（高电压与绝缘技术专业论文）变压器典型放电故障击穿过程中局部放电的统计特征.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 局部放电检测是电力变压器绝缘状态盗测的重要手段，本文采用升压和恒压两种加 速寿命试验方法，利用脉冲电流、特高频( u h f ) 和超声波联合检测手段，研究了变压 器典型放电故障从发展到绝缘击穿过程中局部放电信号统计特征的变化趋势。研究结果 表明：升压试验中，油中气泡、悬浮和针一板放电模型在从放电发展至绝缘击穿的过程 中，所有检测信号的幅值最大值( u m ) 随着电压的上升呈现上升趋势，特高频和超声波 信号的放电次数( n ) 也随着电压的上升呈现上升趋势。恒压试验中，油中气泡和针一板 放电模型在从放电发展至绝缘击穿的过程中，脉冲电流和特高频信号的放电次数在临近 击穿时迅速上升。两种试验方法中，所有模型在临近击穿时的特高频信号放电次数迅速 增加，幅值最大值达到最大，且有饱和的趋势；所有模型越临近击穿，各系统检测的放 电信号对应性越好；气泡放电在临近击穿时的相位分布达到整个工频周期范围。这些 研究结果为判定变压器的绝缘状态提供了试验数据。 关键词：电力变压器，局部放电，脉冲电流，u h f ，超声波，统计特征 a b s t r a c t i ti sk n o w nt h a td e t e c t i n gp a r t i a ld i s c h a r g ei sa l le f f e c t i v em e a l 堪f o rm o n i t o r i n ga n d e v a l u a t i n gt h ei n s u l a t i n gc o n d i t i o ni np o w e rt r a n s f o r m e r s t h es t e p r i s i n gv o l t a g ea n d c o n s t a n tv o l t a g ea c c e l e r a t i n ga g i n gm e t h o d sw e r eu s e dt os t u d yt h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft y p i c a lp a r t i a ld i s c h a r g e sf r o md i s c h a r g ed e v e l o p m e n tt oi n s u l a t i o nb r e a k d o w ni np o w e r t r a n s f o r m e r s t h ep a r t i a ld i s c h a r g e sw e r em e a s u r e db yap u l s ec u r r e n ts e n s o r , a l lu h fs e n s o r a n da l lu l t r a s o n i cs e n s o lt h et e s t e dr e s u l t si n d i c a t et h a ti nt h es t e p - r i s i n gv o l t a g ea c c e l e r a t i n g a g i n gt e s t i n g , t h em a x i m a la m p l i t u d e so fp do b t a i n e df r o mt h eg a s ，f l o a t i n ga n dp i n - p l a n e d i s c h a r g e si nt r a n s f o r m e ro i li n c r e a s ew i t ht h ea p p l i e dv o l t a g e d e t e c t e db yt h r e ek i n d so f s e n s o r s ，a n dt h en u m b e r so fp dd e t e c t e db yt h eu h fa n du l t r a s o n i cs e n s o r si n c r e a s ew i t ht h e a p p l i e dv o l t a g e i nt h ec o n s t a n tv o l t a g ea c c e l e r a t i n ga g i n gt e s t i n g , t h en u m b e r so fp d o b t a i n e df r o mt h eg a sa n dp i n p l a n ed i s c h a r g e s ，d e t e c t e db yt h ep u l s ec u r r e n ta n du h f s e n s o r s ，i n c r e a s er a p i d l yw h e nt h ei n s u l a t i o nw a sd o s et ob r e a k d o w n i nb o t ht e s t i n g , t h e n u m