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直流和交流电压下典型缺陷模型局部放电波形比较分析(1)


绝缘材料

2008 , 41 ( 1)

李晓华等 : 直流和交流电压下典型缺陷模型局部放电波形比较分析

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直流和交流电压下典型缺陷模型 局部放电波形比较分析
李晓华 , 吴广宁 , 边姗姗 , 彭 倩
( 西南交通大学 电气工程学院 , 成都 610031)


摘要 : 在直流电压和工频交流电压下分别测量了 3 种典型放电模型的局部放电波形 , 并对放电脉冲波形进行快速 傅立叶变化处理得到频谱分析图 。 通过比较 3 种放电模型在两种电压条件下的放电波形 ,发现对于同种放电模型 在两种电压条件下的放电脉冲波形均很相似 ,且放电能量频率分布范围相同 。 但在相同的电压条件下 ,3 种放电模 型的放电波形形状与频谱分析谱图存在区别 ,在相同的检测系统中 ,可以通过比较波形区分 3 种典型放电 。 关键词 : 局部放电 ; 直流 ; 交流 ; 缺陷模型 ; 放电波形 中图分类号 : TM206 文献标志码 :A 文章编号 :1009 - 9239 ( 2008) 01 - 0053 - 04

Com parison of Part ial Disc har ge Pul se Sha pe in Typ ical Def ect Model s un der DC Volta ge an d AC Volta ge
L I Xiao - hua , WU Gua n g - ni n g , B IAN S ha n - s ha n , P EN G Qia n ( S chool of Elect rical En gi neeri n g , S out hw est J i aoton g U ni versi t y , Chen g d u 610031 , Chi na )

Abstract : The Pa r tial Dis c ha r g e p uls e s ha p es unde r DC condition i n i nt e r nal dis c ha r g e models , s urf ace
dis c ha r g e models a nd cor ona dis c ha r g e models we r e obt ai ne d . The n t he dis c ha r g e p uls e s ha p es , Fourie r a nal ysis on t he dis c ha r ge p uls e s hap es a nd t he PD c ha r act e ris tics unde r DC a nd AC condition i n t he t h r e e ki nds of t yp ical def ect models we r e com p a r e d . The e x p e ri me nt s i ndicat e t hat t he dis c ha r g e p uls e s ha p es i n t he s a me def ect models unde r DC a nd AC volt a g e a r e si mila r , but t he r e a r e diff e r e nces i n t he p uls e s hap es wit h diff e r e nt def ect models . The p uls e s hap e a nd f r e que nc y sp ect r um a r e s ubj ect e d t o t he t yp es of def ect model or t he t r a ns mission li nes of de t ection s ys t e m .

Ke y words : p a r tial dis c ha r g e ( PD ) ; di r ect c ur r e nt ( DC) ; alt e r nati n g c ur r e nt ( AC) ; def ect model ; dis c ha r g e
p uls e s ha p e

引 言 局部放电作为一种绝缘检测手段 , 已成功用于评 估交流高压设备的绝缘状况 , 该方法得到了广泛的关 注并取得很大的进展 [1 ]。 但在直流电压作用下用局部 放电评估高压器件的绝缘状况 , 理论和实验研究都落 后于实际需要 [2 ~4 ] 。直流电压下不存在放电重复周 期 , 单位时间的放电次数也比交流电压时少很多 , 一 般情况下认为直流局部放电对绝缘性能的影响较小 , 因而此方面的研究甚少 [5 ]。 但随着高压直流设备的广 泛应用 , 大量设备都长期工作在直流条件下 , 直流局部 放电对绝缘造成破坏将是一个不可忽视的现象 [6 ,7 ]。
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收稿日期 : 2007 - 10 - 09 基金项目 : 国家自然联合基金项目 ( 10476022) 作者简介 : 李晓华 ( 1983 - ) , 男 , 河北人 , 硕士生 , 从事局部放电测试
( 技术研究 。电话) 028 - 87600944 ( 电子信箱) xavier . li @163. co m ;吴

