电气绝缘测试技术课件-第12课 电力变压器在线检测

伴随着绝缘介质中局部放电的产生，放电电荷的 转移将在放电回路中形成脉冲电流信号，可通过测 量被检测设备的外电路中所流过的脉冲电流来检测 放电信号。
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局部放电的三电容模型
以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放 电的机理
Cg：气隙的电容； Cb：和Cg相串联部分的介质电容； Cm：其余大部分绝缘的电容 。
5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30
0
100
200
300
400
500
t (ns)
(2) 油中空气隙放电电流波形
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i (mA) i (mA)
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
50
100
150
200
250
t (ns)
(3) 沿面放电
20
10
0
-10
-20
-30 0
200
400
600
平均放电电流：如果在测量时间T内出现放电m次，各次 相应的视在放电量为qa1,···, qam，则平均放电电流
m
qai I i1
T 平均放电电流综合反映了放电量和放电次数。
放电功率：如果在测量时间T内出现放电m次，各次相 应的视在放电量和外加电压瞬时值的乘积为qa1ut1,···, qamutm, 则放电功率
-0.2
-0.4
-0.6
0
2
4
6
8
10
T ( us )
(a) 油隙局部放电
The waveform of surface PD pulse 50
0
-50
-100 0
6
100
200
300
400
500
T ( ns )
4
2
0
-2
0
5
10
15
20
25
T ( us )
(c) 沿面放电
i ( mA )
i ( mA )
介质内部气隙放电的三电容模型
(a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路
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通常气隙很小，CgCb，CmCg。
电极间加上交流电压u，则Cg上的电压为ug
ug
Cb Cb Cg
u
介质内部气隙放电的三电容模型
(a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路
20
ug随外加电压u升高，当u上升到Us，ug达到气隙Cg的击 穿电压Ug时，气隙Cg放电。于是Cg上的电压瞬间从Ug 下降到 Ur，然后放电熄灭。Ur称为残余电压。
The waveform of impurity PD pulse
200
400
600
800
1000
T ( ns )
5
10
15
20
25
T ( us )
(d) 杂质小桥诱发放电 44
• 对于时域波形较宽的油隙放电，经绕组传输后 主要波形特征基本得到保留；
• 但对于沿面放电和气泡放电等窄脉冲放电，由 测量端获得的响应信号则发生非常大的畸变， 已无法反应其“原貌”，输出波形为一衰减的 振荡波，基本与绕组的冲击电流响应一致，可 见主要反映的是绕组的传播特性。
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变压器内部常见的局部放电
带有绝缘屏障的油间隙放电； 空气隙放电； 沿面放电； 悬浮电位放电； 杂质小桥诱发的放电。
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电力变压器中局部放电的 波形特征
i (mA)
i(mA)
0.4 0.2
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
-1 -1.2
0
5
10
15
20
25
t (us)
(1) 带有绝缘屏障的油间隙放电
被试品
平衡电路
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放电量测量的标定
无论是检测电压脉冲，还是检测电流脉冲，都存在将检 测信号转化为是在放电量的问题。
△q＝CX△U
由三电容模型可知，在不同被检测设备中即使发生相同 大小的放电，由于被测设备的电容不同，则测到的放电脉冲 幅值也会有很大差异。因此当改变测量回路任何参数时，都 必须对系统进行标定。
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导致局部放电的原因?