b e r so fp do b t a i n e df r o ma l lt h em o d e l s ，d e t e c t e db yt h eu h f s e n s o r , i n c r e a s er a p i d l y w h e nt h ei n s u l a t i o nw a sc l o s et ob r e a k d o w n ，a n dt h em a x i m a la m p l i t u d e so fp dc o m et ot h e m a x i m u m ，a n di tw a ss a t u r a t e dw h e nt h ei n s u l a t i o nw a sc l o s et ob r e a k d o w n f o ra l lt h e m o d e l s ，t h es t r o n g e ro ft h ed i s c h a r g e ，t h ec o h e r e n c eb e t w e e na l ld e t e c t i o nm e t h o d si sb e t t e r t h ep h a s eo ft h eg a sd i s c h a r g e sr e a c h e dt o0 - - 3 6 0d e g r e ew h e nt h ei n s u l a t i o nw a sc l o s et o b r e a k d o w n t h er e s e a r c h e sp r o v i d e de x p e r i m e n t a ld a t af o rp r e d i c t i n gt h ei n s u l a t i n gc o n d i t i o n l 华北电力大学硕士学位论文 o fp o w e rt r a n s f o r m e r l ij u n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n i q u e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ic h e n g r o n g k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r s ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，p u l s ec u r r e n t ，u h f , a c o u s t i c , s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器典型放电故障击穿过程中局部 放电的统计特征，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：蕉丞日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 痞磊 导师签名： 日期： 鑫 力；诌 一 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究电力变压器局部放电检测的意义 电力的生产和分配是国民经济赖以存在和发展的重要基础。随着国民经济的迅 速发展和人民生活水平的不断提高，社会对电能的需求越来越大，电网容量不断扩 大，电压等级逐步提高，对电力系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。而电力 变压器是电力系统输变电的枢纽性设备，其安全运行直接关系着电力系统的可靠性 水平，一旦发生失效必将引起局部以至全部地区的停电，造成巨大的经济损失。 大量故障统计分析表日月【。”，绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因。目前 的大型电力变压器多为油浸式电力变压器，其绝缘结构主要由油、纸、纸板和其他 固体绝缘等构成的固体油绝缘结构。虽然在设计上具有足够的电气强度和优良的机 械性能，但是在制造过程中的偶然因素会造成一些先天性局部缺陷，如气泡、裂缝、 悬浮导电质点和电极毛刺等。正是这些缺陷会造成绝缘体内部或表面出现某些区域 电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首 先发生放电、而其他区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放电【“n 。 对于电力变压器等高压设备的绝缘，由于绝缘内部或表面发生局部放电而造成 的放电电老化是不容忽视的1 6 , 8 - 1 0 】。局部放电引起介质劣化和损伤的机理是多方面 的，主要包括三种效应：( 1 ) 带电质点( 电子和正、负离子) 对介质表面的撞击， 切断分子构造；( 2 ) 由于带电质点撞击介质，在放电点引起介质局部温度上升，使 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生成物 对介质的氧化作用使介质逐渐劣化。