直流下局部放电序列信号检测与特性分析

司文荣 李军浩 袁 鹏 郭 弘 罗勇芬 李彦明

(西安交通大学电气工程学院 710049 西安)

1 引言

高压直流输电输送容量大，送电距离远，输送功率的大小和方向可以快速控制和调节，对环境影响小，在国内外得到了广泛应用。目前我国高压直流输电的最高电压等级为±500kV，随着金沙江梯级水电站溪洛渡、向家坝的开工建设，±800kV直流输电正在成为现实。然而随着直流输电电压等级的不断增高，直流输电系统中的输电线路和电工设备的电晕放电、局部放电、绝缘老化等问题开始受到关注。其中，使用油纸绝缘的关键设备（如换流变压器），它们的绝缘状态好坏直接影响直流输电的可靠程度。电工设备中油纸绝缘结构的某些薄弱环节，其局部放电随着直流输电电压等级的升高变得更加严重，这对设备有一定的破坏作用，会导致该设备运行出现故障。因此，研究油纸绝缘的直流局部放电具有非常重要的意义[1-2]。

直流局部放电的研究是从20世纪50年代开始的，国外在这方面研究较多，在我国则较少。国外学者主要研究了施加电压的幅值、时间及其脉动系数对放电重复率的影响[3-4]，以及长时间条件下的放电脉冲序列分析[5-6]（放电时间间隔和放电幅值的统计分析）。国内学者则研究了直流局部放电下油纸绝缘老化问题[1]和脉冲波形特性[2]、脉冲电容器的直流局部放电特性[7]以及地铁直流电缆的局部放电[8]。上述涉及的直流局部放电脉冲序列信号均是基于标准的 IEC60270推荐的脉冲电流法获取的。该方法主要缺点是测试频率低（小于2MHz），输出脉冲波形严重畸变，因而包含的信息量少。直流电压下的局部放电同样是绝缘缺陷部位被击穿，但由于直流恒压条件下不存在电压变化和极性反转，局部放电重复率较工频时低，因此需要较长的采集时间获取足够多的脉冲个数才能进行统计分析。IEC61378规定换流变压器阀侧绕组带局部放电测量的直流耐压试验时间长达120min。如果采集过程中出现大量随机干扰脉冲，会使采集的数据无效。但基于传统脉冲电流法的检测系统无法对突发干扰脉冲进行处理。

本文则基于宽带检测获取直流局部放电脉冲波形-时间序列。利用自行研制的直流局部放电脉冲波形-时间序列宽带检测系统在高压试验大厅内，针对常见的空气中电晕和油纸绝缘典型缺陷模型进行直流局部放电试验。基于脉冲波形时频特征的脉冲群快速分类技术实现随机干扰脉冲剔除[9-11]，从而对各缺陷对应的真实直流局部放电脉冲序列信号进行特性分析，并验证目前用于分析直流局部放电的时间等待恢复模型及其假设。

2 时间等待恢复模型及其假设

直流局部放电可检测的主要参数有放电量 q、放电发生时刻 t和外施电压 U(t)。交流电压下，可采用试验电压相位φ同时表征 t和 U(t)，因此交流下局部放电分析基于q、φ 参数进行。由于直流电压不存在相位信息，因此需要寻找一个类似于相位φ的参数来描述直流下局部放电。Fromm提出将直流电压下局部放电过程等效简化为图1所示的时间等待恢复（tL/tR）模型[5]。图 1中，Uo为缺陷两端的最终电压；Umin为最小击穿电压；Ur为放电后缺陷两端残余电压；∆U为等待初始电子时缺陷两端电压变化值；tR为缺陷两端到达最小击穿场强所需时间；tL为等待初始电子所需的延迟时间；∆tpre为当前放电与前一次放电之间的时间间隔；∆tsuc为当前放电与下一次放电之间的时间间隔。基于图1作以下三个假设：①放电量 q与∆U相关；②放电后残余电压 Ur与∆U相关；③放电的发生是随机且互不相关的。从而推导得出放电时间间隔与放电量之间的关系[5]

