冲击电压下局部放电信号的测量与分析

耿江海，王 剑

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

冲击电压下局部放电信号的测量与分析

耿江海，王 剑

(华北电力大学 河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

设计了基于高频电流法的冲击电压局部放电测量系统，获取了油中针板模型在击穿闪络、局部放电、耐压等实验工况下的信号特征。该实验为工频局部放电实验的拓展实验项目，为现场实际的电力设备局部放电检测及故障诊断提供了典型图谱，初步验证了冲击电压下局部放电检测技术的有效性。

冲击电压；局部放电；高频信号；分析

局部放电测量已成为电力设备绝缘监测的重要手段，其中，基于工频电压脉冲电流法的局部放电测量方法和技术已达到比较成熟的阶段。随着设备电压等级的不断提高，雷电或操作冲击电压对气体绝缘全封闭组合电器(GIS)、变压器、XLPE电缆、变频电机等设备绝缘老化也造成了较大损坏。为确保电力设备的安全稳定运行，需要更加全面地了解设备的绝缘老化情况，及时发现安全隐患。因此，开展冲击电压下局部放电检测实验，对及时发现设备故障隐患、确保安全运行具有重要的意义。

传统的工频电压局部放电实验常采用脉冲电流法，基于局部放电信号中所含频率成分与源频率的差异性来确定。在测量过程中，电压源不会带来强干扰。然而在冲击电压局部放电实验中，冲击电压自身μs级甚至达到ns级的上升时间与局部放电信号非常相似，因此电压源将带来强干扰，传统脉冲电流法已无法满足测量要求。

目前，国内外对冲击电压下局部放电检测主要采用光学方法和高频电流法。前者的局限性使其在现场很难得到推广，而高频电流传感器的宽频带、高灵敏度的特性，使其能避开电压源的干扰，从而能检测出冲击电压下的局放脉冲信号[1-4]。

本文设计了基于高频电流法的冲击电压局部放电测量系统，采用高频电流传感器采集局部放电信号，获取了油中针板模型击穿闪络、局部放电、耐压等实验工况的信号特征，并考虑了实验过程中的信号抗干扰措施。

1 实验系统接线

实验系统主要由升压装置、试品、电压采集单元、电流采集单元与信号存储单元组成，其系统接线如图1所示。

2)试品为变压器油中针板模型，如图2所示，高压端接冲击电压发生器的输出端，低压端通过铜皮接地。

T-实验变压器；D-高压硅堆；R0-保护电阻； R-充电电阻；Rf-波前电阻；Rt-波尾电阻； C0-各级主电容；G0～G2-球隙图1 系统接线示意图

针板电极结构的针尖处具有较大曲率，在冲击电压作用下针尖处会集中大量电荷从而产生较大场强，而板极处的场强相对较小。当电压增加到一定程度后，针尖处会引发电子崩，并逐渐向板级移动，从而形成流注电晕，即局部放电信号。

图2 油中针板电极模型

3)电压采集单元为450 kV弱阻尼冲击电容分压器。高、低压臂电容分别为300 pF和0.604 μF，电容分压器的分压比约为2 000∶1。

4)电流采集单位采用TECHMP公司的高频电流传感器。经信号发生器校验后，获得有效带宽为30 MHz，输入阻抗为50 Ω。实验中将电流传感器置于接地的金属盒中，以屏蔽空气中的电磁干扰。

5)采用泰克TDS2024型示波器显示并记录电压、电流单元信号，示波器的最高采样频率为200 MHz，采集时采用上升沿触发方式。

2 实验过程及数据记录

2.1 实验过程

1)调节好点火球隙及其他各球隙距离，并根据所用分压器的类型连接好分压器、示波器测量系统。

2)均匀地升高电压，使冲击电压发生器的第一级主电容充电到预定值，并延长一定的充电时间，约3～5 s，待最后一级主电容上的充电电压与第一级主电容的充电电压相等后，触发点火球隙放电，各级球隙应同步放电。