局部放电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，已经成为电力变压器绝缘劣化的重要原因。 局部放电是造成绝缘劣化的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式。 局部放电检测能够反映变压器的绝缘状况，及时发现设备内部绝缘的潜伏性缺陷， 判断变压器内部绝缘劣化的程度，从而避免变压器发生突发性绝缘故障。这对保证 电力变压器安全运行具有十分重要的意义。国际电工委员会( i e c ) 和我国都在局 部放电的测量原理、方法及各类设备允许放电量等方面作了具体规定，制定了一系 列标准1 1 1 。“j 。目前国内外的研究机构、制造厂商，以及电力系统运行部门，都愈来 愈关心局部放电检测技术的发展，并广泛地把局部放电测量作为质量监控的重要指 标。实践经验表明：无论是作为产品质量的控制，还是对运行中电气设备的绝缘诊 断，局部放电检测都是十分有效的手段。因此将变压器局部放电检测作为本文的研 究内容具有重要的理论意义和实用价值。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 电力变压器局部放电检测的方法 在局部放电检测是以发生局部放电时产生的电、光、声等现象为依据，通过能 描述该现象的物理量来表征局部放电的状态，包括定位和放电的程度。局部放电过 程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、气体生成物等现象，因此，相应地出现了 脉冲电流法、射频检测法、特高频法、超声波法、气相色谱法等多种检测方法1 1 3 l 。 其中脉冲电流法和超声波检测法应用最为广泛。另外，近年来特高频( u h f ) 检测 法的应用也越来越受到重视。 1 2 1 脉冲电流法 脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器，检测变压器套管末屏接地线、外壳接 地线、中性点接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得 视在放电量。脉冲电流法是研究最早、应用最广泛的一种检测方法，i e c 一6 0 2 7 0 为 i e c 正式公布的局部放电测量标准。检测变压器局部放电脉冲用的电流传感器通常 由罗戈夫斯基线圈制成，与被测变压器仅有磁耦合，而无电气连接。电流传感器按 频带可分为窄带和宽带两种，窄带传感器带宽一般在1 0 k h z 左右，中心频率在2 0 3 0 k h z 之间或更高；宽带传感器带宽为1 0 0 k h z 左右，中心频率在2 0 0 4 0 0 k h z 之 间。脉冲电流法通常被用于变压器出厂试验以及其他离线测试中，其离线测量灵敏 度高，而且可以测量视在放电量。脉冲电流法的缺点在于1 1 4 】：( 1 ) 由于运行现场干 扰严重，导致脉冲电流法无法有效应用于在线监测；( 2 ) 对于变压器这类具有绕组 结构的设备，由于局部放电在绕组内的传播导致脉冲电流法在标定时产生很大的误 差；( 3 ) 当试样的电容量较大时，受耦合电容的影响，测试仪器的测量灵敏度随着 试品电容增加而下降；( 4 ) 测量频率低，频带窄，包含的信息量少。 1 2 2 射频检测法 在脉冲电流法中，测量信号的频率一般在1 m h z 以内。由于在该频率范围内， 存在大量的现场干扰，为避开干扰，将测量信号的频率上移到射频频段( 3 m h z 3 0 m h z ) 来检测局部放电信号1 1 5 】。其传感器一般也采用罗戈夫斯基线圈，信号经传 感器耦合到射频放大器、滤波器及检波器，然后由数字采样系统量化，并完成数字 处理。射频检测法可以避开现场中大量的低频及中频干扰，但仍然无法利用硬件完 全消除射频范围内的干扰，干扰的抑制工作还必须结合数字算法来进行。 1 2 3 特高频法 特高频法( 以下简称u h f 法) 是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过 2 华北电力大学硕士学位论文 天线传感器接收局部放电过程辐射的u h f 电磁波，实现局部放电的检测。在8 0 年 代末，u h f 法测量局部放电首先应用在g i s 设备中1 1 6 l 。该技术的特点在于：检测频 段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰； 检测频带宽，所以其检测灵敏度很高；而且可识别故障类型和进行定位【1 7 】。u h f 检 测的特点使其在局部放电检测领域具有其他方法无法比拟的优点，因而在近年来得 到了迅速的发展和广泛的应用 1 8 - 2 1 】。 变压器油隔板结构的绝缘强度比较高，理论上其局部放电能够激发出很高频率 的电磁波，最高可达数g h z 2 2 ，2 3 1 。1 9 9 6 年r u t g e r s 首先将u h f 技术应用于变压器的 局部放电测量1 2 4 j 。他们在实验室中检测到了几种缺陷放电的u h f 信号，研制了 3 0 0 1 2 0 0 m h z 的u h f 天线并用于实际变压器中。英国s t r a t h c l y d e 大学的j u d d 等 人在g i s 特高频检测研究的基础上，也对变压器进行了实验室研列2 2 1 ，并进行了现 场实测【2 5 , 2 6 】。