沖擊電壓與工頻電壓下局部放電試驗(yàn)對(duì)比分析

趙振揚(yáng)，趙 丹，郭 鐵，朱思彤，趙子健

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著局部放電檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用其對(duì)于設(shè)備的絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為十分有效的檢測(cè)方法[1]。電力設(shè)備發(fā)生絕緣故障的早期多會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，隨著局部放電的發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致絕緣老化。因此，絕緣的局部放電量也用來表征設(shè)備的絕緣狀況。但隨著被試設(shè)備電壓等級(jí)、電容量的增大，耐壓試驗(yàn)帶局部放電測(cè)量對(duì)試驗(yàn)設(shè)備容量需求也更為嚴(yán)苛，試驗(yàn)設(shè)備體積、重量激增，不便移動(dòng)，為現(xiàn)場(chǎng)局部放電試驗(yàn)測(cè)量的開展帶來極大困難[2-6]。

沖擊耐壓試驗(yàn)的特點(diǎn)是作用時(shí)間短，即長(zhǎng)時(shí)間作用的感應(yīng)耐壓試驗(yàn)對(duì)于設(shè)備的損傷相對(duì)較小。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，對(duì)設(shè)備絕緣缺陷診斷與評(píng)估時(shí)，沖擊電壓試驗(yàn)?zāi)軌蚺c耐壓試驗(yàn)形成有效互補(bǔ)。目前，沖擊電壓試驗(yàn)下，主要采用示傷波形比較的方法對(duì)局部絕緣故障進(jìn)行診斷分析，即比較低電壓與試驗(yàn)電壓下所記錄的電流和電壓的波形，如果采集到的波形發(fā)生了畸變，就可以推斷設(shè)備發(fā)生老化，具有絕緣缺陷[7-9]。

本文選取4種典型缺陷模型，對(duì)其施加工頻電壓，從而進(jìn)行對(duì)比分析，比較沖擊電壓下的局部放電和工頻電壓下局部放電的異同之處。

1 沖擊電壓與工頻電壓試驗(yàn)平臺(tái)

沖擊試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。圖中1為沖擊及振蕩電壓發(fā)生器；2為弱阻尼分壓器；3為試品；4為高頻電流傳感器；5為同軸信號(hào)SPD浪涌保護(hù)器；6為HFCT放大濾波器；7為沖擊及振蕩電壓局部放電采集系統(tǒng)。

圖1 沖擊試驗(yàn)平臺(tái)

交流局部放電試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。圖中1為試驗(yàn)電源工頻變壓器；2為保護(hù)電阻；3為相應(yīng)電壓分壓器；且與耦合電容器為一體；4為電壓檢測(cè)單元；5為被試試品；6為高頻電流傳感單元，其中A和B分別為浪涌保護(hù)器和濾波放大單元；7為檢測(cè)阻抗；8為局部放電檢測(cè)裝置。

圖2 沖擊電壓局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 沖擊電壓試驗(yàn)平臺(tái)

沖擊電壓試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物如圖3所示，其中本體分為3級(jí)，每級(jí)額定為100 kV，但是由于現(xiàn)場(chǎng)的接地網(wǎng)和相關(guān)設(shè)備的等級(jí)限制，3級(jí)總電壓為100 kV左右，可以滿足試驗(yàn)需求，分壓器的分壓比為1 436∶1，為了防止電流的反擊作用，試驗(yàn)過程中還加裝了浪涌電流保護(hù)器。

工頻試驗(yàn)采用的是無局放250 kV工頻試驗(yàn)變壓器，通過分壓器和耦合電容為一體的分壓器測(cè)量外施工頻交流電壓，外施交流電壓作用在試品高壓電極，地電極經(jīng)傳統(tǒng)檢測(cè)阻抗，并經(jīng)過與上述沖擊局放試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)一致的高頻電流傳感器，并接地，檢測(cè)阻抗和高頻脈沖電流傳感器輸出信號(hào)至采集系統(tǒng)[10-15]。

2 沖擊電壓與工頻電壓下局部放電試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 油紙絕緣平行板油隙

針對(duì)油紙絕緣平行板油隙，分別施加工頻電壓和操作沖擊電壓，比較其放電起始電壓、平均放電量、放電次數(shù)等特征量，從而得到在2種不同的電壓類型下油紙絕緣平行板油隙局部放電的對(duì)比關(guān)系。

由于操作沖擊電壓下的放電信號(hào)無法用傳統(tǒng)的標(biāo)定方法，因此，操作沖擊電壓放電下局部放電的平均放電量以mV為單位；對(duì)于平均放電次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，沖擊電壓下統(tǒng)計(jì)單次完成沖擊波形內(nèi)的局部放電脈沖數(shù)，然后取10組完整波形的脈沖數(shù)的平均值作為最終的平均放電次數(shù)，工頻電壓下取10組10個(gè)周期放電次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后求取單個(gè)周期放電脈沖數(shù)的平均值作為最終的平均放電次數(shù)。工頻電壓和沖擊電壓下平均放電量和平均放電次數(shù)的對(duì)比關(guān)系如圖4和圖5所示。