图1 直流局部放电过程及其时间等待恢复模型Fig.1 Interpretation of PD under DC voltage

下表基于直流局部放电可检测的参数q和t以及时间等待恢复模型，总结了相关的统计分析谱图。其中标号1～4和11～14为放电特性统计分布，可用于直流局部放电识别[5-6]。标号 5～8可验证时间等待恢复模型的假设③；而标号9～10可验证时间等待恢复模型在假设条件下得到的式（1）和式（2）关于放电时间间隔和放电量幅值之间的关系。下表为基于单次试验可获取的直流局部放电分析谱图，除此之外，还有基于多次试验[3-4]的平均放电幅值与试验电压的关系（q-U）、放电重复率与试验电压的关系（n-U）等，本文对此不给予讨论。

表 基于q和t的直流放电谱图Tab. Histograms of DC PD based on q and t

3 直流局部放电试验与宽带检测系统介绍

直流下局部放电检测与交流下检测原理相同[2-6]，因此都可以使用IEC60270推荐的脉冲电流法测量直流下的局部放电信号。本文则使用宽带检测方法[9-11]测量直流下局部放电脉冲波形-时间序列。

3.1 试验与检测系统

图2给出了试验与检测回路的原理接线图。图中直流高压源由硅堆内置的100kV负极性直流高压发生器与大 RC负载组成[12]（这里，由于大 RC负载，使得直流高压发生器内部即使存在局部放电也会被硅堆阻截），其中 R=200MΩ、C=30nF。电阻R1和R0构成40 000∶1的电阻分压器，从R0两端读取试验电压值。CK为85pF耦合电容，Rz为阻值数百 kΩ的水电阻，CX为试品。检测电阻的频响特性满足局部放电宽带检测要求[2]。直流宽带局部放电检测系统采样率 100MS/s，模拟带宽 10kHz～40MHz。其工作模式基于单个脉冲触发而记录脉冲波形信号和检测时间点，对单个脉冲波形进行软件峰值保持从而形成直流局部放电脉冲幅值-时间序列。其采集和处理界面如图3所示。

图2 高压直流局部放电试验系统Fig.2 DC PD test system

图3 直流宽带局部放电检测界面Fig.3 Front-end of detection and analysis of DC PD

3.2 局部放电试验模型

设计了三种油纸绝缘局部放电模型以模拟换流变压器油纸绝缘的典型缺陷[2]以及空气中电晕模型，在试验中作为图2中试品CX。图4所示分别为空气中电晕（见图4a）、油纸绝缘尖板（见图4b）、油纸绝缘内部缺陷（见图4c）和油纸绝缘沿面（见图4d）放电模型。其中，图4b～图4d所示三种模型分别装于盛满变压器油的有机玻璃筒内。

图4 局部放电试验模型Fig.4 PD test defect models

3.3 抗干扰技术

图3所示直流宽带局部放电检测系统具有的基于脉冲波形时频特征的脉冲群快速分类技术[9]。其主要过程为对获取的脉冲波形-时间序列进行特征提取，在图5所示的时频特征平面上进行聚类分析，从而将随机干扰脉冲或噪声信号剔除。

图5 基于脉冲波形特征的抗干扰技术Fig.5 Anti-noise technique of PD based on pulse waveshape

4 试验结果示例

上述模型在不同试验电压下，进行了大量的局部放电检测试验。下面给出四种局部放电模型获取的典型幅值-时间序列信号 q-t图（见图 6）及相应的统计分析谱图（见图7～图10）。

图 6a所示为典型的空气中电晕放电幅值-时间序列（2000个局部放电脉冲）分布，其放电重复率高，放电幅值集中。图6b所示为典型的油纸绝缘尖板放电幅值-时间分布，其放电重复较低，在2000s后采集局部放电脉冲个数小于1000个；放电幅值分布较集中，偶尔有高幅值脉冲出现。图6c所示为典型的油纸绝缘内部缺陷放电幅值-时间序列分布，这与其自身结构相关，主要原因是局部放电的剩余电荷积累在缺陷表面容易形成反向电场，从而使得放电重复率低及放电幅值分布较分散。而图6d所示为典型的油纸绝缘沿面放电幅值-时间序列分布，类似于空气中电晕放电，放电重复率高且放电幅值分布集中。

图4所示模型，在直流稳恒电压下表现出了不同的局部放电特性。但简单的 q-t分布不能用于缺陷的识别以及干扰脉冲序列的区分。下面给出基于各典型放电幅值-时间序列进行相关统计分析得到的直流放电谱图。

