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高压电容器直流局部放电的特征分析 摘要 高压电容器在高压系统中应用非常广泛，是高电压设各中的关键元件。由于高压电 容器的绝缘性能可能存在先天缺陷和在存贮以及运行过程中受到电腐蚀、振动磨损开 裂、热裂解、受潮等各种原因受到损坏，导致局部放电发生，因而局部放电信号通常蕴 含了绝缘性能的渐变信息。鉴于交流局部放电的成熟理论和成功应用，分析高压电容器 直流局部放电的特征更接近电容器的真实情况，为电容器储存寿命的预测和电容器初期 故障缺陷的揭露提供有力依据，对提高系统的有效性和可靠性有重大意义。 根据调研，高压电容器直流局部放电的研究在国内直流局部放电领域尚属新型技 术，本课题主要对高压电容器直流局部放电的参数特征进行初步分析，为高压电容器直 流局部放电指纹的提取、识别和归类提供了参考途径和技术经验。 本课题主要研究了高压电容器加电过程的直流局部放电的特征。根据局部放电的机 理、局部放电检测的理论及直流局部放电的特点，在现有的条件下设计了人工化和计算 机化直流局部放电检测系统；自行设计了寿命试验触发电路并进行了o r c a d p s p i c e 9 仿真；详述了人工化直流局部放电检测系统构造及其抗干扰的措施，并将直接测量到的 局放信号应用统计理论提取特征参量，借助m a t l a b 、e x c e l 软件进行处理和识别。 同时简述了计算机化直流局部放电检测系统构造及其初步测试效果。 关键词：直流局部放电，高压电容器，抗干扰，特征分析，统计量 堕堡皇查墨里亟旦塑垫皇塑壁笙坌堑 a b s t r a c t t h e 坷曲v o ) t a g ec a p a c i t o ri sw i d e l yu s e d 曲h i g hv o l t a g es y s t e m ，i t so n ek e ye l e m e n to f h i g hv o l t a g ee q u i p m e n t b e c a u s et h ei n b o r nd e f e c tm a ye x i s ti nc a p a c i t o r si n s u l a t i n g c a p a b i l i t y , a n di t si n s u l a t i n gc a p a b i l i t yw i l la l s ob ea f f e c t e db ye l e c t r o n i ce r o s i o n ，v i b r a t i l e d e h i s c e o a c ea n dt h e r m a lf i s s i o n ，d a m p n e s se t cd u r i n gs t o r a g ea n dr u n n i n g ，w h i c hw i l lb r i n g a b o u tp a r i t a ld i s c h a r g e s ot h ep ds i g n a lc o n t a i n sg r a d u a lm e s s a g ea b o u ti n s u l a t i n g c a p a b i l i t y w h e r e a sm a t u r et h e o r ya n ds u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni np du n d e ra l t e r n a t ec u r r e n t v o l t a g e ，i ti sc l o s et ot r u es t a t u so fc a p a c i t o rt h r o u g ha n a l y s i n gp df e a t u r eo fc a p a c i t o ru n d e r d i r r e c tc u r r e n tv o l t a g eb e t t e r l y t h a tw i l lp r o v i d ef o r c e f u lp r o o ff o rf o r e c a s t i n gc a p a c i t o r s s t o r a g ea n dd i s c o v e r i n gi t se a r l i e rd e f e c t ，w h i c hi sg r e a ts i g n i f i c a t i v et oi m p r