直流下局部放電序列信號檢測與特性分析

司文榮 李軍浩 袁 鵬 郭 弘 羅勇芬 李彥明

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 710049 西安)

1 引言

高壓直流輸電輸送容量大，送電距離遠(yuǎn)，輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)，對環(huán)境影響小，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。目前我國高壓直流輸電的最高電壓等級為±500kV，隨著金沙江梯級水電站溪洛渡、向家壩的開工建設(shè)，±800kV直流輸電正在成為現(xiàn)實(shí)。然而隨著直流輸電電壓等級的不斷增高，直流輸電系統(tǒng)中的輸電線路和電工設(shè)備的電暈放電、局部放電、絕緣老化等問題開始受到關(guān)注。其中，使用油紙絕緣的關(guān)鍵設(shè)備（如換流變壓器），它們的絕緣狀態(tài)好壞直接影響直流輸電的可靠程度。電工設(shè)備中油紙絕緣結(jié)構(gòu)的某些薄弱環(huán)節(jié)，其局部放電隨著直流輸電電壓等級的升高變得更加嚴(yán)重，這對設(shè)備有一定的破壞作用，會導(dǎo)致該設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障。因此，研究油紙絕緣的直流局部放電具有非常重要的意義[1-2]。

直流局部放電的研究是從20世紀(jì)50年代開始的，國外在這方面研究較多，在我國則較少。國外學(xué)者主要研究了施加電壓的幅值、時(shí)間及其脈動系數(shù)對放電重復(fù)率的影響[3-4]，以及長時(shí)間條件下的放電脈沖序列分析[5-6]（放電時(shí)間間隔和放電幅值的統(tǒng)計(jì)分析）。國內(nèi)學(xué)者則研究了直流局部放電下油紙絕緣老化問題[1]和脈沖波形特性[2]、脈沖電容器的直流局部放電特性[7]以及地鐵直流電纜的局部放電[8]。上述涉及的直流局部放電脈沖序列信號均是基于標(biāo)準(zhǔn)的 IEC60270推薦的脈沖電流法獲取的。該方法主要缺點(diǎn)是測試頻率低（小于2MHz），輸出脈沖波形嚴(yán)重畸變，因而包含的信息量少。直流電壓下的局部放電同樣是絕緣缺陷部位被擊穿，但由于直流恒壓條件下不存在電壓變化和極性反轉(zhuǎn)，局部放電重復(fù)率較工頻時(shí)低，因此需要較長的采集時(shí)間獲取足夠多的脈沖個(gè)數(shù)才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。IEC61378規(guī)定換流變壓器閥側(cè)繞組帶局部放電測量的直流耐壓試驗(yàn)時(shí)間長達(dá)120min。如果采集過程中出現(xiàn)大量隨機(jī)干擾脈沖，會使采集的數(shù)據(jù)無效。但基于傳統(tǒng)脈沖電流法的檢測系統(tǒng)無法對突發(fā)干擾脈沖進(jìn)行處理。

本文則基于寬帶檢測獲取直流局部放電脈沖波形-時(shí)間序列。利用自行研制的直流局部放電脈沖波形-時(shí)間序列寬帶檢測系統(tǒng)在高壓試驗(yàn)大廳內(nèi)，針對常見的空氣中電暈和油紙絕緣典型缺陷模型進(jìn)行直流局部放電試驗(yàn)。基于脈沖波形時(shí)頻特征的脈沖群快速分類技術(shù)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)干擾脈沖剔除[9-11]，從而對各缺陷對應(yīng)的真實(shí)直流局部放電脈沖序列信號進(jìn)行特性分析，并驗(yàn)證目前用于分析直流局部放電的時(shí)間等待恢復(fù)模型及其假設(shè)。

2 時(shí)間等待恢復(fù)模型及其假設(shè)