图6 直流下四种局部放电模型的典型放电幅值-时间序列Fig.6 Typical PD sequence of defect models under DC voltage

4.1 空气中电晕放电

空气中电晕放电典型的幅值-时间序列对应的表1中标号1-14统计谱图如图7所示。为了便于后续处理和相互比较，各谱图中有单位的坐标均进行了归一化处理。

图7 直流空气中电晕的典型放电谱图Fig.7 Histograms in Tab. of corona in air

4.2 油纸针板模型

油纸绝缘针板放电典型的幅值-时间序列对应的表中标号1-14统计谱图如图8所示。

图8 直流油纸针板的典型放电谱图Fig.8 Histograms in Tab. of corona in oil

4.3 油纸内部缺陷

油纸绝缘内部缺陷典型的幅值-时间序列对应的表中标号1-14统计谱图如图9所示。

图9 直流油纸内部缺陷的典型放电谱图Fig.9 Histograms in Tab. of bounded cavity model

4.4 油纸沿面模型

油纸绝缘沿面放电典型的幅值-时间序列对应的表1中标号1～14统计谱图如图10所示。

图10 直流油纸沿面的典型放电谱图Fig.10 Histograms in Tab. of surface discharge model

5 试验结果分析

从上述图7～图10直观分布可以看出，四种缺陷模型的直流放电谱图有着不同的特性。其中∑n-q和∑n-∆t用于常规的直流局部放电试验，大于某一放电幅值的次数以及小于某一放电时间间隔的次数来评判试品是否合格，这里由于为人工缺陷模型，不再讨论这两个谱图。而谱图q-∆t（表1中序号 11-14）为基于∆t的放电幅值统计，被用于直流局部放电识别[5-6]，图7～图10的k～n所示的谱图 q-∆t同样表现出不同缺陷模型具有不同的谱图q-∆t分布，可以用于直流局部放电识别，因此这里也不再给予说明。下面对其他放电谱图依次进行分析。

5.1 空气中电晕放电

从图 6a、图 7a可以看出，空气中电晕放电幅值是很集中的。图7c表明空气中电晕放电时间间隔分布很分散。图 7e所示的 qi-qi+1接近一个矩形分布，表现为前后放电幅值是随机不相关的，则符合时间等待恢复模型的假设③。而图 7f所示的∆qi-∆qi+1则表示前后两次幅值差在大幅值差分布处有一定的相互约束关系。

图7g和图7h所示的qpre-q和qsuc-q均表明当前放电幅值不受前一次放电幅值影响或当前放电幅值不影响下一次放电幅值。这符合时间等待恢复模型的假设③。

图7i所示的∆tpre-q给出的结论是一个大的放电幅值是由较长的时间等待 tL引起，符合等式（1）所示结果。这种情况正是我们所希望的。因为一个较长的时间等待tL会使得下一次放电在较大的放电电压下（见图 1）进行，这个会导致一个大的放电幅值（假设①），因为需要更多的空间电荷去熄灭这个放电过程。

图7j所示的∆tsuc-q给出的结论是一个大的放电幅值是由较短的时间恢复 tR引起，符合等式（2）结果。这种情况可以由放电幅值q和时间恢复tR两者存在相互竞争的原因来解释。首先，电压的降低由上一次放电引起的空间电荷引起，空间电荷需要经过一段时间逐渐消失，引起电压的回升。一个大的放电幅值伴随着一个多的空间电荷积累，所以相应的时间恢复tR较长，才能达到再次最小击穿电压。其次，由于放电产生的亚稳态原子，放电会增大间隙中的电离系数，这个增大的电离系数导致最小击穿电压的降低，从而仅需要一个较短的时间恢复tR。很明显，由图7j，直流下空气中电晕放电过程其第二种效应占主导地位。即随着放电幅值的增大，时间恢复 tR是减小的。这个结果与 Fromm在文献[5]给出的结论一致。

5.2 油纸绝缘尖板放电

图 6b、图 8a可以看出，油纸绝缘尖板放电幅值分布是较分散的。而图8c则表明油纸绝缘尖板放电时间间隔分布是较集中的。图 8e所示的 qi-qi+1为一个矩形分布，表现为前后放电幅值是随机不相关的。以及8f所示的∆qi-∆qi+1则表示前后两次幅值差在大幅值差分布处有一定的相互约束关系，与空气中电晕放电所得结果类似。

