变压器局部放电试验基础与原理

变压器试验基础与原理

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设和使用更加经济可靠，就必须改进限制过电压的措施，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。

电力产品出厂时进行的高电压绝缘试验（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保证安全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

对于电气设备的某一绝缘结构，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内部或绝缘表面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内部常存在着气隙。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。绝缘内部存在的这些气隙（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，当外施电压达到某一数值时，绝缘内部

所含气隙上的场强就会先达到使其击穿的程度，从而气隙先发生放电，这种绝缘内部气隙的放电就是一种局部放电。

还有绝缘结构中由于设计或制造上的原因，会使某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）击穿或沿固体绝缘表面放电。另外，产品内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，并且局部放电不断发展，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安全运行。为了高电压设备的安全运行，就必须对绝缘中的局部放电进行测量，并保证其在允许的范围内。

3．局部放电的表征参数

通常表征局部放电最通用的参数是视在电荷（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内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相同的电荷。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c u ∆，则实际局部放电电荷为

c b a b a c r u C C C C C q ∆⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++= （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

c b

a b a u C C C u ∆+=∆ （2） 则视在电荷为 c b

a b c b c b a a c b c b a a u C C C C C C C C u C C C C C q ∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++= （3） 将式（1）中的c u ∆代如式（3），简化可得 r c

b b

a q C C C q += （4）

通常由于气隙较小，气隙电容CC 一般均大于与其串联部分的电容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ＩＥＣ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内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，一般只考虑超过某一规定幅值或在规定幅值范围内的脉冲。

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 内的单个视在电荷qi 的绝对值的总和除以该时间间隔即为平均放电电流。 ()i ref

q q q q T I ++++= 3211

（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 内由视在电荷qi 馈入试品两端间的平均脉冲功率即为放电功率。

()

i i

ref u q u q u q u q T P ++++= 3322111

式中：u1、u2、u3……ui 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 7354-2003《局部放电测量》 （6）

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。

➢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φ－q－n 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发展趋势；

➢对于突变信号反应灵敏，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）进行局部放电测量的基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 脉冲电流法基本测试回路

图2（a）和（b）为直接法测试回路。图2（a）为并联测试回路，多用于试品电容CX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2（b）为串联测试回路，多用于试品电容CX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CX/ 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，从而减少过多的高压引线和联结头，避免电晕干扰，该方法多用于22OkV及以上产品的试验。图2（c）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