電氣設備局部放電檢測與波形分析①

巴文祥

(陜西黃河集團有限公司 設計研究所，陜西 西安 710043)

電氣設備由于存在絕緣缺陷而產生局部放電，如果不能及時的排除絕緣故障，長期發展下去會產生絕緣擊穿的嚴重后果，通過局部放電檢測系統可以實現對電氣設備絕緣特性的檢測和評估，起到監測電氣設備是否安全運行，減少電氣設備供電故障的作用[1-2]。近年來，對電氣設備絕緣狀態的研究已經成為相關研究和應用領域的熱點，通過檢測電氣設備是否產生局部放電，以及對放電部位和絕緣劣化程度的研究，在一定程度上確保了電氣設備的安全運行，具有重要的研究和現實意義[3-4]。

1 局部放電研究的核心問題

1.1 局部放電產生原因

圖1 絕緣缺陷類型示意圖Fig.1 Schematic diagram of insulation defect types

電氣設備設備中可能出現的絕緣缺陷類型如圖1所示，大致可以分為以下幾個方面：

1)內部缺陷，在制造和運行過程中在絕緣設備內部產生氣泡和空隙，這些內部絕緣缺陷會使絕緣劣化，最終產生絕緣擊穿現象。

2)交界面缺陷，由于靜電屏蔽或者絕緣交界面接觸不良會產生局部放電，這種原因引起的局部放電可能性往往比較大。

3)絕緣子污染，設備表面污染或者金屬突起一般是在制造和不良安裝過程中產生的，這些微粒會在工頻狀態下引起絕緣擊穿。

4)懸浮導電微粒和毛刺，設備在制造或者安裝過程中會產生細小微粒或者毛刺，會在交流電場的作用下，產生隨機的局部放電。

1.2 局部放電信號檢測

局部放電的產生往往伴有電脈沖、電磁輻射、聲、光、熱、氣等現象出現。研究局部放電伴隨現象，有助于全面的分析局部放電產生原因和絕緣狀態檢測。目前，局部放電檢測的方法大致可以概況為電氣測量法和非電氣測量法[5-6]。常用的方法如下：1)脈沖電流法；2)超聲波檢測法；3)氣相色譜檢測法；4)超高頻檢測法；5)光檢測法等。

由于局部放電時會產生高頻的電磁輻射，且頻率會在一個特定的波段分布比較集中。同時，在局部放電現場會存在各種干擾信號，其大致分為：白噪聲、窄帶周期性信號和脈沖型信號等，實驗室檢測到的局部放電信號波源如圖2所示：

圖2 局部放電信號波源Fig.2 Partial discharge signal source

1.3 局部放電定位

目前，在實際應用中比較實用的局部放電定位方法有以下幾種類型：

1)平分面定位法，在三維空間選擇兩個檢測點裝上傳感器A、B，同時保證A、B兩點高頻暫態信號時差為零，可以判定局部放電發生在A、B兩點的平分面P1上。用相同的辦法，在三維空間任意選擇兩個高頻暫態信號時差為零的檢測點，確定一個平分面P2、P3。則三個平面相交于空間一個點，這個點就是局部放電的發生部位。如圖3所示：

圖3 平分面定位法示意圖Fig.3 Bisection plane location method

2)方位定位法，通過檢測兩個檢測點高頻暫態信號到達的先后順序就可以確定局部放電發生的大體位置，如果檢測點足夠多就可以很容易的確定局部放電發生位置。如果4所示：

圖4 方位定位法示意圖Fig.4 Azimuth location method

3)時差定位法，在電氣設備絕緣子表面安裝兩個檢測點，通過測量兩個檢測點局部放電信號脈沖到達的時間差，并通過電磁波信號傳播速度進行簡單計算就可以很容易的確定局部放電發生在絕緣子之間的具體位置，如圖5所示：

圖5 時差定位法示意圖Fig.5 TDOA location method

2 局放檢測系統構成和原理

針對電氣設備復雜的絕緣結構和特殊的工作環境，本文設計的局部放電檢測系統基本構成如圖6所示：

圖6 局部放電檢測系統Fig.6 Partial discharge detection system

該系統主要由信號采集、濾波放大、A/D轉換、數據處理和上位監控等系統構成，通過本系統可以實現局部放電信號的檢測和絕緣劣化程度的評估，系統原理圖如下：

圖7 系統原理圖Fig.7 System schematic diagram

3 主程序設計和波形分析

3.1 主程序設計

由于局部放電脈沖信號往往會比較弱，在進行信號采樣時，需要經過放大、濾波、A/D轉換處理，把處理后的數據送到中央處理芯片，進行一系列的數據分析、判斷和存儲，最后送到上位計算機。工作人員通過上位機界面進行監視和分析，達到局部放電信號實時監測的目的，其主要處理流程如下：

圖8 主程設計流程Fig.8 Main program design flow

3.2 局部放電信號波形分析

通過局部放電信號波形分析，就可以把各種放電類型分開，方便維修人員局部放電定位和維修，具有較強的應用價值，其波形分析如下：

1)如果有兩個以上的傳感器同時采集到局部放電信號，就會產生多個周期性的尖脈沖，則局部放電發生在設備內部，波形如圖9：

圖9 設備內部放電Fig.9 Internal discharge of equipment

2)如果在出線或繞組上有多個局部放電產生，放電信號在穿過絕緣紙時，信號幅值削弱，會出現如雞蛋外型脈沖群，波形如圖10：

圖10 出線或繞組放電Fig.10 Outlet or windings discharge

3)如果設備內部連接良好，圖譜波形是一個尖脈沖，當機械部件松動和接觸不良，則會產生幅度不均勻的周期性脈沖，波形如圖11：

圖11 機械振動放電Fig.11 Mechanical vibration discharge

4)如果在一個周期內出現兩個或更多的脈沖，脈沖幅度不是太高，且脈沖邊緣清晰，則可以判定是開關動作產生的局部放電,如圖12：

圖12 開關動作放電Fig.12 Switching discharge

4 結論

電氣設備的安全可靠運行與其絕緣狀態的良好是分不開的，局部放電是設備絕緣老化的主要原因，所以通過檢測電氣設備的局部放電就可以間接的了解設備的絕緣特性，本文通過研究局部放電產生原因和局部放電波形特性，設計了一套局部放電檢測系統，通過相應的局部放電定位方法和局部放電采集波形分析，將各種放電類型分門別類，能夠讓維修人員快速的定位局部放電發生部位，準確高效的排除電氣設備絕緣故障，從而提高了電氣設備運行的安全性，具有較強的實用價值。

[1] 李軍浩,顧朝敏,孫振權,王國利,李彥明.換流變壓器閥側絕緣承受電壓類型及含量分析[J].陜西電力,2011(10).

[2] 吳云飛,胡惠然.特大型電力變壓器現場局部放電測量技術研究[J].變壓器,2010(04).

[3] 張銳,吳旭濤,丁培.750kV主變壓器超高頻局部放電在線監測[J].寧夏電力,2010(02).

[4] 付光杰,何劍,趙海龍.基于解析信號小波的變壓器局部放電故障診斷[J].化工自動化及儀表,2013(03).

[5] 王勝輝,律方成,李燕青,李和明,武建華.紫外成像法在變電站電暈放電檢測中的應用研究[J].高壓電器,2010(02).

[6] 張又力,王禮,熊蘭,趙艷龍,楊子康,何為.10kV干式變壓器溫度在線監測與評價系統[J].電測與儀表,2012(06).