（电气工程专业论文）变压器油中溶解气体分析与局部放电监测技术关系的研究.pdf

里鉴茎堂三堡堡主堂垡堡奎 茎奎塑墨 a b s t r a c t a st h ec o r e a p p a r a t u si n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，t h eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo f t r a n s f o r m e rd i r e c t l yi n f l u e n c e st h es a f e t yo ft h ew h o l es y s t e m i no r d e rt oi n s u r et h e s t a b i l i t yo fp o w e r 鲥d ，i ti si n d i s p e n s a b l et ob er e i n f o r c e dt h em o n i t o ra n dd i a g n o s i so f t h et r a n s f o r m e ri n s u l a t i o n p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i n s i d ei n s u l a t i o ni sc o n s i d e r e da so n e m a j o rc a u s eo fi n s u l a t i o nd e g r a d a t i o ni nt r a n s f o r m e ra n da t t a c h e di m p o r t a n c et ot h e s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fr u n n i n gt r a n s f o r m e r a u t o r e c o g n i t i o nt od i s c h a r g et y p e si n o n - l i n ep dm o n i t o r i n gs y s t e mc o u l db eu s e dt of i n do u ti n t e r n a lp a r t i a ld e f e c t sa n dt h e r e l e v a n td i s c h a r g ed e v e l o p m e n td e g r e ei nt i m e ，a n dt h e np r e v e n t se q u i p m e n tf r o mt h e c o m i n gf a u l t s a c c o r d i n gt ot h et y p ea n dc o n t e n to fg a sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i l - i ti se a s yt o c o n c l u d et h ei n t e r n a li n s u l a t i o nf a u l t yo f t r a n s t b r m e r t h ep a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo n t h ea n a l y s i so f t r a n s f o r m e ro i lc h r o m a t o g r a mi n d u c e db yd i f f e r e n ts a m p l i n go i ls p o tw h e n c o n v e n t i o n a la n a l y s i so ft r a n s f o r m e ro i lc h r o m a t o g r a mo ro n l i n ea n a l y s i so ft r a n s f o r m e r o i lc h r o m a t o g r a mt h ep a p e ri n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l yt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e ro f g a s e sd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i l ，c o n t e n to fg a s e s ，a n dt h et ) q o eo ff a u l t s ，t h ed e g r e eo f t h ef a u l t s b a s e do nt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s s o l v e dg a si no i la n dt h e i n t e r n a lf a u l t yo ft r a n s f o r m e r , t h r o