第五章 局部放电试验

1、 Page 2 第五章 局部放电试验 电力系统电压的不断提高和限制过电压措施的改进，使长期工作电压对设备绝缘 的影响相对地显得日益重要。电气设备在工作电压下的局部放电是使绝缘老化并发展 到击穿的重要原因。局部放电试验是检测绝缘内部局部放电的极好的方法。因此，局 部放电试验已被定为高压设备绝缘试验的重要项目之一。 第一节 局部放电特征及原理 一、局部放电的特征 局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在 弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。 它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或金属表面的边 缘及尖角部位场强

2、集中引起局部击穿放电等。这种放电的能量是很小的，所以它的 短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。但若电气设备绝缘在运行电压下不断出 现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应，会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使 局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。 Page 3 局部放电是一种复杂的物理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、超声波、光、热以及新的生成物等。从电性方面分析，产生放电时， 在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损耗。最明显的是反映到试品施加电压 的两端，有微弱的脉冲电压出现。如果绝缘中存在有气泡，当工频高压施加于绝缘体 的两端时，如果气泡上承受的电压没有达到气泡

3、的击穿电压，则气泡上的电压就随外 加电压的变化而变化。若外加电压足够高，即上升到气泡的击穿电压时，气泡发生放 电，放电过程使大量中性气体分子电离，变成正离子和电子或负离子，形成了大量的 空间电荷，这些空间电荷，在外加电场作用下迁移到气泡壁上，形成了与外加电场方 向相反的内部电压，这时气泡上剩余电压应是两者叠加的结果，当气泡上的实际电压 小于气泡的击穿电压时，气泡的放电就暂停，气泡上的电压又随外加电压的上升而上 升，直到重新到达其击穿电压时，又出现第二次放电，如此出现多次放电。当试品中 的气隙放电时，相当于试品失去电荷q，并使其端电压突然下降U，这个一般只有微 伏级的电源脉冲叠加在千伏级的外施电

4、压上。目前局部放电测试设备的工作原理，就 是将这种电压脉冲检测出来或者放电能量测量出来。其中电荷q称为视在放电量。 Page 4 二、局部放电的机理 1、局部放电的发生机理 局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替，在电 极之间放有绝缘物，对它施加交流电压时，在电极之间局部出现的放电现象，可以 看成是在导体之间串联放置着2个以上的电容，其中一个发生了火花放电。按照这 样的考虑方法，将电极组合的等值回路如图5-1所示。 Cm Cg Cb Vt vg 图5-1 电极组合的电气等值回路 在图5-1中，Cg是串入绝缘物中放电间隙（比如气泡）的电容；Cb是和Cg串联的绝 缘物部分

5、的电容；Cm是除了Cb和Cg以外的电极之间的电容。设电极间总的电容为Ca 则 Page 5 bg bg ma CC CC CC （5-1） 在这样的等值回路中，当对电极间施加交流电压Vt（瞬时值）时，在Cg上不发生 火花放电的情况下，加在Cg上的电压Vg由下式表示: bg b tg CC C VV （5-2） 在图中，随着外施电压Vt的升高，Vg也随着增大，Vg达到Cg的火花电压Vp时， 在Cg上就产生火花放电。这时，Cg间的电压和式中的Vt逐渐发生差异，由于放电 的原因，Vg迅速地从Vp下降到Vt（剩余电压）。现设在Cg间，经过t秒后放出的电 荷为Q（t），则 t gr pg tQ C Vt

6、V 0 1 （5-3） Page 6 中，Cgr是从Cg两端看到的电容，它等于 gg bm ggr CC CC CC （5-4） 所以得到 Q C VVVV gr gprp 1 （5-5） 这里，将Vg从Vp大致变成Vr的时间称为局部放电脉冲的形成时间。当将这些量 表示成时间的函数时，成为图5-2的曲线。 形成时间 dQ/dt Vp Vg Vr 图5-2 Cg间的放电电荷和电压随时间变化的曲线 Page 7 局部放电脉冲的形成时间，除了极端不均匀电场和油中放电的情况之外，一般是在0.01s 以下，而且认为Vr大致是零。在上述前提下，观察一下各个电气量的情况（局部放电 几个主要参量）。 （1）视

7、在放电电荷q。它是指将该电荷瞬时注入试品两端时，引起试品两端电压的瞬时变 化量与局部放电本身所引起的电压瞬时变化量相等的电荷量，视在电荷一般用pC(皮 库)来表示。 （2）局部放电的试验电压。它是指在规定的试验程序中施加的规定电压，在此电压下， 试品不呈现超过规定量值的局部放电。 （3）局部放电能量。是指因局部放电脉冲所消耗的能量。 （4）局部放电起始电压Vi。当加于试品上的电压从未测量到局部放电的较低值逐渐增加 时，直至在试验测试回路中观察到产生这个放电值的最低电压。实际上，起始电压 ui是局部放电量值等于或超过某一规定的低值的最低电压。 （5）局部放电熄灭电压Ve。当加于试品上的电压从已测

8、到局部放电的较高值逐渐降低 时，直至在试验测量回路中观察不到这个放电值的最低电压。实际上，熄灭电压ue 是局部放电量值等于或小于某一规定值时的最低电压。 （6）放电发生重复率。每秒放电重复的次数，一般是记下交流电压半周内发生的放电次 数数。在被试品上施加的电压很低时，无局部放电发生；当施加的电压超过放电起 始电压并继续上升，则放电的次数随电压的增加而增加。放电发生重复率与外施电 压的频率与幅值有关。 Page 8 下面所述的电压，电容，电荷及电能的单位分别采用（V），（F），（C）及（J） 表 示。根据式（5-5），各个局部放电脉冲的放电电荷为 rpgrr VVCQq （5-6） gb CC0

