電氣設(shè)備故障診斷概論課件：第15課 電力變壓器在線檢測(cè)—局部放電

1、電力變壓器在線檢測(cè)局部放電Partial Discharge on-line Monitoring1放 電2- 電暈- 輝光- 電弧IV電暈輝光電弧放電的主要類型31. 電暈放電地電極電暈區(qū)4火花放電帶電體2. 火花 放電53. 沿 面 放 電64. 電 弧 放 電7放電發(fā)展過(guò)程（1）8放電發(fā)展過(guò)程（2）9放電發(fā)展過(guò)程（3）10放電發(fā)展過(guò)程（4）11放電發(fā)展過(guò)程（5）12什么是局部放電？尚未導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)貫穿性擊穿的放電現(xiàn)象。 絕緣中的氣隙放電 尖端電極的電暈放電 不同介質(zhì)間的表面放電 浮動(dòng)金屬體的懸浮放電13局部放電的概念 簡(jiǎn)稱為PD（Partial Discharge） ，指由于電氣設(shè)備內(nèi)部

2、絕緣里面存在的弱點(diǎn)，在一定外施電壓下發(fā)生的局部的重復(fù)擊穿和熄滅的現(xiàn)象局部放電的危害 局部放電發(fā)生在絕緣內(nèi)部的氣隙或氣泡中，因?yàn)樵谶@個(gè)很小的空間內(nèi)即使電場(chǎng)強(qiáng)度很大，它的放電能量仍然非常小，所以它的存在并不影響電氣設(shè)備的短時(shí)絕緣強(qiáng)度。但如一個(gè)電氣設(shè)備在運(yùn)行電壓下長(zhǎng)期存在局部放電現(xiàn)象，這些微弱的放電能量和由此產(chǎn)生的一些不良效應(yīng)，如不良化合物的產(chǎn)生，就可以慢慢地?fù)p壞絕緣，日積月累，最后可導(dǎo)致整個(gè)絕緣被擊穿，發(fā)生電氣設(shè)備的突發(fā)性故障14導(dǎo)致局部放電的原因?電暈發(fā)光區(qū)電場(chǎng)的不均勻絕緣介質(zhì)的不均勻 因此在某些區(qū)域首先發(fā)生放電，而其它區(qū)域仍然保持絕緣特性，這就形成了局部放電。15以絕緣中的氣隙放電為例。s E

3、sg Eg由于 g1, g2 因此，氣隙內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)比絕緣介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度高，而氣隙的電氣強(qiáng)度又比絕緣介質(zhì)低。16我們可以探測(cè)到什么？ 局部放電過(guò)程所產(chǎn)生的各種物理化學(xué)現(xiàn)象： 電荷的遷移過(guò)程 電磁輻射 光輻射 超聲波 介質(zhì)分解反應(yīng)脈沖電流法UHF測(cè)量光學(xué)檢測(cè)法超聲測(cè)量法DGA電測(cè)量非電測(cè)量17一、局部放電的電脈沖測(cè)量 脈沖電流測(cè)量法是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的主要局部放電測(cè)量方法。 脈沖電流測(cè)量法的基本原理： 伴隨著絕緣介質(zhì)中局部放電的產(chǎn)生，放電電荷的轉(zhuǎn)移將在放電回路中形成脈沖電流信號(hào)，可通過(guò)測(cè)量被檢測(cè)設(shè)備的外電路中所流過(guò)的脈沖電流來(lái)檢測(cè)放電信號(hào)。18 以三個(gè)電容來(lái)表征介質(zhì)內(nèi)部存在缺陷時(shí)的局部放電的機(jī)理

4、Cg：氣隙的電容；Cb：和Cg相串聯(lián)部分的介質(zhì)電容；Cm：其余大部分絕緣的電容 。介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型 (a)具有氣泡的介質(zhì)剖面 (b)等值電路 局部放電的三電容模型19通常氣隙很小，CgCb，CmCg。電極間加上交流電壓u，則Cg上的電壓為ug介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型 (a)具有氣泡的介質(zhì)剖面 (b)等值電路 20 ug隨外加電壓u升高，當(dāng)u上升到Us，ug達(dá)到氣隙Cg的擊穿電壓Ug時(shí)，氣隙Cg放電。于是Cg上的電壓瞬間從Ug 下降到Ur，然后放電熄滅。Ur稱為殘余電壓。局部放電時(shí)氣隙中的電壓和電流的變化 21 放電火花一熄滅，Cg上的電壓將再次上升。外加電壓仍在上升，Cg上的電