u g ht h et e s ti nt e s tr o o m ，t h ef u z z yr e l a t i o nb e t w e e nt h e p da n dt h ed i s s o l v e dg a si no i li si n d u c e d ，w h i c hi su s e f u lt oa p p l yt h ef u z z yd i a g n o s i st o t h et r a n s f o r m e rp di r lt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g et h ed i s s o l v eg a s e si no i lo n l i n em o n i t o r i n gf u z z y d i a g n o s i s 重庆大学工程硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 研究变压器内部局部放电检测技术的目的和意义 随着国民经济的迅速发展，我国对能源的需求，特别是对电能的需求不断增加。 电力系统电压等级的提高使电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的大型电 气设备( 如发电机、变压器) 和小型设备( 如电力电容器、绝缘子等) 一旦发生故 障就会引起局部甚至全地区的停电，给国民经济其他部门的生产和运作造成严重的 不良后果。为了保证电气设备绝缘安全可靠运行，一方面要采用良好的绝缘材料， 改造制造工艺来提高设备的绝缘强度和质量，更重要的一面，就是要对运行中电气 设备的绝缘状况进行监督，随时掌握设备的运行情况。 大型电气设备绝缘材料多为有机材料，如矿物油、绝缘纸或各种有机合成材料， 绝缘结构通常是由复合绝缘组成的绝缘结构，例如：油浸式电力变压器绝缘结构主 要由油、纸、纸板和其它固体绝缘等构成的固体一油绝缘结构；大型高压电机的定子 绕组对地绝缘结构是由不同耐热等级的绝缘材料( 如环氧片云母带、粉云母带、环 氧片云母箔、粉云母箔等) 组合而成的固体和固体气体绝缘结构；g i s 是气体一固 体绝缘结构，电力电缆是固体( 如聚乙烯、交联聚乙烯挤塑绝缘电缆) 或固体油( 如 油纸电缆) 绝缘结构。这些大型电气设备，虽然在设计时具有足够的电气强度和优 良的机械性能，但是制造过程中的偶然因素会造成一些先天性局部缺陷。由于这些 局部缺陷造成的绝缘内部局部放电 2 i ，使电介质长时间击穿电压常常不到短时击穿 电压的几分之一，因此，局部放电作为各种大型电气设备长期运行中绝缘劣化的一 个主要因素而倍受重视。 局部放电引起介质劣化和损伤的机理是多方面的，例如：( 1 ) 带电离子对介质 表面的撞击，切断分子构造：( 2 ) 由于带电离子撞击介质，引起介质局部温度上升， 是介质加速氧化，导致材料的机械、电气性能下降；( 3 ) 局部放电产生的活性气体 对介质的氧化作用是介质逐渐劣化。这种在电场长期作用下绝缘中发生的老化称为 电老化，并且由局部放电造成的放电老化是电老化的主要形式。 随着电力工业的发展，电气设备绝缘的检修维护经历了事故后维修、预测性维 修和预防性维修三个阶段，它们统称为计划性维修。长期的工作经验表明，不论是 最初的事故后维修，还是较为成熟的预测性维修，计划性维修都存在着很大的局限 性，极不利于电力系统超高压、自动化的发展要求，主要表现为：计划性维修的 试验条件与电气设备的运行环境存在着较大的差别，设备在实际运行电压要比试验 电压( 一般不超过1 0k v ) 商的多，预防性试验很难全面发现绝缘潜在的缺陷和故 障；由于在预防性试验的周期内也可能发生事故，计划性维修存在绝缘故障漏报 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 的可能；计划性维修费时、费力，不利于电力系统的自动化；从经济上看， 定期的试验带来的停电，对国民经济会造成一定的影响，定期的大修也需要大量的 资金。因此，计划性维修体系已逐渐无法满足更高的供电可靠性要求。 现代科学技术的发展，特别是传感器技术、信息处理技术、计算机技术的发展， 使得人们对电气设备的运行状态进行实时的监测成为可能，据此，与计划性维修相 对应，人们提出了“状态维修”的概念。作为状态维修的技术基础，电气设备绝缘 在线监测技术受到了高度的重视，成为了当今高电压技术研究领域的新课题。电气 设备绝缘在线监测技术是采用高灵敏度的传感器来采集能反映运行中电气设备绝缘 信息，用计算机来处理信息进而获得设备的绝缘状况，它具有如下优点：在线监 测能及时发现设备的早期缺陷，防止突发性事故的发生，提高设备运行的安全性和 可靠性；可减少不必要的停电试验，避免传统试验对电气设备由于“过度检修” 而造成的损失，延长了设备的使用寿命；在线监测可以获得离线检测无法得到的 信息，为判断电气设备的运行状态提供了充分的信息；因此，以在线监测为基础的 状态维修体系代替计划维修体系已经是发展趋势。 大型电力变压器是电力系统中最重要，最昂贵的设备之一，对变压器实施绝缘 状态在线监测具有十分重要的意义。据统计，我国1 1 0 k v 及以上电压等级的大型变 压器的事故中5 0 是匝绝缘事故，且几乎都是在正常工作电压下损坏的 3 。