9、 r V pgr VCq w 设 ， ，则可得应用式（5-4）及式（5-6），各个局 为 部放电的能量 222 0 1 2 1 rpr gr q g VVq C dQVw r （5-7） gb CCgrb CC0 r V 2 2 1 pg VCw 设（即），则可得 其次，设由于局部放电引起试品电极间的电压变化为 V ，则 rp bm b VV CC C V （5-8） Page 9 利用式（5-6），消去 ，可得 rp VV br gmgbmb C q V C CC CC C 引入新的参数 r bg b q CC C q （5-9） 利用式（5-1），经过变换后， V 可写成下列形式 abmb

10、gmg bg C q CCCCCC qCC V （5-10） 从电极间来看，就好像是q的电荷已经放掉一样，发生了 V 的电压变化。q称为视在的 放电电荷。由式（5-9）可知， r qq 在 gm CC，或 bm CC时， q为 pb VCq （5-11）。 在实际测量中，由于测量 V 和 a C是可能的，所以，能够求出q，但是qr一般是求不出的。 由于 bg CC以及 q 由式（5-7），放电能量 w为 rprp bm bmbgmg rPgr VVVV CC CCCCCC VVCw 22 2 1 （5-12） 利用式（5-6）和式（5-12），可得 rp b bg VV C CC qw 2 1

11、 （5-13） Page 10 现设，Cg放电时的外施电压瞬时值为Vs(局部放电起始电压的波峰值)，利用式 （5-2），w成为下列形式。 rp p s VV V V qw 2 1 当 0 r V时，w近似为 1 2 s wqV （5-14） 即对于单一气泡放电的情况，若能测量局部放电起始电压Vi和q的话，就可求出放电 能量。 2、局部放电的分类 局部放电是由于电气设备绝缘内部存在的弱点，在一定外施电压下发生的 局部的和重复的击穿和熄灭现象。随着绝缘内部局部放电的发生，将伴随着如光、 热、噪音、电脉冲、介质损耗的增大和电磁波放射等现象的发生。这种放电可能出 现在固体绝缘的空穴中，也可能在液体绝缘

12、的气泡中，或不同介电特性的绝缘层间， 或金属表面的边缘尖角部位。所以以放电类型来分，大致可分为绝缘材料内部放电、 表面放电及电晕放电。 Page 11 （1）内部放电 如果绝缘材料中含有气隙、杂质、油隙等，由于介质内电场分布不均匀，或空穴与 介质完好部分电压分布造成的电场强度分布不均，发生在绝缘体内的称为内部局部放电。 通常所指的测量局部放电是指测量电气设备绝缘内部发生的放电。 当绝缘介质内出现局部放电后，外施电压在低于起始电压的情况下，放电也能继续 维持。该电压在理论上可比起始电压低一半，也即绝缘介质两端的电压仅为起始电压的一 半，这个维持到放电消失时的电压称之为局放熄灭电压。而实际情况与理

13、论分析有差别， 在固体绝缘中，熄灭电压比起始电压约低5-20。在油浸纸绝缘中，由于局部放电引起 气泡迅速形成，所以熄灭电压低得多。这也说明在某种情况下电气设备存在局部缺陷而正 常运行时，局部放电量较小，也就是运行电压尚不足以激发大放电量的放电。当其系统有 一过电压干扰时，则触发幅值大的局部放电，并在过电压消失后如果放电继续维持最后 导致绝缘加速劣化及损坏。 Page 12 （2）表面放电 如在电场中介质有一平行于表面的场强分量，当其这个分量达到击穿场强时，则 可能出现表面放电。这种情况可能出现在套管法兰处、电缆终端部，也可能出现在导 体和介质弯角表面处，见图5-3。内介质与电极间的边缘处，在r

14、点的电场有一平行于 介质表面的分量，当电场足够强时则产生表面放电。在某些情况下，可以计算空气中 的起始放电电压。 a b E r Ed Er 图5-3 介质表面出现的局部放电 图5-4 表面局部放电波形 表面局部放电的波形与电极的形状有关，如电极为不对称时，则正负半周的局部放电 幅值是不等的，见图5-4。当产生表面放电的电极处于高电位时，在负半周出现的放电 脉冲较大、较稀；正半周出现的放电脉冲较密，但幅值小。此时若将高压端与低压端对 调，则放电图形亦相反。 Page 13 （3）电晕放电 电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体表面附近的电场强度达到气体的击穿场 强时所发生的放电。在高压电极边缘

15、，尖端周围可能由于电场集中造成电晕放电。电 晕放电在负极性时较易发生，也即在交流时它们可能仅出现在负半周。电晕放电是一 种自持放电形式，发生电晕时，电极附近出现大量空间电荷，在电极附近形成流注放 电。现以棒板电极为例来解释，在负电晕情况下，如果正离子出现在棒电极附近， 则由电场吸引并向负极运动，离子冲击电极并释放出大量的电子，在尖端附近形成正 离子云。负电子则向正极运动，然后离子区域扩展，棒极附近出现比较集中的正空间 电荷而较远离电场的负空间面电荷则较分散，这样正空间电荷使电场畸变。因此负棒 时，棒极附近的电场增强，较易形成。 在交流电压下，当高压电极存在尖端，电场强度集中时，电晕一般出现在负

16、半周， 或当接地电极也有尖端点时，则出现负半周幅值较大，正半周幅值较小的放电。 Page 14 第二节 局部放电测试方法 随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要 求。我国近年来110kV以上的大型变压器事故中50是属正常运行下发生匝间或段间短 路造成突发事故，原因也是局部放电所致。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越 来越得到人们的重视。 虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机 电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。 对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有