5、壓也順勢(shì)而上升，當(dāng)它再次升到Ug時(shí)，Cg再次放電，電壓再次降到Ur，放電再次熄滅 局部放電時(shí)氣隙中的電壓和電流的變化 22 Cg上的電壓從Ug突變?yōu)閁r的瞬間，就是局部放電脈沖的形成的時(shí)刻，此時(shí)通過(guò)Cg有一脈沖電流，局部放電時(shí)氣隙中的電壓和電流的變化如圖所示局部放電時(shí)氣隙中的電壓和電流的變化 23當(dāng)Cg放電時(shí)，放電總電容Cg應(yīng)為 Cg= Cg+CmCb/(Cm+Cb) Cg上的電壓變化為(UgUr)，故一次脈沖放出的電荷應(yīng)為 qr = (UgUr)Cg+CmCb/(Cm+Cb) 當(dāng)Cm Cb，Cg Cb，Ur = 0時(shí)，qrUgCg介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型 (a)具有氣泡的介質(zhì)剖面 (b)

6、等值電路 24介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型 (a)具有氣泡的介質(zhì)剖面 (b)等值電路 qr = (UgUr)Cg+CmCb/(Cm+Cb) 在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，上式中的各個(gè)量，都是無(wú)法直接測(cè)量的。所以需要尋找能反映局部放電的量來(lái)測(cè)量。外施電壓是作用在Cm上的，當(dāng)Cg上的電壓變動(dòng)(Ug-Ur)時(shí)，會(huì)造成外施電壓的變化量U應(yīng)為 U = Cb（Ug-Ur) /（Cm+Cb) 25介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型 (a)具有氣泡的介質(zhì)剖面 (b)等值電路 qr = (UgUr)Cg+CmCb/(Cm+Cb)U = Cb（Ug-Ur) /（Cm+Cb) 由此兩式得U=Cbqr/（CgCm+CgCb+CmCb） U

7、是總電容上的電壓變化量，與它相應(yīng)的電荷變化量為qUCm+CbCg/(Cb+Cg) 把U 式代入上式q ，可得qqrCb/（Cg+ Cb） 26 qqrCb/（Cg+ Cb） 真實(shí)放電量：qr，是無(wú)法測(cè)量的；而qUCm+CbCg/(Cb+Cg)= CXU式中CX為絕緣介質(zhì)的總電容，因?yàn)閁及CX都是可以測(cè)得的，因此q也是可以測(cè)量的.視在放電量：q，是局部放電試驗(yàn)中的重要參量，在IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于各類高壓設(shè)備的視在放電量q的允許值均有所規(guī)定qqrCb/（Cg+ Cb）可見(jiàn)q比真實(shí)放電量qr 小得多，它以pC作為計(jì)量單位。其中C代表電荷量庫(kù)侖。27直接測(cè)量電路 (a) 電流脈沖探測(cè)，其中電路的檢

8、測(cè)阻抗與試品相串聯(lián)，試品的放電脈沖電流通過(guò)檢測(cè)阻抗向放大器提供脈沖信號(hào)。 (b)電壓脈沖探測(cè)，電路檢測(cè)抗阻與耦合電容器串聯(lián)，局部放電脈沖電壓的一部分加在檢測(cè)阻抗上；基本測(cè)量回路(a) 電流脈沖檢測(cè) (b) 電壓脈沖檢測(cè)直接測(cè)量電路282. 平衡測(cè)量電路多采用橋式電路，可以調(diào)整到對(duì)外界干擾信號(hào)有最好的平衡效果；當(dāng)Ck 和Cx 性質(zhì)相同時(shí)有理想的平衡效果。平衡電路29 無(wú)論是檢測(cè)電壓脈沖，還是檢測(cè)電流脈沖，都存在將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為是在放電量的問(wèn)題。qCXU 由三電容模型可知，在不同被檢測(cè)設(shè)備中即使發(fā)生相同大小的放電，由于被測(cè)設(shè)備的電容不同，則測(cè)到的放電脈沖幅值也會(huì)有很大差異。因此當(dāng)改變測(cè)量回路任何參

9、數(shù)時(shí)，都必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。 標(biāo)定方法為：在被測(cè)設(shè)備兩端瞬時(shí)注入一定電荷量，使被測(cè)設(shè)備端電壓的變化和由局部放電引起的端電壓的變化相同，此注入量即為局部放電的視在放電量。放電量測(cè)量的標(biāo)定30 以幅值為U0的方波通過(guò)串接小電容Cq注入試品兩端，此注入電荷量為Q0 = U0Cq 如果此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)為h，則系統(tǒng)的校準(zhǔn)系數(shù)為k = U0Cq/hPD試驗(yàn)的直接校準(zhǔn)回路 31 當(dāng)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，被測(cè)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生放電時(shí)，如測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)為h,則對(duì)應(yīng)的是在放電量為Q=k h= U0Cq h/h 為使校準(zhǔn)保證達(dá)到一定的精度，Cq必須滿足上式中Cm為測(cè)量阻抗的等值電容。通常Cq為100pC。32 局部放電最主要的

