油纸绝缘局部放电特性和它对材料的影响

油纸绝缘局部放电的发展和它对材料的影响王晓蓉胡龙龙张冠军严璋西安交通大学电气工程学院，710049 西安Partial Discharges Development in the Oil-Impregnated Pressboardand its Effect on the MaterialWang Xiaorong Hu Longlong Zhang Guanjun Yan ZhangSchool of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049摘要由于变压器结构非常复杂，不可能使内部的电场非常均匀，必然会存在有些部位局部场强强一些，因而其内部的局部放电是不可避免的。

但是绝缘材料通常都有一定的耐放电特性，那么研究什么情况的放电才会对绝缘造成损坏以及不同情况下放电特性的差异，不管对于规程的制定还是对于局部放电的监测都具有重要的意义。

油浸纸板是电力变压器的主要的绝缘材料，本文借助于数字示波器和扫描电镜研究了涉及油浸纸板的局部放电的发展特性和它对绝缘纸板的影响。

研究发现油浸纸板局部放电的发展过程明显的分为两个阶段：轻微放电阶段和强放电阶段。

这两个放电阶段不管在放电脉冲的幅值还是在放电脉冲的形状方面都存在很明显的差别，而且中间没有明显的过渡，表现为一种突变特性。

更为重要的是放电脉冲的形状与绝缘纸板的裂化有着比较直接的联系，为我们通过对局部放电的在线监测，及时发现树枝状放电的先兆提供了可能。

关键词局部放电故障监测油纸绝缘裂化Abstract Because of the complexity of transformers construction, it is impossible to make its inner electric field be homogeneous, there are some sites where their electric fields are more intense than others, and then it is unavoidable to have partial discharge (PD) in it. But usually the insulation materials can stand some extent of PD, so it is important both for the draw-up of the rules and for the diagnosis of PD to study in which condition the PD will make the insulation degradation and whether there have diversities among different PDs. The oil-impregnated pressboard is one of main insulation materials of transformer. Using digital oscilloscope and scanning electron microscope (SEM), the developing characteristics of PD pulse in the oil-impregnated pressboard and its effect were studied. It was found that there can be divided into two stages during the developing process of PD: slight discharge stage and strong discharge stage. The two stages are clearly different both from the shape and from the amplitude of the PD pulse. There has not clear transient period and shows a characteristics of sudden change between them. And it is more important that there are some direct relations between the shapes of PD pulses and the degradation of pressboard, through which it may be possible to discover the symptom of tree-like discharge in pressboard with the help of PD on-line monitor.Keywords partial discharge fault monitor oil-impregnated pressboard degradation1.引言局部放电与绝缘材料的老化和击穿密切相关，进而影响高压电力设备的寿命，因此对局部放电检测和识别是保证大型电力设备安全稳定运行的有效工具之一。

研究局部放电的发展过程以及对绝缘材料的影响有助于进一步认识局部放电的机理和它与绝缘材料老化的关系，进而有可能为根据测量得到的现象了解电力设备内部放电的特征和绝缘的状态提供依据。

80年代中期，国内220kV变压器围屏爬电故障时有发生，造成了巨大的经济损失。

针对这一问题国内不少学者进行了比较深入的研究[1-5]，系统分析了故障的起因和现象，并提出了相应的预防措施和诊断方法。

但他们分析研究的目的主要是寻找故障起因，为改进设计提供参考。

即使提到一些监测和诊断的方法[4,5]，也仅是从油色谱分析方面考虑的。

而色谱分析有一定的时延性，无法发现树枝状放电的先兆，当通过色谱发现放电性故障时，放电往往已经比较严重了。

而围屏爬电或树枝状放电是局部放电的一种，局部放电测量的一大优点就是它对故障很灵敏，因而从局部放电测量的角度去探寻监测和诊断的方法有可能在放电初期就能及时发现故障，从而降低故障损失。

近年来国外很多学者致力于研究绝缘材料内局部放电的发展和它对材料劣化、老化的作用[6-9]。

他们利用局放仪、数字示波器、光电倍增管、高速摄像机、扫描电镜等先进的测量仪器和设备，从放电模式（φ-q-n谱图）、单个放电脉冲波形、光脉冲、电树枝的发展以及材料表面的变化等方面多角度的研究放电的发展和对材料的影响，并对测量结果进行分析解释，探寻测量结果与材料性能的关系。