3)用分压器、示波器系统测量冲击电压，并记录冲击电压波形图；用高频电流传感器采集并通过示波器记录试品接地电流。

4)记录实验时的大气条件。

2.2 数据记录

实验中，将油中针板间隙在2～5 cm范围内由小至大逐渐调整，整个实验过程经历了击穿闪络、局部放电和耐压三个主要阶段[7]。

1)击穿闪络过程

图3为试品击穿时的电压、电流信号。当冲击电压上升到试品的击穿电压值时，针板间隙被击穿，电压波尾部分迅速归零，同时，传感器上的电流波形有大幅值的振荡信号。

由于冲击电压源波头时间较短，即du/dt数值较大，电流传感器感应到较高峰值电流；图3中，高频传感器在起始时刻采集到的高频干扰就是由电压源的脉冲引起的。

图3 击穿闪络波形记录

2)局部放电过程

保持冲击电压峰值不变，加大针板间隙后逐渐出现局部放电现象，典型波形如图4所示。可以看出，在冲击电压的波尾阶段，在电流波形上出现了比较明显的局部放电尖刺信号。

图4 局部放电波形记录

另外，由于冲击电压作用下，流注起始时延的随机特性[8-9]，试品发生局部放电的时间存在不确定性，即电流波形上的尖刺信号在波尾时间段随机分布。

3)耐压

保持冲击电压峰值不变，继续加大针板电极放电间隙，当针板间距离大于5 cm，针尖处的电场强度减小，不能引发电子崩，进而流注电晕无法形成。此时为正常耐压阶段，如图5所示。

图5 正常耐压波形记录

3 噪声干扰及相应措施

在实验过程中，应注意整个实验系统的接地点必须使用铜皮接地，以减少波形振荡，并采取措施减少空间及冲击电压发生器自身的噪声，以减少整个实验系统的干扰信号。

1)冲击电压发生器自身干扰

直流电源在整流时会产生一些干扰信号，从而在球隙击穿前叠加到信号中，如图6所示。

图6 整流干扰信号

由于局部放电主要发生在冲击电压信号的波尾阶段，因此，可根据时间先后顺序进行判断。

2)空间干扰

实验室内不可避免地存在空间干扰信号，应提前采集以便在后期数据分析中将此干扰消除。

3)实际操作

实验中将电流传感器置于接地的金属盒中，以屏蔽空气中的电磁干扰。

4 结束语

本实验中，当油中针板间隙在冲击电压作用下发生局部放电时，在雷电冲击电压的波尾阶段，高频电流传感器采集的波形上出现了比较明显的尖刺信号，通过分析比较试品在不同实验工况下的信号特征，可以基本判别出试品是否发生局部放电及程度，初步验证了冲击电压下局部放电检测技术的有效性。

[1]赵学风，孙振权，姚秀，等.冲击电压下局部放电测量用高频电流传感器[J].高电压技术，2009，35(11)：2704-2708.

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[3]杜伯学，陆宇航，古亮.基于光学电流传感器的局部放电检测[J].电力系统自动化，2008，32(16)：66-72.

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[7]王燕.冲击发生器脉冲点火及延时装置的改进[J].实验技术与管理，2001，18(4)：55-56.

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Measurement and Analysis of Partial Discharge Detecting under Impulse Voltage

GENG Jianghai， WANG Jian

(Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

This paper builds the partial discharge detecting system based on high frequency current method, and obtains the signal characteristics of the needle-plate defect model in the oil under breakdown flashover, partial discharge, pressure and other experimental conditions. This experiment increases the experiment project on the basis of the original high-voltage experimental contents, widens the vision field of students, and provides the reference graph for partial discharge of power equipment testing and fault diagnosis, so it can preliminary verify of the effectiveness of the partial discharge detecting method under impulse voltage.

impulse voltage； partial discharge； high frequency signal； analysis

2014-06-11；修改日期:2014-07-22

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014 MS92)；国家高技术研究发展计划(863计划)课题基金资助项目(2012AA050802)。

耿江海(1980-),男,硕士,工程师,主要从事大学高电压技术的实验教学及研究工作。

TM835

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.003