圖4 工頻電壓與沖擊電壓平均放電量比較1

圖5 工頻電壓與沖擊電壓平均放電次數(shù)比較1

工頻電壓下局部放電起始放電電壓為26 kV，在起始電壓后，以2.5 kV為步進(jìn)電壓，進(jìn)行局部放電測(cè)試。隨著電壓的提升，油隙局部放電逐步升高，且放電脈沖次數(shù)將增加，即當(dāng)電壓提升到一定電壓等級(jí)放電脈沖幅值將不會(huì)繼續(xù)增大，而是逐步增加脈沖放電數(shù)目。

在操作沖擊電壓下局部放電的起始放電電壓為60 kV，且同樣當(dāng)電壓提升到一定電壓等級(jí)放電脈沖幅值將不會(huì)繼續(xù)增大，而是逐步增加脈沖放電數(shù)目，并且在放電劇烈程度增至一定程度后，會(huì)形成幅值較高的放電脈沖簇。

對(duì)比圖4和圖5中2種電壓形式下的局部放電特征，對(duì)于油紙絕緣平行板油隙，操作沖擊電壓的局部放電起始電壓明顯高于工頻電壓作用下的起始電壓，前者約為后者的2.3倍，該差別符合高壓放電理論中的伏秒特性，即擊穿電壓隨著電壓作用時(shí)間的縮短而提高，沖擊電壓的上升沿較工頻電壓更陡，等效頻率更高，因此促發(fā)局部放電電壓相應(yīng)越高；隨著電壓等級(jí)的提高，工頻下的局部放電的平均放電量快速顯著增加，操作沖擊電壓下局部放電平均放電量的增加呈現(xiàn)出先慢后快的趨勢(shì)；平均放電次數(shù)兩者的增加趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)，沖擊電壓的平均放電次數(shù)遠(yuǎn)多于工頻電壓。

2.2 油紙絕緣懸浮金屬

針對(duì)油紙絕緣懸浮金屬，分別施加工頻電壓和振蕩操作沖擊電壓，比較其放電起始電壓、平均放電量、放電次數(shù)等特征量，從而得到在2種不同的電壓類型下油紙絕緣懸浮金屬局部放電的對(duì)比關(guān)系。放電方法及步驟與油紙絕緣平行板油隙相同。工頻電壓和沖擊電壓下平均放電量和平均放電次數(shù)的對(duì)比關(guān)系如圖6和圖7所示。

圖6 工頻電壓與沖擊電壓平均放電量比較2

圖7 工頻電壓與沖擊電壓平均放電次數(shù)比較2

工頻電壓下局部放電起始放電電壓為14 kV。隨著電壓的提升，懸浮金屬局部放電逐步升高，且放電脈沖次數(shù)將增加，即當(dāng)電壓提升到一定電壓等級(jí)放電脈沖幅值將不會(huì)繼續(xù)增大，而是逐步增加脈沖放電數(shù)目。

振蕩操作電壓對(duì)懸浮金屬放電缺陷激發(fā)局部放電信號(hào)易于辨識(shí)，且從放電密集度可以對(duì)局部放電劇烈程度進(jìn)行區(qū)分，其起始放電電壓為32 kV。振蕩操作從機(jī)電壓下局部放電在操作波形第1個(gè)脈沖峰值上易于激發(fā)局部放電，且隨著電壓的提升形成脈沖放電簇，且從操作波峰值向兩邊擴(kuò)展。

對(duì)比圖6和圖7中2種電壓形式下的局部放電特征，對(duì)于油紙絕緣懸浮金屬，操作沖擊電壓的局部放電起始電壓明顯高于工頻電壓作用下的起始電壓，前者約為后者的2.29倍，該差別符合高壓放電理論中的伏秒特性，即擊穿電壓隨著電壓作用時(shí)間的縮短而提高，沖擊電壓的上升沿較工頻電壓更陡，等效頻率更高，因此促發(fā)局部放電的電壓也就越高；隨著電壓等級(jí)的提高，工頻下的局部放電的平均放電量快速顯著增加，操作沖擊電壓下局部放電平均放電量的增加呈現(xiàn)出先慢后快的趨勢(shì)；平均放電次數(shù)兩者的增加趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)，沖擊電壓的平均放電次數(shù)遠(yuǎn)多于工頻電壓。