17、关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，高压绝缘设备 都把局部放电的测量列为检查产品质量的重要指标，产品不但在出厂时要做局部放电 试验，而且在投入运行之后还要经常进行测量。对电力设备进行局部放电测试是一项 重要预防性试验。 根据局部放电产生的各种物理、化学现象，如电荷的交换，发射电磁波、声波、 发热、光、产生分解物等，可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电测法 和非电测法两大类，电测法包括脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等，非 电测法包括声测法、光测法、化学检测法和红外热测法等。通常非电测法不适用于定 量的测量，常常用于确定放电位置或者故障类型。 Page

18、 15 一、电测法 局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数 量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。另外，每次放电过程持续时 间很短，在气隙中一次放电过程在10 ns量级；在油隙中一次放电时间也只有1s。根 据Maxwell电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。局 部放电电检测法即是基于这两个原理。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰法、 介质损耗分析法等。 1、脉冲电流法 脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法。脉冲电流法的基本测量回 路见图5-5 。 图中Cx代表试品电容， Zm（Z m ）代表测量阻抗，Ck代表

19、耦合电容， 是为Cx与Zm之间提供一个低阻抗的通道。Z代表接在电源与测量回路间的低通滤器，Z可 以让工频电压作用到试品上，但阻止被测的高频脉冲或电源中的高频分量通过。 它的作用 Page 16 图5-5（a）为并联测量回路，试验电压U经Z施加于试品Cx，测量回路由Ck与Zm串 联而成，并与 Cx并联，因此称为并联测量回路。试品上的局部放电脉冲经Ck耦合到Zm 上，经放大器A送到测量仪器M。这种测量回路适合于试品一端接地的情况，对Cx较大 的被试品可以避免较大的工频电容电流流过Zm在实际工作中应用较多。 图5-5（b）为串联测量回路 ，测量阻抗Zm串联接在 试品Cx低压端与地之间，并 经由Ck形

20、成放电回路。因此，试品的低压端必须与地绝缘。 图5-5（c）为桥式测量回路，又称平衡测量回路。试品Cx与耦合电容Ck均与地绝 缘，测量阻抗Zm与Z分别接在 Cx与Ck的低压端与地之间。测量仪器M测量Zm与Z上的电 压差。 A M Z Cx Ck Zm A M Z Cx Ck Zm A M ZCx Ck ZmZm (a) (b) (c) 图5-5测量局部放电的基本回路 Page 17 （a）、(b)是直接法测量局部放电的两种基本回路，其目的都是要使试品Cx局部放 电产生的脉冲电流作用到检测用阻抗Zm上，然后把Zm上的电压经放大器A送到适当的测 量仪器M中进行测量。根据Zm上的电压可以算出局部放电

21、的视在电荷量，为了知道测量 仪器上显示的信号在一定的测量灵敏度下代表多大的放电量，必须对测量装置进行校 准（常采用方波定量法校准）直接法的缺点是抗干扰性能较差。为了提高干扰性能， （c）平衡法采用电桥平衡的原理，由于外来干扰的频率分布很广，如果要求电桥对很 宽广的干扰频率都能平衡，最好的办法是用与被试品完全相同的电气设备来充当辅助 试品，电桥两臂的阻抗就相应相等。理论上，此时电桥对所有频率都能平衡，由此即 可消除外来干扰的影响，实际上即使是型号规格完全相同的两个电气设备，其阻抗也 不可能在所有频率下都相等，所以电桥也就不可能达到真正完全的平衡。即使这样， 平衡法是能将外来干扰大大降低，是抗干扰

22、性能较好的一种方法。 在上述所有回路种都希望检测阻抗及耦合电容Ck不产生局部放电，检测阻抗可以 用R，L或者R,L,C组合，当Ck值不太大时，最好不小于Cx值。 Page 18 2、无线电干扰电压法（RIV） 无线电干扰电压法，包括射频检测法，最早可追溯到1925年，Schwarger发现电晕 放电会发射电磁波，通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生。国外目前仍 有采用无线电干扰电压表检测局部放电的运用，在国内，常用射频传感器检测放电， 故又叫射频检测法。较常用射频传感器有电容传感器、Rogowski线圈电流传感器和射 频天线传感器等。利用无线电干扰，通过试品两端的直接耦合，或者天线等其

23、他采样 元件的耦合，测量试品的局部放电脉冲信号。 RIV方法能定性检测局部放电是否发生，甚至可以根据电磁信号的强弱对电机线 棒和没有屏蔽层的长电缆进行局部放电定位；采用Rogowski线圈传感器也能定量检测 放电强度，且测试频带较宽（130MHz）。 Page 19 3、介质损耗分析法（DLA） 局部放电对绝缘材料的破坏作用是与局部放电消耗的能量直接相关的，因此对放 电消耗功率的测量很早就引起人们的重视。在大多数绝缘结构中，随着电压的升高， 绝缘中气隙（或气泡）的数目将增加。此外局部放电的现象将导致介质的损坏，从而 使得tg大大增加。因此可以通过测量tg的值来测量局部放电能量从而判断绝缘材 料

24、和结构的性能情况。 介质损耗分析法特别适用于测量低气压中存在的辉光或者亚辉光放电。由于辉光 放电不产生放电脉冲信号，而亚辉光放电的脉冲上升时间太长，普通的脉冲电流法检 测装置中难以检测出来。但这种放电消耗的能量很大，使得tg很大，故只有采用电 桥法检测tg才能判断这种放电的状态和带来的危害。但是，DLA方法只能定性的测量 局部放电是否发生，基本不能检测局部放电量的大小，这限制了DLA方法的运用。 Page 20 二、非电检测法 局部放电发生时，常伴有光、声、热等现象的发生，对此，局部放电检测技术中 也相应出现了光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。较之电检测法，非电 量检测方法具有抗电磁

