局部放电测量的基本知识.doc

局部放电测量的基本知识邱昌容 徐阳西安交大科技园博源电气有限责任公司序 言局部放电（PD）是表征高压电气设备绝缘性能的重要参数，也是发生绝缘故障的有效先兆信息通过局部放电的检测,特别是监测，将为避免事故的发生和实行状态检修创造条件因此PD监测已引起广泛的关注为了让用户基本上了解有关PD的机理，测量技术，测试结果的分析、判断，以及本公司生产的PD监测系统针对用户关心的问题，编写这本小册子目 录一、 什么是PD，如何产生 3二、 为什么要测量局部放电？ 3三、 有哪些测量局部放电的方法 3四、 有哪些PD表征参数 3五、 什么是局部放电谱图 3六、 视在放电电荷如何定量 3七、 为什么要对变压器局部放电进行监测 3八、 PD监测的关键技术是什么 3九、 BYT-II系统的工作原理及其特点是什么 3十、 如何进行绝缘诊断 3一、 什么是PD，如何产生局部放电是指在绝缘系统中，只有局部区域发生放电，而没有击穿，即放电没有贯穿施加电压的导体之间局部放电可能出现在绝缘体内部、绝缘体与导体的界面上，以及绝缘体表面导体周围都是气体时，导体边缘的PD称为电晕产生局部放电的根本原因是电场不均匀这可能是由于导体尖端，或毛刺；也可能是绝缘体内部或界面存在气泡、裂纹、杂质、或是绝缘系统由多种介质复合组成。

只要在局部区域的电场强度超过该区域材料的击穿场强时，在该区域就会出现放电，即产生局部放电例如变压器油纸中含有气泡，则气泡中的电场强度E0 比其周围油纸中的电场强Ep要大εp/ε0 倍εp为油纸的相对介电常数约2.2；ε0为空气的相对介电常数约为1，故E0＝2.2Ep而气体的击穿场EB0为3kV/mm(大气压力下)而油纸的击穿场强高达15kV/mm，很明显气泡首先放电而油纸仍然保持绝缘特性，这就出现局部放电此外还可能因导体接触不好或有浮动电位的金属体产生的PD二、 为什么要测量局部放电？局部放电会使周围的介质发生物理和化学变化，从而逐渐降低其绝缘性能，即发生老化，最终导致击穿这个过程是很复杂的，一般认为有以下几种形式：1、带电质点轰击： 在放电过程中，由于电离产生的电子、正负离子，在电场中具有的能量可达10eV以上，而一般高聚物的键能只有几个eV如C-H键能为3.5eV，C=C键能为6.2eV，因此这些带电质点轰击周围绝缘材料，就可能使高聚物裂解而变为低分子，降低了绝缘性能2、热效应： 在放电点上温度很高，可能产生热裂解，或促进化学反应，甚至使有机材料炭化，由此增大电导和损耗，降低绝缘性能。

3、生成活性物质： 最常见的如放电产生臭氧，在湿度大的环境下会产生各种酸如硝酸、草酸这将严重腐蚀绝缘材料此外，还有放电产生的各种射线如γ射线、χ射线、放电产生的机械应力、声波都会对材料起破坏性作用对于不同材料在不同的条件下电老化的机理可能不同，一般是以其中之一为主，其他同时存在如油浸纸变压器中局部放电，会使油分解出各种气体如氢气、乙炔等碳氧化合物，纸分解出糠醛，由过氧化物形成X腊从而降低了油纸绝缘的性能对于固体绝缘体，从局部放电起始到绝缘体发生击穿，一般都会经历树枝状的放电发展过程，从发生过故障的变压器解剖检查中，经常会观察到在围屏、填块、绕组或引线的故障点上有树枝状的放电痕迹在树枝放电发展过程中由于通道中的气体组分、气压、树枝形状的变化，通道中空间电荷和通道壁上陷入的空间电荷，以及因放电而使壁上的电导增大，都会导致PD状态不断变化，但在发生击穿的前期，一般都变得更为剧烈局部放电与绝缘缺陷和老化有密切的内在联系，可以通过测得的局部放电的特征来诊断绝缘状态，预示绝缘故障特别是对于突发性的故障更为有效因为介质损耗因数、绝缘电阻等参数是决定于绝缘系统的整体特性，而局部放电和绝缘的击穿一样是决定于系统中某一弱点，因此PD能更灵敏的预示击穿的发生；同时PD能表征绝缘状态的瞬时变化，而不像DGA需要较长的累积时间，因此它能更及时的预示故障的发生。

三、 有哪些测量局部放电的方法 1、几种测量方法： 局部放电会产生各种现象，如有电荷交换、电能损耗、电磁波辐射、发生声波、发光、发热以及分解出各种气体或生成新的物质于是可以通过捕获这些信息来检测局部放电目前实用最多的是脉冲电流法，此外也有采用超高频法、超声法、DGA法（油中含气）紫外光学法等，（1）超声法：抗干扰能力强，装置简单可靠，但不能定量，信号较弱近年采用光纤传感器（埋在内部）可提高灵敏度适用于定位及电容量大的试品2）超高频法：抗干扰能力强，不能定量，受信号传播过程的影响大，正在不断的改进传感器，已成功地应用于GIS，发电机的PD监测，变压器用的很少3）脉冲电流法：应用最广，是IEC和GB推荐的方法可定量，灵敏度高，获得的PD信息多，但干扰大，监测中首先要解决抗干扰问题4）DGA法：可以测油纸绝缘中的PD，但要累积一定时间，并且会与过热混淆5）紫外线法：用紫外摄相可检测电晕放电使于监测高压电网绝缘子的表面放电2、脉冲电流法： 脉冲电流法是目前IEC－60270及我国GB/T7354－2003标准中推荐的测量方法它是根据PD的等效电路提出的设在绝缘体内有一气隙c；与此气隙串联的部分介质为b，而其他部分介质为a，如图1. a）所示。