10、監(jiān)測(cè)量就是視在放電量 。qCXU 它是其他測(cè)量參量的基礎(chǔ)。局部放電的測(cè)量參數(shù)331.放電能量 W表征局部放電的基本參數(shù)，除了視在放電量q外，還有一次脈沖放電能量W W =qr(Ug - Ur) /2 =q(Cg+Cb)(Ug - Ur)/(2 Cb) 當(dāng)外施電壓由零上升到Us時(shí)，Cg上的電壓為Ug，即Ug=UsCb/(Cg+Cb)可得 W =qUs(Ug - Ur) /(2 Ug ) 如Ur0，則 WqUs/2 342. 放電重復(fù)率N 放電重復(fù)率N：是表征PD的另一個(gè)基本參數(shù)。因?yàn)樵诩訅喊胫芷趦?nèi)能發(fā)生好幾個(gè)脈沖。所以定義一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)叫做放電重復(fù)率N，N也是一個(gè)重要參量?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)求得

11、 如果每半周內(nèi)的放電次數(shù)為n，則N=2fn=100n 局部放電時(shí)氣隙中的電壓和電流的變化 353. 累積參數(shù) 平均放電電流：如果在測(cè)量時(shí)間T內(nèi)出現(xiàn)放電m次，各次相應(yīng)的視在放電量為qa1, qam，則平均放電電流 平均放電電流綜合反映了放電量和放電次數(shù)。 放電功率：如果在測(cè)量時(shí)間T內(nèi)出現(xiàn)放電m次，各次相應(yīng)的視在放電量和外加電壓瞬時(shí)值的乘積為qa1ut1, qamutm,則放電功率 反映了放電量、放電次數(shù)和放電時(shí)的外加電壓，包含有最多的局部放電信息364 起始和熄滅電壓 起始放電電壓：當(dāng)外加電壓逐漸上升，達(dá)到能觀察到局部放電時(shí)的最低電壓。 熄滅電壓：當(dāng)外加電壓逐漸降低到觀察不到局部放電時(shí)，外加電壓

12、的最高值。 對(duì)油紙絕緣，通常放電起始電壓高于熄滅電壓。 而對(duì)固體絕緣，兩者相差不大。37變壓器內(nèi)部常見(jiàn)的局部放電 帶有絕緣屏障的油間隙放電； 空氣隙放電； 沿面放電； 懸浮電位放電； 雜質(zhì)小橋誘發(fā)的放電。38電力變壓器中局部放電的波形特征(1) 帶有絕緣屏障的油間隙放電(2) 油中空氣隙放電電流波形 39(3) 沿面放電(4) 雜質(zhì)小橋放電 40變壓器繞組特性41變壓器繞組相應(yīng)于一個(gè)阻容網(wǎng)絡(luò)。42對(duì)變壓器內(nèi)部局部放電進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常只能從變壓器外部有限的幾個(gè)測(cè)量端口獲得信號(hào)。由于放電點(diǎn)在變壓器中的出現(xiàn)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，放電信號(hào)由放電源經(jīng)過(guò)變壓器絕緣介質(zhì)、繞組到達(dá)外部的測(cè)量裝置，必然受到繞組結(jié)構(gòu)

13、傳播特性的多種影響，具體表現(xiàn)為造成信號(hào)幅值的衰減、波形的畸變和時(shí)間延遲等現(xiàn)象。這就使得根據(jù)檢測(cè)到的放電信號(hào)估算放電強(qiáng)度，進(jìn)而判斷故障類型、分析故障嚴(yán)重程度以及對(duì)故障進(jìn)行定位發(fā)生困難。43(a) 油隙局部放電 (b) 氣隙局部放電(c) 沿面放電(d) 雜質(zhì)小橋誘發(fā)放電44對(duì)于時(shí)域波形較寬的油隙放電，經(jīng)繞組傳輸后主要波形特征基本得到保留；但對(duì)于沿面放電和氣泡放電等窄脈沖放電，由測(cè)量端獲得的響應(yīng)信號(hào)則發(fā)生非常大的畸變，已無(wú)法反應(yīng)其“原貌”，輸出波形為一衰減的振蕩波，基本與繞組的沖擊電流響應(yīng)一致，可見(jiàn)主要反映的是繞組的傳播特性。45局部放電的相位特征電暈放電相位圖1.電暈放電放電脈沖主要集中在工頻相位負(fù)半周的90附近。出現(xiàn)的放電脈沖幾乎等幅值、等間隔。隨著電壓的升高放電的大小幾乎不變，但放電密度增加。018046絕緣內(nèi)部的氣隙放電相位圖2.氣隙放電放電脈沖主要集中在工頻相位2090和200 270范圍。在正負(fù)半周基本對(duì)稱。47沿面放電相位圖3. 沿面放電放電脈沖主要集中在工頻相位2090和200 270范圍。由于電極的不對(duì)稱性導(dǎo)致放電脈沖在正負(fù)半周也不對(duì)稱。0180+48 所以利用放電脈沖在外施電壓工頻相位上的統(tǒng)計(jì)特征，比根據(jù)局部放電波形進(jìn)行局部放電類型的判斷更為有效。 49局部放電危險(xiǎn)嗎？局部放電是否危險(xiǎn)，取決于放電的類型。 懸浮金屬部件的懸浮放電 油中的氣泡放電 鐵心多