电晕发光区
• 电场的不均匀 • 绝缘介质的不均匀 因此在某些区域首先发生放电，而其它区 域仍然保持绝缘特性，这就形成了局部放电。
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以绝缘中的气隙放电为例。
s Es
g Eg
D sEs gEg
Eg
s g
Es
由于 g1, g2
Eg 2 Es
因此，气隙内的电场强度远比绝缘介质内的电场强度 高，而气隙的电气强度又比绝缘介质低。
m
utiqai P i1
T
反映了放电量、放电次数和放电时的外加电压，包含有 最多的局部放电信息
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4 起始和熄灭电压
起始放电电压：当外加电压逐渐上升，达到能观察到局 部放电时的最低电压。
熄灭电压：当外加电压逐渐降低到观察不到局部放电时， 外加电压的最高值。
对油纸绝缘，通常放电起始电压高于熄灭电压。 而对固体绝缘，两者相差不大。
i ( mA )
i ( mA )
15 10
5 0 -5
0 0.5
0 -0.5
-1 -1.5
0
0.5 0
-0.5 -1 0
0.04 0.02
0 -0.02
0
The waveform of bubble PD pulse
200
400
600
800
1000
T ( ns )
5
10
15
20
25
T ( us )
(b) 气隙局部放电
局部放电时气隙中的电压和电流的变化
21
放电火花一熄灭，Cg上的电压将再次上升。外加电压仍 在上升，Cg上的电压也顺势而上升，当它再次升到Ug时，Cg 再次放电，电压再次降到Ur，放电再次熄灭
局部放电时气隙中的电压和电流的变化
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Cg上的电压从Ug突变为Ur的瞬间，就是局部放电脉冲的 形成的时刻，此时通过Cg有一脉冲电流，局部放电时气隙中 的电压和电流的变化如图所示
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我们可以探测到什么？
局部放电过程所产生的各种物理化学现象：
电测量 非电测量
电荷的迁移过程 电磁辐射 光辐射 超声波 介质分解反应
脉冲电流法 UHF测量 光学检测法 超声测量法 DGA
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一、局部放电的电脉冲测量
脉冲电流测量法是国家标准推荐的主要局部放电 测量方法。
脉冲电流测量法的基本原理：
被试品
放大 滤波
被试品
Cx
高压电源
Ck
ZD
检测阻抗
耦合电容
放大 滤波
(a) 电流脉冲检测
(b) 电压脉冲检测
直接测量电路
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2. 平衡测量电路
多采用桥式电路，可以调整到对外界干扰信号有最好的平 衡效果；当Ck 和Cx 性质相同时有理想的平衡效果。
电源阻抗
耦合电容
Ck
Cx
差分放大器
高压电源 Zm1
Zm2
PD试验的直接校准回路
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当进行实际检测，被测设备内部发生放电时，如测 量系统的响应为h’,则对应的是在放电量为
Q=k·h’= U0·Cq·h’/h 为使校准保证达到一定的精度，Cq必须满足
Cq
0.1 Cx
CkCm Ck Cm
Cq 10 pF
上式中Cm为测量阻抗的等值电容。通常Cq为100pC。
➢ 这就使得根据检测到的放电信号估算放电强度， 进而判断故障类型、分析故障严重程度以及对故 障进行定位发生困难。。
43
i ( mA )
i ( mA )
i ( mA )
i ( mA )
The waveform of oil-gap PD pulse 3
2
1
0
-1
0
2
4
6
8
10
T ( us )
0.2
0
32
局部放电的测量参数
局部放电最主要的监测量就是视在放电量 。 △q＝CX△U
它是其他测量参量的基础。
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1.放电能量 W
表征局部放电的基本参数，除了视在放电量△q外，还有一 次脉冲放电能量W
W =△qr(Ug - Ur) /2 =△q(Cg+Cb)(Ug - Ur)/(2 Cb) 当外施电压由零上升到Us时，Cg上的电压为Ug，即 Ug=UsCb/(Cg+Cb) 可得 W =△q·Us(Ug - Ur) /(2 Ug ) 如Ur≈0，则
W≈△q·Us/2
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2. 放电重复率N
放电重复率N：是表征PD的另一个基本参数。因为在加 压半周期内能发生好几个脉冲。所以定义一秒钟内产生的脉 冲数叫做放电重复率N，N也是一个重要参量。可以通过实 验求得
如果每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n
局部放电时气隙中的电压和电流的变化
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3. 累积参数
式中CX为绝缘介质的总电容，因为△U及CX都是可以测得的， 因此△q也是可以测量的.