直流局部放電可檢測的主要參數(shù)有放電量 q、放電發(fā)生時(shí)刻 t和外施電壓 U(t)。交流電壓下，可采用試驗(yàn)電壓相位φ同時(shí)表征 t和 U(t)，因此交流下局部放電分析基于q、φ 參數(shù)進(jìn)行。由于直流電壓不存在相位信息，因此需要尋找一個(gè)類似于相位φ的參數(shù)來描述直流下局部放電。Fromm提出將直流電壓下局部放電過程等效簡化為圖1所示的時(shí)間等待恢復(fù)（tL/tR）模型[5]。圖 1中，Uo為缺陷兩端的最終電壓；Umin為最小擊穿電壓；Ur為放電后缺陷兩端殘余電壓；?U為等待初始電子時(shí)缺陷兩端電壓變化值；tR為缺陷兩端到達(dá)最小擊穿場強(qiáng)所需時(shí)間；tL為等待初始電子所需的延遲時(shí)間；?tpre為當(dāng)前放電與前一次放電之間的時(shí)間間隔；?tsuc為當(dāng)前放電與下一次放電之間的時(shí)間間隔。基于圖1作以下三個(gè)假設(shè)：①放電量 q與?U相關(guān)；②放電后殘余電壓 Ur與?U相關(guān)；③放電的發(fā)生是隨機(jī)且互不相關(guān)的。從而推導(dǎo)得出放電時(shí)間間隔與放電量之間的關(guān)系[5]

圖1 直流局部放電過程及其時(shí)間等待恢復(fù)模型Fig.1 Interpretation of PD under DC voltage

下表基于直流局部放電可檢測的參數(shù)q和t以及時(shí)間等待恢復(fù)模型，總結(jié)了相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析譜圖。其中標(biāo)號1～4和11～14為放電特性統(tǒng)計(jì)分布，可用于直流局部放電識別[5-6]。標(biāo)號 5～8可驗(yàn)證時(shí)間等待恢復(fù)模型的假設(shè)③；而標(biāo)號9～10可驗(yàn)證時(shí)間等待恢復(fù)模型在假設(shè)條件下得到的式（1）和式（2）關(guān)于放電時(shí)間間隔和放電量幅值之間的關(guān)系。下表為基于單次試驗(yàn)可獲取的直流局部放電分析譜圖，除此之外，還有基于多次試驗(yàn)[3-4]的平均放電幅值與試驗(yàn)電壓的關(guān)系（q-U）、放電重復(fù)率與試驗(yàn)電壓的關(guān)系（n-U）等，本文對此不給予討論。

表 基于q和t的直流放電譜圖Tab. Histograms of DC PD based on q and t

3 直流局部放電試驗(yàn)與寬帶檢測系統(tǒng)介紹

直流下局部放電檢測與交流下檢測原理相同[2-6]，因此都可以使用IEC60270推薦的脈沖電流法測量直流下的局部放電信號。本文則使用寬帶檢測方法[9-11]測量直流下局部放電脈沖波形-時(shí)間序列。

3.1 試驗(yàn)與檢測系統(tǒng)

圖2給出了試驗(yàn)與檢測回路的原理接線圖。圖中直流高壓源由硅堆內(nèi)置的100kV負(fù)極性直流高壓發(fā)生器與大 RC負(fù)載組成[12]（這里，由于大 RC負(fù)載，使得直流高壓發(fā)生器內(nèi)部即使存在局部放電也會被硅堆阻截），其中 R=200MΩ、C=30nF。電阻R1和R0構(gòu)成40 000∶1的電阻分壓器，從R0兩端讀取試驗(yàn)電壓值。CK為85pF耦合電容，Rz為阻值數(shù)百 kΩ的水電阻，CX為試品。檢測電阻的頻響特性滿足局部放電寬帶檢測要求[2]。直流寬帶局部放電檢測系統(tǒng)采樣率 100MS/s，模擬帶寬 10kHz～40MHz。其工作模式基于單個(gè)脈沖觸發(fā)而記錄脈沖波形信號和檢測時(shí)間點(diǎn)，對單個(gè)脈沖波形進(jìn)行軟件峰值保持從而形成直流局部放電脈沖幅值-時(shí)間序列。其采集和處理界面如圖3所示。

圖2 高壓直流局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 DC PD test system

圖3 直流寬帶局部放電檢測界面Fig.3 Front-end of detection and analysis of DC PD

3.2 局部放電試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

設(shè)計(jì)了三種油紙絕緣局部放電模型以模擬換流變壓器油紙絕緣的典型缺陷[2]以及空氣中電暈?zāi)Ｐ停谠囼?yàn)中作為圖2中試品CX。圖4所示分別為空氣中電暈（見圖4a）、油紙絕緣尖板（見圖4b）、油紙絕緣內(nèi)部缺陷（見圖4c）和油紙絕緣沿面（見圖4d）放電模型。其中，圖4b～圖4d所示三種模型分別裝于盛滿變壓器油的有機(jī)玻璃筒內(nèi)。

