电气设备局部放电检测与波形分析①

巴文祥

(陕西黄河集团有限公司 设计研究所，陕西 西安 710043)

电气设备由于存在绝缘缺陷而产生局部放电，如果不能及时的排除绝缘故障，长期发展下去会产生绝缘击穿的严重后果，通过局部放电检测系统可以实现对电气设备绝缘特性的检测和评估，起到监测电气设备是否安全运行，减少电气设备供电故障的作用[1-2]。近年来，对电气设备绝缘状态的研究已经成为相关研究和应用领域的热点，通过检测电气设备是否产生局部放电，以及对放电部位和绝缘劣化程度的研究，在一定程度上确保了电气设备的安全运行，具有重要的研究和现实意义[3-4]。

1 局部放电研究的核心问题

1.1 局部放电产生原因

图1 绝缘缺陷类型示意图Fig.1 Schematic diagram of insulation defect types

电气设备设备中可能出现的绝缘缺陷类型如图1所示，大致可以分为以下几个方面：

1)内部缺陷，在制造和运行过程中在绝缘设备内部产生气泡和空隙，这些内部绝缘缺陷会使绝缘劣化，最终产生绝缘击穿现象。

2)交界面缺陷，由于静电屏蔽或者绝缘交界面接触不良会产生局部放电，这种原因引起的局部放电可能性往往比较大。

3)绝缘子污染，设备表面污染或者金属突起一般是在制造和不良安装过程中产生的，这些微粒会在工频状态下引起绝缘击穿。

4)悬浮导电微粒和毛刺，设备在制造或者安装过程中会产生细小微粒或者毛刺，会在交流电场的作用下，产生随机的局部放电。

1.2 局部放电信号检测

局部放电的产生往往伴有电脉冲、电磁辐射、声、光、热、气等现象出现。研究局部放电伴随现象，有助于全面的分析局部放电产生原因和绝缘状态检测。目前，局部放电检测的方法大致可以概况为电气测量法和非电气测量法[5-6]。常用的方法如下：1)脉冲电流法；2)超声波检测法；3)气相色谱检测法；4)超高频检测法；5)光检测法等。

由于局部放电时会产生高频的电磁辐射，且频率会在一个特定的波段分布比较集中。同时，在局部放电现场会存在各种干扰信号，其大致分为：白噪声、窄带周期性信号和脉冲型信号等，实验室检测到的局部放电信号波源如图2所示：

图2 局部放电信号波源Fig.2 Partial discharge signal source

1.3 局部放电定位

目前，在实际应用中比较实用的局部放电定位方法有以下几种类型：

1)平分面定位法，在三维空间选择两个检测点装上传感器A、B，同时保证A、B两点高频暂态信号时差为零，可以判定局部放电发生在A、B两点的平分面P1上。用相同的办法，在三维空间任意选择两个高频暂态信号时差为零的检测点，确定一个平分面P2、P3。则三个平面相交于空间一个点，这个点就是局部放电的发生部位。如图3所示：

图3 平分面定位法示意图Fig.3 Bisection plane location method

2)方位定位法，通过检测两个检测点高频暂态信号到达的先后顺序就可以确定局部放电发生的大体位置，如果检测点足够多就可以很容易的确定局部放电发生位置。如果4所示：

图4 方位定位法示意图Fig.4 Azimuth location method

3)时差定位法，在电气设备绝缘子表面安装两个检测点，通过测量两个检测点局部放电信号脉冲到达的时间差，并通过电磁波信号传播速度进行简单计算就可以很容易的确定局部放电发生在绝缘子之间的具体位置，如图5所示：

图5 时差定位法示意图Fig.5 TDOA location method

2 局放检测系统构成和原理

针对电气设备复杂的绝缘结构和特殊的工作环境，本文设计的局部放电检测系统基本构成如图6所示：

图6 局部放电检测系统Fig.6 Partial discharge detection system

该系统主要由信号采集、滤波放大、A/D转换、数据处理和上位监控等系统构成，通过本系统可以实现局部放电信号的检测和绝缘劣化程度的评估，系统原理图如下：

图7 系统原理图Fig.7 System schematic diagram

3 主程序设计和波形分析

3.1 主程序设计

由于局部放电脉冲信号往往会比较弱，在进行信号采样时，需要经过放大、滤波、A/D转换处理，把处理后的数据送到中央处理芯片，进行一系列的数据分析、判断和存储，最后送到上位计算机。工作人员通过上位机界面进行监视和分析，达到局部放电信号实时监测的目的，其主要处理流程如下：

图8 主程设计流程Fig.8 Main program design flow

3.2 局部放电信号波形分析

通过局部放电信号波形分析，就可以把各种放电类型分开，方便维修人员局部放电定位和维修，具有较强的应用价值，其波形分析如下：

1)如果有两个以上的传感器同时采集到局部放电信号，就会产生多个周期性的尖脉冲，则局部放电发生在设备内部，波形如图9：

图9 设备内部放电Fig.9 Internal discharge of equipment

2)如果在出线或绕组上有多个局部放电产生，放电信号在穿过绝缘纸时，信号幅值削弱，会出现如鸡蛋外型脉冲群，波形如图10：

图10 出线或绕组放电Fig.10 Outlet or windings discharge

3)如果设备内部连接良好，图谱波形是一个尖脉冲，当机械部件松动和接触不良，则会产生幅度不均匀的周期性脉冲，波形如图11：

图11 机械振动放电Fig.11 Mechanical vibration discharge

4)如果在一个周期内出现两个或更多的脉冲，脉冲幅度不是太高，且脉冲边缘清晰，则可以判定是开关动作产生的局部放电,如图12：

图12 开关动作放电Fig.12 Switching discharge

4 结论

电气设备的安全可靠运行与其绝缘状态的良好是分不开的，局部放电是设备绝缘老化的主要原因，所以通过检测电气设备的局部放电就可以间接的了解设备的绝缘特性，本文通过研究局部放电产生原因和局部放电波形特性，设计了一套局部放电检测系统，通过相应的局部放电定位方法和局部放电采集波形分析，将各种放电类型分门别类，能够让维修人员快速的定位局部放电发生部位，准确高效的排除电气设备绝缘故障，从而提高了电气设备运行的安全性，具有较强的实用价值。

[1] 李军浩,顾朝敏,孙振权,王国利,李彦明.换流变压器阀侧绝缘承受电压类型及含量分析[J].陕西电力,2011(10).

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[3] 张锐,吴旭涛,丁培.750kV主变压器超高频局部放电在线监测[J].宁夏电力,2010(02).

[4] 付光杰,何剑,赵海龙.基于解析信号小波的变压器局部放电故障诊断[J].化工自动化及仪表,2013(03).

[5] 王胜辉,律方成,李燕青,李和明,武建华.紫外成像法在变电站电晕放电检测中的应用研究[J].高压电器,2010(02).

[6] 张又力,王礼,熊兰,赵艳龙,杨子康,何为.10kV干式变压器温度在线监测与评价系统[J].电测与仪表,2012(06).