25、干扰能力强、与试样电容无关等优点。 1、超声波法测试局部放电 利用测超声波检测技术来测定局部放电的位置及放电程度，这种方法较简单， 不受环境条件限制。但灵敏度较低，不能直接定量。在进行局部放电测量中当发现变 压器有大于5000pc的故障放电，超声波声测量方法常用于放电部位确定及配合电测法 的补充手段。但声测法有它独特的优点，即它可在试品外壳表面不带电的任意部位安 置传感器，可较准确地测定放电位置，且接收的信号与系统电源没有电的联系，不会 受到电源系统的电信号的干扰；因此进行局部放电测量时，以电测法和声测法同时运 用。两种方法的优点互补，再配合一些信号处理分析手段，则可得到很好的测量效果。 用于

26、局放检测的超声检测系统由声电转换、前置放大、模数转换和信号处理 现实四个部分组成。超声波探测局部放电的原理可简述如下。当电气设备绝缘内部发 生局部放电时，在放电处产生超声波，向四周传播开来，一直到电气设备容器的表面， 在设备的外壁，如套管、互感器的瓷套外表面放上压电元件，在交变压力波的作用下， 具有压电效应的晶体便产生交变的弹性变形，晶体沿受力方向的两个端面上便会出现 交变的束缚电荷。这一表面束缚电荷的变化便引起了端部金属电极上电荷的变化或在 外回路中引起交变电流。这就是由压力波转变为电气量的过程，然后，可对电气量进 行测量。 Page 21 局部放电测量通常选用密封结构的超声传感器，其结构原

27、理见图5-6。它是直接把 压电陶瓷安装在金属外壳之上，带动外壳一起振动，并在金属壳里填充树脂作为密封。 图5-6 超声传感器的原理结构图 2-金属外壳；2陶瓷振动子；3底座；4填充树脂；5引出脚 压 电 元 件 前 置 放 大 器 铜 片 屏 蔽 图5-7超声波探测器探头示意图 Page 22 用超声探头获得由局部放电引起的超声信号，并用数字式局部放电仪或波形记录 仪记录波形作定位测试。声测法原理框图如图5-8所示。 压 电 超 声 传 感 器 阻 抗 变 换 前 置 放 大 7 5 0 欧 同 轴 电 缆 滤 波 放 大 器 数 字 局 部 放 电 测 试 仪 图5-8 声测法原理框图 如将

28、2-4个声探头的信号同时记录下并在屏上显示所测到的波形，对局部放电 作定位测量很有利。当与电测法联合测量时，有助于判断所测到的信号是否为内部 放电。 当仪器对变压器进行超声测量时，屏上按所探测的声通道数在屏上同时显示 2-4路波形，测量人员移动光标到认为是放电声信号的位置，程序即自行计算出放电 点距探头的位置。 若为3个以上的测量点，则由给定的各探头光标计算出放电点的光标 Page 23 图5-9 超声测量信号波形 用于互感器等试品时，在靠近高压部分则用光纤连接，有时装设1-2个传感器即可， 前置放大器仅用一个。 当设备内部有故障放电时（几千到几万皮库），这时利用电信号作为仪器触发信号， 也即

29、以电信号作为时间参考零点，然后以2-3个通道采集声信号，仪器A/D采样频率可选在 500kHz或1MHz并移动传感器位置，使能有效地测到超声信号，见图5-9。测得电信号与声 信号的时间差t就可计算出放电点与传感器的位置的距离，s=vt，一般计算取 v=1.42mm/s，确定局部放电的放电点。 为了测量结果有可比性，系统要进行相对校准，在做校准用的电声传感器上，是假 一个模拟局放的电脉冲，使之产生类似飓风那个时的声压，再将此校准用的电声传感器紧 贴在系统接受声波的省电传感器上，使系统接受到一定的声信号，然后调节系统的灵敏度， 使系统指标达到一个标称值，校准完成。在以后的测量中，保持系统的灵敏度不

30、变，则各 次测量结果是可比的。 Page 24 超声波法在套管，互感器等少油设备的局部放电检测中取得良好效果。超声波在 变压器、电机线棒的检测中也有应用，和油的色谱分析方法相配合，可以更好判断绝 缘内部的局部放电缺陷，但超声波法的抗干扰能力尚需进一步提高以及超声波指示大 小如何定量的问题。现在一般以同类设备的相互比较来判断。 为了区别探测器检测的是被试绝缘内部放电还是外界干扰，可以用空心贴合放在 探头与被测物之间，以隔开被测事物内部局部放电处传来的超声波。如果此时仪器指 示较小，为一般噪声值，则说明出去空心盒时的指示反映了绝缘内部的放电。但对于 被试设备的机械振动，则仍不能与其中局部放电相区别

31、，有时也可以观察超声波的波 形来进一步的分析。下面介绍一种脉冲鉴别回路，它是一种可以区分外来干扰与局部 放电脉冲的回路。图5-10是这种回路的原理图。 Page 25 12 CACK A+ D+ C- B- - + 输出 放大器 门电路 与门 图5-10脉冲辨别回路原理图 图中CA、CK下部的检测元件1、2分别与放大器连接并根据极性，触发门电路A+、C-或 B-、D+。“与门”只在如图的门电路极性配合下才动作输出信号。外部干扰使检测阻抗l 、 2上输出同极性脉冲。此时仅A+、D+动作或C-、B-动作，但均不能启动“与门”，故 外部干扰不能位测量仪器给出指示.。如CA发生局部放电，则检测阻抗1、