广宁 ( 1969 - ) , 男 , 教授 , 博士生导师 , 从事高电压与绝缘方面的科研 与教学工作 。

国外对直流局部放电现象有一定的研究 , 国内还仅处 在初步研究阶段 , 尚未形成统一的试验标准 , 对直流 局部放电信号的评估仅限于基本参数统计分析 , 如 q ( 放电量) , n ( 放电次数) , t ( 放电时间) 参数曲线 、 1 U ( 第一次大于规定 PD 量的试验电压) 、 N 1 ( 规定直流 电压下规定时间内的放电次数) 、 N 0 ( 自行放电时间 内的放电次数) 等 [8 ,9 ] 。但这些放电参数所蕴含的信 息量有限 , 不易真实地反映绝缘介质内部局部放电发 展趋势及其对绝缘介质的危害程度 。 而且直流局部放 电重复率很低 , 测量得到的放电数据量比交流电压下 少很多 , 通过对放电数据的统计分析来判断缺陷的局 部放电特性有较大的困难 , 因而分析放电波形区分不 同缺陷类型是比较合适的方法 。 目前国内外对直流局 部放电波形分析还在起步阶段 , 对不同类型缺陷引起 的放电波形尚未形成有效的识别方式 。 但交流条件下 局部放电波形识别已具有较好的基础 [10 ] , 如果能借 助交流条件下局部放电波形识别方式应用到直流局

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部放电测试中 , 将极大的推进直流局部放电测试技术 的应用 。 因此研究同种类型缺陷的直流和交流电压下 局部放电波形联系 ,具有较高的研究意义 。 本文针对高压电气设备中普遍存在的 3 种缺陷 模型 : 气隙放电模型 、 表面放电模型和电晕放电模型 在直流和交流电压下分别测量了其局部放电波形 , 在 后续分析中比较了 3 种缺陷模型在两种电压条件下 局部放电波形特征及其频谱分析图 。 局部放电测量电路及试样 2. 1 局部放电测试电路 测量系统接线如图 1 , 采用脉冲电流法测量局部 放电信号 [11 ]。HVDC 为低纹波系数高压直流电源 , Z 为保护电阻 , C k 为耦合电容 , C x 为检测试样 , R 为检 测阻抗 。R 上捕获到局部放电信号后 ,通过电缆被示 波器采集 , 并且通过以态网传输数据到个人计算机 中 , 记录局部放电特征量 , 从而分析得出测试局部放 电波形及其特性 。
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试验对 3 种放电试样进行了局部放电波形测量 , 分别是气隙放电模型 、表面放电模型和电晕放电模 型 。气隙放电模型使用两柱状电极同心放置 , 电极边 缘采用倒角处理以防止电晕 , 两电极中夹三层介质 膜 ,在中间一层介质膜上制作有一个直径 3 mm 的孔 洞 , 作为内部缺陷 , 如图 2 ( a ) 。表面放电模型把两铜 片电极压紧到绝缘膜表面 , 绝缘膜采用电力电容器 膜 , 两电极极间距离 5 mm , 为了使放电容易发生 , 其 中一个电极制有尖状突出 ,如图 2 ( b ) 。 电晕放电模型 采用典型的针板电极模型 , 为了有利电晕放电持续发 生 , 板极接正 , 针极接负 , 两电极间距为 2 mm , 如图 2 (c) 。

图 1 测量系统示意图

在局部放电试验中 , 电源的性能对于局部放电测 量精度有极大影响 。 其影响主要是由于高频干扰信号 引起 , 主要来源于两方面 : 高压直流电源由于其自身 电力电子器件快速的开关动作会产生干扰和电源中 升压变压器在电压足够高的时候可能产生局部放 电。 试验中发现采用检测阻抗和测试试样串联接线可 明显减小外电路引入的干扰 。因在局部放电测试中 , 测试试样的容量一般远小于耦合电容的容量 , 检测阻 抗与测试试样串联后 , 外电路干扰大部分都被试样隔 离 ,这样的接线方式可以得到更高的检测灵敏度 。 测量系统中检测阻抗使用无感电阻 , 其带宽在 100 M 以上 。因试样在测试的时候存在击穿的情况 , 因此在检测阻抗两端并联快速瞬态击穿二极管作为 保护 , 防止试样击穿危及测量设备及测试人员 。由于 在检测阻抗两端并入二极管使检测阻抗容性增加 , 信 号高频响应不足 , 使检测阻抗带宽略微减小 。考虑到 窄脉冲放电信号能量主要集中在 10 M Hz 以下 , 可以 满足测量要求 [12 ]。 示波器最高模拟带宽为 300 M Hz , 最高采样率为 2 GHz 2. 2 试 样