o v er e l i a b i l i t y , a n dv a l i d i t yo f h i g hv o l t a g es y s t e m b a s e do ni n v e s t i g a t i o n , r e s e a r c hf o rh vc a p a c i t o r sp du n d e rd cw h i c hs t i l li sn e w t e c h n o l o g yi np dd o m a i n t h ep r i m a r yf e a t u r ea n a l y s i sf o rh vc a p a c i t o r sp du n d e rd ci s m a i n l yp r e s e n t e d ，w h i c hw i l lp r o v i d er e f e r e n c e da p p r o a c ha n dt e c h n o l o g ye x p e r i e n c ef o r e x t r a c t i n gc a p a c i t o r sp df i n g e r p r i n t ，r e c o g n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n t h ec a p a c i t o rp df e a t u r eu n d e rd ci ss t u d i e dd u r i n ge l e c t r i f i c a t i o ni nt h i sp a p e r b a s e d o np dm e c h a n i s m ，p dt e s t i n gt h e o r ya n dc h a r a c t e f i s t i co fp du n d e rd c ，m a n u a lw o r kd e t e c t s y s t e ma n da u t o m a t i ct e s ts y s t e ma r ed e s i g n e do ne x i s t i n gc o n d i t i o n a n dt h ea g et e s tc i r c u i t i sd e s i g n e da n ds t i m u l a t e di no r c a d p s p i c e 9e n v i r o n m e n t t h ec o n s t r u c to fm a n u a lw o r k d e t e c ts y s t e mi se x p a t i a t e d ，a n dt h ea n t i i n t e r f e r em e a s u r ei sa l s oe x p a t i a t e d t h e np df e a t u r e f r o mt e s t i n gi se x t r a c t e di na c c o r d a n c ew i ms t a t i s t i c a lt h e o r y , w h i c hi sd i s p o s e da n di s r e c o g n i z e db ym a t l a ba n de x c e l a tt h es a m et i m e ，t h ec o n s t r u c to fa u t o m a t i ct e s t s y s t e ma n dt h ep r i m a r yt e s te f f e c ta r ea l li n t r o d u c e d k e y w o r d s ：p du n d e rd c ，i - i vc a p a c i t o r , a n t i i n t e r f e r e ，f e a t u r ea n a l y s i s ，s t a t i s t i c a l v a r i a b l e 独创性声明 y - 8 0 9 9 5 7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名泓 签字日期：哆年；月也目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位 r 论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物 理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 一躲潮瘁岛 签字f 1 期：汐话年弓月彤同 导师签名： 了永寡 签字日期：彬年3 局，日 高压电容器直流局部放电的特征分析 第一章绪论 随着社会的高速发展，人们对高压电气设备中存在交流局部放电而最终导致绝缘击 穿的现象已愈来愈给予重视，因而对局部放电的发生过程、破坏绝缘体的机理以及局部 放电的检测技术进行广泛的研究，但对于直流局部放电的研究还比较少，进展也比较慢， 在这一章中，简要概述了直流局部放电检测的意义、发展概况、国内外现状和论文中将 介绍的课题的研究内容。 