但是这些研究基本上都是针对电缆用聚乙烯材料的，而对于广泛用于电力变压器和电容器等设备的油浸纸绝缘则需做深入的分析。

本文就以油浸纸板为研究对象，借助于局放仪、数字示波器和扫描电镜研究油浸纸板中放电的发展和作用。

2.试验设计试验线路试验线路如图1所示，通过数字示波器和局部放电检测仪同时记录局部放电信号的脉冲波形及其统计特性。

试验过程中，由于局放仪的输出是模拟信号，无法给出定量信息，在此仅作定性观察，判断有无放电、放电强弱、频率大小等；而定量信息，如放电脉冲序列和单个脉冲的波形等则通过无感电阻由数字存储示波器来测得。

数字示波器采用TDS-680，它的最大带宽可达1GHz，最大采样频率为5GSa/s，一次采样最多可存储和传输15000个点。

示波器可通过GPIB接口与计算机连接；也可将数据直接存到软盘上，以便进一步分析和处理。

图1 局部放电试验线路图R -----保护电阻EVM ---静电电压表C X -----试品C c -----耦合电容器R d ----- 无感电阻Z d -----测量阻抗2.2 试验样品和电极试验中采用了电力变压器、电力电容器等电力设备常用的绝缘纸板（厚0.5mm）作为样品，试验用油为的纯净的25#变压器油，试验前纸板在油中充分浸渍。

油箱用透明的有机玻璃制成以便于观察试验过程中出现的各种现象。

为了易于实现油中的电晕放电和沿面放电，试验用电极选用尖-板、球-板两种形式，它们都用黄铜制成。

2.3 实验方法局部放电对绝缘材料的破坏通常有两种情况，一是突然出现很强的放电，瞬时或短时就使绝缘击穿。

这种突发情况根本无法监测，只能在故障后通过分析故障起因，改进设计和工艺，尽可能的避免此类故障发生；而大多数也是主要研究的情况是局部放电强度逐渐增强，使材料不断劣化。

这时局部放电是一个动态发展过程，有可能根据测量结果了解材料的性能，与材料的寿命。

本文对两种情况都做了分析。

首先对样品迅速加压，使样品直接击穿。

一方面可以大体确定样品的击穿电压，为后面的试验提供参照，从而不致因试品突然被击穿而损坏测试设备；另一方面也可通过扫描电镜观察样品的破坏情况，与另一类情况的结果作对比。

随后更换样品，着重对第二种情况进行试验。

试验中逐步提高外施电压，增大试品上的电场强度，通过数字示波器记录放电脉冲的波形和放电的时间序列。

分别对5个样品进行试验，每个样品承受的电压等级和时间不同，因而老化的情况也不同。

最后，通过扫描电镜观察样品表面的情况。

3.试验结果3.1 局部放电的时域特性分析油浸纸板的局部放电相对油隙放电要稳定的多，但与空气中的局部放电相比放电的频率都要少的多，通常一个工频周期最多只能捕捉到一次放电。

图2所示的是油浸纸板放电脉冲的峰值U m随外加电压U的变化趋势图，其中图2(b)是图2(a)前半部分的放大图。

由图2(a)可以看出，放电的发展过程明显的分成两个阶段。

在一定的电压范围内（图2(b)），放电脉冲的峰值是随机的，电压升高，脉冲峰值的变化没有规律；而且即使外施电压保持不变，脉冲峰值也在较大范围内波动。

此阶段典型的放电脉冲波形如图3(a)所示，正负脉冲出现的几率相同，而且其波形基本一致。

随着电压的升高，放电脉冲的形状变化不大。

称此阶段为轻微放电阶段。

当电压升高到一定程度，例如图2(a)中所示电压超过20kV的情况，放电脉冲的峰值突然增大，而且峰值随着电压的升高不断增大，这时即使电压不变脉冲峰值也会逐渐升高；该时刻在现场通常看到时隐时现的火花，偶尔可听到放电声，且放电波形也发生了明显变化，如图3（b ）所示。

这时正脉冲出现的几率明显少于负脉冲，它出现时往往伴随有放电声，而且正负脉冲形状发生了很大的变化，不再相似：正脉冲脉宽很宽，通常接近10µs ，脉冲的幅值也大大提高；而负脉冲时则表现为一连串脉冲的叠加。

此阶段称为强放电阶段。

050100150200250Um(m V )t (s )050U (k V )48121620Um(k V )t (s )0246U (k V )图2 油浸纸板中局部放电脉冲峰值U m 与外施电压U 的关系2004006008001000-0.020-0.016-0.012-0.008-0.0040.000V o l (V )t (ns)20040060080010000.0000.0040.0080.0120.0160.020V o l (V )t (ns)(a) 阶段 14812160.000.020.040.060.08V o l (V )4812160.00.10.20.30.00.20.40.60.8 1.0-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.010.00V o l (V )t (us)0246810-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.00t (us)(b) 阶段2图3 局部放电的典型脉冲波形3.2 试验样品表面的扫描电镜图图4所示的是不同放电情况下，样品表面的扫描电镜图。