第10讲：绝缘性能测试

qr U g U r Cg CaCb /Ca Cb


当Ca >> Cb，Cg > Cb，Ur = 0时， qr ≈UgCg
Ca
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qr U g U r Cg CaCb /Ca Cb


在实际试验时，式中所表达的各个量，都是无法实测得到的。所 以要寻求其它能反映局部放电的量来测量。外施电压是作用在 Ca 上的，当Cg上的电压变动(Ug-Ur)时，会造成外施电压的变化量U 应为
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超声波方法

局放的超声波检测


局放超声波频率有其特殊性 压电晶体在交变超声波作用下——交变的弹性形变 ——交变的束缚电荷——形成电信号 不同的局放存在不同的超声波信号
随着技术进步，已经可用于在线监测领域
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4.4 绝缘油的电气试验和气相色谱分析



绝缘油在运行过程中，会受到电场、温度、氧 气、水分的影响，以及铜、铁等材料的催化作 用，会发生氧化、裂解以及碳化等反应，从而 使油慢慢老化，绝缘性能下降。 绝缘油的老化会使其闪点下降、酸值增加；油 的受潮、脏污又会使其介质损耗增大和击穿电 压下降。 需要对绝缘油的电气性能、油中水分、杂质、 油的闪点等进行试验和长期监测，保证电气设 备的正常运行。
升压变压器 输入 220 V / 50Hz 标准电容器 CN
Cx ( 试品)
电阻取样 测量单元 测量试品电流 标准电容 器电流
外壳接地
公共接地端
接收器 通讯电缆
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角差法介损测量仪（无需调节平衡）
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本次课程

局部放电的测量



三电容模型 放电过程 视在放电量 测量电路

绝缘油的电气试验和气相色谱分析 绝缘的在线监测



变压器油与油中的固体有机绝缘材料（纸和纸 板等）在运行电压下因电、热、氧化和局部电 弧等多种因素作用会逐渐变质，裂解成低分子 气体； 变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会 加快产气的速率。 随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气 泡在油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶 解在油中。
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油浸式电力变压器不同故障下的产气
当外施电压由零上升到Us时，Cg上的电压为Ug，即
U g U s Cb / C g Cb
可得
W q U s U g U r / 2U g
W q U s / 2
如Ur≈0，则
放电能量的大小对电介质的老化速度有很大影响
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局部放电的其它表示参数
为了表征局部放电在一定期间内的平均综合效应，还提出 了各种累积参数，如平均放电电流，放电功率等。 有时还测量局部放电的起始放电电压和熄灭电压
影响局部放电特性的多种因素： 主要有电压的幅值
、电压的波形和频率、电压的作用时间、环境的温度及湿 度和气压等
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局放检测仪
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4.3.2 局部放电测量的脉冲电流检测法
发生局放时，试品两端会出现一个瞬时的电压变 化，在检测回路中引起一高频脉冲电流，将它转 化成电脉冲后就可以进行测量。（IEC法） Ck—耦合电容，为Cx与检测 阻抗Zm之间提供一个低阻 抗的通道（电源本身由于高 频感抗而无法提供）， Ck 内部必须无局放，值较大以 增大Zm上的信号； Z—低通滤波器，以防局放 时放电脉冲被电源的杂散电 容旁路，同时也可阻止电源 本身的干扰脉冲进入试品和 测量支路
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4.3 局部放电测量
局部放电的概念：
简称为 PD-Partial Discharge ，指由于电气设备内部 绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下发生的局部 的重复击穿和熄灭现象
局部放电是电老化的重要原因 局放测量适于显示局部缺陷，弥补介质损 耗测量和绝缘电阻测量的不足。
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4.3.1 局部放电的基本物理过程