1 1 直流局部放电检测的意义| l 】【2 l 高压直流电气设备的绝缘性能在运行过程中由于受到电腐蚀、振动磨损开裂、热裂 解、受潮等各种原因可能引发局部放电，因而局部放电信号中常常蕴含了绝缘劣化、性 能下降的渐变过程信息。在局部放电的长期作用下，由于放电引起的一系列物理效应和 化学变化，如带电质点的轰击，热效应，活性生成物，辐射效应，机械力作用等，造成 绝缘性能的劣化，加速了绝缘老化。局部放电逐步发展将导致绝缘击穿，以至造成无法 预料的事故。因而研究直流电压下，局部放电的机理、绝缘性能的评估，就可能确定高 压直流设备成品的制作质量，并揭露其结构及工艺上的缺陷，在大多情况下，以绝缘试 品的试验结果为基础可以预测运行中的高压直流设备的工作性能和使用寿命，确定其允 许的工作场强和试验场强，并将可能为绝缘结构设计及绝缘材料的研制提供部分理论依 据，也可能为高压电容器等部分高压直流电气设备的制造及运行维护提供一些评估方 法。 1 2 直流局部放电检测的发展概况2 】f 3 1 1 3 9 j 局部放电检钡u - - p a r t i a l d i s c h a r g e d e t e c t i o n ( p d d ) 是对局部放电进行检测，采集其 放电信号，分析其放电特征参数( 放电量、放电重复率、放电次数、放电的平均电流等) ， 识别出放电指纹( 放电图谱的扭曲度、放电图谱的峰度等) 并对其进行指纹归类的技术。 交流局部放电测试作为一种绝缘测试方法是在5 0 年代出现的，g e m a n t 最早对模拟 实际气隙与人工气隙作了大量研究，用电容器与火花间隙的各种组合来模拟局部放电试 验。w 址t e h e a d 等人提出了气隙放电的等值电路，后来m a s o n 用电路模型对绝缘结构中 含有气隙的放电情况作了较好的描述如图1 1 、图1 2 所示。 近年来，p d 的研究在高压电器及绝缘测试技术越来越受到重视，从p d 的理论研 究到实际测试技术都有有了很大的发展。8 0 年代以来发表的论文就有上百篇，出版的专 著有：美国1 9 7 9 年出版的e n g i n e e r i n gd i e l e c t 黜c s v o l l ，俄罗斯出版的高 高压电容器直流局部放电的特征分析 压电气设备局部放电以及我国出版的局部放电铡量等， 嗵b 哥i漪 图1 1 含单气隙的绝缘结构图1 2 含单气隙等效电路图 直流高压( h v d c ) 局部放电试验其实在1 8 6 8 年就提出了，那时仅用于军事领域，其 定义为每分钟超过一次的重复放电。但直流局部放电的研究是从5 0 年代起步的，发展 较慢，长久以来人们对高压直流局部放电的研究远远落后于交流局部放电，仅有极少数 的文献中有关于直流高压下绝缘老化和局部放电的介绍。对它的研究发展较慢，国外在 这方面做的工作较多，但他们主要研究电缆的直流放电的特性，研究油纸绝缘的相对较 少。我国在研究直流局部放电局部放电方面还比较少，直流局部放电检测的发展则更是 较慢，国外学者始于r o g e r s 和s k i p p e r 用光电倍增管研究了电缆的直流放电特性，但光 电测量只适用于透明介质，对非透明介质用光电检测还在进一步研究中。 近年来在高速发展的信息时代里，交流局部放电检测技术已经有了较快的发展，形 成了一系列较全面的理论和实施方案；在直流局部放电分析的领域里，虽然有许多人作 过这方面的研究，但对于高压电容器直流局部放电方面的研究还不太成熟，尤其是我国 对该方面的研究更加少，一些理论和技术还待进一步发展。 1 3 直流局部放电研究的现状及发展趋势洲4 】【1 2 】【6 4 】 1 3 1 国外研究现状 在电力电容器的交流局部放电研究领域，已经取得了一些令人鼓舞的成果。 r 。h a n m a a l 等人测试了含有不同类型缺陷的全膜电容器韵交流局部放电信号，发现这些 信号具有不同的( q 、( p ) 分布和不同的特征参量。