变压器 的内绝缘结构主要是油纸绝缘，变压器在工作电压下的局部放电是使油纸绝缘老化 并发展到击穿的重要因素3 1 。油纸绝缘中的局部放电往往是从其中的气泡、杂质、 导体表面的毛刺以及油隙等处开始发生的。导致变压器绝缘中产生气泡的因素主要 有：一是变压器绝缘结构和制造工艺上的缺陷，如在变压器固体结构中由于浸渍不 善而残留的气泡，或局部电场过高，油在高电场作用下析出气体，局部过热使固体 和液体分解产生气体等；二是变压器在长期的运行过程中绝缘材料的老化、劣化， 如绝缘受潮，其中的水分在过热点汽化成气泡，或水分在高电场作用下电解产生气 泡。由此可见，局部放电既是变压器绝缘劣化的征兆，又是变压器绝缘劣化的原因， 测量局部放电能有效地发现变压器内部绝缘的固有缺陷和因长期运行使绝缘老化而 产生的局部隐患。因此，国内外普遍认为测试局部放电是能够及时发现变压器潜伏 状故障的重要手段。 据有关资料报道7 ，由于设备运行状态在线监测及故障诊断技术的应用，使每 年维修费用减少2 5 一5 0 ，故障停电时间减少7 5 。 1 2 国内外研究变压器内部局部放电检测的现状 局部放电在线监测是避免变压器发生突发性事故的有效手段，它包括基础研究 和工程技术研究两部分。基础研究对工程技术问题的解决起着理认指导作用，它包 重庆大学1 程硕士学位论文 1 绪论 括局部放电的机理，局部放电的物理和化学性质，模式分类与识别，放电脉冲的波 过程分析等方面。总的来讲，基础研究已取得很大进展，如文献1 1 5 1 对这些方面的 研究作了报道，但是某些方面还处于初步阶段，如局部放电物理和化学性质，局部 放电模式识别等还有待进一步研究，并促进其实用化。工程研究则围绕着实现一套 完整而有效有变压器局部放电在线监测系统的各个层次的工程技术问题展开，包括 局部放电的检测，干扰的分析和抑制，放电量的标定，故障分析和诊断等。在设备 运行的条件下发生局部放电时，伴随着出现声、光、化学、电磁辐射等各种物理现 象，并且油中放电还会分解出气体，产生能量损失，引起局部过热。因此，局部放 电检测方法根据监测物理量的不同可分为：脉冲电流法、超声波法、化学分析法、 超高频检测法l i - 4 i 等。下面主要介绍工程技术研究者方面的现状及趋势。 1 2 1p d 在线监测的方法 变压器在运行条件下发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光、 局部过热，油中放电还将分解出气体，产生能量损耗等。因此相应的监测方法有： 脉冲电流法、超声波法、气相色谱法、光测量法、红外监测法等。 脉冲电流法 脉冲电流监测法是通过监测阻抗监测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁 心接地线及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流而获得视在放电量等局放特征量。 脉冲电流法是最早研究的，并且迄今为止是离线和在线监捌最广泛使用的一种监测 方法，i e c 对此制定了专门的检测标准。在线监测变压器局部放电脉冲的电流传感 器通常用罗氏线圈制成，与被测变压器仅有磁耦合，而无电气连接。一般的电流传 感器按须带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器频率一般在1 0 k h z 左右，中心频率 中2 0 一3 0 k h z 或更高，具有灵敏度较高，抗干扰性强等优点，但输出波形严重畸变； 宽带传感器带宽为1 0 0 k h z 左右或更宽，中心频率在2 0 0 4 0 0 k h z 。文献1 6 1 中采用 了中心频率1 0 k h z 2 m h z 的宽带传感器，有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低1 1 8 o 超声波法 超声波监测法用于离线和在线监测变压器内部局部放电产生的超声脉冲。超声 传感器通常固定在变压器外壳上，利用压电晶体作为声电换能器，将声波信号转换 成信号，并进一步放大后通过电缆传送至监测系统。为避免变压器外壳与监测系统 之间有电气接触，超声传感器和变压器外壳之间用工程塑料隔开。为了声波阻抗的 匹配和提高声检测的灵敏度。在压电晶体和变压嚣外壳之间填充了变压器油或凡士 林。超声波法用于在线蠊测时存在各种声干扰信号，如落在油箱上的雨滴、砂粒、 油箱各部位的机械振动噪声等。为了抑制这些噪声，传感器的检测频带选择在局部 放电信号的频率范围内。实验结果表明，油中局部放电的超声频谱峰值分布存 7 0 1 5 0 k h z 之间口，而噪声频率分布在2 0 6 5 k h z ，所以可选择检测频带为 重庆大学工程硕士学位论文绪论 7 0 1 8 0 k h z 。文献j 研究表明，检测频带取5 0 1 5 0 k h z 较合理。此外，澳大利亚的 b l a c k b a m 等人对利用光纤测量系统伸入到变压器内部测量局放的超声脉冲法进行 研究，取得一定成果。这种方法主要用于定性地判断局放信号在有无，以及结合电 脉冲信号对局放源进行物理定位，它是局放在线监测中的主要辅助测量手段。这种 方法在提高灵敏度和减小干扰方面需继续研究。 红外检测法 红外检测法是基于局部放电引起的局部温度升高，通过红外探测器和热成象来 实现检测。对于变压器局部过热故障，该方法较灵敏，但对于局部放电还没有产生 明显局部过热时，该方法不理想，远不能达到自动监测的目的。 