ug 随 外 加 电 压 u 升 高 ， 当 u 上升到 Us 瞬时值， ug到达Cg的放电电压Ug 时，Cg气隙放电。于是 Cg上的电压一下子从Ug 下降到Ur，然后放电熄 灭。Ur叫做残余电压， 它可以接近为零值，也 可以为小于Ug（均绝对 值）的其它值
局部放电时气隙中的电压和电流的变化，u是工频电压
令 CA Cg Ca Cb / Ca Cb 则
q qr Cb Ca Cb
q Uຫໍສະໝຸດ Baidu
CA
q U CA
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表征局部放电的重要参数
真实放电量： qr，是无法测量的 （1）视在放电量： q，
q U CA
由4-23， q是可以测得的：通过测电压变化和总试品电容 。它是局部放电试验中的重要参量，国际和国家标准中，对于各类高 压设备的视在放电量△q的允许值均有所规定 q比真实放电量qr小（从定义可知），它以pC作为计量单位。
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局部放电时气隙中的电压和电流的变化
局部放电机理：3，反向充电
当外部电压u进入下降 半波，Cg上电压难以充 到Ug，因此不会发生放 电； 随着u进入负的半波， Cg上的电压要经历一个 反向充电的过程，直到 达到－Ug，重新开始新 一次的放电
局部放电时气隙中的电压和电流的变化
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局部放电机理的特征
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绝缘油的电气试验
目前国内广泛采用定时检修方式来保证变压器 的稳定运行（即预防性试验检修） 绝缘油的电气试验包括： 在标准油杯中对油做击穿试验， 用专用的试验电极测量油的tan 测量油的电阻率 等等

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油介电强度测试仪
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各种自动化测试设备
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油中溶解气体分析（DGA）的技术 原理
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干扰的抑制
从干扰源、干扰途径、信号后处理入手 可从以下几方面区分局放信号和干扰信号；工频相位 、频谱、脉冲幅度和幅度分布、信号极性、重复率和 物理位置等。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 屏蔽 试验中所使用的设备应尽量采用无晕设备，特别是试验变压器和耦 合电容Ck。 滤波器的性能要好，要做到电源与测量回路的高频隔离。 试验时间应尽量选择在干扰较小的时段，如夜间等。 测量回路的参数配合要适当， 耦合电容要尽量不小于试品电容Cx， 使得在局部放电时Cx与Ck间能很快地转换电荷。 必须对测量设备进行校准。
高电压技术
高电压工程系 李黎 leeli@mail.hust.edu.cn
回顾
第二篇：（1）非破坏性绝缘实验 绝缘电阻测试

绝缘电阻 吸收比 摇表的使用 泄漏电流测量——微安表
设备：西林电桥 倒相法原理
介损正切的测量


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（2)倒相法
现场的试品：难以实现屏蔽，故 干扰较严重 两次测量法（倒相法）：第一次 测得 tg1 和 Cx ，然后倒换试验变 tg 压器原边电源线的两头 ( 试验电 ＝ 压 U 的相位转 180 ) ，测得第二次 的数值tg2和Cx，可用下式计算 得准确的tg和Cx值：
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局部放电机理：2，再放电过程
u g us Cb / C g Cb
放 电 火花 一熄 灭 ， Cg 上的 电压将再次上升，由于 此时 Cg 及 Cb 已经有了一 个初始的直流电压，所 以此后的ug 值不能直接 用原式来表达，ug 值与 上式表达的值在绝对值 上要小一个（ Ug － Ur ） 值。 若外加电压 u 仍在上升半波 ， Cg 上的电压也顺势而 上升，当它再次升到 Ug 时， Cg 再次放电，电压 再次降到 Ur ，放电再次 熄灭
tg
C1tg1 C 2 tg C1 C2
2
C1 C 2 C 2
西林电桥的基本回路
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倒相法原理
（干扰电流） I i
I1c Cx1U
I c CxU
I 2 c C x 2U
损耗电流矢量分别在x轴 和y轴进行投影：
I x1
I c CxU I r I c tan CxU tan
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因此，检测油中气体的成分、含量和随时间增 长的规律，就可以判定故障类型和发展程度。 预防性试验标准：
Z CK Cx Zm A M
（a）串联测量回路
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Z Cx
CK M Zm A
Z Zm
Cx CK A M
' Zm
( b)
( c)
（b）并联测量回路
适合于试品一端接地的情况
（c）桥式测量回路
外部干扰在Zm和Z’m上的干 扰信号基本抵消
测量仪器：示波器，峰值表，脉冲计数器 检测结果标的量是——视在放电量
U Cb U g U r /Ca Cb
Ca
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qr U g U r Cg CaCb /Ca Cb