h n n a g a m a n i 和s n m o o r c h i n g 通过对 复合膜电力电容器进行交流局部放电和寿命老化试验，获得了局部放电量与电容器的工 作寿命之间的关系曲线，并且他们认为该种电容器的老化和失效因素主要是局部放电。 发生局部放电的原因通常是由于绝缘介质和电介质的失效，c l a l 】r e m 和c m a y o u x 指出，固态电介质的失效通常是由于微观电树生长造成的，其控制参数是放电的能量密 度( 放电能量除以放电部位的体积) 。因此研究缺陷的类型和微观尺寸，对于将局部放 电用于电介质的老化和剩余寿命分析有重要意义。r b a r m i k a s 认为，当介质临近击穿时， 局部放电强度既可能随时间增加也可能随时间减小。比如对于固态环氧树脂绝缘变压器 高压电容器直流局部放电的特征分析 中的封i 羽缺陷，通常放电强度会随时间逐渐减小，到即将击穿时，会出现一个或数个特 别大的局部放电脉冲。因此必须针对特定的高压设备进行深入的理论分析和大量的实验 研究，才能揭示绝缘老化状况与相应的局部放电信号特征参量之间的关系。 p e t e r m o r s h u i s 等人指出，尽管某些情况下局部放电可能并非设备失效的最主要原因，但 是它往往是最终失效的先兆，而且它还可以揭示绝缘中的薄弱点。园此，进行直流局部 放电测量有重要的实用价值。 美国圣地亚实验室已有利用局部放电测试技术来检测起爆电缆绝缘老化状况和寿 命预测的报道，但只有相关结果的报道。例如，美国部分学者在1 9 9 8 年提出的电缆局 部放电分析情况，描述了电缆的贮存年限与放电次数、放电量的关系曲线，如下图所示： p i c o u i m b s 2 0 图1 3 电缆局部放电关系图 美国纽约州立大学与圣地亚国家实验室合作，对聚丙烯与硅油组合绝缘( p p s o ) 重复频率脉冲电容器，在直流电压充电后4 0 n s 时间内快速放电的击穿研究发现，放电 时发生击穿的可能性最大。美国m a x w e l l 实验室对高压大电流下的脉冲储能电容器作了 相关方面的研究。 在前人们试验研究和理论研究的基础上，荷兰的a p e d e r s o n 等利用电位移矢量场d 计算了气隙中产生电荷与测量电极上感应电荷的关系，再由感应电荷推导出放电脉冲电 流，建立了新的理论模型。理论模型的研究不但利于建立新的检测规则，也有助于对局 部放电模式识别的深入研究和对局部放电本质的更深刻的理解。s a b o g g s 和 r g b o m m a k a n t i 提出一种对大容量电容器局部放电测试的最优化电测方法，该方法实际 上是平衡法的一种变化形式，其测试灵敏度不受电容器的内部电感影响，可达到1 0 0 0 - 2 d p c ( c 的单位为f ) 。澳大利亚的b l a c k b u r n 等人对利用光纤测量系统深入到变压器内检 测局放的超声脉冲法作了一定的研究。局部放电的数据处理领域也发展较快，a c o n t i n 等人采用混合w e i b u u 函数监测局部放电引起的环氧树脂老化进程：并且比较了不同局 部放电信号的形状因子，有效地识别了不同的局部放电源，即使这些放电源同时发生局 高压电容器直流局部放电的特征分析 部放电。c h u d o n 等人采用神经网络、模糊逻辑和小波分析的联合方法，来判断环氧树 脂的老化程度。e m ，l a l i t h a 和l s a f i s h 采用小波变换和神经网络联合方法，y m i n g 和 s b i f l a s e k a r a n 采用统计的小波分析对点放电源、表面放电源和介质中内部缺陷进行了识 别，取得不错的识别率。 1 3 2 国内研究现状 目前国内主要利用交流高压局部放电测试技术来监测大型变压器或电机的绝缘状 况，对于电压1 0 0 千伏以上的交流场合，取得了很大的进展，对高压直流和脉冲电压工 作下的局部放电情况很多单位正在进行研究，西南交大的吴广宁教授等人对局部放电作 了相关研究，现在正与我们进行联合基金的局部放电研究。华中科技大学的林福昌教授、 姚宗干教授等人对全膜结构脉冲电容器在直流条件进行了局部放电试验研究，与寿命试 验相结合，发现了一些有利于判断脉冲电容器绝缘状况的试验参数。西安交大的于钦学 教授、邱昌容教授等人对油纸绝缘的直流局部放电进行了研究，发现了油纸绝缘的放电 重复率随温度、电压的增加而增加，常温下电压降至接近零时放电次数最多，随着时间 的延长放电逐渐减少到无放电，而且在高温下能看到熄灭电压；该校的严璋教授、杨莉 等人对高压直流设备中局部放电的识别进行了研究，着重讨论了基于放电指纹和模式识 别的局部放电识别方法。