32、2上输出的是异 极性脉冲。或者是A+、B-动作，或者是C-、D+动作。随之“与门”也动作，仪器上收到 正或负的测量信号。我们知道，如果正半周CA中发生放电，则检测阻抗1上的脉冲应为正 ，2上的脉冲为负， 显然只有A+、B-门动作，上边一个“与门”动作，才能测出局部放 电信号。我们可以根据不同的与门动作条件来区别是CA放电还是CK放电。 Page 26 2、光检测法 对于绝缘内部的局部放电，只有透明介质才宜用光检测法，例如聚乙烯绝缘电缆 芯通过水介质扫描用光电倍增管观察。但该方法灵敏度较低，局限性大，较适宜于检 测暴露在外表面的电晕放电。利用视觉检测局部放电，要在眼睛对于黑暗习惯了以后， 在黑暗

33、的环境中进行。这时，为了增强视力和对高压保持一定间隔距离，使用大倍率 的望远镜是很有效的。为了记录发生放电的位置，采用长时间曝光的照相机进行拍照 是有效的。而且，还有在预先想到可能发生放电的位置，先放好感光胶片，通过直接 感光进行放电的记录。 Page 27 3、热检测法 由于局部放电在放电点会发热，当故障较严重时，局部热效应是明显的，可用预 先埋入的热电偶来测量各点温升，从而确定局部放电部位。这种方法既不灵敏也不能 定量，因而在现场测量中一般不用这种方法。目前红外检测技术已经非常成熟，红外 检测技术是利用红外探测器和光学成像镜接受被测设备辐射的红外线，然后成像在红 外探测器的光敏元件上，从而

34、获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相 对应，从而确定局放的部位。 Page 28 4、放电产物分析法 油纸绝缘材料在局部放电作用下会分解产生各种气体，分析局部放电时产生的化 学生成物，例如用色谱分析仪测量高压电气设备的油中，由于放电产生的微量可燃性 气体。从而推断局部放电的程度，从而判断故障类型，已在生产实际中广泛应用，并 取得较好的效果。各种气体中对判断故障有价值的气体有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙 烯(C4H4)、乙炔(C2H2)、氢(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等。 绝缘中存在局部放电时，当放电较小并在故障点引起的温度高于正常温度不多时，由 油裂解的产

35、物主要是甲烷和氧；当局部放电故障扩大，形成局部爬电或火花、电弧放 电时，会引起局部高温，产生乙炔、乙烯和一氧化碳、二氧化碳。如利用四种特征气 体的三比值法，可用来判断变压器故障性质，但实际上对电力设备进行绝缘故障判断 时，仅根据一次测量数据往往是不够的，宜利用色谱分析，观察各有害气体随时间的 增量。并和局部放电超声测量和电测法数据作比较，进行综合判断，才能更加有效地 判断故障性质。 当故障涉及到固体绝缘时，会引起一氧化碳和二氧化碳含量的明显增长。但根据 现有统计资料，固体绝缘的正常老化过程与故障情况下劣化分解，表现在油中一氧化 碳的含量上，一般情况下没有严格的界限,二氧化碳含量的规律更不明显。

36、因此，在考 察这两种气体含量时更应注意结合具体变压器的结构特点，如油保护方式、运行温度、 负荷情况、运行历史等情况加以分析，以尽可能得出正确的结论。 近年来国内外开展用气敏半导体来鉴别这些气体成分，实际上是简易的色谱法， 气敏半导体由N型金属氧化物制成，放在气体流程，当温度一定及载气流量一定的情况 下气敏半导体有一定的电阻，当被测气体吸附到气敏半导体表面时，其表面层的电子 数升高，阻值下降，使外回路电流增大发出信号。 Page 29 第三节 局部放电波形分析及图谱识别 一、局部放电波形分析要点 1、内部放电波过程与回路参数有关，不同的放电反映的波形是有差别的。 2、放电波形与放电类型和放电幅值

37、有关。如没有贯穿电极或间隙的放电过程快，频 谱特 性差别不大；贯穿间隙之间的或者放电量很大的放电则波长过程较长，低频分量 重； 空气中放电如电晕、气泡放电等幅值较小的放电前沿陡，有丰富的高频分量。对 于故 障性的大幅值放电结合波形的变化，频率特性来综合判断放电属性。 3、根据不同点波形和频率特性的变化来判断放电类型及位置。如变压器类试品有电 感， 放电信号经过电感后发生变化，高频分量受到削弱，同一放电在变压器不同点测 到信 号的拼布特性要视放电部位而定如放电电距两测点的电气距离相近，则不同点测 得的 信号是一致的。 Page 30 二、局部放电的波形分析 图5-5中检测阻抗Zm可由电阻、电感、

38、阻容并联元件、电感电容并联元件等构成。 而对于局部放电脉冲而言，可用图5-11的回路来计算检测阻抗Zm上的波形。 Ck Cx u Zm 图5-11 计算Zm上电压波形的等值回路 Page 31 1、Zm为R时，Zm上的波形 实际上是方波加于阻容串联回路时电阻上的波形，电容为CX与CK的串联。R上的波 形是一个陡直上升、指数下降的曲线（图5-12（a）曲线1），其方程是 R CC CC t A Tt R KX KX R e C q euu / / （5-15） 由此可见，uR的幅值为q/CX，CA一定时，uR的幅值与视在放电量q成正比。一般气隙 放电，脉冲的前沿仅约0.01微秒左右。当时间常数T