视在放电量：△q，是局部放电试验中的重要参量，在IEC和国 家标准中，对于各类高压设备的视在放电量△q的允许值均有所 规定
△q＝△qr·Cb/（Cg+ Cb） 可见△q比真实放电量△qr 小得多，它以pC作为计量单 位。其中C代表电荷量库仑。
标定方法为：在被测设备两端瞬时注入一定电荷量，使 被测设备端电压的变化和由局部放电引起的端电压的变化相 同，此注入量即为局部放电的视在放电量。
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以幅值为U0的方波通过串接小电容Cq注入试品两端，此 注入电荷量为
Q0 = U0·Cq 如果此时测量系统的响应为h，则系统的校准系数为
k = U0·Cq/h
介质内部气隙放电的三电容模型
(a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路
24
△qr = (Ug－Ur)[Cg+CmCb/(Cm+Cb)] 在实际试验时，上式中的各个量，都是无法直接测量的。 所以需要寻找能反映局部放电的量来测量。外施电压是作 用在Cm上的，当Cg上的电压变动(Ug-Ur)时，会造成外施电 压的变化量△U应为
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局部放电的相位特征
1.电晕放电 放电脉冲主要集中在工频相位负半周的90附
近。出现的放电脉冲几乎等Leabharlann Baidu值、等间隔。随着电压的升高
放电的大小几乎不变，但放电密度增加。
局部放电时气隙中的电压和电流的变化
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当Cg放电时，放电总电容Cg′
Cg′= Cg+[CmCb/(Cm+Cb)] Cg′上的电压变化为(Ug－Ur)，故一次脉冲放出的电荷应为
△qr = (Ug－Ur)[Cg+CmCb/(Cm+Cb)] 当Cm >> Cb，Cg > Cb，Ur = 0时，△qr≈UgCg
8
放电发展过程（2）
9
放电发展过程（3）
10
放电发展过程（4）
11
放电发展过程（5）
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什么是局部放电？
尚未导致绝缘系统贯穿性击穿的放电现象。 ➢ 绝缘中的气隙放电 ➢ 尖端电极的电晕放电 ➢ 不同介质间的表面放电 ➢ 浮动金属体的悬浮放电
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局部放电的概念
简称为PD（Partial Discharge） ，指由于电气 设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下 发生的局部的重复击穿和熄灭的现象
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基本测量回路
1. 直接测量电路 2. (a) 电流脉冲探测，其中电路的检测阻抗与试品相串联，
试品的放电脉冲电流通过检测阻抗向放大器提供脉冲信号。 3. (b)电压脉冲探测，电路检测抗阻与耦合电容器串联，局
部放电脉冲电压的一部分加在检测阻抗上；
电源阻抗
电源阻抗
耦合电容
Ck
高压电源
Cx
ZD
检测阻抗
局部放电的危害
局部放电发生在绝缘内部的气隙或气泡中，因 为在这个很小的空间内即使电场强度很大，它的放 电能量仍然非常小，所以它的存在并不影响电气设 备的短时绝缘强度。但如一个电气设备在运行电压 下长期存在局部放电现象，这些微弱的放电能量和 由此产生的一些不良效应，如不良化合物的产生， 就可以慢慢地损坏绝缘，日积月累，最后可导致整 个绝缘被击穿，发生电气设备的突发性故障
△q＝△U{Cm+[CbCg/(Cb+Cg)]} 把△U 式代入上式△q ，可得
△q＝△qr·Cb/（Cg+ Cb）
介质内部气隙放电的三电容模型
(a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路
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△q＝△qr·Cb/（Cg+ Cb）
真实放电量：△qr，是无法测量的；
而△q＝△U{Cm+[CbCg/(Cb+Cg)]}= CX△U
△U = Cb（Ug-Ur) /（Cm+Cb)
介质内部气隙放电的三电容模型
(a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路
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△qr = (Ug－Ur)[Cg+CmCb/(Cm+Cb)] △U = Cb（Ug-Ur) /（Cm+Cb) 由此两式得
△U=Cb·△qr/（CgCm+CgCb+CmCb） △U是总电容上的电压变化量，与它相应的电荷变化量为
电力变压器在线检测 —局部放电
Partial Discharge on-line Monitoring
1
放电
2
放电的主要类型
- 电晕 - 辉光 - 电弧
V 电晕
辉光 电弧 I
3
1. 电晕放电
电 晕 区
地电极
4
2. 火花 放电
带电体
火花放电
5
3. 沿 面 放 电
6
4. 电 弧 放 电
7
放电发展过程（1）
800
1000
t (ns)
(4) 杂质小桥放电
40
变压器绕组特性
Line
Core
PD
PD
LV MV HV
Neutral
41
变压器绕组相应于一个阻容网络。
42
➢ 对变压器内部局部放电进行检测时，通常只能从 变压器外部有限的几个测量端口获得信号。
➢ 由于放电点在变压器中的出现具有很强的随机性， 放电信号由放电源经过变压器绝缘介质、绕组到 达外部的测量装置，必然受到绕组结构传播特性 的多种影响，具体表现为造成信号幅值的衰减、 波形的畸变和时间延迟等现象。