圖4 局部放電試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 PD test defect models

3.3 抗干擾技術(shù)

圖3所示直流寬帶局部放電檢測系統(tǒng)具有的基于脈沖波形時(shí)頻特征的脈沖群快速分類技術(shù)[9]。其主要過程為對獲取的脈沖波形-時(shí)間序列進(jìn)行特征提取，在圖5所示的時(shí)頻特征平面上進(jìn)行聚類分析，從而將隨機(jī)干擾脈沖或噪聲信號剔除。

圖5 基于脈沖波形特征的抗干擾技術(shù)Fig.5 Anti-noise technique of PD based on pulse waveshape

4 試驗(yàn)結(jié)果示例

上述模型在不同試驗(yàn)電壓下，進(jìn)行了大量的局部放電檢測試驗(yàn)。下面給出四種局部放電模型獲取的典型幅值-時(shí)間序列信號 q-t圖（見圖 6）及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析譜圖（見圖7～圖10）。

圖 6a所示為典型的空氣中電暈放電幅值-時(shí)間序列（2000個(gè)局部放電脈沖）分布，其放電重復(fù)率高，放電幅值集中。圖6b所示為典型的油紙絕緣尖板放電幅值-時(shí)間分布，其放電重復(fù)較低，在2000s后采集局部放電脈沖個(gè)數(shù)小于1000個(gè)；放電幅值分布較集中，偶爾有高幅值脈沖出現(xiàn)。圖6c所示為典型的油紙絕緣內(nèi)部缺陷放電幅值-時(shí)間序列分布，這與其自身結(jié)構(gòu)相關(guān)，主要原因是局部放電的剩余電荷積累在缺陷表面容易形成反向電場，從而使得放電重復(fù)率低及放電幅值分布較分散。而圖6d所示為典型的油紙絕緣沿面放電幅值-時(shí)間序列分布，類似于空氣中電暈放電，放電重復(fù)率高且放電幅值分布集中。

圖4所示模型，在直流穩(wěn)恒電壓下表現(xiàn)出了不同的局部放電特性。但簡單的 q-t分布不能用于缺陷的識別以及干擾脈沖序列的區(qū)分。下面給出基于各典型放電幅值-時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析得到的直流放電譜圖。

圖6 直流下四種局部放電模型的典型放電幅值-時(shí)間序列Fig.6 Typical PD sequence of defect models under DC voltage

4.1 空氣中電暈放電

空氣中電暈放電典型的幅值-時(shí)間序列對應(yīng)的表1中標(biāo)號1-14統(tǒng)計(jì)譜圖如圖7所示。為了便于后續(xù)處理和相互比較，各譜圖中有單位的坐標(biāo)均進(jìn)行了歸一化處理。

圖7 直流空氣中電暈的典型放電譜圖Fig.7 Histograms in Tab. of corona in air

4.2 油紙針板模型

油紙絕緣針板放電典型的幅值-時(shí)間序列對應(yīng)的表中標(biāo)號1-14統(tǒng)計(jì)譜圖如圖8所示。

圖8 直流油紙針板的典型放電譜圖Fig.8 Histograms in Tab. of corona in oil

4.3 油紙內(nèi)部缺陷

油紙絕緣內(nèi)部缺陷典型的幅值-時(shí)間序列對應(yīng)的表中標(biāo)號1-14統(tǒng)計(jì)譜圖如圖9所示。

圖9 直流油紙內(nèi)部缺陷的典型放電譜圖Fig.9 Histograms in Tab. of bounded cavity model

4.4 油紙沿面模型

油紙絕緣沿面放電典型的幅值-時(shí)間序列對應(yīng)的表1中標(biāo)號1～14統(tǒng)計(jì)譜圖如圖10所示。

圖10 直流油紙沿面的典型放電譜圖Fig.10 Histograms in Tab. of surface discharge model

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

從上述圖7～圖10直觀分布可以看出，四種缺陷模型的直流放電譜圖有著不同的特性。其中∑n-q和∑n-?t用于常規(guī)的直流局部放電試驗(yàn)，大于某一放電幅值的次數(shù)以及小于某一放電時(shí)間間隔的次數(shù)來評判試品是否合格，這里由于為人工缺陷模型，不再討論這兩個(gè)譜圖。而譜圖q-?t（表1中序號 11-14）為基于?t的放電幅值統(tǒng)計(jì)，被用于直流局部放電識別[5-6]，圖7～圖10的k～n所示的譜圖 q-?t同樣表現(xiàn)出不同缺陷模型具有不同的譜圖q-?t分布，可以用于直流局部放電識別，因此這里也不再給予說明。下面對其他放電譜圖依次進(jìn)行分析。