39、R远大于此值时，可视脉冲为方波 而得到（5-15）式。如果TR和脉冲前沿时间可以比拟时，则uR的表达式便不能用（5- 15）式了。假定脉冲波的前沿是指数上升的，则uR便是一个双指数波。此外，如果是 油中电晕之类的脉冲，其前沿时间可达数微秒甚至更长，即使TR为若干微秒，二者也 是可比拟的，此时uR也是双指数波，图5-12（a）曲线2为此波形的示意图。 Page 32 1 2 t uR 0 t uR 0 1 2 (a)(b) 图5-12 检测阻抗上的波形 (a) Zm为R时，Zm上的波形 (b) Zm为Lm时的输出波形 用无感电阻作检测阻抗，输出波形包括了所有的高频分量，灵敏度较高，适合于局部放

40、电的定量测量。但是由于其频带宽，各种干扰信号也容易在它上面产生压降，造成测量误 差。此外，交流电流产生的压降不仅干扰局部放电的测量，而且可能使电阻发热以至烧坏 。 Page 33 2、Zm为RmCm并联时的输出波形 输出波形uCR仍为指数衰减波，但幅值降低，时间常数加大了。其方程为 CR Tt AK K AKAKM CR e CC C CCCCC q u / / （5-16） mm KA KA CR RC CC CC T （5-17） 阻容并联是在第一种无感电阻的基础上的改进，由于信号电缆和仪器的杂散 电容以及输入电容的存在，即使适用无感电阻作检测阻抗，也会使结果产生误差 ，为此在无感电阻旁并

41、入一个适当的电容，并使之大于杂散电容若干倍，从而可 以忽略杂散电容的影响，使预计的结果较准确，但是并入的电容会使输入信号幅 值下降，灵敏度下降，但削弱了高频信号的干扰。 Page 34 3、Zm为Lm时的输出波形 因为Lm中总有一定的电阻，整个回路也有一定的损耗，所以Lm的输出波形是一个 衰减振荡波，其包络线是指衰减曲线，近似的方程为 KX KX m t X t X L CC CC L t e C q te C q u coscos （5-18） u 为回路损耗造成的衰减时间常数的倒数。图5-12曲线1为uL的波形示意图。uL的 幅值与uR相同，均为q/CX。如果脉冲 的前沿时间与振荡周期可以

42、比拟时，则uL的波 形如图5-12曲线2，其幅值比曲线1的小，包络线是双指数波。 电感作检测元件，对具有高频分量的脉冲，测量灵敏度较高，但对低频交流而言却 是低阻抗，不会出现工频干扰和发热问题。其缺点是与回路的电容构成振荡回路，不 利于某些定量测量，此外，电感也容易接收高频或脉冲干扰。 Page 35 4、Zm为LmCm并联元件时的输出波形 一般选择的Cm值比CK、CX都大得多，故振荡频率主要决定于LmCm值。LmCm元件上 的波形方程为 KX KX mm t KX K KX KX m LC CC CC CL t e CC C CC CC C q ucos （5-19） 由（5-18）、（5-

43、19）式可见，uLC的幅值小于uL，振荡周期加大了。考虑到 Xm CC 并选 XK CC ，则 mm t m LC CL t e C q ucos （5-20） 由此可见，uLC的幅值与q成正比而与CX几乎无关，振荡频率也只受LmCm控制， 也就是说，我们可以根据需要选定输出电压的频带而与试品电容无关。 电感电容并联构成调谐回路，对一定频率的分量具有较大的灵敏度，适当选定 谐振频率，可以避免开频带外信号的干扰，由于电感的存在也可以避免工频的影响，此 种输出波形是振荡的，但灵敏度比以电感作检测阻抗时低。 Page 36 （1） Zm为Lm、Rm、Cm并联元件时的输出波形 输出波形仍然是一个衰减振

44、荡曲线与式（5-20）相似。但电阻Rm接入后，振荡的 衰减加快，振荡周期加长，总的来说，是一个衰减较快的振荡波。基本特性与电感电 容并联元件相同，但可用电阻调整整个元件的频带宽度。加入Rm的目的是加速衰减， 使重复的局部放电脉冲在Zm上造成的输出不致于首尾相互叠加，从而加强回路脉冲分 辨的能力。 检测阻抗Zm上的电压（即检测信号）是相当小的，必须经过放大才能使仪器上有 明显的指示。经放大器放大后的脉冲信号的峰值可由示波器测量，除此之外，示波器 上还可以看出放电发生在工频的什么相位，测定脉冲波形和放电次数，观察整个局部 放电的特征。以确定放电的大致部位和性质。示波器可用水平扫描和椭圆扫描。水平

45、扫描时全屏偏转相当于一个周期，并与试验电压同步，以确定脉冲的相位。椭圆扫描 也是每扫一周相当于试验电压一个周期。图5-13为两种扫描时屏上波形的示意图。 Page 37 0 1 8 03 6 0 图5-13 示波器上的显示 （2）在局部放电试验时，除绝缘内部可能产生局部放电外，引线的联接，电接 触以及日光灯，高压电极的电晕等，也可能会影响局部放电的波形。为此 要区别绝缘内部的局部放电与其他干扰的波形，图5-14就是几种典型的 波形。 (a)高 压 极 产 生 的 电 晕(b)介 质 中 的 空 穴 放 电 (c)靠 近 高 压 电 极 的 空 穴 放 电(d)电 接 触 噪 音 图5-14 典

46、型放电的示波图 Page 38 三、局部放电的图谱识别 图5-15为不同类型的局部放电示波图，示波图是在接近起始电压时得到的。 其中图（a）、（b）、（c）、（d）为局部放电的基本图谱，（e）、（f）、（g） 为干扰波的基本图谱。 0 气 泡 导 体 介 质 导 体 介 质 金 属 绝 缘 液 体 导 体 远 方 导 体 气 体 稍 高 于 起 始 电 压 超 过 更 多 (a) (e) 0 (b) (c) 00 00 00 绝 缘 液 体 气 体 Zm Zm (d) (f) (g) 图5-15 接近起始电压时，不同类型局部放电的示波图 Page 39 （a）中，绝缘结构中仅有一个与电场方向垂

