孔凡祥　孫志明

摘要：文章介紹了變壓器發(fā)生局部放電的主要原因、危害以及放電機理，變壓器內(nèi)部局部放電檢測的工作原理。通過對一臺電力變壓器進行現(xiàn)場實測，模擬出現(xiàn)場運行中的電力變壓器發(fā)生局部放電的模型，總結出電力變壓器進行局部放電檢測所采取的主要有效方法。

關鍵詞：油浸變壓器；局部放電；電力變壓器；變壓器故障；電器設備；絕緣材料

中圖分類號：TM855 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0117-04

高壓電氣設備發(fā)生局部放電的因素較多，主要原因是電氣設備絕緣材料內(nèi)部存有絕緣相對薄弱點，如固體中存在的氣泡或雜質、液體絕緣中場強比較集中的尖角或尖端放電以及絕緣氣體內(nèi)的小范圍擊穿。當具有氣泡或雜質的絕緣材料在受到外加高場強作用下，將會在這些不同物質的分界面上出現(xiàn)電荷的積累，這種電荷積累被稱為夾層式極化。實踐證明，局部放電在一般的電氣設備中都會存在，電壓等級越高，局放發(fā)生的可能性相對更大。這些比較微弱的局放過程雖然產(chǎn)生的能量比較小，但是它的存在會使絕緣介質的耐電性能逐漸產(chǎn)生劣化，最終可能會發(fā)展成為貫通性的擊穿過程，導致電氣設備發(fā)生嚴重的損壞。

1 電氣設備內(nèi)部局部放電測試目的及意義

油紙絕緣電器設備如電流互感器、套管等在設計時工作電壓常是以局部放電量小于1pC為依據(jù)的，由于工藝影響等，規(guī)定放電量在試驗電壓下小于10pC。根據(jù)國家電網(wǎng)公司針對電力變壓器質量等級的要求，電力變壓器的局部放電值小于100pC的數(shù)值為優(yōu)等品。運行中的電力變壓器，由于測試過程極易受到外界干擾，一般在試驗電壓下不大于300pC。

2 電氣設備局部放電的機理

2.1 局部放電的分類及定義

不同絕緣類型的電氣設備發(fā)生局部放電的類型也有很大不同，主要表現(xiàn)：固體絕緣以空穴居多，液體絕緣以氣泡為主。因此，根據(jù)放電的具體類型進行分類，主要有3類：發(fā)生在絕緣介質的內(nèi)部放電；絕緣介質及金屬表面的表面放電；發(fā)生在較高電場下的尖角放電。

為有效區(qū)分局部放電大小，對局放進行定量分析，主要測試以下5個參數(shù)：

2.1.1 視在電荷量q。電荷量的國際單位為庫倫，由于局放量非常小，一般視在電荷量用pC（皮庫）表示。

2.1.2 局放的測試電壓。指絕緣被試品所發(fā)生的局部放電量值不會超過一定數(shù)量值的同時，絕緣材料外界加上試驗所需的電壓數(shù)值。

2.1.3 局部放電的數(shù)值。電氣設備在一個統(tǒng)一的標準下，即相同的試驗外界條件、試驗方法、信號采集與處理方法以及執(zhí)行統(tǒng)一標準等的前提下所測得的局部放電數(shù)值。

2.1.4 放電起始電壓Ui。在高壓試驗中，隨著電壓上升的過程中，被試設備將會在某一電壓值時出現(xiàn)明顯的放電過程（或發(fā)生規(guī)定的數(shù)值），此電壓為被試品出現(xiàn)局部放電所需的最低電壓值。

2.1.5 局部放電熄滅電壓Ue。當被試品局部測試結束后，測試系統(tǒng)中沒有了局部放電信號后的最高電壓值。

2.2 電氣設備內(nèi)部放電成因與放電機理分析

圖1 局部放電等效圖

Cg為空穴電容；Ug為空穴電壓；Ua為絕緣介質的外施電壓。

一般固體絕緣材料的氣泡均表現(xiàn)為夾層式極化的結構形狀、方向與電場中電力線的方向垂直，如用電介質的厚度用dd表示與氣泡（空穴）構成串聯(lián)形式的局部位置，空穴厚度用dg表示，經(jīng)推導，與其他電介質相互構成串聯(lián)形式的氣泡（空穴）的介質電容量可表示為：

因為q＝UC，C＝εs/d，qn為空隙電容的充電電荷，空隙上的電壓為：

圖2 放電脈沖波形圖

在交流工頻電場作用下，空穴所承受的電場強度將達到固體電介質中平均場強的幾倍，例如，環(huán)氧樹脂相對介電系數(shù)εr＝3.8，根據(jù)推導可知，場強度是按照介電常數(shù)的反比進行分配，氣泡（空穴）的介電系數(shù)大于并約等于1，因此氣泡所承受的場強將會是環(huán)氧樹脂的3.8倍。再者，氣體的耐電強度（擊穿場強）同比固體絕緣材料的耐電強度低得多，如空氣的耐電強度只有環(huán)氧樹脂的1/10。因此，氣泡本身在耐電強度低又承受較高電壓的情況下，勢必會被擊穿。當氣隙擊穿后，氣隙兩端電壓降低到很低的數(shù)值（有時默認為放電擊穿瞬間氣泡端電壓為0）。放電發(fā)生后，能量被釋放，氣泡將再次被充電。因此，在氣泡兩端即發(fā)生反復充放電過程。

3 局部放電的檢測方法

3.1 超聲波法局部放電測試原理

人耳所能聽到的頻率在20Hz～20kHz范圍內(nèi)，頻率低壓20Hz稱為次聲波。超聲波就是一種振蕩頻率比人耳可聽見聲波頻率高的一種波，特性與聲波的特性比較接近。超聲波的傳播特性為一種疏密變化的機械波，傳播媒質為氣體、液體和固體等。

