局放检测技术

第 卷第 期 年 月

西 安 交 通 大 学 学 报 ƒ÷ × ∂∞ ≥ ×≠∂ λ

√ 超宽频带局部放电检测技术的初步研究3

成永红 李 伟 杨继松 谢恒方方土

西安交通大学 西安 吴广军

西安高压开关厂

摘要 研究了局部放电的超宽频带特性 分析了局部放电产生的电磁波的传输和耦

合特性 研制了一种频率响应为 ∗ 的超宽频带局部放电检测装置 并用

实验分析了其测量特性

关键词 局部放电 超宽频带 检测技术

中国图书资料分类法分类号 ×

可靠的绝缘系统是电力设备安全运行的基本保障 统计表明电力设备一半以上的故障是绝缘故障 因而这就要求对绝缘系统进行有效的检测与诊断 特别是在电力系统朝着特高压!大容量方向发展的今天 绝缘系统的可靠性和绝缘检测与诊断的准确性就显得尤为重要 尽管现代科学技术为绝缘检测与诊断的发展提供了必要条件 但由于受传统绝缘检测与诊断理论的制约 对绝缘系统及其放电特征了解不够 所以在现代技术水平上全面了解绝缘系统及其放电的本质特性 就显得十分重要

到目前局部放电测量仍是最有效的绝缘检测与诊断手段之一 随着现代科学技术的发展 一方面使绝缘检测理论出现了相对滞后现象 另一方面又使测量和检测手段有了很大进步 使我们能够更全面地研究局部放电的特征和检测技术

在本文中 我们将重点研究一种在超宽频带 ∗ 范围内的局部放电测量技术

局部放电脉冲的频谱特性分析

传统的局部放电检测是采用检测阻抗来测量放电信号 其测量响应频率极限是 我们可以依据椭圆示波图来分析其放电特征 包括放电相位!放电量大小等等 目前这种方法仍被广泛地应用于电力设备绝缘系统的局部放电检测中 随着计算机分析技术的发展 这类仪

收到日期 2 2 成永红 男 年 月生 电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室 副教授

3国家自然科学基金资助项目

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器在数据处理方面也得到了发展 引入了数字滤波!三维谱图分析等

但是如果我们仔细分析各类局部放电脉冲特性就会发现 一个局部放电脉冲信号不仅包含 以下的频率分量 它还包含频带宽到 甚至更高的信号分量 对这些典型的局部放电的频谱分析可清楚地表明这一点

1 1内部放电和表面放电

在电力设备中绝缘系统最经常发生的是内部气隙放电 通常认为绝缘系统中的气隙在电场作用下 会激发电子流和离子流 由于空气中电子速度比离子速度大得多 因此其局部放电电流是由一持续时间较短的电子脉冲 伴随着一个持续时间较长的离子脉冲组成 其中电子运动引起的局部放电脉冲 其脉冲宽度为 级 而离子运动产生的局部放电脉冲宽度约为几百 如图 所示 ≈

绝缘体表面的局部放电过程与在介质与导体之间的内部放电过程基本相似 其放电主要表征为气体放电的特征

1 2电晕放电

电晕放电是在电场极不均匀的情况下 导体附近的电场强度达到气体的击穿场强时发生的 以针2板电极系统为例 无论针尖电极是负极性或正极性 均由针尖发射电子 正离子撞击针尖电极产生二次电子发射 而产生电晕 只是产生电晕的电压不同 同时 由于气体中离子在电场作用下迁移较快 各次放电产生的电荷很快被复合或扩散 不会像内部放电那样累积在介质表面 形成很强的反电场 电晕放电的一次放电波形如图 所示 波尾比较长 这是由于负离子在远离针尖电极电场强度较低的地方迁移比较慢形成的≈

图 内部气隙放电的一次放电波形示意图图 电晕放电的一次放电波形示意图

1 3放电脉冲的频谱分析

上面的分析表明通常局部放电持续时间一般介于 ∗ 之间 它是一个非周期波 我们可以将它展开为傅里叶级数 分解为各次谐波的叠加 进而可以研究诸谐波的频率和振幅的关系 数理分析知识告诉我们 一个非周期波经过傅里叶变换可以得到一个连续的频率谱图≈

如果我们将局部放电电流看成一个对称脉冲 通常局部放电电流脉冲是不对称的 为了简化分析将其视为对称型 这部分局部放电电流可以表示为

Ι τ Ι ¬ τ Ù Ρ 式中 Ι

为峰值电流 Ρ为脉冲宽度 在最大幅值一半处脉冲宽度为 1 Ρ 将其进行傅里叶频谱变换

西安交通大学学报第 卷

Φ Ξ Φ≈Ι τ

Θ ] ]Ι τ Ξτ τ Θ ]

]Ι ¬ τ Ù Ρ Ξτ τ Π Ù ΡΥ ¬ Ξ Ρ Ù

图 放电脉冲的频域变换图

此式表示脉冲电流的频谱是与最大峰值电压及脉

冲宽度有关 它是由不同的频率分量组成的连续

谱图 它广泛分布在全频谱范围

如图 所示我们给出了脉冲宽度为 的局

部放电脉冲电流的频谱变换图

局部放电信号的传输与耦合

通常我们可以将局部放电信号看成是由一个点源所发出的 当介质某处有一个局部放电引起的电磁扰动 将会在空间产生电磁波 它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程 我们可以引入动态位的概念来解释这个问题 我们定义Α为动态向量位 Υ为动态标量位 它们既是空间坐标的函数又是时间的函数 于是由麦克斯韦基本方程可推导出动态位方程

Α Λ∆χ ΛΕ5Υ5τ ØΑ ΛΕ5 Α5τ Υ Ø Α τ Θ

Ε

该方程组表示了动态位与波源∆χ!Θ之间的关系

其解为

Υ ξ ψ ζ τ ΠΕ

ΘςΘ ξ ψ ζ τ ρϖ ρ ς Α ξ ψ ζ τ Λ ΠΘς∆χ ξ ψ ζ τ ρϖ ρ ς

该解说明局部放电产生的电磁波是以速度ϖ沿着ρ方向传播出去的 它是时间与位置的函数 是一种横电波 ×∞ 波 ≈

对这种以×∞ 波形式传输的局部放电信号 要检测它就需要对这种×∞ 波进行耦合 ×∞ 波耦合器种类和形式很多 结构上差异很大 工作原理也不尽相同 我们根据局部放电的特点 设计制作了一种微带耦合传感器 该耦合器具有频带范围为 ∗ 其频率响应特性如图 所示 图 是频率响应特性 测量结果为在 1 处为 1 在 1 处为 1 在 1 处为 1 图 是驻波比 测量结果为在 1 处为 1 在 1 处为 1 在 1 处为 1

超宽频带局部放电检测技术的初步研究

3 1 测量系统组成

第 期成永红等 超宽频带局部放电检测技术的初步研究