47、直的气隙，放电脉冲叠加于正与负峰之间的 位置，对称的两边脉冲幅值及频率基本相等。但有时上下幅值的不对称度3：1仍属 正常。放电量与试验电压的关系是起始放电后，放电量增至某一水平时，随试验电 压上升放电量保持不变。熄灭电压基本相等或略低于起始电压。 （b）中，绝缘结构内含有各种不同尺寸的气隙，多属浇注绝缘结构。放电脉冲叠加于正 及负峰之前的位置，对称的两边脉冲幅值及频率基本相等，但有时上下幅值的不对 称度3:1仍属正常。放电刚开始时，放电脉冲尚能分辨，随后电压上升，某些放电脉 冲向试验电压的零位方向移动，同时会出现幅值较大的脉冲，脉冲分辨率逐渐下 降，直至不能分辨。起始放电后，放电量随电压上升而

48、稳定增长，熄灭电压基本相 等或低于起始电压。 （c）中，绝缘结构中仅含有一个气隙位于电极的表面与介质内部气隙的放电响应不同。 放电脉冲叠加于电压的正及负峰值之前，两边的幅值不尽对称，幅值大的频率低， 幅值小的频率高。两幅值之比通常大于3：1，有时达10：1。总的放电响应能分辨出。 放电一旦起始，放电量基本不变，与电压上升无关。熄灭电压等于或略低于起始电 压。 Page 40 （d）中，(1 )一簇不同尺寸的气隙位于电极的表面，但属封闭型；(2 )电极与绝缘介质 的表面放电气隙不是封闭的。放电脉冲叠加于电压的止及负峰值之前两边幅值比通常 为3:1，有时达10：1。随电压上升，部份脉冲向零位方向移

49、动。电起始后，脉冲分辨 率尚可继续升压，分辨率下降直至不能分辨。放电起始后放电皇随电压的上升逐渐增 大，熄灭电压等于或略低于起始电压。如电压持续时间在10 min以后，放电响应会有 些变化。 （e）干扰源为针尖对平板或大地的液体介质。较低电压下产生电晕放电，放电脉冲总叠 加于电压的峰值位置。如位于负峰值处放电源处于高电位，如位于正峰处放电源处于 低电位。这可帮助判断电压的零位，一对脉冲对称的出现在电压正或负峰处、每一簇 的放电脉冲时间间隔均各自相等。但两簇的幅值及时间间隔不等，幅值较小的一簇幅 值相等、较密。一簇较大的脉冲起始电压较低，放电量随电压上升增加；一簇较小的 脉冲起始电压较高，放电量

50、与电压无关，保持不变；电压上升，脉冲频率密度增加， 但尚能分辨；电压再升高，逐渐变得不可分辨。 （f）针尖对平板或大地的气体介质。较低电压下产生电晕放电，放电脉冲总叠加于电压 的峰值位置。如位于负峰处，放电源处于高电位；如位于正峰处，放电源处于低电位。 这可帮助判断电压的零位。起始放电后电压上升，放电量保持不变，惟脉冲密度向两 边扩散、放电频率增加，但尚能分辨；电压再升高，放电脉冲频率增至逐渐不可分辨。 （g）悬浮电位放电。在电场中两悬浮金属物体间，或金属物与大地间产生的放电。波形 有两种情况：(1) 正负两边脉冲等幅、等间隔及频率相同；(2 )两边脉冲成对出现， 对与对间隔相同，有时会在基线

51、往复移动。起始放电后有3种类型：1)放电量保持不 变，与电压无关，熄灭电压与起始电压完全相等。（2）电压继续上升，在某一电压下， 放电突然消失。电压继续上升后再下降，会在前一消失电压下再次出现放电。(3)随电 压上升，放电量逐渐减小，放电脉冲随之增加。 Page 41 第四节 局部放电测试中的干扰及抗干扰措施 一、局放干扰的来源及其分类 广义的局放干扰是指除了与局放信号一起通过电流传感器进入监测系统的干扰以外， 还包括影响监测系统本身的干扰，诸如接地、屏蔽、以及电路处理不当所造成的干扰等。 现场局放干扰特指前者。电磁干扰一般通过空间直接耦合和线路传导两种方式进入测量点。 测量点不同，干扰耦合路

52、径会不同，对测量的影响也不同。测量点不同，干扰种类、强度 也不相同。 从干扰的来源分，主要有测量系统本身的干扰和测量系统外的干扰。测量系统本身的 干扰包括供电开关电源中开关和放大器自身的热噪、自激等产生的干扰；测量系统外的干 扰主要是指来自被测设备之外的、能被检测传感器检测到的干扰。由于系统自身的干扰总 是可以通过改善测量系统的设计来减少或消除，因此，通常所说的干扰主要是指来自测量 系统以外的干扰。 现场电磁干扰又分连续性周期干扰、脉冲型干扰和白噪声干扰。往往干扰强大，甚至 完全淹没了局放信号。 Page 42 1、连续性周期干扰 电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰和无线电干扰。这类通常

53、是高频正弦 波，干扰强度较大，每种干扰的时域波形有固定的谐振频率和频带宽度，有的频率较 高，有的频率较低。在频域上是离散的，频域内能量集中，振幅是以主频为中心，以 两倍调制频率为宽度的脉冲波形。其相位分布固定。这类干扰包括电力系统谐波、高 频保护、载波通信及无线电广播通信等。 2、脉冲型干扰信号 包括供电线路或高压端电晕放电；电网中的开关、晶闸管蒸馏设备闭合或开断引起 的脉冲干扰；试验线路或邻近的接地不良引起的干扰；浮动电位物体放电引起的干扰； 设备的本机噪声或者其他随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，而 在频域上是包含各种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域和频域

