基于局部放电检测技术在变压器故障诊断中的应用

孔凡祥　孙志明

摘要：文章介绍了变压器发生局部放电的主要原因、危害以及放电机理，变压器内部局部放电检测的工作原理。通过对一台电力变压器进行现场实测，模拟出现场运行中的电力变压器发生局部放电的模型，总结出电力变压器进行局部放电检测所采取的主要有效方法。

关键词：油浸变压器；局部放电；电力变压器；变压器故障；电器设备；绝缘材料

中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0117-04

高压电气设备发生局部放电的因素较多，主要原因是电气设备绝缘材料内部存有绝缘相对薄弱点，如固体中存在的气泡或杂质、液体绝缘中场强比较集中的尖角或尖端放电以及绝缘气体内的小范围击穿。当具有气泡或杂质的绝缘材料在受到外加高场强作用下，将会在这些不同物质的分界面上出现电荷的积累，这种电荷积累被称为夹层式极化。实践证明，局部放电在一般的电气设备中都会存在，电压等级越高，局放发生的可能性相对更大。这些比较微弱的局放过程虽然产生的能量比较小，但是它的存在会使绝缘介质的耐电性能逐渐产生劣化，最终可能会发展成为贯通性的击穿过程，导致电气设备发生严重的损坏。

1 电气设备内部局部放电测试目的及意义

油纸绝缘电器设备如电流互感器、套管等在设计时工作电压常是以局部放电量小于1pC为依据的，由于工艺影响等，规定放电量在试验电压下小于10pC。根据国家电网公司针对电力变压器质量等级的要求，电力变压器的局部放电值小于100pC的数值为优等品。运行中的电力变压器，由于测试过程极易受到外界干扰，一般在试验电压下不大于300pC。

2 电气设备局部放电的机理

2.1 局部放电的分类及定义

不同绝缘类型的电气设备发生局部放电的类型也有很大不同，主要表现：固体绝缘以空穴居多，液体绝缘以气泡为主。因此，根据放电的具体类型进行分类，主要有3类：发生在绝缘介质的内部放电；绝缘介质及金属表面的表面放电；发生在较高电场下的尖角放电。

为有效区分局部放电大小，对局放进行定量分析，主要测试以下5个参数：

2.1.1 视在电荷量q。电荷量的国际单位为库伦，由于局放量非常小，一般视在电荷量用pC（皮库）表示。

2.1.2 局放的测试电压。指绝缘被试品所发生的局部放电量值不会超过一定数量值的同时，绝缘材料外界加上试验所需的电压数值。

2.1.3 局部放电的数值。电气设备在一个统一的标准下，即相同的试验外界条件、试验方法、信号采集与处理方法以及执行统一标准等的前提下所测得的局部放电数值。

2.1.4 放电起始电压Ui。在高压试验中，随着电压上升的过程中，被试设备将会在某一电压值时出现明显的放电过程（或发生规定的数值），此电压为被试品出现局部放电所需的最低电压值。

2.1.5 局部放电熄灭电压Ue。当被试品局部测试结束后，测试系统中没有了局部放电信号后的最高电压值。

2.2 电气设备内部放电成因与放电机理分析

图1 局部放电等效图

Cg为空穴电容；Ug为空穴电压；Ua为绝缘介质的外施电压。

一般固体绝缘材料的气泡均表现为夹层式极化的结构形状、方向与电场中电力线的方向垂直，如用电介质的厚度用dd表示与气泡（空穴）构成串联形式的局部位置，空穴厚度用dg表示，经推导，与其他电介质相互构成串联形式的气泡（空穴）的介质电容量可表示为：

因为q＝UC，C＝εs/d，qn为空隙电容的充电电荷，空隙上的电压为：

图2 放电脉冲波形图

在交流工频电场作用下，空穴所承受的电场强度将达到固体电介质中平均场强的几倍，例如，环氧树脂相对介电系数εr＝3.8，根据推导可知，场强度是按照介电常数的反比进行分配，气泡（空穴）的介电系数大于并约等于1，因此气泡所承受的场强将会是环氧树脂的3.8倍。再者，气体的耐电强度（击穿场强）同比固体绝缘材料的耐电强度低得多，如空气的耐电强度只有环氧树脂的1/10。因此，气泡本身在耐电强度低又承受较高电压的情况下，势必会被击穿。当气隙击穿后，气隙两端电压降低到很低的数值（有时默认为放电击穿瞬间气泡端电压为0）。放电发生后，能量被释放，气泡将再次被充电。因此，在气泡两端即发生反复充放电过程。

3 局部放电的检测方法

3.1 超声波法局部放电测试原理

人耳所能听到的频率在20Hz～20kHz范围内，频率低压20Hz称为次声波。超声波就是一种振荡频率比人耳可听见声波频率高的一种波，特性与声波的特性比较接近。超声波的传播特性为一种疏密变化的机械波，传播媒质为气体、液体和固体等。