图8g和图8h所示的qpre-q和qsuc-q均表明当前放电幅值不受前一次放电幅值影响或当前放电幅值不影响下一次放电幅值。

图 8i（ ∆tpre-q）和图 8j（ ∆tsuc-q）所示的油纸绝缘尖板放电的放电幅值与放电时间间隔的关系没有空气中电晕放电的明显。上述关系被分为两个区域，区域1为幅值（0～0.5）和区域2为幅值（0.5～1.0）。油纸绝缘尖板放电∆tpre-q和∆tsuc-q的区域 2表现的关系分别符合式（1）和式（2），即放电幅值越大，时间等待tL越长，而时间恢复tR越短。图8i所示∆tpre-q的区域1则表明放电幅值与时间等待tL无关，这需要进一步研究。而图8j所示∆tsuc-q的区域1则同样可以由放电幅值q和时间恢复tR两者存在相互竞争一下原因来解释。很明显，区域1则表明直流下油纸绝缘尖板放电过程，由于两种效应产生的结果相互抵消，从而表现为放电幅值与时间等待tR无关。

5.3 油纸绝缘内部缺陷放电

从图 6c、图 9a可以看出，油纸绝缘内部缺陷放电幅值分布是较分散的。而图9c同样表明油纸绝缘内部缺陷放电时间间隔分布也是较分散的。图9e所示的qi-qi+1尽管其放电个数较少，但也可视为一个矩形分布，表现为前后放电幅值是随机不相关的。图 9f所示的∆qi-∆qi+1分布与油纸绝缘尖板放电一致。

图9g和图9h所示的qpre-q和qsuc-q均表明油纸绝缘内部放电其当前放电幅值不受前一次放电幅值影响或当前放电幅值不影响下一次放电幅值。这与上述直流下两个缺陷模型的局部放电分析结果一致。

图9i所示的∆tpre-q给出的结论同样是一个大的放电幅值是由较长的时间等待tL引起，符合等式（1）所示结果。但图9j所示∆tsuc-q分布由放电幅值q和时间恢复tR两者存在相互竞争的原因来解释得：由于两种因素均不占主导地位，使得直流下油纸绝缘内部缺陷的放电幅值与时间等待tR无关。

5.4 油纸绝缘沿面放电

从图6d、图10a可以看出，油纸绝缘沿面放电幅值分布是较集中的。而图10c则表明其放电时间间隔分布也是较分散的。图10e所示的qi-qi+1、图10f所示的∆qi-∆qi+1、图10g所示的qpre-q和图10h所示的 qsuc-q分布均与前述油纸绝缘放电模型一致。图 10i和图 10j所示的∆tpre-q和∆tsuc-q均表现出了放电幅值与时间等待tL及时间恢复tR均无关。这由于沿面模型自身结构的特殊性，使得式（1）和式（2）所示的放电幅值与放电时间间隔的简单数学模型无法描述其放电过程。当然，图10j所示∆tsuc-q分布也可以解释为：由于放电幅值q和时间恢复tR两者存在相互竞争，且两种因素均不占主导地位，使得直流下油纸绝缘沿面放电的幅值与时间等待tR无关。其真实机理，还需要进一步研究。

6 结论

（1）本文组建了直流下局部放电试验与脉冲波形-时间序列测试系统，基于脉冲波形时频特征的局部放电脉冲群快速分类实现了抗干扰技术。并设计的三种油纸绝缘缺陷模型以及常见的空气中电晕放电模型进行了大量的局部放电试验，其在直流稳恒电压下表现出了不同局部放电特性。

（2）针对直流局部放电检测获取的两个基本参数，放电幅值 q和放电时间点 t，总结了大量的可用于直流局部放电分析和识别的放电谱图。基于试验结果的直流放电谱图分析表明，时间等待恢复模型及其假设可用于分析直流下局部放电过程。四种缺陷模型在直流下的局部放电幅值和时间间隔有着不同统计分布特性。这为基于幅值-时间序列的直流局部放电类型识别提供了理论和试验依据。

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