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典型绝缘缺陷的直流局部放电信号波形分析


典型绝缘缺陷的直流局部放电信号波形分析
张血琴,吴广宁,李晓华,边姗姗
(西南交通大学电气工程学院,成都610031)

摘要:直流局部放电测试是高压直流设备绝缘性能状态评估的主要手段之一。为掌握直流下局部放电波形的特性,对内部、 表面、电晕3种典型缺陷的直流局部放电波形进行测试与分析。内部缺陷受放电电荷的反电场影响,在直流平稳区不能持 续

发生,断电后会出现反极性放电;表面放电与电晕放电均能在直流电压下稳定产生,却不能在断电后出现。分析直流电压

下局部放电信号,3种放电脉冲的持续时间均有不同。且放电波形易叠加振荡。比较缺陷放电信号的频谱分析结果,3种放
电的能量分别位于不同的区间,为直流下缺陷类型的识别奠定了基础。 关键词:直流;局部放电;缺陷;频谱分析;波形 中图分类号:TM835

文献标志码:A

文章编号:1009—9239(2007)03一0058—04

Waveform
on

Analysis

of DCPD

Signal

Typical Insulation

Defects
C,li行口)
DC

ZHANG Xue.qin,WU Guang.ning,LI

Xiao也ua,BIAN Shan—shan
C^P打gd“61003J, methods were
on

(Sc^oDZ f】,EZPcfric口Z E珂gf雄eP,.i”g。
Abstract:DCPD devices. surface DC To and measurement is the
one

So“£^u,gst.,i口pfo以g U以f口er5ity,
the insulation of DCPD

of

condition estimation
test

high voltage
on

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proceed

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discharge much will

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on

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three discharge

However surge easier frequency

the

waveform

frequency

spectrum analysis. Com? band range, which will

spectrum results

of three defects, DC.

haVe respective

to

the defect type DC:partial

recognition under

Key words:

discharge;defect;frequency spectrum analysis;waveform

1引言

量,揭示其缺陷,甚至可以以局部放电特性试验结果 为基础,确定绝缘介质的工作场强,预测电气设备的 寿命。放电脉冲波形与放电源的性质有直接关系【2q】, 有利于绝缘缺陷类型的深入认识。但国内外对直流局 部放电波形的研究并不多,主要是基于统计参量的测 试研究,如基于9,竹,t参数的q一以,g—z,刀一z曲 线、U。(第一次大于规定PD量的试验电压)、N。(规定 直流电压下规定时间内的放电次数)、N。(自行放电时 间内的放电次数)等基本参数陋qj或在Fromm Il钆11】 提出的直流局部放电△£统计方法的基础上【12_41。通 过概率统计评估直流设备的绝缘状态。 为了通过局部放电波形研究缺陷在直流电压作 用下的特性,本文对内部、表面和电晕3种绝缘缺陷 试样进行直流局部放电测试,并将局部放电波形进行 时一频域分析,讨论3种典型缺陷在直流电压下的放 电波形的差异性,为进一步实现直流下绝缘缺陷的识
别奠定基础。

随着我国国民经济和电力工业的快速发展,高压 直流输电因其送电距离远,送电容量大,控制灵活和 调度方便等优点,成为电网发展的关键工程之一。由 于电压等级的不断提高,高压直流设备的绝缘问题日 益突出,尤其是换流站的换流变压器、平波电抗器、滤 波电容器等设备。在直流高电压的长期作用下,绝缘 逐渐老化,出现局部放电现象,进而绝缘性能下降,最 终导致换流失败,威胁整个电网安全。局部放电作为 影响绝缘老化的主要原因之一,成为评估电气设备绝 缘性能。研究绝缘老化趋势的重要手段。 局部放电信号与其内部的缺陷状况密切相关n: 可用于评估不同结构设计、制造工艺的设备绝缘质
收稚日期:2007—0l—i7 基金项目:国家自然基金联合项目资助(10476022)。西南交通大学 博士创新基金资助 作者简介:张血琴(1979一),女,重庆万州人,博士研究生,研究方向 为电气设备的局部放电检测技术。(电话)028—86465525(电子邮箱)
zxq—5586@tom.como