相应部分的电容CC 、Cb 、 Ca 组成等效电路如图1.b）所示当外加电压U升高达到气隙放电电压uCB 时，CC 放电，放电使中性分子电离，产生电子和正离子，它们在外加电场作用下移动，累积在气隙壁上，从而形成内部电压－△uc ，这时 CC上的实际电压为uCB －△uc ＝ur＜ uCB ，于是放电暂停，气隙上的电压又随外加电压上升而上 图1 PD等效电路图升，升到 uCB时又发生放电这样在一个工频周期内可能出现很多次放电，如图2所示每次放电过程很快，10-9~10-6 s 于是在试品的两端（电极间）就会出现许多脉冲电压△ua ，从等效电路可推导出： 图2 放电脉冲图△ua =△uc △uc (Ca＞＞Cb) <1>气隙中实际的放电电荷： qc=△uc (CC+) △uc（CC+Cb） <2>而在试品两端出现的视在放电电荷：qa =△ua(Ca+) △ua Ca <3>将式<1><2>代入<3>得到qa = qc <4> 实际放电电荷比视在放电电荷大，我们能测到的只是视在放电电荷。

瞬变的视在放电电荷通过与试品连接的测试回路，形成脉冲电流，可以用各种不同的传感器和耦合方法来检测此脉冲电流，从而测得PD的各个表征参数这就是脉冲电流法的测量原理四、 有哪些PD表征参数用脉冲电流法测得的参数有：1、视在放电电荷q(pc) 各次放电在试品施加电压的两端出现对应的瞬变电荷，它与实际放电电荷的关系见式<4>放电量是以重复出现的最大视在放电电荷qa来表示2、放电相位（度） 各次放电对应的外加工频正弦瞬时电压的相位3、放电重复频率N (次/s) 每秒钟内单个放电的次数4、放电平均电流 I(A)在放电时间T内，视在放电电荷绝对值q的总和对时间的平均值I = 5、放电功率 P(W) 在放电时间T内，各次放电能量之和对时间的平均值 P = 式中qi为第i次放电的视在放电电荷（C）；ui为出现qi放电时外加电压的瞬时值（V）6、起始放电电压ui(v) 施加于试品的电压逐渐上升，直到测试系统上观察到局部放电信号时，施加电压的最小值用有效值表示为起始放电电压，要求测试系统最小可测放电量，不大于试品允许放电量的1/27、放电熄灭电压ue (V) 施加于试品的电压从规定的试验电压开始下降，直到观察不到局部放电信号时，外加电压的最大值（用有效值表示）为放电熄灭电压。

要求测试系统最小可测放电量，不大于试品允许放电量的1/2还有其他一些表征参数，如发电机PD监测中用的放电量qm是每秒钟内出现10次放电时，对应的视在放电电荷；还有标称放电数量NQN.(Normalized Quantity Number),是将放电视在电荷分为m个等区间，设最大电荷量为Qm .第I区间内放电次数为N；系统的放大倍数为G，则NQN是通过下式计算得 以上陈述得各参数中q、N、φ三个为基本参数，可以把若干个工频周期（一般取50个周期）测得的全部放电数据画在工频周期放电图上，如图3所示，从图中可以看书在不同相位上出现放电 图3 工频周期放电图量得大小（高度）及放电次数（密度）五、 什么是局部放电谱图局部放电是很复杂的物理现象，用单一表征参数很难全面描述通过统计计算，做成各种放电谱图，才能比较全面的描述其概貌，从而识别不同的放电类型，为绝缘诊断提供依据常用的放电谱图有以下几种：1、 q-φ谱图 不同相位（外加工频正弦电压的相位）区间内，发生的视在放电电荷的平均值（或最大值）的分布图，如图4 a)所示这表示在外加电压的不同相位上，放电量大小的分布情况 2、 N-φ谱图不同相位区间内放电次数总数的分布图，如图4 b)所示，这表示在外加电压不同的相位上，放电次数的分布。

3、 N-q谱图 放电量按大小依序排列，取等区间内的放电次数的分布图，如图4 c)所示这表示不同放电量的放电次数有多少以上几种谱图都是二维坐标来描绘，都称之为二维谱图4、 N-q-φ谱图 这是以上三种谱图集合在一个三维坐标上的谱图，如图4 d)所示从这个谱图可以同时看到N、q、φ三个参数的相互分布情况，确定了其中两个参数后，就可以找到第三个参数值d) a) b) c) 图4 图4 a) q-φ谱图 b) N-φ谱图c) N-q谱图 d) N-q-φ谱图还有其他一些谱图，每种谱图都可以用各种统计算子来描述，以便进一步识别各种放电类型六、 视在放电电荷如何定量PD测量系统测得的是放电脉冲电压的幅值，它代表多少视在放电电荷，还需进行校准校准的方法是根据IEC-60270标准和国标GB/T 7354规定，将校正脉冲发生器产生的模拟实际放电的已知瞬变电荷q0(pc)，注入到试品的测量端见图5，记下此刻测试系统的响应读数α0（mV）则系统的分度系数为： K = (pc/mV) 图5 定量线路图之后，拆除校正脉冲发生器（因为它不能承受高电压），保持测试系统的灵敏度不变（K不变），在试品上施加试验电压，当试品出现局部放电时，试品两端出现视在放电电荷，这时系统测得响应值为αx（mV），则试品的视在放电电荷为： qx。