54、特征 ，但其相位集中。从示波器上观察可以发现此类干扰出现的位置相对固定的地方，他们 波箱及其小波变换系数都与放电脉冲的波形及系数及其相似。但这类脉冲典型的频率一 般都小于1MHz,因而在时间轴上分布极为稀疏，而其有规则，据此可将其余局部放电脉 冲区分。 Page 43 3、白噪声干扰信号 包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、电子器件本身的热噪声、配电线路及 变压器几点保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声以及检测线路中半导体器件的散 粒噪声等。理论上，白噪声干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上，而在实际 应用中，若其频谱在较宽频段上为连续平缓的即可认为是白噪声。 Page 44 二、局放

55、干扰的传播路径 电气设备特别是大型发电机和变压器，其机构复杂、体积庞大，干扰可通过传导、 感应、辐射等多种耦合方式从多个路径侵入。 1、变压器的干扰入侵路径 所有的窄带信号（系统奥茨谐波、载波通信、无线电通信和高频保护）、线路和 绝缘电晕放电、其他电气设备内部放电、开关设备动作产生的脉冲型放电或各种冲击 波（雷电波、操作波）产生的高频电流脉冲等主要通过高压线路以传导的方式进入变 压器。 晶闸管整流、换流器和静止无功补偿器中的电力电子器件动作等引起的强大周期 型脉冲干扰和电弧炉产生的随机噪声和脉冲，干扰主要从变压器的低压侧以传导的方 式侵入。 晶闸管或其他的开关类器件动作产生的脉冲信号、各种电机

56、产生的电弧放电及配 电线路中存在的大量随机噪声等通过风机，潜油泵和变压器控制柜的动力电缆或各种 信号电缆以电容耦合或直接传导引入。这些干扰统称为变压器配电线路引入的二次干 扰。 当变压器多点接地时各接地线构成环形天线，耦合引入各种空间干扰、地网干扰 等。 2、发电机干扰侵入的路径 励磁供电系统产生的干扰和由于碳刷与滑环之间接触不良所产生的火花放电往往 从电机的励磁系统引入，与电机相连的设备产生的干扰从连接导线处引入，无线电干 扰和其他随机干扰通过空间辐射方式引入。 Page 45 三、常用的抑制干扰方法 干扰的抑制总是从干扰源、干扰途径、信号后处理三方面考虑。找出干扰源直接 消除或切断相应的干

57、扰路径，是解决干扰最有效最根本的方法，但要求详细分析干扰 源和干扰途径，且一般不允许改变原有的变压器运行方式，因此在这两方面所能采取 的措施总是很有限。对于经电流传感器耦合进入监测系统的各种干扰，采取各种信号 处理技术加以抑制。一般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。在抗干扰技术中有两种不同 的思路：一种是基于窄带(频带一般为10kHz至数10kHz)信号的。它通过合适频带的窄 带电流传感器和带通滤波电路拾取信号，躲过各种连续的周期型干扰，提高了测量信 号的信噪比。这种方法只适合某一具体的变电站，使用上不方便。此外，由于局部放

58、 电信号是一种宽频带脉冲，窄带测量会造成信号波形的失真，不利于后面的数字处理。 另一种是基于宽频(频带一般为10至1000kHz)信号的处理方法。检测信号中包含局放的 大部分能量和大量的干扰，但信噪比较低。对于这些干扰的处理步骤一般是：a.抑制 连续周期型干扰；b.抑制周期型脉冲干扰；c.抑制随机型脉冲干扰。随着数字技术的 发展及模式识别方法在局放中的应用，这种处理方法往往能取得较好的效果。在后级 处理中，很多处理方法是一致的。可归纳为频域处理和时域处理方法，频域方法是利 用周期型干扰在频域上离散的特点处理之，而时域处理方法是根据脉冲型干扰在时域 上离散的特点处理。有硬件和软件两种实现方式。

59、Page 46 1、局部放电产生的检测信号十分微弱，仅为微伏量级，就数值大小而言，很容易被外界 干扰信号所淹没，因此必须考虑抑制干扰信号的影响，采取有效的抗干扰措施。对上 述这些干扰的抑制方法如下： (1)来自电源的干扰可以在电源中用滤波器加以抑制。这种滤波器应能抑制处于检测仪的 频宽的所有频率，但能让低频率试验电压通过。或者采用带有屏蔽绕组的绝缘变压器 供电，调压器、控制装置有缺陷时产生的干扰可以换用良好的设备即可消除。 (2)来自接地系统的干扰，可以通过单独的连接，把试验电路接到适当的接地点来消除。 所有附近的接地金属均应接地良好，不能产生电位的浮动。 (3)来自外部的干扰源，如高压试验、

60、附近的开关操作、无线电发射等引起的静电或磁感 应及电磁辐射，均能被放电试验线路耦合引入，并误认为是放电脉冲。目前采取的办 法除了控制附近高压设备的运行时间，避开强力广播台的工作时间外，多在检测回路 的特性上设法，例如采用中心频率200KHZ以下的窄带检测放大回路或者200KHZ以下的 低频回路等需要有一个设计良好的薄金属皮、金属板或铁丝钢的屏蔽。有时样品的金 属外壳要用作屏蔽，有条件的可修建屏蔽试验室。 （4）对于干扰源来自高压产生的局部放电干扰，这与设备的制造质量有关，而且干扰随 变压器的电压升高二升高，如高压引线上的电晕干扰，可以使高压引线表面光洁度好， 曲率半径大，并加以屏蔽。 (5)由