气相色谱法 气相色谱法是利用变压器发生局部放电时内部固、液体绝缘材料因老化或缺陷 而产生各种气体如c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 心、c 2 h 6 、h 2 、c o 等各种特征气体溶解在油中 的含量进行测量分析来判断其故障。这种方法对判断变压器的局部放电、电弧放电 及过热的严重程度较有效，其判断正确率在8 0 以上。国内外均有变压器色谱在线 监测装置投入实用的报道。但在监测和诊断特殊种类故障方面尚须进一步研究。 光测量法 光检测法是检测局部放电产生的光辐射。虽然在实验室利用光测量来分析局部 放电特征及绝缘劣机理等方面取得了许多成查【”1 ，但由于光测量设备复杂、价格昂 贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能用于在线监测。 局部放电的检测方法很多，但就目前而言，在变压器局部放电在线监测中主要 还是采用脉冲电流法和超声测量法，两者除传感器不同外，基本测量原理是相同的， 其测量原理框图如图所示。 图1 1 变压器局部放电检测原理框图 f i g 1 1t h es k e t c hf o ri n s p e c t i o no f t h ei n t e r n a lp dt r a n s f o r m e r 1 3 本文的主要研究内容 本文通过对变压器内部局部放电原因的分析，结合目前国内外基于不同原理 得到的多种变压器内部局部放电检测的方法，根据目前我国变压器油中溶解气体 色谱分析的现状，提出了以油中溶解气体含量反映电力变压器内部局部放电技术 的总体思路及实现方法；主要研究内容是： 变压器局部放电检测技术的研究； 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 变压器内部局部放电在线监测技术； 变压器油中溶解气体分析技术； 变压器油中溶解气体与电力变压器局部放电对应关系研究。 1 4 小结 本章通过对变压器内部局部放电的原因分析，阐述了变压器内部局部放电检 测技术对电力变压器安全可靠运行的重大意义，结合目前国内外研究变压器内部 局部放电检测技术的现状，提出了本论文的主要研究内容。 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力变压器局部放电检测技术的研究 2 电力变压器局部放电检测技术的研究 电气设备绝缘内部常存在一些弱点，例如在一些浇注、挤制或层绕绝缘内部 容易出现气隙或气泡。空气的击穿场强和介电常数都比固体介质的小，因此在外 施电压作用下这些气隙或气泡会首先发生放电，这就是电场设备的局部放电。放 电的能量很微弱，故不影响设备的短时绝缘强度，但日积月累将引起绝缘老化， 最后可能导致整个绝缘在正常电压下发生击穿。近数十年来，国内外已越来越重 视对设备进行局部放电测量。例如规定1 1 0 k v 及以上的电力变压器在出厂例行试 验时必须做局部放电试验。国际电工委员会2 0 0 0 年颁布的i e c 6 0 2 7 0 文件和相关 的中国国家标准【1 对局部放电测量均作了技术上的规定。 2 1 局部放电检测概述 局部放电的机理常用三电容模型来解释，如图2 1 所示。图中，c g 代表气隙的 电容；c b ( 是c b l 和c b 2 的串联) 代与表c g 串联部分的介质的电容：c 。代表其余 部分绝缘的电容。若在电极间加上交流电压玑，则出现在c g 上的电压为”。，即 “。= 【c 。( c + g ) = 巴( q + c p u 。s i n c a t ( 2 _ 1 ) 。t 1 。1 。r 。一 c b l c i “2 j 。j 一 ( a ) 图2 1 同体介质内部气隙放电的三电容模型 ( a ) 通过气孔的介质剖面；( b ) 等效回路 f i g ，2 ，1t h r e ea p a c i t a n c em o d e lo f t h ed i s c h a r g eo f g a sg a pi n s i d et h es o l i dm a t e r i a l ( a ) t h r o u g ht h eg a ps e c t i o no f t h em a t e r i a l ；( b ) t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t 因气隙很小，c g 比c b 大很多。局部放电时气隙中的电压和电流变化如图2 2 。“s 随 “，升高，当“，上升到“一( 起始放电电压) ，“s 达到c g 的放电电压u g 时，c g 气隙放 电，于是c 。上的电压很快从u g 降到u r ，放电熄灭，则 u ，= 【c ( c 。+ g ) m 式中，“。为相应的外施电压；u r 为残余电压( 0 蔓u ，蔓u 。) 。放电后在c g 上重建 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力娈压器局部放电检测技术的研究 的电压将不同于，只是随着外施电压的上升类似于“s 的上升趋势，从u ，上升， 当升到u 。也即外施电压又上升了( “s - u c ) 时，c g 再次放电，放电再次熄灭，电 压再次降到u r 。