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 ba b a u C C C u ∆+=∆ （2） 则视在电荷为 c ba 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 cb ba 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 refq 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 iref 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。

但是，由于电桥的平衡条件与频率有关，因此只有当CX和CX‘的电容量比较接近时，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。

进行局部放电模拟测量的仪器一般由指示部分和放大部分组成（数字测量仪还有数字处理部分）。

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，并有能区分产品内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，放大器一般应设置若干个衰减档。

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）和频带宽度（△f）推荐值为：30kHz≤f1≤100kHz；f2≤500kHz；100kHz≤△f≤400kHz。

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较好的衰减振荡，脉冲分辨时间一般在5--10μs，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行区分。

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）能在很宽的频率范围内变化，频带宽度（△f）和频带中心频率（fm）的推荐值为：9kHz≤△f≤30kHz；50kHz≤fm≤1MHz。

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80μs以上，由于带宽窄它的抗干扰能力较强。

要进行局部放电测量必须对测量系统进行校准，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行校准，除非试品的电容值都在平均值的士10％以内。

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已知电荷量（q）的短时电流脉冲（如图4所示）。

图4 局部放电校准回路图4（a）是并联和串联校正回路，图4（c）是平衡校正回路。

由于校准电容（C0）通常为一低电压电容器，因此，校正一般是在试品不带电的情况下进行。

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，在对测量系统进行校准时，注入电容（C0）应尽量靠近被试品的高压端，一避免杂散电容的影响。

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。