U Cb U g U r /Ca Cb
由此两式得总电容上的电压变化量U：
qr 1 U Cb C C Ca Cb Cg a b Ca Cb
Z CK
Cx Zm A
G
M
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4.3.4 局放测量中的抗干扰措施
电磁干扰来源
（1）与局放信号一起通过电流传感器进入监测系统的 干扰 （2）监测系统本身的干扰
干扰类别
（1）周期型干扰：系统高次谐波、载波通讯以及无线 电通讯等 （2）脉冲型干扰：电力电子器件产生的高频涌流、脉 冲型干扰和高压线路上的电晕放电、电弧放电等 （3）白噪声：线圈热噪声、地网的噪声和动力电源线 以及变压器继电保护信号线路中耦合进入的各种噪声 等。
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我国试验规程规定 （1）固体绝缘互感器：电压为 1.1U m / 3 时，放电量不 大于100pC 充油互感器：放电量不大于20pC （2）110kV及以上新套管 油纸电容式：不大于20pC 胶纸电容式：不大于400pC

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测量校准



使用方波发生器串联 标准电容器 再与被测试品Cx并联 模拟局放
气隙
Z
Cg
Cg
Ca Cb
Cb
Ca
Us
局部放电的三电容模型 ug uCb / Cg Cb Cg：气泡的电容 Cb：和Cg相串联部分的介质电容 Ca：其余大部分绝缘的电容 10
局部放电机理：1,放电过程
放电过程约10-8s数量级
气泡电压： u g uCb / C g Cb [Cb / C g Cb ]U m sin t
Ca
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（ 2）放电重复率 N：所以定义一秒钟内产生的脉冲数叫 做放电重复率N，可以通过实验求得 如果每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n
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（3）放电能量
一次脉冲放电能量W
W q r U g U r / 2 qC g Cb U g U r / 2Cb
Cg 上的电压从 Ug 突变为 Ur （均绝对值）的一瞬间，就 是局部放电脉冲的时刻，此时通过 Cg 总有一脉冲电流 ，从而形成一种锯齿电流波。
局部放电时气隙中的电压和电流的变化
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电路分析：
当Cg放电时，放电总电容Cg：
Cg CaCb /Ca Cb Cg
Cg 上的电压变化为 (UgUr) ，故一次脉冲放出的电荷 qr：
2
I x I x2
U
1 δ
I 2 r Cx 2U tan 1
4
倒相法原理

Ir Ic
tgδ是很小的值，因此近似有： 代入相关值：
tg Ir Ic
I1r I 2 r 2 I I 2c 1c 2

[(Cx1Utg1 Cx 2Utg 2 ) / 2] / [(Cx1U Cx 2U ) / 2] (Cx1tg1 Cx 2 tg 2 ) / (Cx1 C x 2 )
故障类型 主要气体组分 次要气体组分
油过热
油和纸过热
CH4，C2H4
H2，C2H6
H2，C2H6 CH4，C2H4，CO， CO2 C2H2，C2H6， 油纸绝缘中局部 H2，CH4，CO CO2 放电 油中火花放电 H2，C2H2 油中电弧 油和纸中电弧 H2，C2H2 H2，C2H2，CO， CO2 CH4，C2H4， C2H6 CH4，C2H4， C2H6
I1c I 2 c ，即 2 CxＵ＝(Cx1U Cx 2U ) / 2 又由I c 故 Cx = (C x1 + C x 2 ) / 2
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三、角差测量法
原理：通过直接测量电压和电流的相位角差来测量tanδ 方法：同时测量流过标准电容器电流（其相角与流过试 品的容性电流的相角一致）和流过试品的电流（全电 流），得到二者之间的相角差，从而可以计算tgδ的数 值。通过数字处理实现。 有逐步取代平衡法测量的趋势。