；在施加 U2电压的时间 对 ACSD 是 5 分钟；对 ACLD 是 30 分钟对 UM300kV 的产品,局放连续水平不超过 500pC 或300pC；在 U2电压下，局放无持续上升或增加的趋势偶然出现的较高脉冲可不计入；在 1.1UM/3 下,局部放电的连续水平不大于 1
22、00pC。只要不产生击穿并且不出现长时间的特别高的局部放电，则试验是非破坏性的。当局部放电不能满足验收判断标准时应尽量查明原因。6.局部放电故障诊断-6.1 局放及干扰信号的识别 在变压器局部放电测试中，各种干扰同样能通过测试回路反映到示波图或指示仪表中来，干扰信号和局部放电信号混杂在一起，就给局部放电信号的观察和测量带来了很大的困难.另外，局部放电产生的检测信号很微弱，仅为微伏级，很容易被外界干扰信号所淹没。因此，如何正确区分干扰信号以至消除干扰信号就成为能否顺利进展局部放电试验的关键。特别对于高电压产品的局部放电测试，这一点尤其要给予足够重视。局部放电信号表现有许多不同的特征，干扰信号更多
23、种多样。了解局放信号和干扰的特征、来源和传播途径，才能有针对性地选取适宜的处理方法，有效地抑制干扰，减小信号的失真，到达去噪的目的。局部放电信号的特性：局部放电根据发生的位置和机理不同，通常可分为 6种类型：绝缘部局部放电，包括介质部或介质与电极之间的气隙放电；沿介质外表的电场强度到达起始放电场强时产生的外表放电；被气体或液体包围的高压导体附近发生的电晕放电；在固体介质由于存在锋利导体或气隙而引起的电树枝的开展所产生的局部放电；在高压设备中或在其附近，由于*部位接地不良而产生的悬浮放电；由于试样中导体接触不良或接地不良引起的接触放电。几乎所有的高压电气设备都存在局部放电问题。不同的电气设备，其
24、局放的类型和特点不同。如在变压器等油纸绝缘设备的局放检测中，主要检测的是部放电和外表放电。这两者的波形特征根本相似，具有如下特征：起始放电总是首先出现在外施电压的瞬时值上升接近90或270相位处，随着外施电压的升高出现放电脉冲的相位围逐渐扩展，可能超过0和180，但在90和270之后的一个相位不会出现放电脉冲；各次的放电量大小不等，疏密度不均匀，放电量小的时间隔时间短，放电次数多，放电量大的间隔时间长，放电次数少；正负半周的放电波形不对称。图6 几种典型局部放电示波图 典型局部放电示波图说明 类型 放电模型 放电响应 放电量与试验电压的关系-1 绝缘构造中仅有一个与电场方向垂直的气隙 放电脉冲
25、叠加于正及负峰之前的位置，对称的两边脉冲幅值及频率根本相等，但有时上下幅值的不对称度3：1 仍属正常 起始放电后，放电量增至*一水平时，随试验电压上升放电量保持不变。熄灭电压根本相等或略低于起始电压 2 绝缘构造中仅有一个与电场方向垂直的气隙 放电脉冲叠加于正及负峰之前的位置，对称的两边脉冲幅值及频率根本相等，但有时上下幅值的不对称度3：1 仍属正常 起始放电后，放电量增至*一水平时，随试验电压上升放电量保持不变。熄灭电压根本相等或略低于起始电压，假设试验电压上升至*一 值并维 持较 长时间(如30min)，熄灭电压将会高于起始电压，且放电量将会下降；假设试验电压维持达 1h，熄灭电压会更大于
26、起始电压，并且高于第一次(30min时)的值，放电量也进一步下降 3(1)两绝缘体之间的气隙放电(2)外表放电 放电脉冲叠加于正及负峰之前的位置，对称的两边脉冲幅值及频率根本相等，但有时上下幅值的不对称度3：1 仍属正常。放电刚开场时，放电脉冲尚能分辨，随后电压上升，*些放电脉冲向试验电压的零位方向移动，同时会出现幅值较大的脉冲，脉冲分辨率逐渐下降，直至不能分辨 起始放电后，放电量随电压上升而稳定增长；熄灭电压根本相等或低于起始电压 4 绝缘构造含有各种不 同 尺 寸 的 气 隙(多属浇注绝缘构造)放电脉冲叠加于正及负峰之前的位置，对称的两边脉冲幅值及频率根本相等，但有时上下幅值的不对称度31
27、 仍属正常。放电刚开场时，放电脉冲尚能分辨，随后电压上升，*些放电脉冲向试验电压的零位方向移动，同时会出现幅值较大的假设试验电压上升或下降速率较快，起始放电后，放电量随试验电压上升而稳定增长，熄灭电压根本相等或略低于起始放电电压。如在*高电压下维持一定时间(如 15min)，放电量会逐渐下降，熄灭电压会略高于起始电压(因浇注绝缘局部放电会导致气隙壁四周产生导电物质)-5 绝缘构造仅含有一个扁平的气隙(多属电机绝缘)脉冲，脉冲分辨率逐渐下降，直至不能分辨 起始放电后，放电量随试验电压上升稳定增长。如电压上升及下降速率较快，熄灭电压等于或略低于起始电压；如在*高电压下持续一段时间(如 10min)
28、，熄灭电压和起始电压的幅值会降低，幅值略有上升 6 绝缘构造为液体与含有潮气的纸板复合绝缘。电场下，纸板会产生气泡，导致放电，进一步使气泡增多 如在*一高电压下持续1min，放电量迅速增长，假设立即降压，则熄灭电压等于或略低于起始电压；假设电压维持 1min 以上再降压，放电量会随电压逐渐下降。如放电熄灭后立刻升压则起始放电电压幅值将大大低于原始的起始及熄灭电压。假设将绝缘静止一天以上，则其起始、熄灭电压将会复原 7 绝缘构造中仅含有一个气隙，位于电极的外表与介质部气隙的放电响应不同 放电脉冲叠加于电压的正及负峰值之前，两边的幅值不尽对称，幅值大的频率低，幅值小的频率高。两幅值之比通常大于 3
29、1，有时达 101。总的放电响应能分辨出 放电一旦起始，放电量根本不变，与电压上升无关。熄灭电压等于或略低于起始电压 8(1)一簇不同尺寸的气隙，位于电极的外表，但属封闭型(2)电极与绝缘介质的外表放电，气隙不是封闭的 放电脉冲叠加于电压的正及负峰值之前，两边幅值比通常为 31 有时达 101；随电压上升，部份脉冲向零位方向移动，放电起始后，脉冲分辨率尚可；继续升压，分辨率下降，直至不能分辨 放电起始后，放电量随电压的上升逐渐增大，熄灭电压等于或略低于起始电压。如电压持续时间在 10min 以上，放电响应会有些变化 干扰特性 干扰的分类:局部放电测量中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干
30、扰和宽带干扰，而按其时域波形特征可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪等。连续的周期性干扰包括：电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰；-无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和频带宽度。脉冲型干扰信号包括：供电线路或高压端的电晕放电；电网中的开关、晶闸管整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰；电力系统中其他非检测设备放电引起的干扰；试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰；浮动电位物体放电引起的干扰；设备的本机噪音和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域和频域特征。白噪包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。理论上，白噪干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上；而在实际应用中，假设其频谱在较宽频段上为连续平缓的即可认为是白噪声。