清华大学的高胜友、李福祺教授等人提出了一种微机化的电力 电容器的放电检测装置，对5 种典型缺陷的电容器( 人为制造的缺陷包括气隙、油隙、 油纸沿面放电、油纸中的金属杂质以及引线表面) 所导致的局部放电进行检测，然后基 于联合神经网络方法进行了模式识别，取得了较高的识别率；刘刚和屠德民教授提出了 在干扰环境下测量局部放电信号的选频平衡法，其最小可测放电量与试样的电容量成正 比等等。但是，他们都只是在理论上发展了一些论文可供参考，还没有形成切实可行的 实施方案。 国内还有一些单位对电容器快速充放电的击穿进行了研究，认为局部放电是薄膜内 充电过程中出现的空间电荷碰撞电离退陷阱化导致的击穿，也具有一定的参考价值。 1 3 3 局部放电研究的发展趋势 局部放电检测( p d d ) 技术随着测量仪器的发展而发展，随着高灵敏度仪器的出现， 局部放电测试系统的分辨率也越来越高，但这些测量仪都离不开传统测量仪器的概念， 这些测量仪器主要由硬件构成，不但仪器的体积较大，重量大，不便携带和运输，而且 仪器的功能也相对较简单，除了只能对局部放电的几个参数进彳亍简单的测量外其它比 如对测量结果进行一些特殊分析、特殊处理等这样的操作无法进行。另外纯硬件的方式 成本也比较高，必然会影响测试方法的实用性，所以基于软件的自动测试系统将会在以 高压电容器直流局部放电的特征分析 后的测试技术中得到越来越广泛的应用，该系统的设计将趋向予硬件设计和软件数字处 理上的通用化，抗干扰技术也将软件化，即形成检测数据处理软件包和抗干扰技术软件 包。在此基础上将结合专家知识、神经网络、模糊逻辑、小波变换等技术发展成为在线 诊断的专家系统，形成自能化、多功能化、通用型、实用型的局部放电在线诊断系统。 本课题通过利用传统测试方法和自动测试方法进行测试，从而能更深刻地对高压电容器 直流局部放电的特征进行分析。 1 4 高压电容器直流局部放电的立题背景 高压储能电容器在直流脉冲功率等系统中应十分广泛，并且往往是高压电气设备中 的关键器件，如何判断电容器的可靠性还是一个较薄弱的环节。基于过去高电压技术的 研究工作，对高压电容器特征的分析已经有一些初步的方法，比如耐压实验、测漏电流 等，已经积累了一些理论和实践经验。但还存在不足，还需要进一步的深入，直流局部 放电特征分析正是深入研究的种有效的方法。通过这些方法有利于高压电容器绝缘状 况的检测、高压电容器贮存寿命的预测和如何剔除早期失效品的理论研究等。加上在设 备上具有较好的实验仪器和设备，并建有专门的高压实验室，具有良好的计算机硬设备 和相应的软件，有专门的局部放电测试仪。课题的指导者一直从事高压器件的研究工件， 具有良好的基础知识和专业知识，具有丰富的经验和较强的实践能力，能保证课题的顺 利进行。而且通过直流局部放电分析d cp a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o n ( d c p d d ) 技术来 研究高压电容器的特征，该方法在高压直流设备上的应用在国内还是项较新的技术， 并且美国等先进国家又有在这方面研究成功的先例，因此本课题的研究是十分必要的。 高压电容器的直流局部放电是本文研究的重点，通过通过检测直流局部放电信号。 分析局部放电的信号参数，提取特征参量。借助特征参量，可判别出不同状况的电容器。 因此直流局部放电检测技术可用于高压电容器的出厂试验和运行中的性能状况研究，可 用于高压储能电容器绝缘老化状况判断的研究，利用局部放电脉冲电流检测法来预测高 压储能电容器的储存寿命和检测电容器初期故障缺陷，可以大大提高整机使用的有效 性，从而有利于提高整机的在效性和可靠性。 因此发展和推行局部放电研究对今后电气设备中特种高压器件在线检测和绝缘故 障诊断具有重要意义，能及时作出器件的工作性能的判断。所以本课题的研究不仅具有 现实意义，而且取得成功后可以促进该领域理论上和技术上的重大突破。 1 5 本文的研究工作 1 5 i 研究内容 从以上对直流局部放电的认识中可以看出，本文的研究内容可分为以下四个部分。 高压电容器直流局部放电的特征分析 ( 1 ) 测量系统的构造：通过对高压电容器直流局部放电的特征的探索，根据国际 局部放电的标准设计试验方案。在设计过程中，考虑不同的测量系统对测量结果的影响， 考虑回路杂散电容、电感的影响，根据现有的情况选择合适的测量仪器和检测阻抗，实 现信号的数字化测量，并且考虑实验电路的屏蔽与保护问题。在此基础上构建高压试验 回路，并用不同的方法对整个回路及其部分重要性能进行校验。 ( 2 ) 测试试验：从电容器直流局部放电的角度出发，设计有关试验方案。在现有 的条件下要求实验尽可能地发映电容器直流局部放电的特点，主要进行的是介质损耗试 验，p d 试验，寿命试验。其中p d 试验包括：环境p d 试验，不同状况电容器试验，不 同批次电容器试验。 ( 3 ) 信号参数提取：取得实测p d 信号以后，必须提取其参数( 放电量，放电次 数) 有利于后面的特征分析工作。由于实际测量信号中难免要包含一些噪声，而且是离 散的数据，在参数提取之前要进行预处理，像进行平滑滤波等，限于实测数据的有限性， 可对数据进行数理统计法、拉格朗日插值法、数据拟合法、信号变换法等。 ( 4 ) 特征分析：针对提取的信号参数，分析局部放电特征参量( 部分放电指纹数 据库) ，考查不同的特征参量，用来区分不同状况的电容器，同时对不同状况的电容器 建立部分放电指纹数据库。分析的特征参量有：偏度、峰度、变异系数、q - n 曲线、q - n t 图等。 1 5 2 论文的组织结构 本文共分为6 章，其主要内容分别如下： ( 1 ) 绪论部分：介绍直流局部放电检测的意义、国内外相关研究状况及论文的主 要工作。 ( 2 ) 直流局部放电检测基础理论部分：介绍了局部放电的机理，检测的工程研究 和方法。 ( 3 ) 直流局部放电检测系统部分：介绍测试系统的构造及对系统的抗干扰的分析。 ( 4 ) 统计理论及其应用部分：介绍样本统计的基础理论和在数据处理中的应用。 ( 5 ) 分析软件部分：介绍了数据处理中所应用的软件及其功能。 ( 6 ) 结论部分：对研究结果归纳总结，提出了开展进一步工作的设想。 高压电容器直流局部放电的特征分析 第二章局部放电信号检测的基础理论 在本章中，首选讨论了直流局部放电的机理及特性，然后论述了直流局部放电的 检测中的工程研究问题，最后详细地介绍了高压电容器直流局部放电测试方法及测量 的物理量。 2 1 局部放电的机理4 5 】【2 1 】 局部放电- p a n i 萄d i s c h a r g e ( p d ) 是绝缘体在强电场作用下部分区域发生放电但整 体没有击穿的现象。 电气设备中，油纸绝缘的气隙以及油中气泡产生局部放电的必要条件是： ( 1 1气隙中的电场强度超过放电起始电场强度。 ( 2 )气隙内存在有效的自由电子。 按照局部放电的机理，局部放电可分为三类： ( 1 ) 汤姆逊放电，以电子碰撞电离为主，电子雪崩中的电子数目小于1 0 8 个。放电 条件是当空隙中电场强度e 在放电起始场强e 。和临界场强e c 之间同时存在有效自由电 子。临界场强e 。指的是当前电子雪崩由于空隙壁上沉积的表面电荷足够多而使得放电 停止时，这些表面电荷产生场强。 ( 2 ) 流注放电，以光电离为主，空隙中存在起始电子且流注条件达到满足时发生 的局部放电。要求空隙直径必须大于流注直径4 倍以上，以便流注的传播。 ( 3 ) 热电离放电，以热电离为主，当温度大于1 0 0 0 以上时发生。 加拿大的r b a r t n i k a s 等人根据放电的表现形式将小间隙局部放电分成三类： ( 1 ) 火花放电，待续时间1 - l o o n s ，属于脉冲型放电，包括低幅度、慢上升时间的 汤姆逊型火花放电和大幅度、快上升时间的似流注火花放电。 ( 2 ) 辉光放电，具有无脉冲性质，占据半个工频周期的大部分区域。 ( 3 ) 亚辉光放电，具有微小幅度的离散脉冲，是辉光放电和火花放电之间的过渡 形式。 以上三种放电同时存在时，气隙上电压的变化如图2 1 所示，大的电压变化是脉冲 ( 火花) 放电，使基线变粗的小脉冲群是亚辉光放电，正弦电压畸变是由于辉光放电使 得气隙上的电压降低。 高压电容器直流局部放电的特征分析 电 压 o 图2 1 局部放电波形 间隙中三种放电形式的转变与气隙上过电压u ( u = u u c ，u c 指当气隙中的场 强达到临界击穿场强e c 时气隙上的电压) 、气压等有关。亚辉光放电即日本学者提到的 群集微放电( s w a r m i n g m i c r o d i s c h a r g e ) 。研究表明，运行中电力设备的气隙，有的承受 较高的过电压，而有的则承受较低的过电压，表现出三种放电形式同时存在。即使对于 一个固定的放电点而言，由于有效电子的统计性，气隙所承受的过电压也具有随机性， 使得同一气隙的放电也表现出多种放电形式。当我们采用电脉冲测试法时只能检测出一 小部分上升时间较快、幅度较大的脉冲型放电，而对其它类型的放电则很难检测出来。 2 2 直流局部放电的特性1 【2 j 【1 2 1 i 4 0 】 绝缘介质在直流电压作用下，当绝缘内部气隙上分配的电压大于该气隙的击穿电压 时，气隙中发生局部放电，但是生成的正负离子附近在气隙壁上形成与外加电场相反的 电场，使气隙不再继续局部放电。只有经过相当时闻后，这些电荷由于气隙的表亟电导 和介质体积电导而泄漏时，才开始第二次局部放电。因此放电次数比交流电压作用下少 得多。下面从理论上进一步分析。 