c g 上的电压变动在u g 至u r 间的时间，也即产生局部放电脉冲的 时间，此时通过c g 在外回路有一脉冲电流i 如图2 2 ( b ) 所示，它是检测局部放 电的主要依据。 t b ) 图2 2 局部放电时气隙中的电压( a ) 和电流( b ) 的变化 f i g 22t h ev a r i e t yo f v o l t a g ea n dc u r r e n to f g a sg a pw h e np dh a p p e n s 从图2 1 ( b ) 可知，当c g 放电引起电压变化为( u 。一u ，) 时，回路放出的电荷q r 应为 吼= ( u g u ，) 【c g + c 。c 6 ( c a + c b ) ( 2 2 ) 当c 。c 6 ，c g c 6 ，u ，= 0 时，q ，u g c g c a 上的电压也即外施电压的变化a u 应为 u = c 6l ( c 。+ c 6 】( u 。一u ，) ( 2 _ 3 ) 由式( 2 - 2 ) 和式( 2 3 ) 得 a u = c 6 9 ，( c g c 。+ c g q + c 。c ) 若相应的电荷变化量为q ，则 a u = q c 。+ 【c 。c ( c + c 6 ) 】) = q l c ，zq l c 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 重庆大学工程硕十学位论文 2 电力变压器局部放电检测技术的研究 由式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) 得 q = 【c 6 ( c 。+ c 6 ) k ， ( 2 - 6 ) q ，是实际放电电荷，但无法测得。式( 2 - 5 ) 中的a u 和q 均可检测得到，故q 是 可以得到的，一般用p c ( 皮库) 表示，称为视在电荷量。从式( 2 - 6 ) 可知，它比 实际放电电荷4 , t e 多，可用它来表示电气设备的局部放电量。一次脉冲放出的能 量w 应为 = ( u g u ，) g ，2 = ( u g u ，) q u ，2 u g ( 2 - 7 ) 若u ，z0 ，则 矿2 q u ，2 ( 2 - 8 ) 式中，1 , 1 。，q 均可求得，故一次脉冲放出的能量也是可以求得的。 蜘和w 都是局部放电的特征参量，但只是一次脉冲放出的电荷量和能量。半 周期内能发生好多个脉冲，一秒钟内的脉冲数，即放电重复率”也是个重要参量。 从图2 2 ( b ) 知c g 第一次放电熄灭后，外施电压每上升( “，一“。) ，可使c g 放电 一次。在过峰值前的最后一次放电后，虽外施电压继续上升，但它小于( “。一“。) ， c g 不可能放电。当过峰值并下降，时，“。n n 2 _ n n u ，“，再下降“。，则“。降 为零。若负极性下放电电压仍为u g ，则”，必须再下降“v 才可使c g 被反充电到u g 。 故过峰值后c g 第一次放电发生在从u m a x 下降( 。+ “，+ “。) 时。此后“，每降 ( “。一“。) ，c g 即放电和熄灭。一次。若从+ u m a x 到u m a x 半周期内的放电次数为n ， 则 2 u = l + ( 2 s + “。) + ( n 一1 ) ( “，一“，) + 2 耳口 n = 【2 ( u 一一“。) 一( l + 2 ) ( “，一“。) ( 2 - 9 ) 每秒内放电次数为 = 2 ( 2 - 1 0 ) 以上只分析了试样存在一个气隙且这个气隙的放电电压和极性无关的情况， 实际试验中气浊往往多于1 个，两种极性的放电电压也不同，分析起来要复杂得 多，重复率也会高得多。国家标准规定局部放电参量为：视在电荷量q ，重复率”， 平均放电电流i 和放电功率p 。 2 2 局部放电检测方法 当绝缘介质内部发生局部放电时，伴随着将发生许多电的( 如电脉冲，介质 损耗的增大和电磁波发射) 和非电的f 如光、热、噪音、化学变化和气体压力的 变化) 现象。因此检测方法也可分为电的和非电的两类。非电的方法一般灵敏度 重庆大学工程硕十学位论文2 电力变压器局部放电检测技术的研究 由式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) 得 q = i c ，t c ，十c 6 ) 】目， ( 2 6 ) 叮，是实际放电电荷，但无法测得。式( 2 - 5 ) 中的【，和t 均可检测得到，故q 是 川以得到的，一般用p c ( 皮库) 表示，称为视在电荷量。从式( 2 - 6 ) 可知，它比 实际放电电荷小很多，可用它米表示电气设备的局部放电量。 次脉冲放出的能 量w 应为 = ( u f u ，) g ，2 一u ，一u ，) q u ，2 u g ( 2 - 7 ) 若u ，e 0 ，则 w 2 g “。2 ( 2 8 ) 式中，q 均可求得，故一次脉冲放出的能量也是可以求得的。 蜘和w 都是局部放电的特征参量，但只是一次脉冲放出的电荷量和能量。半 周期内能发生好多个脉冲，秒钟内的脉冲数，即放电重复率一也是个重要参量。 从图2 2 ( b ) 知c 。第一次放电熄灭后，外施电压每上升( “，一虬) ，可使c g 放电 一次。在过峰值前的最后一次放电后，虽外施电压继续上升a 。，但它小于( “，一“。) ， c 。