5.1 空氣中電暈放電

從圖 6a、圖 7a可以看出，空氣中電暈放電幅值是很集中的。圖7c表明空氣中電暈放電時(shí)間間隔分布很分散。圖 7e所示的 qi-qi+1接近一個(gè)矩形分布，表現(xiàn)為前后放電幅值是隨機(jī)不相關(guān)的，則符合時(shí)間等待恢復(fù)模型的假設(shè)③。而圖 7f所示的?qi-?qi+1則表示前后兩次幅值差在大幅值差分布處有一定的相互約束關(guān)系。

圖7g和圖7h所示的qpre-q和qsuc-q均表明當(dāng)前放電幅值不受前一次放電幅值影響或當(dāng)前放電幅值不影響下一次放電幅值。這符合時(shí)間等待恢復(fù)模型的假設(shè)③。

圖7i所示的?tpre-q給出的結(jié)論是一個(gè)大的放電幅值是由較長的時(shí)間等待 tL引起，符合等式（1）所示結(jié)果。這種情況正是我們所希望的。因?yàn)橐粋€(gè)較長的時(shí)間等待tL會使得下一次放電在較大的放電電壓下（見圖 1）進(jìn)行，這個(gè)會導(dǎo)致一個(gè)大的放電幅值（假設(shè)①），因?yàn)樾枰嗟目臻g電荷去熄滅這個(gè)放電過程。

圖7j所示的?tsuc-q給出的結(jié)論是一個(gè)大的放電幅值是由較短的時(shí)間恢復(fù) tR引起，符合等式（2）結(jié)果。這種情況可以由放電幅值q和時(shí)間恢復(fù)tR兩者存在相互競爭的原因來解釋。首先，電壓的降低由上一次放電引起的空間電荷引起，空間電荷需要經(jīng)過一段時(shí)間逐漸消失，引起電壓的回升。一個(gè)大的放電幅值伴隨著一個(gè)多的空間電荷積累，所以相應(yīng)的時(shí)間恢復(fù)tR較長，才能達(dá)到再次最小擊穿電壓。其次，由于放電產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)原子，放電會增大間隙中的電離系數(shù)，這個(gè)增大的電離系數(shù)導(dǎo)致最小擊穿電壓的降低，從而僅需要一個(gè)較短的時(shí)間恢復(fù)tR。很明顯，由圖7j，直流下空氣中電暈放電過程其第二種效應(yīng)占主導(dǎo)地位。即隨著放電幅值的增大，時(shí)間恢復(fù) tR是減小的。這個(gè)結(jié)果與 Fromm在文獻(xiàn)[5]給出的結(jié)論一致。

5.2 油紙絕緣尖板放電

圖 6b、圖 8a可以看出，油紙絕緣尖板放電幅值分布是較分散的。而圖8c則表明油紙絕緣尖板放電時(shí)間間隔分布是較集中的。圖 8e所示的 qi-qi+1為一個(gè)矩形分布，表現(xiàn)為前后放電幅值是隨機(jī)不相關(guān)的。以及8f所示的?qi-?qi+1則表示前后兩次幅值差在大幅值差分布處有一定的相互約束關(guān)系，與空氣中電暈放電所得結(jié)果類似。

圖8g和圖8h所示的qpre-q和qsuc-q均表明當(dāng)前放電幅值不受前一次放電幅值影響或當(dāng)前放電幅值不影響下一次放電幅值。

圖 8i（ ?tpre-q）和圖 8j（ ?tsuc-q）所示的油紙絕緣尖板放電的放電幅值與放電時(shí)間間隔的關(guān)系沒有空氣中電暈放電的明顯。上述關(guān)系被分為兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域1為幅值（0～0.5）和區(qū)域2為幅值（0.5～1.0）。油紙絕緣尖板放電?tpre-q和?tsuc-q的區(qū)域 2表現(xiàn)的關(guān)系分別符合式（1）和式（2），即放電幅值越大，時(shí)間等待tL越長，而時(shí)間恢復(fù)tR越短。圖8i所示?tpre-q的區(qū)域1則表明放電幅值與時(shí)間等待tL無關(guān)，這需要進(jìn)一步研究。而圖8j所示?tsuc-q的區(qū)域1則同樣可以由放電幅值q和時(shí)間恢復(fù)tR兩者存在相互競爭一下原因來解釋。很明顯，區(qū)域1則表明直流下油紙絕緣尖板放電過程，由于兩種效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果相互抵消，從而表現(xiàn)為放電幅值與時(shí)間等待tR無關(guān)。