当超声波通过两种不同物质的界面时，由于两种物质有不同波阻抗，会产生入射和反射，若把入射波和反射波的振幅之比设为A0，设第一种物质的声波阻抗为ρ1c1，第二种物质的波阻抗为ρ2c2，则入射波和反射波的振幅之比A0可表示为：

3.2 局部放电超声测量

用超声探头获得由局部放电引起的超声信号，并用数字式局放仪或波形记录仪记录波形做定位测试。

图3 超声波探头所测信号波形

3.3 其他非电检测方法

3.3.1 光检测法：设备内部放电只有透明介质才宜用光检测法，如常见的聚乙烯绝缘电缆的导线线芯在进行水介质扫描后，即可采用光电倍增管的方法进行局放检测。缺点是灵敏度相对低，且易受各项条件的限制，局限性较大，适宜于暴露在外表面的放电类型，如电晕放电。

3.3.2 热检测法：由于在发生放电时产生能量的释放与损耗，放电点会有发热现象。故障较严重时，由于局放的热效应，可通过对事先埋设的热电偶对各关键测量点的温度或温升进行检测，因而确定局部放电的具体部位。但这种方法存在不灵敏、不能定量以及不能及时发现故障点的缺陷，现场一般很少采用。

3.3.3 分解物分析法：气相色谱分析就是通过分析油中气体成分来反映变压器运行状态方法，分析放电产生的化学生成物，例如用色谱分析仪测量可燃性气体，从而推断局部放电程度，判断故障类型。此方法已被广泛应用，并取得较好效果。

4 变压器局放模拟试验

4.1 冲油设备的放电模拟

充油高压设备内部主要是发生在油中的放电，为此，采用一个装有合格的变压器油（25号）的透明有机玻璃进行相应悬浮金属颗粒、固体杂质、电场场强集中以及气泡与水分等常见情况下的局部放电模拟测试。

4.2 金属颗粒产生的悬浮放电

将少量金属屑放入高压电极的附近，并用一绝缘良好的纸板支持金属屑，用以进行模拟悬浮金属在油中的放电过程。当外施电压较低时，所测定的放电量为300pC左右，放电波形表现出不对称性，在电源负半周放电量稍大。

4.3 悬浮电极的放电

将一个制作好的细铜丝在不加压电极上安装好，要求高压电极与铜丝尖端的距离保持在0.3rmn，并将装有变压器的容器放在一只绝缘良好，不存在局放的瓷质绝缘支柱上，模拟一个电极悬浮在绝缘油中的放电过程。试验过程中发现，外施电压保持在较低数值时，油中杂质等在尖电极的间隙中聚集，经测定，局部放电量在100～300pC之间。

4.4 杂质在变压器油中的放电

模拟纤维杂质被混入变压器油中，电压上升时能够很清晰地观察到变压器油中形成了纤维桥，并产生了持续放电的过程，此放电过程称为“小桥理论”。但当此小桥没有完全形成贯通过程时未出现放电现象，此放电波形与电场强度比较集中的放电波形非常相似。

4.5 介质中的金属放电

将金属颗粒放置在一个绝缘纸板间后浸入在变压器油中，然后模拟绝缘材料中存有金属粒，当发生放电后，放电量还是相对很稳定，数值在400～800pC之间。

5 变压器试验结果分析

现场实测分析。通过对一台运行中的220kV、300MVA的变压器进行局部放电测量，当变压器加上额定测量电压时，所测到的局部放电量较小，数值小于50pC。但当试验人员将激发电压施加在被试变压器时，测试系统测到较大的放电值，与额定测试电压比较，局部放电值出现大幅值提高，放电脉冲的特性表现为每周期只一次，同时伴随外加电压时间的增长，放电量逐渐慢慢趋于稳定。测试完毕，将测试过程中的放电波形进行详细的波形记录，并进行了认真分析，发现了一定规律性，即较小量值的放电（属于允许放电范围内）波形与电场强度比较集中以及在进行杂质放电检测过程所得到的结果极为相似。

图4 现场超声波传感器安装情况

6 结语

超声波检测技术对于确定放电位置与放电量定量测量是比较理想的方法，主要特点是测试简单，受环境条件的限制较小。目前，局部放电常用的声音测量法具有独特的优点，声音传感器可在设备外壳的表面（不影响设备运行的前提下）不带电并保持安全距离的任意部位进行安装，能够准确测定具体放电位置，并且接收的信号与外界电源不存在任何电气上的直接联系，电源系统对局部放电信号的干扰将会被避免。因此，局部放电测量还是采用电测量法和超声波声测法的组合方式，优点能够相互补充，如果能够配合一些改善滤波、抗干扰以及信号处理等增强软硬件处理与分析能力的方法，将会使局部放电测量取得更好的效果。

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作者简介：孔凡祥（1977-），男，内蒙古赤峰人，赤峰供电公司农电工作部生产处副处长，工程师，研究方向：电力系统生产技术。

（责任编辑：文 森）