不可能放电。当q 过峰值并r 降时，”。将随之降到u ，再下降“。，则“。降 为零。若负极性下放电电压仍为i k ，则“，必须再f 降“。才可使c g 被反充电到u g a 故过峰值后c 。第一次放i b 发生在从u m a x 下降( + “，+ “。) 时。此后珥每降 ( “。一“，) ，c ! 即放电和熄灭一次。若k , t + u m a x 到- u m a x 半周期内的放电次数为n ， 则 2 u 一= a l + ( i d s + “。) + ( 一1 ) ( “，一“，) + 2 h 口 n = 【2 ( u 一“。) 一( l + 2 ) ( “。一“。) ( 2 - 9 ) 每秒内放电次数为 1 = 2 ( 2 _ 1 0 ) 以上只分析了试样存在一个气隙且这个气隙的放电电压和极性无荧的情况， 实际试验中气浊往往多于1 个，两种极性的放电电压也不吲，分析起来要复杂得 多，重复率也会高得多。国家标准规定局部放电参量为：视在电荷量q ，蕈复率h r 平均放电电流i 和放电功率p 。 2 2 局部放电检测方法 当绝缘介赝内部发牛局部放电时，伴随着将发生许多电日勺( 如电h 永冲，介质 损耗的增大和电磁波发劓) 和 f 电的r 如光、热、噪音、化学变化和气体压力的 变化) 现象。因此检测方法也u j 分为电的和非电的两类。非电的方法一般灵敏度 变化) 现象，因此检测方法也可分为电的和非电的确娄。非电的方法一般灵敏度 重庆大学t 程硕士学位论文 2 电力变压器局部放电检测技术的研究 较低，能定性而不能定量分析，因此长期以来采用的方法是测量其电脉冲，即所 谓脉冲电流法。其基本测试回路如图2 3 所示。图中，s 是电源即试验变压器，除 长电缆和带绕组的试品外，一般情况下试品均可看作集中参数电容c 。c k 为耦合 电容，它为c 。和z 。之间提供一个低阻抗通道，c k 越大则测试灵敏度越高。当c ， 两端因局部放电而引起电压变化a u 时，经c k 耦合到检测阻抗z 。上，回路上即产 生脉冲电流并在z 。上转化为脉冲电压，藉测量这个脉冲电压柬检测局部放电。阻 塞阻抗z 的作用是阻塞放电电流，使之不致被变压器入口电容所旁路，同时可降 低来自电源的噪音干扰，故它是个高压低通滤器，z 应比z 。大，通常z 是个电感 线圈。在测试局部放电的试验电压下，除c 。外，c k ，s ，z 和整个回路接线均不应发 生局部放电。m 是测量装置，用以测量及显示z 。上的脉冲电压。 z 5 伊5 睁8 一 图2 - 3 脉冲电流法的局部放电检测回路 ( a ) 并联法；( b ) 串联法；( c ) 平衡法 f i g ，2 3t h ei n s p e c t i o nc i r c u i to fp u l s ec u r l e l tm e t h o df o rp ( a ) t h ep a r a l l e lm e t h o d ( b ) t h es e r i e sm e t h o d ( c ) t h eb a l a n c em e t h o d 检测回路的接法分两大类，一是直接法，它有并联法串联法两种，前者适用 于试品端接地的情况，后者试品需对地绝缘。另一类是平衡法，如图2 3 ( c ) 所示，它需要两个相似或相同的试品，其中c 、l 替代c k ，这种回路能有效抑制电 源或试品高压侧的干扰。 z 。的作用是检取局部放电所产生的高频脉冲信号，并使其持续时间足够短以 保证所需的脉冲分辩率。z m 对试验电压的低频信号则应予以消除或减弱。z 。是连 接试品与仪器的一个关键部件，和仪器的频率特性及灵敏度有直接关系。 检测阻抗z i n 可分为r c 型及l c r 型两大类，如图2 4 所示。图中，c 。主要由 与测量装置相连的电缆的电容、放大器的输入电容等组成。 测试回路接r c 型检测阻抗时的等效电路如图2 5 ( a ) 所示，当c 。发生局部 放电，引起电压变化a u ，视在电荷量为q 时，通过计算可得检测阻抗上的输出电 压“一，为 “。= ( q i c 。+ c ，( 1 + c 。( - ) 】 e x p ( 一a 。，) ( 2 - 】11 重庆大学t 程硕士学位论文2 电力变压器局部放电检测技术的研究 式中 a 。= 1 f 。；f 。= r 。 c 。+ c ，( i ( c ，+ c k ) = r 。c 旺匠 图2 4 两类检测阻抗 f i g 2 4t h et w ok i n di n s p e c t i o ni m p e d a n c e 其中，a m , r 。分别为检测回路的衰减常数和时间常数；c ，为检测阻抗两端的总 电容，又称调谐电容。“。是非周期性的单向脉冲 图2 - 5 ( b ) 】，每个脉冲与绝缘 内部局部放电脉冲一一对应。愈大，脉冲持续时间越短，分辩率越高。但日，太 大地准确度不利，r 。小还可能降低检测灵敏度，c l 小则可提高灵敏度。 町( b ) 图2 5 接r c 检测阻抗的等效电路( a ) 及脉冲电压波形( b ) f i g 2 5t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f c o n n e c t e dr ci n s p e c t i o ni m p e d a n c e ( a ) a n dt h ep u l s ev o l t a g ew a v e f o r m 接l c r 检测阻抗的等效电路如图2 - 6 ( a ) 所示，在c 。