其实直流电压下的局部放电与交流电压下一样，都是绝缘中电气强度已经降低的部 位陋口气泡或多层绝缘中液体介质溥膜等) 被击穿。但直流电压下局部流放电过程有一个 重要的特点，就是强烈的临界局部放电仅在施加电压或电压变化时才发生。直流局部放 电的结果是先行的游离过程中的自由电荷( 离子) 在掺入物表面形成表面电荷。这些电荷 产生的附加电场e n o 。与基本电场方向相反，因此使掺入物中的合成电场减弱。 在放电结束时合成场强e 。等于熄弧场强e 。： e = s = e 。一e o 。= e 。 ( 2 - 1 ) 式中e 。一附加电场临界场强，e 。一掺入物中无放电时由外加电压产生的场强，e 。s 一局 放起始场强。其过程见图2 2 所示。继之，在放电结束后，表面电荷q 。o c 开始经过绝缘 纸及其浸渍物的电导部分流动。此时表面电荷产生的场强按指数曲线变化： 一 e 。= e o 。p o ( 2 - 2 ) 高压电容器直流局部放电的特征分析 式中气一表面电荷经过介质电导流动的时间常数： tu 2p v 。 此处，a 及s 一绝缘的体积电阻率及介电常数。 e c b e c 。 & 。 e c 5 e m ( a ) ( b ) 图2 2 在直流电压作用下掺入物中合成场强的变化 ( a ) 外加电压产生的场强( b ) 表面电荷产生的场强( c ) 掺入物中的合成场强 ( 2 - 3 ) 对于外加直流电压的稳态值，发生重复性局部放电和条件是下列等式成立 e 。( 1 一e 一“。) = 瓦一。吃( 2 4 ) 由于电荷流动的运动使掺入物中的场强增大，当表面电荷产生的场强减小 ( 民一瓦) 时，将继续发生局部放电。e c s 和e c n 分别为局部放电的燃弧场强和熄弧场 强。 若( 占：一点二) 厄。= m 1 ，及e o 。e 。= m 2 ，则根据式( 2 - 1 ) 及( 2 - 2 ) 掺入物中局部放电的时 间间隔a t 等于： f ：气h j l( 2 5 ) ”2 一码 由于在直流电压下一般m l m 2 ，故 则式( 2 4 ) 可写成下列形式 h 旦l 。旦 ( 2 6 ) m 2 一玛聊2 高压电容器直流局部放电的特征分析 a t = 2 u 旦：l 兰窖( 2 - 7 ) f k己n 虻 考虑到外加电压很大时e c n e c h ，根据式( 2 1 ) 可得： 磊。e e o ,( 2 8 ) 及 虮l 墨。孛。= 毛半弘9)moc v 因此，在给定绝缘的时间常数f 时，局部放电的时间闻隔将决定于外加电压u 高 于局部放电燃弧电压址或u 。的程度。在温度2 0 时，气一般为几百秒或几千秒，这使 掺入物中局部放电之间的间隔为几秒或几十秒。这比工频电压下的时间间隔小几个数量 级。 图2 3 所示为直流电压下局部放电的典型示波图。在直流电压下，甚至电极边缘很 尖锐时局部放电也都在整个电极的表面上发生。这是由于液体介质夹层的纵向电导睛值 比纸浸渍绝缘横向电导值大，使边缘效应减弱的缘故。还需指出，直流电压下的局部放 电起始场强比交流电压下的场强高得多。对于电极边缘处电场不均匀的绝缘，改变介质 厚度实际上对局部放电场强不产生影响。这是由于不存在电极边缘效应影响的缘故。 1 k j u i 几_ 1 n ”- ”t11 1 r 1 7 t ” 雷2 3 典型直流局部放电波形 直流电压。f 局部放电电流及功率、电压( 场强) 的关系，象趸流电压时一样，口j 用 下式表示： ( 分 ( 2 - 1 。) 2 唛尸= 五驴 2 1 但是这幽关系式中的指数a 2 、a 3 相当大，如对于油纸绝缘a 2 = 9 及a 3 = 1 0 。对个别试品 o ；：吖_，一 三0 o 一 善；一；j步。卜蠢雾型一匿 高压电容器直流局部放电的特征分析 a 3 在8 至1 4 范围内变动。 直流电压下的局部放电特性与绝缘的温度有很大关系。随着温度的升高，掺入物表 面电荷流动的时间常数会减小。这不但是由于电导增加( 体积电阻减小) 参阅式( 2 3 ) 】， 而且是由于表面电荷的扩散速度增加。考虑电荷扩散的影响，局部放电时间间隔的关系 式与式( 2 9 ) 相似，其中时间常数与扩散系数d 成反比： 气= a d( 2 1 2 ) d 及y = 1 凤的数值与温度的关系大致相同； ，：拿e 吲r 。矿( e - o o ) ( 2 - 1 3 ) d ：娶e 刮r 。d o 矿( 一吲( 2 - 1 4 ) 式中b 1 ，b 2 ，b 3 ，b 4 及b - - - 与温度无关的一些系数y o 及d o 相应于0 = 0 0 时的电导率及粘 滞度。 考虑到n 。