2直流局部放电原理

万   方数据

绝缘材料2007,40(3)

张血琴等:典型绝缘缺陷的直流局部放电信号波形分析

59

从机理上讲。在直流条件下,由于电压的大小和 极性都不变,一旦内部气隙发生放电,空间电荷会在 气隙内建立起反向电场,放电熄灭,直到空间电荷通 过介质内部电导相互中和而使反向电场削减到一定 程度后,才会出现第二次放电。所以直流电压下不存 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,一般情况下直流局部放电对绝缘性能的影 响都不大,从而此方面的研究甚少。但局部放电本身 的特征只与介质固有的状态性质相关n j产生局部放 电的条件取决于绝缘装置中电场分布及绝缘材料的 电气物理性能。所以,虽然直流电压下局部放电发生 的机率比较低,但放电的发生依赖于缺陷的泄漏电 流,在发生局部放电时,由于分子的激烈撞击,气泡的 形成和发展。液体的流动以及固体材料的微小开裂而 引起的介质层物理性能的变化,以及间接引起的放电 特征的变化,都可影响局部放电信号的参数表征值。 从而在直流条件下测试局部放电仍能有效反映该绝 缘的电气性能及缺陷特征。

缆送入数字示波器,如图2所示。系统中还包括低纹 波系数直流电源和保护电阻,z具有一定阻值,以防 止试样击穿产生大电流。经校验,测量系统的带宽为 100 MHz,采样率可达2.5 GHz。 3.2被测试样 针对电气设备中比较常见的缺陷类型,建立绝缘 单一缺陷模型来模拟典型放电过程。放电模型结构如 图3所示,包括内部缺陷,接触缺陷,表面放电缺陷, 电晕放电缺陷。其中,图3(a)和(b)中的薄膜为聚丙
烯。

(a)内部缺陷

C==二二3V
(b)表面放电缺陷



图3绝缘缺陷模型

4测试结果与分析 从直流电压下的局部放电的机理可知,直流上升
图1直流电压下缺陷电场的变化

沿近似工频交流的电压上升段,受电压上升率的影 响,电场集中处由于电子的隧道效应,电压增长将导 致大量的电子被发射,放电现象显著。而直流平稳区 的放电则与缺陷本身的特性相关,也与空间的自由粒 子相关。对上述3种典型缺陷的直流局部放电的波形 进行时一频域分析,讨论不同缺陷放电脉冲波形及频 谱分析结果之间的差异,有助于直流局部放电检测系 统频率特性的设定以及放电类型的识别。 为了提取到局部放电波形,避免电压过高引起的 试样击穿,测试结果均取自起始放电的电压附近。由 于直流电压的单向性,放电也是单向脉冲。 4.1内部放电模型 内部缺陷模型采用三层聚丙烯膜叠放在一起,中 间层有一个直径约3 mm的空隙。在直流电压升到
2 500

图2局部放电试验线路图

3测试回路与试样
3.1

DcPD测试回路

直流电压下发生局部放电的起始电压要比交流 下高得多,而且直流局部放电本身出现的机率与幅值 也较低(图1)。在直流局部放电测试时,一方面要注 意对干扰的抑制,提高信噪比;另一方面也要有保护 措施,防止试样击穿时,直流电源对检测系统的影 响。在本文的测试系统中,信号的试样与检测阻抗串 联,从检测电阻上提取到的放电信号通过同轴传输电

V左右开始发生放电,放电波形如图4所示。保

持电压稳定,放电只能持续较短一段时间,直至消 失。这与内部缺陷在放电过程中建立起的反向电场相 关。局部放电的剩余电荷积累在缺陷表面。受外电场 影响形成反向内电场,直到在缺陷中反向电场与外部 电压建立电场平衡,放电将停止。直流电压稳定不变, 电场不会有变化,只有当遇到空间来的自由粒子,才

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张血琴等:典型绝缘缺陷的直流局部放电信号波形分析


绝缘材料2007,40(3)

会触发产生下一次的放电。在关掉电源后,会出现大 量反极性放电,更充分说明了缺陷内所积累的空间电
荷作用。

言o

一一I

:一一j一一j一一j一一;I 一÷一一÷一一

从内部放电的波形来看,整个脉冲波形为正向脉
冲,后面有轻微振荡,主脉冲脉宽约25 ns。频谱分析

k二一.。二~■。.:。■…』…。i.一 一?~I—lr’一’r’”’r…Tr…一I’一rI”’1一’’