他们以盘式电容作为耦合特高频信号的天线传感器，在变压器顶部靠 近高压侧的箱体上开一介质窗，传感器通过介质窗提取局部放电信号，送入频谱分 析仪，选取最优频率后，使用频谱仪的p o w ( p o i n to nw a v e ) 模式进行分析，取得 了一定的成果。法国a l s t o m 输配电研究中心的k r a j a 等人在实验室内研究了各 种典型局部放电模型的u h f 特性，通过频谱仪的z e r os p a n 方式检测，并据此建立 了模式识别方法【2 7 , 2 8 】。此外他们还在真实变压器模型上对比研究了u h f 法和超声检 测的灵敏度，其试验结果表明u h f 方法的灵敏度远高于超声方法，且基本不受纸板 等绝缘障碍物的影响【2 们。 国内方面，西安交通大学王国利【3 0 0 4 】等人在变压器的局部放电u h f 检测方面 作了许多工作，他们基于混频技术建立了检测频带可调的窄带检测系统，通过神经 网络方法还实现了局部放电类型的自动识别。华北电力大学王伟等人则采用检波技 术对原始u h f 信号进行调理l ”l ，并研制了基于检波技术的电力变压器在线监测装 置。该装置已经于2 0 0 3 年1 0 月底通过变压器事故放油阀在河南某2 2 0 k v 主变上进 行了在线安装和试运行，并成功地检测到局部放电信号。之后又发明了u h f 人孔、 手孔等传感器安装方式【3 6 4 引，在将该技术实用化方面做出了一些成绩。清华大学 1 3 9 , 4 0 贝l j 试图通过在变压器内部引出线的附近安置u h f 天线的方法来测量变压器的 内部放电，在实验室内和现场都进行了探索。 此方法的缺点是，由于变压器箱体的屏蔽，特高频法体外检测灵敏度低，体内 预置特高频传感器要厂家配合；此外，难以进行标定是阻碍特高频技术应用的最大 障碍。 1 2 4 超声波法 变压器内油中放电能够产生超声波信号，因此可以用固定在变压器油箱壁上的 3 华北电力大学硕十学位论文 超声波传感器，接收局部放电产生的超声波，以此来检测局部放电的大小和位置1 9 】。 为避免现场中的环境噪声干扰( 例如运行中变压器的励磁噪声、散热器风扇、冷却 器、潜油泵的噪声、循环油噪声等) ，根据其频率大多为音频( 2 0 2 0 0 0 0 h z ) 的特 性，一般选择超声波传感器的频率范围为7 0 k h z 1 5 0 k h z ，以避开铁心的磁噪声和 变压器的机械振动噪声等环境噪声对测试结果的影响。 近年来，随着微电子技术和信号处理技术的飞速发展，由于压电换能元件效率 的提高和低噪声的集成元件放大器的应用，超声波法的灵敏度和抗干扰能力得到了 很大提高1 4 “。该方法具有可以避免电磁干扰的影响；可以方便地定位；在线检测与 离线检测的结果相同等优点。但由于超声波在变压器内部的传播过程是一个很复杂 的过程，且衰减严重，到达油箱壁外的超声信号很微弱，在某些情况下难以检测到 信号，整个系统的灵敏度很难令人满意。目前还无法利用超声波信号对局部放电进 行模式识别和进行定量分析，主要作为一种辅助测量方法，与其它检测方法联合使 用1 4 2 。 1 2 5 气相色谱法 英文简称d g a ( d i s s o l v e dg a s a n a l y s i s ) 。当变压器内部发生局部放电时，各种 绝缘材料发生分解破坏，会在油中产生新的生成物，特别是在变压器油中会产生各 种不同的气体。通过检测变压器油中气体生成物的组成和浓度，可以判断局部放电 的故障类型和故障程度。目前，该方法广泛应用于变压器的油气分析，在指导变压 器的安全运行方面取得了一定的成绩1 4 3 1 。在大量实践的基础上，i e c 制定了三比值 法的推荐标准j 。该方法的优点是不受外界电磁干扰的影响，缺点在于局部放电导 致油中气体的生成是一个长期的过程，油中气体含量反映的是一个历史积累情况， 对于突发性故障，并不能及时反映在油中气体的变化上，而且油中气体含量不能放 映绝缘老化的程度。 1 3 以局部放电为特征量反映绝缘状态的研究现状 绝缘介质形成局部缺陷后，在交流电场作用下将产生不同程度的局部放电，随 着绝缘缺陷的扩大局部放电愈加剧烈，绝缘介质加速老化，发展下去最终将成为导 致绝缘破坏事故的主要原因。 以局部放电为特征量来反映绝缘状态的研究主要开展于上个世纪9 0 年代初。 如意大利的gc m o n t a r i 认为绝缘的电老化特性可以用树枝放电的长度以及局部放 电的密度来表征1 4 5 j ；r b o z z o 从统计学的观点出发，应用w e i b u l l 模型分析了空气 隙局部放电的形状参数和尺度参量，提出了在不同电压下，w e i b u l l 尺度参数随着老 化时间的变化规律【4 “。国内外许多学者进行了以局部放电为特征量的电机固体绝缘 4 华北电力大学硕士学位论文 老化研究。美国n e l s o n 教授的研究结果表明：很多非破坏性试验参数都不能很好地 反映绝缘状态，只有局部放电或与局部放电有关的参量才能指示老化状态 4 7 l 。我国 的西安交通大学对电机定子线棒的老化特征进行了广泛、深入的研究，得出了一些 反映老化程度的局部放电特征参量。