5.3 油紙絕緣內(nèi)部缺陷放電

從圖 6c、圖 9a可以看出，油紙絕緣內(nèi)部缺陷放電幅值分布是較分散的。而圖9c同樣表明油紙絕緣內(nèi)部缺陷放電時(shí)間間隔分布也是較分散的。圖9e所示的qi-qi+1盡管其放電個(gè)數(shù)較少，但也可視為一個(gè)矩形分布，表現(xiàn)為前后放電幅值是隨機(jī)不相關(guān)的。圖 9f所示的?qi-?qi+1分布與油紙絕緣尖板放電一致。

圖9g和圖9h所示的qpre-q和qsuc-q均表明油紙絕緣內(nèi)部放電其當(dāng)前放電幅值不受前一次放電幅值影響或當(dāng)前放電幅值不影響下一次放電幅值。這與上述直流下兩個(gè)缺陷模型的局部放電分析結(jié)果一致。

圖9i所示的?tpre-q給出的結(jié)論同樣是一個(gè)大的放電幅值是由較長的時(shí)間等待tL引起，符合等式（1）所示結(jié)果。但圖9j所示?tsuc-q分布由放電幅值q和時(shí)間恢復(fù)tR兩者存在相互競爭的原因來解釋得：由于兩種因素均不占主導(dǎo)地位，使得直流下油紙絕緣內(nèi)部缺陷的放電幅值與時(shí)間等待tR無關(guān)。

5.4 油紙絕緣沿面放電

從圖6d、圖10a可以看出，油紙絕緣沿面放電幅值分布是較集中的。而圖10c則表明其放電時(shí)間間隔分布也是較分散的。圖10e所示的qi-qi+1、圖10f所示的?qi-?qi+1、圖10g所示的qpre-q和圖10h所示的 qsuc-q分布均與前述油紙絕緣放電模型一致。圖 10i和圖 10j所示的?tpre-q和?tsuc-q均表現(xiàn)出了放電幅值與時(shí)間等待tL及時(shí)間恢復(fù)tR均無關(guān)。這由于沿面模型自身結(jié)構(gòu)的特殊性，使得式（1）和式（2）所示的放電幅值與放電時(shí)間間隔的簡單數(shù)學(xué)模型無法描述其放電過程。當(dāng)然，圖10j所示?tsuc-q分布也可以解釋為：由于放電幅值q和時(shí)間恢復(fù)tR兩者存在相互競爭，且兩種因素均不占主導(dǎo)地位，使得直流下油紙絕緣沿面放電的幅值與時(shí)間等待tR無關(guān)。其真實(shí)機(jī)理，還需要進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

（1）本文組建了直流下局部放電試驗(yàn)與脈沖波形-時(shí)間序列測試系統(tǒng)，基于脈沖波形時(shí)頻特征的局部放電脈沖群快速分類實(shí)現(xiàn)了抗干擾技術(shù)。并設(shè)計(jì)的三種油紙絕緣缺陷模型以及常見的空氣中電暈放電模型進(jìn)行了大量的局部放電試驗(yàn)，其在直流穩(wěn)恒電壓下表現(xiàn)出了不同局部放電特性。

（2）針對直流局部放電檢測獲取的兩個(gè)基本參數(shù)，放電幅值 q和放電時(shí)間點(diǎn) t，總結(jié)了大量的可用于直流局部放電分析和識別的放電譜圖。基于試驗(yàn)結(jié)果的直流放電譜圖分析表明，時(shí)間等待恢復(fù)模型及其假設(shè)可用于分析直流下局部放電過程。四種缺陷模型在直流下的局部放電幅值和時(shí)間間隔有著不同統(tǒng)計(jì)分布特性。這為基于幅值-時(shí)間序列的直流局部放電類型識別提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

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