结果可以看出,内部放电放电能量可达到100 MHz, 但幅度仅为6 dB,且主脉冲后持续的振荡使得频谱 分析结果存在少量脉冲峰。 对图4中放电主脉冲后的振荡信号进行频谱分 析,结果如图5所示。振荡信号在10~100 M之间的 频域上分布几个能量峰,如果放电主脉冲的频谱幅度 较小,该振荡将对放电信号的频谱分析产生一定的影 响,可采用滤波技术对其进行滤除。 /
●-●●● ●●●●●

图6表面放电波形的时一频谱图



-●●●● ●●●-●

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4.3电晕放电模型 电晕放电是极不均匀电场下的一种自持放电形 式。对针板电极加载直流电压,电极间距为2 mm。为 了易于观察到电晕的初始发生,采用负针一正板的加
压方式。当电压加至约3
700

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V时,开始有放电现象

出现,如图7所示。保持电压稳定,这种放电会持续出 现。如果升压速度较快,或电压继续上升,该放电波形 将持续大约10 s的时间,随后放电波形脉宽变宽、幅 值变大,甚至针板击穿。但关掉电源,不出现放电。电 晕放电波形主脉冲峰上升沿较陡,下降沿有一定振 荡,持续时间较长,约为600 ns。频谱分析说明。电晕
图4内部放电波形的时一额谱图 放电的能量主要分布在8 MHz以下,幅度可达60
dB。

图5振荡干扰信号波形的时一频谱图

图7电晕放电波形的时一频谱图

4.2表面放电模型 直流电压上升到3
400

从表面放电模型和电晕放电模型的放电现象可 V左右,表面放电开始发 以发现,当外施电压加载到一定值,能有较高重复率 的局部放电出现,在降压后却不会出现放电现象。这 与两类模型的结构相关。由于模型两电极间的介质不 易于积累每次放电的剩余电荷,不存在反向的内电
场,从而在施加电压时能断频繁的出现放电,断电后

生,且放电重复率较高。当停止升压,放电次数略微减 少,降压时几乎不出现放电。放电波形如图6所示,脉 冲幅值很小,且放电主脉冲持续时间较短。约150 ns。从频谱分析情况来看,表面放电的放电能量主要 分布在20 MHz以下,幅度约为8 dB。

则不会产生反极性放电。

(下转第63页)

万   方数据

绝缘材料2007,40(3)

刘宏波等:电子陶瓷用钛酸钡喷雾造粒料的形态观测研究

63

但是也存在明显的空心、炸裂以及粘结现象,这将影 响到最终产品的性能,进一步确定造粒缺陷对陶瓷性 能的影响很有意义; (2)造粒料平均粒径大约为60肛m,大、中、小造 粒料之比大约在3:7:1,粒度分布是正态分布的。 对于传统的颗粒级配,在粗、细的基础上,更细一步划 分,似乎更能与喷雾造粒工艺相适; (3)直接用显微镜观测较费时,而且存在测量的 随即性,如出现双峰,但是由于同时可以测量粒度和 形貌,使得显微镜观测不失为一种简单可行的陶瓷造
粒料观测方法。 参考文献:
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质量和制备效率的探讨fJ】.磁性材料与器件,2003(1):37—41.
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301.

【81蒲永平。董敏,高小利,等.陶瓷粉体粒径的测量【J】.陶瓷,2003
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(上接第60页) 5结论
【5】

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张蕾,高胜友,谈克雄.油中局部放电超声信号模式识别的研究
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J.Digital HVDC Partial Discharge

直流电压作用下不同缺陷的局部放电波形存在 差异性。通过时一频域分析,对直流局部放电波形进 行比较,可以总结出不同模型中局部放电脉冲波形的 时一频谱特征。 (1)内部直流局部放电主要出现在直流电压升压 至稳定的初期,当电压稳定较长时间,放电会逐渐减 少至熄灭。这主要因为内部缺陷易建立起反向电场。 与外加电场平衡,抑制了放电的继续发展。关掉电源 后。能出现反极性放电。而表面放电与电晕放电在直
流电压平稳区能持续发生,在断电后不会出现。