乐波等人的研究表明【4 引，随着绝缘老化程度的 加深，q m a x 没有固定的变化趋势，其变化是呈波浪形的；宋建成等人研究了大型 电动机主绝缘的老化特性，将老化前后的各局部放电参量进行对比，给出了反映老 化特性的指纹图型，但并未详细研究各参量随老化时间的变化情况【4 9 1 。 变压器的绝缘结构主要是油纸绝缘，它的绝缘结构和绝缘介质与发电机不同。 传统的脉冲电流法测得的最大视在放电量q m a x 可以在一定程度上反映放电的剧烈 程度，但仅用它并不能准确的评定绝缘的整体状态。因此可以通过多种方法联合检 测局部放电的发生、发展过程，用统计的方法得出放电发展各阶段的局部放电参数， 并发掘这些参数与绝缘状态的联系。 近年来变压器局部放电u h f 检测方法得到了较快的发展，它具有检测灵敏度高 和抗干扰能力强的优点。但是，u h f 法的标定问题还没有解决，华北电力大学王伟 等人针对变压器局部放电特高频信号与视在放电量的关系进行了研究，从实验结果 来看两者之间不能很好的对应1 5 0 1 。国内外学者对变压器局部放电的u h f 信号在绝 缘老化各阶段的特点已经进行了一些研究，法国的kr a j a 等人采用短期加速寿命 试验检测了不同电老化阶段下变压器典型局部放电的u h f 信号，发现放电发展过程 中伴随着放电频率、幅值和相位的变化1 2 踟。重庆大学对油纸绝缘进行了长时间的电 热联合老化试验，根据阻抗匹配法制作得到宽频带传感器，采集局部放电信号，提 出了一些与绝缘老化程度相关的特征量，运用模糊数学最大贴近度方法，对不同老 化阶段的特征参量进行分析，得到的判别函数能够反映绝缘所处的老化阶段f 5 1 1 。 超声波法是一种传统的、应用比较广泛的检测局部放电的方法。华北电力大学 胡琳琳通过试验证明超声波信号与视在放电量之间存在一定的单调关系，并且传感 器和放电源之间的距离、油中障碍物虽然会影响超声波信号的幅值，但是不会影响 超声波信号与视在放电量之间的对应关系1 5 2 】。 文献【4 5 】认为局部放电是由某一种或几种绝缘缺陷引起的，因为绝缘缺陷具有 一定的稳定性，故局部放电现象也具有一定的稳定性，当绝缘缺陷发展到一定程度 时，才会改变局部放电信号的特征。根据局部放电的这一特点，我们可以通过改变 试验电压或加压时间等条件，改局部放电信号的特征，给出变压器典型放电信号的 特征参量在击穿过程中的变化规律。 虽然国内外进行了大量的以局部放电为参量的老化研究，但是还存在以下问题 值得我们进一步的研究，主要有： 1 ) 很多学者研究发现，u h f 信号与局部放电量之间没有很好的对应关系，我 们无法通过u h f 信号的幅值大小直接判断局部放电的严重程度。但实际应用中，需 5 华北电力大学硕士学位论文 要判断放电的严重程度，故研究变压器放电击穿过程中，u h f 信号参量的动态变化 趋势有着重要的意义。 2 ) 目前对于局部放电超声波信号和绝缘老化之间关系研究的较少，无法根据 超声波信号的特征量来判断绝缘的老化程度。所以确定超声波信号在放电引起的绝缘 劣化过程中的发展趋势，对于将超声检测法进一步推向实用化具有十分重要的意义。 3 ) 对变压器局部放电进行脉冲电流、u h f 和超声波法联合检测可以增强局部 放电检测的准确性和可靠性。但在放电发展过程中，各种方法检测到放电信号的特 征量之间的对应关系尚不明了。 1 4 本文的主要工作 为了研究变压器典型局部放电在击穿过程中的发展趋势，本文主要开展了以下 研究工作： 1 ) 在实验室建立变压器局部放电模拟系统，包括设计制作典型的油中局部放电 模型和一套可以给四个样品同时加压的加压系统； 2 ) 在实验室建立局部放电联合检测系统，其中包括脉冲电流法、u h f 法检测 法和超声波检测法； 3 ) 采用升压加速寿命试验方法，研究油中气泡放电、油中悬浮放电和油中针一 板放电信号随试验电压升高放电幅值、放电次数、相位谱图及其统计参数的变化规 律； 4 ) 采用恒压加速寿命试验方法，研究油中气泡放电和油中针一板放电信号随加 压时间增长放电幅值、放电次数、相位谱图及其统计参数的变化规律。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章变压器放电故障模拟试验系统平台的建立 本文建立了一套变压器局部放电模拟试验系统，包括局部放电模拟系统、局部 放电检测系统和信号采集分析系统。试验系统示意图如图2 - 1 所示，试验设备和检 测设备布置见图2 2 、图2 3 所示。本章将详细介绍试验系统的各个组成部分。 2 1 局部放电模拟系统 2 1 1 工频加压系统 图2 - 1 试验系统示意图 工频试验加压系统为江都华宇电气有限公司生产的工频单相无晕试验变压器， 型号为y d t w - - 1 0 1 2 0 ，在额定电压1 2 0 k v 下局部放电不超过5 p c ，实物见图2 2 。 保护电阻为1 0 k q ，在试品突然击穿时，起限流作用，保护试验设备。变压器电源 系统有电源滤波器，可有效抑制电网中串入的高次谐波，改善供电电源的品质。 图2 - 2 试验布置实物图 7 图2 - 3 检测装置实物图 书箩 华北电力大学硕十学位论文 2 1 2 变压器油箱模型 将各种放电模型置于变压器模拟箱体中，通过施加工频电压来模拟变压器油中 局部放电，为试验提供局部放电信号。变压器油箱模拟箱体如图2 - 2 所示，尺寸为 2 0 0 0 m m ( 长) 9 5 0 m m ( 宽) x 9 5 0 r a m ( 高) ，为放电产生的电磁波信号和超声波 信号在油内传播提供了较大空间，箱体外壳接地。