p = 1 t ，可以看出，局部放电电流及功率与温度的关系曲线，除开一些决 定表面电荷流动的因素外，应该是一样的，并符合下式： l = l o e 6 扎6 ( 2 1 5 ) 这个关系式是由前人通过做相关方面的试验由试验数据证实得到的( b = 0 0 9 k 1 ) ，如图2 4 所示是电容器油浸渍的绝缘纸，将局部放电电流i 。取对数后所得到的图形。 电流 1 0 数值 库，秒 图2 4 局部放电流与绝缘温度的关系 温 度 已有的试验结果表明，局部放电电压与绝缘温度之间存在重要的关系。图2 5 表示电容 器绝缘试品的局部放电起始电压与介质温度的关系曲线( 试样为k o h - i 型绝缘纸，用 电容器油浸渍，d = 8 0 微米) 。由图中可见，随着温度上升局部放电场强显著降低。 一 壹垦皇窒墨里鎏墨塑墼皇塑堑垄坌堑 k v m o 2 5 0 一 ： 9 n ：= ：f p - 5 0 ! 图2 5 直流电压下局放电压与温度的关系 高压装置在直流电压下运行的结果表明，高压装置的绝缘老化在大多数睛况下是产 生直流局部放电的主要原因之一。对于固化浸渍物高压器件，由于气隙的存在，使得气 隙中气体压力、成分、气隙形状形状、温度，以及油中杂质的变化，都强烈地影响着局 部放电的产生和发展，所以往往固化浸渍物高压电容器件比低粘度浸渍物的高压电容器 的使用寿命短得多。因有效自由电子出现的随机性，故造成气隙中的过电压也具有随机 性，导致油中的局部放电具有复杂的统计特性。试验表明，油中局部放电的发生经常表 现在短时间内的爆发，产生一组脉、仲序列，随后在很长的时间内很少有脉冲发生，尤其 是在放电起始情况下放电重复率变化显著。此时局部放电的起始电压和熄灭电压应是统 计意义上的电压。 上述各种因素对局部放电的影响主要是由于记忆效应引起的。记忆效应是指在一次 放电过程中产生的空间电荷和介稳粒子对随后放电的产生和发展的影响。记忆效应包括 两方面的作用：一方面是在一定电压作用时间内控制着局部放电的统计特性；另面是 由于较长时间的局部放电，引起材料的变性以及气隙结构的变化等原因造成的材料的永 久性老化。长期的记忆效应引起的老化将造成局部放电统计特性的不稳定，有可能改变 局部放电的模式，给局部放电的特征分析、模式识别等造成进一步的困难。短期的记忆 效应表明，在交流电压下连续的局部放电序列之间存在一定的相关性，直流电压下相对 要小得多，而目前利用局部放电和各种图谱进行特征分析、模式识别时并没有考虑这种 相关性。 2 3 直流局部放电检测的工程研究4 b 3 】 【2 1 h 2 7 】【4 l 】 2 3 1 局部放电测量装置的要求 凡是测量局部放电特性的装置都应能测量以下一个或几个量：视在电荷( q 。) ，局部 放电重复率( n ) ，平均电流( i a ) ，视在电荷均方值( d ) 和平均放电功率( p ) 。在大多情况下 还可用局部放电测量仪测量局部放电的强度。本论文所论述的测量系统主要是测量视在 f 乜n ( q a ) ，局部放电重复率( n ) 。为了测量视在电荷，应该使用指示量正比于流经测量元 高压电容器直流局部放电的特征分析 件z 的电荷的这样一种装置，其测量元件接于测量装置输入端。测量视在电荷的装置一 般由以下元件组成，如图2 6 所示，本课题使用的测试装置是将这几个元件构成一体的 局部放电测量仪。 图2 6 测试装置的构成 2 3 2 局部放电测量装置的校检和标定 2 2 3 1 局部放电测量装置的校检 校检测量装置的目的是确定它在测量具体局部放电特性时的适用程度。在传统的测 量装置中，对于局部放电量较大的试品，测量局部放电时实际上只需要一位数字的精度， 所以对测量装置的允许误差要求不高。测量装置的总误差以给定点上指示值的百分比数 表示，其数值不应超过3 0 ( 士3 分贝) 。 传统的校检视在电荷测量装置时是将读数仪表的值与校正用的视在电荷发生器的 已知电荷q 。进行比较。在校验单极性脉冲局部放电平均电流装置时，将其读数仪表的值 按公式： i 。= q ，f nq - 1 6 ) 计算的重复脉冲电流值比较，式中厶为校正脉冲发生器的重复频率。若测量装置记 录两种极性的脉冲，则考虑到标定器发出信号的波前和波尾所产生的标定脉冲的作用， 公式( 2 1 6 ) 就成为： l = 2 q 。工 ( 2 - 1 7 ) 校验局部放电平均电流的测量装置通常采用两种方法，即固定校正脉冲的重复频 率、固定校正脉冲电荷。在校检仅记录一种极性的局部放电脉冲的重复频率测量装置时， 应将重复频率测量值与校正脉冲发生器的重复频率相比较。若局部放电重复频率装置能 记录两种极性脉冲，则与校检局部放电平均电流装置一样，重复频率的测量值应与校正 脉冲的二倍重复频率相比较。 高压电容器直流局部放电的特征分析 2 3 2 2 局部放电测量装置的标定 标定的目的是确定局部放电仪的