當超聲波通過兩種不同物質的界面時，由于兩種物質有不同波阻抗，會產(chǎn)生入射和反射，若把入射波和反射波的振幅之比設為A0，設第一種物質的聲波阻抗為ρ1c1，第二種物質的波阻抗為ρ2c2，則入射波和反射波的振幅之比A0可表示為：

3.2 局部放電超聲測量

用超聲探頭獲得由局部放電引起的超聲信號，并用數(shù)字式局放儀或波形記錄儀記錄波形做定位測試。

圖3 超聲波探頭所測信號波形

3.3 其他非電檢測方法

3.3.1 光檢測法：設備內(nèi)部放電只有透明介質才宜用光檢測法，如常見的聚乙烯絕緣電纜的導線線芯在進行水介質掃描后，即可采用光電倍增管的方法進行局放檢測。缺點是靈敏度相對低，且易受各項條件的限制，局限性較大，適宜于暴露在外表面的放電類型，如電暈放電。

3.3.2 熱檢測法：由于在發(fā)生放電時產(chǎn)生能量的釋放與損耗，放電點會有發(fā)熱現(xiàn)象。故障較嚴重時，由于局放的熱效應，可通過對事先埋設的熱電偶對各關鍵測量點的溫度或溫升進行檢測，因而確定局部放電的具體部位。但這種方法存在不靈敏、不能定量以及不能及時發(fā)現(xiàn)故障點的缺陷，現(xiàn)場一般很少采用。

3.3.3 分解物分析法：氣相色譜分析就是通過分析油中氣體成分來反映變壓器運行狀態(tài)方法，分析放電產(chǎn)生的化學生成物，例如用色譜分析儀測量可燃性氣體，從而推斷局部放電程度，判斷故障類型。此方法已被廣泛應用，并取得較好效果。

4 變壓器局放模擬試驗

4.1 沖油設備的放電模擬

充油高壓設備內(nèi)部主要是發(fā)生在油中的放電，為此，采用一個裝有合格的變壓器油（25號）的透明有機玻璃進行相應懸浮金屬顆粒、固體雜質、電場場強集中以及氣泡與水分等常見情況下的局部放電模擬測試。

4.2 金屬顆粒產(chǎn)生的懸浮放電

將少量金屬屑放入高壓電極的附近，并用一絕緣良好的紙板支持金屬屑，用以進行模擬懸浮金屬在油中的放電過程。當外施電壓較低時，所測定的放電量為300pC左右，放電波形表現(xiàn)出不對稱性，在電源負半周放電量稍大。

4.3 懸浮電極的放電

將一個制作好的細銅絲在不加壓電極上安裝好，要求高壓電極與銅絲尖端的距離保持在0.3rmn，并將裝有變壓器的容器放在一只絕緣良好，不存在局放的瓷質絕緣支柱上，模擬一個電極懸浮在絕緣油中的放電過程。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，外施電壓保持在較低數(shù)值時，油中雜質等在尖電極的間隙中聚集，經(jīng)測定，局部放電量在100～300pC之間。

4.4 雜質在變壓器油中的放電

模擬纖維雜質被混入變壓器油中，電壓上升時能夠很清晰地觀察到變壓器油中形成了纖維橋，并產(chǎn)生了持續(xù)放電的過程，此放電過程稱為“小橋理論”。但當此小橋沒有完全形成貫通過程時未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，此放電波形與電場強度比較集中的放電波形非常相似。

4.5 介質中的金屬放電

將金屬顆粒放置在一個絕緣紙板間后浸入在變壓器油中，然后模擬絕緣材料中存有金屬粒，當發(fā)生放電后，放電量還是相對很穩(wěn)定，數(shù)值在400～800pC之間。

5 變壓器試驗結果分析

現(xiàn)場實測分析。通過對一臺運行中的220kV、300MVA的變壓器進行局部放電測量，當變壓器加上額定測量電壓時，所測到的局部放電量較小，數(shù)值小于50pC。但當試驗人員將激發(fā)電壓施加在被試變壓器時，測試系統(tǒng)測到較大的放電值，與額定測試電壓比較，局部放電值出現(xiàn)大幅值提高，放電脈沖的特性表現(xiàn)為每周期只一次，同時伴隨外加電壓時間的增長，放電量逐漸慢慢趨于穩(wěn)定。測試完畢，將測試過程中的放電波形進行詳細的波形記錄，并進行了認真分析，發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)律性，即較小量值的放電（屬于允許放電范圍內(nèi)）波形與電場強度比較集中以及在進行雜質放電檢測過程所得到的結果極為相似。

圖4 現(xiàn)場超聲波傳感器安裝情況

6 結語

超聲波檢測技術對于確定放電位置與放電量定量測量是比較理想的方法，主要特點是測試簡單，受環(huán)境條件的限制較小。目前，局部放電常用的聲音測量法具有獨特的優(yōu)點，聲音傳感器可在設備外殼的表面（不影響設備運行的前提下）不帶電并保持安全距離的任意部位進行安裝，能夠準確測定具體放電位置，并且接收的信號與外界電源不存在任何電氣上的直接聯(lián)系，電源系統(tǒng)對局部放電信號的干擾將會被避免。因此，局部放電測量還是采用電測量法和超聲波聲測法的組合方式，優(yōu)點能夠相互補充，如果能夠配合一些改善濾波、抗干擾以及信號處理等增強軟硬件處理與分析能力的方法，將會使局部放電測量取得更好的效果。

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作者簡介：孔凡祥（1977-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，赤峰供電公司農(nóng)電工作部生產(chǎn)處副處長，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)生產(chǎn)技術。

（責任編輯：文 森）