变压器油箱上配有可水平移动的 传感器支架，通过该支架可以实现内置传感器水平及垂直方向上的任意移动。， 2 1 3 四通道加压装置 考虑到进行恒压法加速寿命试验的时间较长，为了减少多个样品进行恒压加速 寿命试验需要的时间，设计了四通道同时加压装置，如图2 - 4 所示。经初步试验测 试，本文中所有放电模型的击穿电压都小于5 0 k v 。为了确保该装置设备在试验电压 以内不存在电晕放电，其所有部件都设计成圆形，而且经过打磨处理，不存在尖端。 为防止高压端导杆与支架接触的间隙处发生放电，设计加入了两个直径为l o c m 的 屏蔽球。 用排除法对装置各部件进行检验，将其分为高压端导杆、油杯导杆、低压端导 杆等几部分，分别加高压测试，各部分在5 0 k v 内均无空气电晕放电。再对整套装 置进行加压测试，在5 0 k v 以内也无电晕放电。 图2 - 4 四通道加压装置实物图图2 - 5 放电模型及电极 2 1 4 典型局部放电模型 变压器绝缘结构复杂，可能发生的内部放电位置和放电类型主要有川： 1 1 绕组中部油一隔板绝缘中油隙放电； 2 1 绕组端部的油隙放电； 3 ) 接触绝缘导线和绝缘纸( 引线绝缘、搭接绝缘) 的油隙放电； 8 华北电力大学硕十学位论文 4 1 引线、搭接线等油纸绝缘中的局部放电； 5 1 线圈问( 纵绝缘) 的油隙放电； 6 1 匝问绝缘局部击穿； 7 1 绝缘纸沿面滑闪放电。 放电部位大多在某些油隙、油楔、空气隙、有悬浮电位的金属体、导体尖角和 固体表面上。本文在升压试验的研究中，主要设计制作了三种局部放电模型：油中 气泡放电、油中针一板放电和油中悬浮放电，模型实物图见图2 5 ，结构示意图见图 2 6 。 ( a ) 油中气泡放电模型( b ) 油中针板放电模型( c ) 悬浮放电 图2 - 6 油中典型放电模型示意图 图2 - 6 ( a ) 所示为油中气泡放电模型，其试验电极由两块0 3 0 x 3 m m 的黄铜板构 成，放电模型由三层3 0 x 3 0 m m 的绝缘纸板用绝缘胶粘合而成，其中上下两层的纸 板厚l m m ，中间层纸板厚0 5 r a m ，中间层纸板上设计有直径为3 m m 的气隙圆孔； 图2 6 ( b ) 所示为油中针板放电模型，接地电极为中3 0 x 3 m m 的黄铜圆板，上面粘一 块o 5m m 厚的绝缘纸板，形成接地屏障；图2 - 6 ( c ) 所示为油中悬浮放电模型，其 高压电极为中3 0 x 3 m m 的黄铜电极，接地电极为中3 0 x 3 m m 的黄铜圆板，高压电极 上固定一段导线，并利用导线的外皮将金属丝与高压端隔离，金属丝与高压电极的 距离为5 m m 。 模型所用电极的表面和边缘均经过处理，尽可能消除了表面的尖角和毛刺。各 类电极的形状分别如图2 5 所示，局部放电模型在变压器油箱中的放置情况见图 2 4 。 进行恒压试验研究时，采用了气泡和针板模型。气泡模型的结构与上文所述基 本相同，但是为了减少模型的击穿时间，改变绝缘纸厚度和气隙孔大小。经试验测 试，确定三层绝缘纸板都采用3 0 x 3 0 x 0 5 m m 结构，中间层纸板上的气隙圆孔为8 m m 。 2 2 局部放电检测系统 本文局部放电检测系统包括脉冲电流检测系统，u h f 检测系统和超声波检测系 统。u h f 法检测的是局部放电产生的电磁波信号，超声波法检测的是局部放电产生 的超声波信号，由于两种方法的检测本质不同，其传播特性有较大区别。如果用两 种方法同时检测到放电信号，则较肯定是发生了局部放电，可以提高变压器局部放 9 华北电力大学硕士学位论文 电在线检测的可靠性。 2 2 1 脉冲电流法检测系统 脉冲电流法是人们研究最多最成熟的技术，也是局部放电最为灵敏的检测方 法，变压器局部放电量大小由此种方法来评判。脉冲电流测试系统由检测阻抗、同 轴电缆和d s t - 4 型局部放电测试仪组成。其中局部放电测试仪是由中国电力科学研 究院伏安公司生产，检测频带为4 0 k h z 8 0 k h z ，检测灵敏度为5 p c 。 2 2 2 变压器局部放电u h f 检测系统 2 2 2 1 局部放电的电磁波辐射 当变压器绝缘结构中发生局部放电时，沿放电通道将会有过程极短的脉冲电流 产生，并激发瞬态电磁波辐射，其规律遵循麦克斯韦的电磁场基本方程1 5 3 】。文献1 3 7 1 研究认为：辐射场波形是放电电流波形的导数；局部放电过程越短，电流脉冲脉宽 越小、脉冲电流幅值越大、放电通道长度越大，产生的u h f 辐射越强；放电脉冲宽 度一定时，在某一确定位置处局部放电真实放电量与辐射场幅值具有线性关系。由 于油中放电脉冲的上升沿很陡，一般在l n s 以内，因而其所激发出的电磁波频谱可 达数g h z ，其中的特高频成分非常丰富，因而可以用特高频天线来加以耦合接收 【2 l ，2 3 ，3 4 1 。 2 2 2 2u h f 检测系统 本文中使用的变压器局部放电u h f 检测系统为华北电力大学高压与电磁兼容 实验室自主研制，u h f 传感器结构示意图和实物如图2 7 所示。 