沖擊電壓與工頻電壓下局部放電試驗對比分析

趙振揚，趙 丹，郭 鐵，朱思彤，趙子健

(國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著局部放電檢測技術的不斷發展，利用其對于設備的絕緣狀態進行監測已經成為十分有效的檢測方法[1]。電力設備發生絕緣故障的早期多會產生局部放電現象，隨著局部放電的發展，會導致絕緣老化。因此，絕緣的局部放電量也用來表征設備的絕緣狀況。但隨著被試設備電壓等級、電容量的增大，耐壓試驗帶局部放電測量對試驗設備容量需求也更為嚴苛，試驗設備體積、重量激增，不便移動，為現場局部放電試驗測量的開展帶來極大困難[2-6]。

沖擊耐壓試驗的特點是作用時間短，即長時間作用的感應耐壓試驗對于設備的損傷相對較小。在現場應用中，對設備絕緣缺陷診斷與評估時，沖擊電壓試驗能夠與耐壓試驗形成有效互補。目前，沖擊電壓試驗下，主要采用示傷波形比較的方法對局部絕緣故障進行診斷分析，即比較低電壓與試驗電壓下所記錄的電流和電壓的波形，如果采集到的波形發生了畸變，就可以推斷設備發生老化，具有絕緣缺陷[7-9]。

本文選取4種典型缺陷模型，對其施加工頻電壓，從而進行對比分析，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平臺

沖擊試驗平臺如圖1所示。圖中1為沖擊及振蕩電壓發生器；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SPD浪涌保護器；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。

圖1 沖擊試驗平臺

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

圖2 沖擊電壓局部放電試驗系統

圖3 沖擊電壓試驗平臺

沖擊電壓試驗平臺的實物如圖3所示，其中本體分為3級，每級額定為100 kV，但是由于現場的接地網和相關設備的等級限制，3級總電壓為100 kV左右，可以滿足試驗需求，分壓器的分壓比為1 436∶1，為了防止電流的反擊作用，試驗過程中還加裝了浪涌電流保護器。

工頻試驗采用的是無局放250 kV工頻試驗變壓器，通過分壓器和耦合電容為一體的分壓器測量外施工頻交流電壓，外施交流電壓作用在試品高壓電極，地電極經傳統檢測阻抗，并經過與上述沖擊局放試驗檢測平臺一致的高頻電流傳感器，并接地，檢測阻抗和高頻脈沖電流傳感器輸出信號至采集系統[10-15]。

2 沖擊電壓與工頻電壓下局部放電試驗對比分析

2.1 油紙絕緣平行板油隙

針對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比關系。

由于操作沖擊電壓下的放電信號無法用傳統的標定方法，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；對于平均放電次數的統計，沖擊電壓下統計單次完成沖擊波形內的局部放電脈沖數，然后取10組完整波形的脈沖數的平均值作為最終的平均放電次數，工頻電壓下取10組10個周期放電次數進行統計，然后求取單個周期放電脈沖數的平均值作為最終的平均放電次數。工頻電壓和沖擊電壓下平均放電量和平均放電次數的對比關系如圖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為步進電壓，進行局部放電測試。隨著電壓的提升，油隙局部放電逐步升高，且放電脈沖次數將增加，即當電壓提升到一定電壓等級放電脈沖幅值將不會繼續增大，而是逐步增加脈沖放電數目。

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

對比圖4和圖5中2種電壓形式下的局部放電特征，對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，因此促發局部放電電壓相應越高；隨著電壓等級的提高，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出先慢后快的趨勢；平均放電次數兩者的增加趨勢相同，都呈現先慢后快的趨勢，沖擊電壓的平均放電次數遠多于工頻電壓。

2.2 油紙絕緣懸浮金屬

針對油紙絕緣懸浮金屬，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比關系。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的對比關系如圖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，且放電脈沖次數將增加，即當電壓提升到一定電壓等級放電脈沖幅值將不會繼續增大，而是逐步增加脈沖放電數目。

振蕩操作電壓對懸浮金屬放電缺陷激發局部放電信號易于辨識，且從放電密集度可以對局部放電劇烈程度進行區分，其起始放電電壓為32 kV。振蕩操作從機電壓下局部放電在操作波形第1個脈沖峰值上易于激發局部放電，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展。

對比圖6和圖7中2種電壓形式下的局部放電特征，對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，因此促發局部放電的電壓也就越高；隨著電壓等級的提高，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出先慢后快的趨勢；平均放電次數兩者的增加趨勢相同，都呈現先慢后快的趨勢，沖擊電壓的平均放電次數遠多于工頻電壓。

2.3 沿面缺陷

對沿面缺陷，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比關系。

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的對比關系如圖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比較3

對比圖8和圖9中2種電壓形式下的局部放電特征，對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，因此促發局部放電的電壓也就越高；隨著電壓等級的提高，工頻電壓下局部放電平均放電量呈現先慢后快的趨勢，而操作沖擊電壓下局部放電平均放電量的增加呈現波動式增長的趨勢；平均放電次數工頻電壓下呈波動式增長，沖擊電壓下均勻增長，沖擊電壓的平均放電次數遠多于工頻電壓。

2.4 針板氣隙缺陷

針對針板氣隙，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比關系。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的對比關系如圖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比較4

對比圖10和圖11中2種電壓形式下的局部放電特征，對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，因此促發局部放電的電壓也就越高；隨著電壓等級的提高，工頻電壓和沖擊電壓下局部放電平均放電量均呈現先慢后快的趨勢；平均放電次數工頻電壓和沖擊電壓下均呈現平穩增長的趨勢，沖擊電壓的平均放電次數遠多于工頻電壓。

綜上幾個試驗，在測試條件和試品相同的條件下，改變施加電壓，進而比較沖擊電壓是否具有評價絕緣狀態的能力，通過與傳統的工頻電壓下的局部放電檢測進行比較試驗，從而發現其具有一定的實際可操作性，但是還需要進一步的現場試驗的支持。

根據缺陷不同，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，實際工程中可根據缺陷類型的不同來分別根據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間內，局部放電的平均放電次數的增長速率遠大于1個周期的工頻電壓內的局放平均放電次數增長速率。

2.5 對比分析結果

通過工頻電壓與沖擊電壓下的局部放電試驗進行對比，得出相關結論，對比結果如表1所示。

表1 對比結果分析

3 結束語

從試驗中可以看到，沖擊電壓試驗和工頻試驗的對應關系符合伏秒特性，但是由于試驗的隨機性和數據量不夠豐富，所以暫時還不能給出沖擊電壓是否有比工頻電壓靈敏的特性。但是通過試驗可以看到，在沖擊電壓下進行局部放電測量是有可行性和實際意義的。