【61

Hoogenraad G,Beyer

Testing【C】.Conference Record of the 2000 IEEE Interna-
tional Symposium 448—451.
on

Electrical Insulation,

Anaheim, 2000:

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Erling

Ildstad,

Terje Haave.Conduction and Partial Dis_
in

charge Activity Polypropylene ference
on

HVDC

Cable Insulation

of

Lapped

films【C】. 200l IEEE 7th International Con—

Solid Dielect“cs。Eindhoven,2001:137一140.

【81

Xueqin Zhang,Guangning Voltage Storage

Wu.Quality Evahlation of High
Partial Discharge
on

Capacitor Through DC 8th IEEE

Measurement[C】.
Solid 758

International Conference

Dielectrics(ICSD2004),Toulouse.France.2004:755—

(2)3种缺陷类型的放电脉冲不同,内部放电主 脉冲脉宽为25 ns,表面放电主脉冲持续时间为150
ns,电晕放电主脉冲持续时间为600 ns。且直流电压

【9】

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Fromm U.Interpretation of Partial Discharges
on at

下的放电波形易叠加振荡,会影响频谱分析的结果。 (3)3种放电的频谱分析说明,不同缺陷在直流 电压下的放电能量谱不同。内部放电的能量分布在 MHz,幅度仅约6 dB;表面放电能量在20 MHz, 幅度为8dB;电晕放电的能量集中在8 MHz,幅度可 达60 dB。
100

【10】

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PD

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【4】

万   方数据

典型绝缘缺陷的直流局部放电信号波形分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 张血琴, 吴广宁, 李晓华, 边姗姗, ZHANG Xue-qin, WU Guang-ning, LI Xiao-hua , BIAN Shan-shan 西南交通大学,电气工程学院,成都,610031 绝缘材料 INSULATING MATERIALS 2007,40(3) 1次

参考文献(14条) 1.于钦学;邱昌容;谢恒堃 油纸绝缘直流局部放电的研究 1998(05) 2.Xueqin Zhang;Guangning Wu Quality Evaluation of High Voltage Storage Capacitor Through DC Partial Discharge Measurement[外文会议] 2004 3.Erling Ildstad;Terje Haave Conduction and Partial Discharge Activity in HVDC Cable Insulation of Lapped Polypropylene films[外文会议] 2001 4.Hoogenraad G;Beyer J Digital HVDC Partial Discharge Testing[外文会议] 2000 5.张蕾;高胜友;谈克雄 油中局部放电超声信号模式识别的研究[期刊论文]-电工电能新技术 2002(03) 6.淡文刚;陈祥训;郑健超 油中局部放电脉冲波形的测量与特性分析[期刊论文]-电网技术 2000(06) 7.冉汉政;吴广宁;舒雯 膜纸复合储能电容器的直流局部放电信号分析方法[期刊论文]-电工技术学报 2006(04) 8.Hoogenraad G;Morshuis P H F;C Petrarca Classification of Partial Discharges for DC Equipment[外文 会议] 1996 9.Peter Morshuis;Gerard Hoogenraad Partial Discharge Diagnostics for DC Equipment[外文会议] 1996 10.Fromm U;Morshuis P H F Partial Discharge Classification at DC Voltages 1995 11.Fromm U Interpretation of Partial Discharges at DC voltages[外文期刊] 1995(05) 12.王振远;朱德恒;谈克雄 根据脉冲波形特征识别几种典型放电的研究 1997(06) 13.高文胜;王猛;谈克雄 油纸绝缘中局部放电的典型波形及其频谱特性[期刊论文]-中国电机工程学报 2002(02) 14.Laurent C;Mayoux C Partial Discharge-Part Ⅺ:Limitation to PD as a Diagnostic for Deterioration and Remaining Life 1998(02)

引证文献(1条) 1.顾朝敏.孙振权.郭治锋.顾乐.李彦明 交直流复合电压下油纸绝缘内部气隙缺陷局部放电特性[期刊论文]-高压电 器 2010(12)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jycltx200703018.aspx


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