图2 - 7u h f 传感器结构示意图和实物图 1 、本文中u h f 传感器使用的是等臂阿基米德平面螺旋天线，示意图如图2 8 所示，天线参数如下： 天线i ；i 端介质相对介电常数：5 0 0 华北电力大学硕士学位论文 螺线内径2 t o ：2 2 4 c m 螺线外径d ：1 1 0 c m 下限工作频率：4 8 5 m h z ( 对应波长：6 1 8 c m ) 上限工作频率：1 5 0 0 m h z ( 对应波长2 0 0 c m ) 螺旋匝数：1 1印刷铜线宽度：1 1 m m 间隙：0 9 m m 螺旋增长率a ：0 0 6 3 4 2 、封装材料使用的是改性环氧树脂，具体 方法为环氧树脂掺入一定比例的二氧化钛，其 中二氧化钛含量越高，其介电常数越高。浇铸 后的天线还将铜制的天线两臂和变压器油隔离 开来，避免了其因在油中氧化而性能变差。 图2 8 阿基米德天线工作原理图 3 、阻抗变换使用的是1 ：4 双孔磁芯变换器。馈线的阻抗为5 0 q ，而螺旋天线 的阻抗约为2 0 0 q ，此时需要采用匹配网络的方法实现阻抗匹配。 与u h f 天线配合使用的放大器的频带为0 5 1 5 g h z ，设计增益为2 8 d b ( 最大 值) ，增益平坦度不大于- + 3 d b ，输入阻抗为d c 5 0 q 。放大器的增益特性如图2 - 9 所 示。该图表明，该放大器可在0 5 g 1 5 g h z 内具有可靠的放大性能。 3 0 2 5 窜” 相5 罂 0 苎 o 0 0口51 嚣 导 z oi 频率( c l t z ) 图2 - 9 放大器增益特性曲线 2 2 3 变压器局部放电超声波检测系统 2 2 3 1 局部放电超声波的产生 在电气设备内部发生局部放电时，将会产生一个电荷的中和过程，相应的会有 一个较陡的电流脉冲，电流脉冲的作用使得局部放电发生的局部区域瞬间受热而膨 胀，形成一种类似“爆炸”的效果，放电结束后原来因为受热而膨胀的局部区域恢 华北电力大学硕士学位论文 复到原来的体积。这种由于局部放电产生的一胀一缩的体积变化引起了介质的疏密 瞬间变化，形成超声波，从局部放电点以球面波的方式向四周传播。 因为局部放电的声波信号是局部放电过程产生的脉冲电流作用的效果，所以局 超声波信号特征量与局部放电的类型、局部放电发生的位置以及其所处的介质有密 切的关系。对于变压器而占，可以通过固定在变压器箱壁上的超声波传感器接收放 电产生的超声波信号，检测局部放电的存在，并进一步利用超声波信号进行放电类 型的识别和放电位置的定位，同时也有希望利用检测到的超声波信号的大小对局部 放电的严重程度进行判定。 2 2 3 2 超声波检测系统 在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转化元件，压电超声 换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及 压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的 转换。压电陶瓷是目前超声研究及应用中极为常用的材料，其优点在于以下几个方 面【5 4 】： 1 机电转换效率高，一般可以达到8 0 左右； 2 容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、矩形以及球形等； 3 通过改变乘法可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型、接收型以 及收发两用型； 4 造价低廉，不易老化，机电参数的时间和温度稳定性好，易于推广应用。 本文中，外置传感器选用的是声华科技公司的成型产品s r 1 5 谐振式传感器， 其灵敏度一频率特性如图2 - 1 0 所示。产品主要技术参数为： 共振频率： 1 5 0 k h z1 0 d b 带宽：6 0 - 2 5 0 k h z灵敏度： 6 5d b 外观：o1 8 x 1 7 m m外壳材料：1 c r l 8 n i 9 t i ， 。、 一 、k 、 ， fv o博卸蝣5神i l j 鞲l 轴 描 鲫k h z 图2 1 0s r 1 5 型声发射传感器校准曲线 1 2 丑铀 弘 勰 m o 华北电力大学硕士学位论文 匹配层是为实现换能器晶片与传声媒质之间声特性阻抗的匹配，使声能良好地 透过而在探头晶片辐射端面敷设的声学材料层。一般取层厚为四分之一波长，声特 性阻取晶片与传声媒质声特性阻抗的几何平均值，又称过渡层、透声层或保护膜。复 杂结构的探头，其匹配层可以由多层四分之一波长厚且具有适当声特性阻抗的结构 组成【5 5 】。外置探头由于要吸附于变压器油箱壁金属界面上，其增透膜材料选用的是 陶瓷。 压电晶体产生的毫伏级电压信号必须经过大后传输，才能减弱干扰信号对它的 影响，并提高信噪比。本试验系统采用声华公司提供的和传感器配套的p a i l 一宽带 前置放大器，其具体特性参数如表2 1 所示。 表2 - 1 超声波放大器特性参数 项目具体参数 带宽1 0 k h z 到2 m 1 4 z 增益4 0 d b 噪音 输入端接s r 一1 5 0 探头，v 旷1 4 0 m v 尺寸 9 0 x 3 0 x 5 5 ( r a m 3 1 不包括b n c 接头 重量 3 2 0 9 输出范围1 4 v ( 输出带5 0 q 负载信号达到临界截至失真的峰峰值) 输入方式 差分输入 使用温度 - 4 0 - 8 5 供电 + 2 4 v d c3 0 m a 放大器电源由朝阳2 2 0 v a c 2 4 v d c 线形电源提供。