放电瞬间，u 按电容 分配，故检测阻抗上的初始电压和r c 型电路一样，之后呈现一个衰减振荡，通常 m m ，此时 “。= q c 。+ c ，( 1 + c 。，c k ) e x p ( 一a ，1 ) c o s o ) 。r ( 2 1 2 ) 式中 “。= 1 2 r 。c ；c = c ，+ 【c ，q ( c x + q ) ； 。= e m ( 1 l 。c ，) 一日： “2 “( 1 l 。c 。) “2 ，c o 。是检测回路的振荡频率。 以上分析均假定放电脉冲的前沿为跃波，若脉冲前沿为指数波，则h m 起始值 为零当接l c r 检测阻抗时，b m 的波形将如图2 6 ( b ) 所示。 0 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力变压器局部放电检测技术的研究 蝣 、( 4 小? 广一八1 图2 6 接l c r 检测阻抗的等效电路( a ) 及脉冲电压波形( b ) f i g 2 6t h ee q u i v a l e n lc i r c u i to f c o n n e c t e dr l ci n s p e c t i o ni m p e d a n c e ( a ) a n dt h ep u l s ev o l t a g ew a v e f o r m 图2 7 是局部放电检测装置的基本原理，除检测阻抗外，还应包括放大单元、 显示单元、椭圆时基发生器、时问窗、放电量表等。因q ，o “m 都是十分微弱的信 号，必须将其放大方向可进行测量或显示。为了消除和减弱从检测阻抗进入检测 装置的干扰信号，放大单元还具有滤波和选频功能，可给出不同的检测频带。椭 圆时基发生器对检测到的局部放电信号给予椭圆扫描( 图2 9 ) ，使之在一个工频 周期内较清晰地显示出局部放电信号，椭圆扫描频率取决于试验电源的频率。时 间窗是抑制干扰的简便措施之一，它可产生一个可选通的时基区域，被认为是出 现干扰的一部分时基关闭，使放电量表和显示单元仅对开通部分中的信号作出响 应。显示单元相当于一台专用示波器，放电量表用于指示放电脉冲幅值的最大峰 值。国内外均已有局部放电检测仪的正式产品，例如美国b i d d l e 公司的1 7 0 0 0 系 列，瑞士t e t t e x 公司的9 1 2 0 系列，英国r o b i n s o n 公司的m o d e l 系列。国内有代 表性的产品为武汉无线电仪器厂的j f d 3 ，上海电动工具研究所j f 一8 0 0 0 系列等。 这些仪器在电路设计、抗干扰性能、检测参量、仪器结构等方面各有特点，但基 本原理和性能是相似的。近年来结合将微机引入检测系统，研制发展了数字化的 多功能局部放电检测系统，除具有一般测试功能如对放电量、放电次数、放电能 量的测试外，还可绘出放电量和相位、放电量和放电次数等各种谱图、报告打印、 放电源定位、系统自检等诸多功能。 图2 7 局部放电检测装置原理 f i g2 7t h ep r i n c i p l es k e t c ho f t h ep di n s p e c t i o ne q u i p m e n t 重庆大学工程硕士学位论文 2 电力变压器局部放电拎测技术的研究 在指示仪表上测得的局部放电脉冲值与试品的视在电荷量q 是成比例的，但 其具体关系与回路及仪器性能有关，为此必须进行校准，以确定整个试验回路及 仪器的刻度因数k 。，方可算得视在电荷量q 。校准是在接好试品时的实际试验条 件下进行的，校准线路如图2 8 所示，用一幅值为u o 的方波电压发生器g 串联 个小的已知电容。构成与l x 并联的有源支路来模拟c x 上发生局部放电。分析可 知当c 。 峨 式中。为p d 信号的功率衰减到零时的频率。 监测信号的功率谱的平均值 易( 卯) = 寺s ( ) = 瓦( 珊) + 瓦( 彩) + 瓦，( 口) ( 3 - 3 4 ) 如果在频域内进行如下运算 ! ( ) 2 勤( 棚) 一乡2 s 。( 出一s = 竺+ s ”( ) 一圳c o _ 。 由运算结果可知，对于。，m ，时，结果值不为零的点，即为周期性干扰的谐波 频率，而对于频率较低的区域在进行了e 述运算以后，采用找极大值的方法可确定 出该区域的谐波频率。由此可知，采用相关函数频域分析法可有效识别局部放电监 测信号中的周期性干扰。在周期性真干扰的频率分布己知后，就可采用最有效有滤 波方法一数字陷波器来抑制周期性干扰故此设计出合理的数字滤波器就油可能有效 地抑制局部放电监测信号中的周期性干扰。在文献【1 9 】中，v n a g e s h 在比较了几种 常用的抑制周期性干扰的方法的基础上，得出了i i r 格形陷波滤波器是目前抑制周 期性干扰最有效有方法。下面讨论这种滤波器的基本原理及设计方法。 设h ( z ) 为数字陷波滤波器的传递函数，其代表式为 肌护篙鬻b ，。， 1 + 阡i z 叫+ 以z 叫 1 + d ：叫+ a 2 ：一2 式中0 = 出，国。是陷波器的中心频率，缸为采样间隔；w 1 = 2 r c o s 0 ；w 2 = r 2 ； 是一个确定陷波器带宽的参数。伍的值越接近1 ，则陷波越窄。