2.3 沿面缺陷

對(duì)沿面缺陷，分別施加工頻電壓和操作沖擊電壓，比較其放電起始電壓、平均放電量、放電次數(shù)等特征量，從而得到在2種不同的電壓類型下沿面缺陷局部放電的對(duì)比關(guān)系。

放電方法及步驟與油紙絕緣平行板油隙相同。工頻電壓和沖擊電壓下平均放電量和平均放電次數(shù)的對(duì)比關(guān)系如圖8和圖9所示。

圖8 工頻電壓與沖擊電壓平均放電量比較3

圖9 工頻電壓與沖擊電壓平均放電次數(shù)比較3

對(duì)比圖8和圖9中2種電壓形式下的局部放電特征，對(duì)于油紙絕緣懸浮金屬，操作沖擊電壓的局部放電起始電壓(32 kV)明顯高于工頻電壓作用下的起始電壓(5 kV)，前者約為后者的6.4倍，該差別符合高壓放電理論中的伏秒特性，即擊穿電壓隨著電壓作用時(shí)間的縮短而提高，沖擊電壓的上升沿較工頻電壓更陡，等效頻率更高，因此促發(fā)局部放電的電壓也就越高；隨著電壓等級(jí)的提高，工頻電壓下局部放電平均放電量呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)，而操作沖擊電壓下局部放電平均放電量的增加呈現(xiàn)波動(dòng)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)；平均放電次數(shù)工頻電壓下呈波動(dòng)式增長(zhǎng)，沖擊電壓下均勻增長(zhǎng)，沖擊電壓的平均放電次數(shù)遠(yuǎn)多于工頻電壓。

2.4 針板氣隙缺陷

針對(duì)針板氣隙，分別施加工頻電壓和操作沖擊電壓，比較其放電起始電壓、平均放電量、放電次數(shù)等特征量，從而得到在2種不同的電壓類型下針板氣隙局部放電的對(duì)比關(guān)系。放電方法及步驟與油紙絕緣平行板油隙相同。工頻電壓和沖擊電壓下平均放電量和平均放電次數(shù)的對(duì)比關(guān)系如圖10和圖11所示。

圖10 工頻電壓與沖擊電壓平均放電量比較4

圖11 工頻電壓與沖擊電壓平均放電次數(shù)比較4

對(duì)比圖10和圖11中2種電壓形式下的局部放電特征，對(duì)于油紙絕緣懸浮金屬，操作沖擊電壓的局部放電起始電壓(42 kV)明顯高于工頻電壓作用下的起始電壓(15 kV)，前者約為后者的2.8倍，該差別符合高壓放電理論中的伏秒特性，即擊穿電壓隨著電壓作用時(shí)間的縮短而提高，沖擊電壓的上升沿較工頻電壓更陡，等效頻率更高，因此促發(fā)局部放電的電壓也就越高；隨著電壓等級(jí)的提高，工頻電壓和沖擊電壓下局部放電平均放電量均呈現(xiàn)先慢后快的趨勢(shì)；平均放電次數(shù)工頻電壓和沖擊電壓下均呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，沖擊電壓的平均放電次數(shù)遠(yuǎn)多于工頻電壓。

綜上幾個(gè)試驗(yàn)，在測(cè)試條件和試品相同的條件下，改變施加電壓，進(jìn)而比較沖擊電壓是否具有評(píng)價(jià)絕緣狀態(tài)的能力，通過與傳統(tǒng)的工頻電壓下的局部放電檢測(cè)進(jìn)行比較試驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)其具有一定的實(shí)際可操作性，但是還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的支持。

根據(jù)缺陷不同，沖擊電壓下局部放電起始電壓與工頻電壓下局部放電起始電壓的比值呈現(xiàn)出明顯差異，沿面缺陷該比值最大(>6)，油隙缺陷最小(2.3)。因此，實(shí)際工程中可根據(jù)缺陷類型的不同來分別根據(jù)工頻下局部放電的起始電壓來推算沖擊電壓下局部放電的起始電壓在沖擊電壓半峰值時(shí)間內(nèi)，局部放電的平均放電次數(shù)的增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于1個(gè)周期的工頻電壓內(nèi)的局放平均放電次數(shù)增長(zhǎng)速率。

2.5 對(duì)比分析結(jié)果

通過工頻電壓與沖擊電壓下的局部放電試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得出相關(guān)結(jié)論，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)比結(jié)果分析

3 結(jié)束語

從試驗(yàn)中可以看到，沖擊電壓試驗(yàn)和工頻試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系符合伏秒特性，但是由于試驗(yàn)的隨機(jī)性和數(shù)據(jù)量不夠豐富，所以暫時(shí)還不能給出沖擊電壓是否有比工頻電壓靈敏的特性。但是通過試驗(yàn)可以看到，在沖擊電壓下進(jìn)行局部放電測(cè)量是有可行性和實(shí)際意義的。