这种方法具有结构简单，可 靠性高等优点。超声探头、放大器和供电单元实物如图2 1 1 所示。 ( a ) 超声探头的布置( b ) 超声探头、放大器和电源 图2 1 1 超声波系统实物图 。 华北电力大学硕十学位论文 2 2 4 测量仪器保护系统 考虑到试品被击穿后产生的冲击信号可能对测量仪器( 示波器) 造成损坏，在 测量仪器前端加入一个过压保护系统。通过初步测试试验，得到脉冲电流和超声波 信号的上升沿约为几个u s ，u h f 信号的上升沿约为零点几个u s 。 r示被器输入端 图2 1 2 保护电路 本文中保护系统由稳压管构成，电路如图2 1 2 所示。针对各路测量信号的大小， 选用稳压值为2 v 、1 0 v 、2 0 v ( 由两个1 0 v 串联) 的稳压管，将信号筘定在示波器 的耐压范围内。用针板放电信号对保护系统的稳压性能进行测试，将针板放电的 脉冲电流信号调节至1 0 v 以上，其上升沿约2 u s ，试验结果表明，并入保护后，2 v 和1 0 v 的稳压管分别可以将放电信号箝定在2 v 或1 0 v 左右；用幅值为1 5 v 左右、 上升沿为5 0 n s 左右的脉冲信号测试保护系统对小信号的影响，试验结果表明，并入 保护后，小于门限电压的信号波形几乎不受影响。 2 3 数据采集和统计分析系统 以上介绍了实验室构建的变压器局部放电试验模拟系统和检测系统的硬件组 成部分，为了对局部放电信号进行详细的研究和分析，本文利用l a b v i e w 7 0 虚拟 仪器语言编写了一套试验用数据采集及分析的软件系统。 2 3 1 数据采集系统 数据采集系统由示波器、g p i b 卡和计算机组成。示波器使用的是y o k o g a w a d l l 5 4 0 l 数字示波器，最大采样速率为2 0 0 m s 。数据采集时示波器的模拟带宽设定 为1 5 0 m h z ，采样率设定为5 m s ，每个数据文件的长度为1 0 0 k 。试验数据通过g p i b 卡传输给计算机进行保存，示波器到计算机的数据传输协议为i e e e 4 8 8 2 。 数据采集程序包括文件保存路径、文件名、文件名编号等参数设置控件和采样 率、水平分辨率、数据长度等采集信息显示控件，可以将需要采集的数据以给定的 名字保存在指定的目录下，并显示采集数据的相关信息。数据采集程序最多可四通 道同时同步采集，程序界面如图2 1 3 所示。 华北电力大学硕十学位论文 2 3 2 数据统计分析软件 图2 - 1 3 四通道数据采集程序界面 局部放电具有明显的随机性，对同一种试验条件下的多个放电信号进行统计， 可以更好的反应放电特性。对放电击穿过程中的各种信息进行统计分析，得到不同 的特性曲线和分布谱图，给出局部放电的发展趋势。 利用l a b v i e w 语言设计编写了试验数据的分析处理程序，主要有信号平均值 统计、最值统计、次数统计、相位统计等程序，程序界面如图2 1 4 所示。数据分析 程序包括文件保存路径、文件名、文件名编号等参数设置控件，可以将处理后的数 据保存在指定的目录下。 图2 - 1 4 数据分析程序界面 1 5 华北电力大学硕十学位论文 利用这些分析程序可以得到一种试验条件下的统计结果，再用o r i n g e 7 0 软件对 统计结果进行后处理，得到相应的曲线和谱图。对升压试验数据进行处理时，特性 曲线和分布谱图的定义如下： 1 u a v 。v 曲线：统计不同试验电压下放电幅值的平均值。 2 u m a x v 曲线：统计不同试验电压下放电幅值的最大值。 3 n v 曲线：统计不同试验电压下的放电次数。 4 u a v 中谱图：每个工频周期被平均分成1 0 0 个相位段，统计各个相位段内 放电幅值的平均值。 5 u m a x 中谱图：每个工频周期被平均分成1 0 0 个相位段，统计各个相位段 内放电幅值的最大值。 6 n - 中谱图：每个工频周期被平均分成1 0 0 个相位段，统计各个相位段内的 放电次数。 对恒压试验数据的处理包括u a v t 曲线、u m a x t 、n t 曲线、u a v o t 谱图、 u m a x m t 谱图和n 中t 谱图，其定义方法与升压法数据处理的曲线、谱图类似， 只是变量由试验电压改为了加压时间。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章升压法加速寿命试验研究 本章利用所建立起来的变压器局部放电模拟系统以及局部放电检测系统对各 种典型的放电模型在不同试验条件下的局部放电信号特性进行了一系列的研究，这 些典型的局部放电类型有油中气泡放电模型、油中针板放电模型和油中悬浮放电模 型三种类型。在进行局部放电试验时，采用脉冲电流法、u h f 检测系统和超声波检 测系统三套检测系统同时进行测试。研究主要包括对各种典型放电信号的幅值、放 电次数及相位的统计分析。 3 1 试验方法简介 如果试验电压为起始电压时，放电处于起始阶段，放电严重程度较轻，随着外 加电压升高，放电处于发展阶段，放电严重程度有所提高，临近击穿电压时为放电 的末期阶段，放电最为严重。因此，可以通过逐步升高试验电压的方法加速模型寿 命，研究在故障模型击穿