也就是说仪值越接近 1 ，由h ( z ) 的陷波作用越理想。 若滤波器采用i i r 格形滤波器结构，其传递函数为 酢，= 篙糕窘等 如果要使式( 3 3 7 ) 是一个谐波器的传递函数，由式( 3 3 6 ) 可知 满足 a o ( i + a 1 ) = a k o ( 1 + 1 ) 订i2 日。k 1 剐 ( 3 。3 7 ) 下列方程必须被 ( 3 - 3 8 ) ( 3 3 9 a ， 皇望型塑! ：堕堡主堂垡笙苎 ! 鱼垄奎垦矍塑塑旦塑塑皇垄垡堕型垫查 ”等粤 即a i 和可以用k l 和k o 表示成( 3 3 9 ) 式的形式。而k j 和b 由下式确定 k o ( 1 + k 1 ) = - 2 r c o s 0 k i2 ，2 于是系数q 和。可以n n ( 3 3 9 ) 式计算。 若a 接近于1 ，则下列近似式成立 d t = dk 1 a k l a o ( 1 + a 1 ) = a k o ( 1 + k 1 ) k o ( 1 + 口惫1 ) 从上式可得下面的简单计算式 q = 口膏l a o = k o 埘 善 图3 , 5 格型陷波器的频率特性 f i g 3 5t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f g r i df l a m e f i l t e r ( 3 - 3 9 b ) ( 3 4 0 ) ( 3 - 4 1 ) ( 3 - 4 2 ) 即使用式( 3 4 2 ) 代替式( 3 3 9 ) ，式( 3 3 7 ) 仍是一个陷波器。图3 5 示出了式( 3 3 7 ) 的 频率响应，其中a = o 9 5 ，k l = l ，k 。= 一c o s ；。曲线( a ) 对应于系数使用式( 3 3 9 ) 的情 斗 形，而曲线( b ) 为使用式( 3 4 2 ) 掣3 情形。从图可以看出，两条曲线非常接近，但式( 3 4 2 1 的计算式( 3 3 9 ) 更简单。 为了使设计滤波器是稳定的，必须保证滤波器的极点在单位圆内，即必须使滤 波器的系数j j 和j qj 小于1 ，为了使滤波器算法简单，我们选系统数七，= 1 m j 则 k oi = 卜c o s o i 1 ( 0 。 0 丌) ) ，同关系式( 3 4 2 ) 知，只要使系数a l ，滤波器就 是稳定的。为了往滤波器特性接近理想，仳在0 9 。1 之间取值。 设数字滤波器的输入信号序列为f ( n ) ，其z 变换为f ( z ) 弓序列为y ( n ) ，其z 变换为y ( z ) ，两者在z 域里的关系为 m m ( z ) 心) 2 怒酢) 数字滤波器的输出信 ( 3 4 3 ) 1 1 0 o o o o o o o o 重庆大学工程硕士学位论文3 电力变压器内部局部放电在线监测技术 式中r ( z ) = l + k o ( 1 + k j ) z + k j z - 2 ，g ( z ) = 1 + ( 1 + ) z 。+ 盘i z ，即i i r 格形陷波滤波 器可看成一个全零点格形滤波器和全极点形滤波器级联。由式f 3 2 2 ) 及上式对应的时 域关系式可得y ( n 1 与f i n ) 的时域关系式 y ( h ) = r k f ( n 一女) 一g 。y ( h 一七) ( 3 4 4 ) k = o女= 1 式中h 1 ，2 k o 】为全零点格形滤波器的参数，g = 1 ，( 1 + c ok o ，0 c 】这全极点格形滤波 器的参数。当已知需抑制的周期性干扰的频率时，就可计算滤波器的参数，设计出 能和抑制该频率的谐波干扰的i i r 格形谐波器。 当输入为多谐波成分的周期干扰时，滤波器由多个式( 3 3 7 ) 的2 阶i i r 格形陷波 滤波器级联而成。 通过对数字滤波器的模拟实验可知： i i r 格形陷波滤波器能有效的抑制周期干扰： 1 1 r 格形陷波滤波器的阶数越高，信噪改善比越低，滤波时间越长，滤波效 果变差； i i r 格形陷波滤波器的滤波效果与参数仪有关，并且滤波器的阶数越高，最 佳效果的0 t 值越难确定； i i r 格形陷波滤波器对信号的前，l 点数据的滤波效果较差，即存在延时效应， 延时长短与采样频率有关，采样频率越高。延时越短。 当在线监测系统的采样频率较低时，使用i i r 格形陷波滤波器来抑制周期性 干扰，可获得较好的滤波效果，并司直接得到一个周波里的放电波形，因此该滤波 器适用于采样频率较低的在线监测系统。 3 5 ，j 、结 通过对p d 在线监测系统总体结构中单元的功能分析和方案的简介，得s a w n 下 结论： 为了保证监测的灵敏度，应采用宽频带电流传感器。 为适应实时监测的需要，应采用放大倍数可调的放大器。 为保证监测的可靠性，监测系统需有抗干扰处理单元。 为了抑制别局部放电监测信号中的周期性干扰，可采取适当的数字滤波器。 重庆大学工程硕士学位论文 4 变压器油中溶解气体的分析技术 4 变压器油中溶解气体的分析技术 4 1 常规油中气体分析方法 变压器常规油色谱分析般是将现场采集到的油样运输到实验室经过脱气处理 后在标气带动下进入气相色谱仪，由气相色谱仪进行分离、检测各气体组分及浓度， 用色谱数据处理装置或计录仪进行结果计算，得到分析结论。 气相色谱分析的流程 从油中脱出溶解气体 脱气率测定 气相色谱一义分析气体 数据处理