图 2 典型缺陷模型示意图

试验结果及分析 针对 3 种典型放电模型 , 利用图 1 所示的局部放 电测量电路进行了直流局部放电测量 。 通过以太网将 数据通过示波器储存到计算机中 , 并对波形进行快速 傅立叶变换处理 , 得到相应的频谱分析图 , 如图 3~ 图 5 所示 。 图 3 ( a ) 是气隙放电模型在直流电压上升至 2 500
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图 3 气隙放电模型局部放电波形及频谱分析图

图 4 表面放电模型局部放电波形及频谱分析图

图 5 电晕放电模型局部放电波形及频谱分析图

V 的过程中得到 ; 图 3 ( b ) 是模型在交流电压 1 500 V , 工频周期 0~ 90° 得到的 。气隙缺陷模型在直流和

交流条件下放电波形相似 , 均有一个明显的正向主脉 冲 , 持续时间约为 100 ns 。从该波形的频谱分析可以 看出 ,放电能量主要集中在 10 M Hz 以下 ,在 10~ 100

M Hz 频域范围内存在一些能量较大的峰 。 图 4 ( a ) 是表面放电模型两端电压为 3 000 V 时 取得的 ; 图 4 ( b ) 是模型在交流电压 3 000 V 工频周期 0~ 90° 时测的 。从放电波形上看 , 直流放电波形的幅 值明显小于同等电压交流条件下放电波形的幅值 , 但

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从频谱分布图中发现有相同之处 , 放电能量主要集中 在 10M Hz 以下 ,在 100M Hz 附近有几处峰值存在 。 图 5 ( a ) 是电晕放电模型两端电压升至 3 670 V 得到局部放电波形 ; 图 5 ( b ) 是模型在交流电压升至 3 000 V 时工频周期 90° 附近得到的 。 两种电压条件下 模型放电波形相同 , 从图中可知放电幅值较大 , 波形 主脉冲持续时间较长 , 约为 400 ns 。从频谱分析图可 以看出放电能量主要集中在 4 M Hz 以下 ,在 30~ 100 M Hz 频域范围内存在几处峰值 。 在直流和交流电压下 , 各种模型局部放电波形虽 然幅值相差较大 , 但同种缺陷模型的放电波形的整体 形状在两种电压下均相似 ; 从 3 种缺陷模型放电波形 的傅立叶变换结果来比较 , 同种模型的放电波形在两 种电压下有相似的频率分布 。 因此 3 种放电模型的波 形在直流和交流电压下比较的结果可以得出 , 缺陷模 型的放电波形与其缺陷类型有很大的关系 , 而受工作 电压的影响较小 。但是在相同的电压条件下 , 3 种模 型的局部放电波形差别较大 , 而且频谱分析图中 , 放 电波形的能量分布也有差异 。因此 , 可以通过对放电 波形的识别来区分几种典型模型的局部放电 。 在试验中 , 放电波形的形状和频率分布与波形传 输路径有关 。波形传输路径改变 , 放电波形的形状和 频率也会受到影响 。 6 是直流电压下采用较长电缆 图 线传输后采集得到的气隙模型放电波形 , 因传输线路 阻抗不匹配 ,造成放电波形有较大振荡 。

类型时 ,要选用相同的测量线路 。 同时 ,如果测试试样 中存在多种不同类型的放电源 , 可通过比较放电波形 及频谱分布区分不同的放电源 。 结 论 测试电路中采用检测阻抗与测量试样串联再与 耦合电容并联的接线方式 , 可以更好的抑制直流电源 和外电路带来的高频干扰 ,提高测量灵敏度 。 气隙 、 表 面与电晕 3 种放电模型在直流电压和交流电压下其 放电波形和频谱分布相似 , 且放电能量主要集中在 10 M Hz 以下 ; 但 3 种模型之间放电波形和频谱分布 存在较大区别 , 可通过比较其放电波形和频谱分布来 区分 3 种放电模型 。 局部放电波形和频谱分布与波形 传输路径相关 , 进行波形比较时应基于相同的测量线 路。 对于同一试样存在多个放电源可通过对比放电波 形和频率分布进行区分 。
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参考文献 :
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图 6 气隙放电模型放电波形及频谱分析图

波形频谱分析图中对应在 30 M Hz 处有一较大 峰值 , 此峰值为线路中阻抗不匹配的波形振荡引起 。 图 3~图 6 中 , 在频率为 100 M Hz 处均有幅值为 5 p . u. 左右的峰 , 此峰是由于检测阻抗处并联二极管 引起 。 因此通过比较放电波形及频谱分布来区分缺陷

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