第4章-局部放电测量的基本原理

局部放电及其测量34第4章局部放电测量的基本原理脉冲电流法的基本原理可用图4.1所示电路阐述：当试品CX产生一次局部放电时，脉冲电流经过耦合电容Ck在检测阻抗两端产生一个瞬时的电压变化，即脉冲电压U，脉冲电压经传输、放大和显示等处理，可以测量局部放电的基本参量。脉冲电流法是对局部放电频谱中的较低频段（一般为数千赫兹至数百千赫兹或至多数兆赫兹，局部放电信号能量主要集中在该段频带内）成分进行测量，以避免无线电干扰。传统的测量仪器一般配有脉冲峰值表指示脉冲峰值，并有示波管显示脉冲大小、个数和相位。放大器增益很大，其测试灵敏度相当高，而且可以用已知电荷量的脉冲注入校正定量，从而测出放电量q。图4.1脉冲电流法基本原理示意图4.1脉冲电流法的基本测量线路（a）并联法测量回路（b）串联法测量回路（c）平衡法测量回路图4.2脉冲电流法的基本试验测量线路示意图脉冲电流法的基本试验测量线路有三种，如图4.2所示，其中图4.1（a）、（b）统称为直接法测量回路，（c）称为平衡法测量回路。每种测量回路应包括以下基本部分：（1）试验电压u；（2）检测阻抗Zd，将局部放电产生的脉冲电流转化为脉冲电压；（3）耦合电容Ck，与试品Cx构成使脉冲电流流通回路，并具有隔离工频高电压直接加在检测阻抗上Zd的作用；（4）高压滤波器Zm，一方面阻塞放电电流进入试验变压器，另一方面抑制从高压电源进入的谐波干扰。（5）测量及显示检测阻抗输出电压的装置M。CxeCkiMZdCxCkMZdZmuCkCxMZdZmuCkZmCxZuZdZ第4章局部放电测量的基本原理35并联法多用于试品电容较大或试品有可能被击穿的情况下，过大的工频电流不会流入检测阻抗Zd而将Zd烧损并在测试仪器上出现过电压的危险。另外，某些试品在正常测量中无法与地分开，只能采用并联法测量线路。串联法多用于试品电容较小情况下，耦合电容具有滤波作用，能够抑制外部干扰，而且测量灵敏度随Ck/Cx的增大而提高。在相同的条件下，串联法比并联法具有更高的灵敏度，这是因为高压引线的杂散电容及试验变压器入口电容（无电源滤波器时）也被利用充当耦合电容。另外，Ck可利用高压引线杂散电容来充当，线路更简单，可以避免过多的高压引线以降低电晕干扰，在220kV及更高电压等级的产品试验中多被采用。平衡法需要两个相似的试品，其中一个充当耦合电容。它是利用电桥平衡的原理将外来的干扰消除掉，因而抗干扰能力强。电桥平衡的条件与频率有关，只有当Cx1与Cx2的电容量和介质损失角tg完全相等，才有可能完全平衡消除掉各种频率的外来干扰；否则，只能消除掉某一固定频率的干扰。在实际测量中，试品电容的变化范围很大，若要找到与每个试品有相同条件的电容是困难的。因而，往往采用两个同类试品作为电桥的两个高压臂以满足平衡条件。4.2检测阻抗检测阻抗，也称为输入单元，其主要作用是取得局部放电所产生的高频脉冲电流信号，并对试验电源的工频及其谐波低频信号则予以抑制。检测阻抗是连接试品与仪器主体部分的关键部件，对仪器的频率特性与灵敏度有直接关系。检测阻抗可分为RC型及LCR型两大类，如图4.3所示，图中电容Cd主要由至仪器主体连接电缆的电容、放大器输人电容等组成。4.2.1RC型检测阻抗图4.3表示接有RC型检测阻抗时的等效局部放电检测电路。当试品Cx产生局部放电时，视在放电量为q，Cx两端会产生一个脉冲电压u，理想情况下u是一个直角脉冲波，但在实际情况中u具有一定的上升时间并具有以下的形式)1(tmfeUu（4.1）式中脉冲电压幅值)]/(/[dkdkxmCCCCCqU，f为放电衰减常数。对于理想情况，在放电瞬间，电荷q引起的Ck和Cd上响应的脉冲电压可认为按电容反比例分配，则Cd上的脉冲电压幅值为CdRd(a)CdLdRd(b)图4.3检测阻抗图4.4接RC检测阻抗的测试回路CddRdCkCxud局部放电及其测量36xkdddkkdkdkxdkkdCCCCqCCCCCCCCqCCCuu)/1()/(（4.2）当Cd上的脉冲电压到达幅值后经电阻dR放电，则检测阻抗上脉冲电压为tvtddddeCqeutu/)(（4.3）式中)/(1tddCR，)1(kdxdvCCCCC，)(kxkxdtCCCCCC。通过对（4.3）的傅立叶变换求ud的频率特性为2/122)()(dvdCqU（4.4）ud的时间特性及频率特性分别如图4.5（曲线1）及4.6所示，其中，dh。如果考虑放电脉冲的上升时间，则ud的时间特性如图图4.5中曲线2，且为)(/11)(/ttfdvtddfddeeCqeutu（4.5）衡量检测阻抗的品质，主要是根据测量的灵敏度、准确度以及分辨率三个因素。在采用RC型检测阻抗时，应考虑如下几点：（1）ud(t)的幅值与放电量q成正比。（2）在一定的q下，减小Cd可以增大Δu，即可提高灵敏度。（3）Rd小则d大，ud衰减快，频谱就会很宽。如果放大器的频带不够宽，就会降低检测的灵敏度。而宽带放大器在使用中易受到外界干扰的影响，这一点限制了它的实际使用。（4）RC型检测阻抗上的电压是非周期性的单向脉冲，每个脉冲与绝缘内局部放电脉冲一一对应。脉冲持续时间短、分辨率高，即d愈大，分辨率愈高。（5）采用积分式放大系统有利于测量视在放电量。例如，（4.5）对时间的积分，有dvfdfdvdCqCqdttu11/11)(0（4.6）tud(t)ud图4.5检测电压的（a）时间特性及（b）频率特性(a)ωhUd()0.707UdmUdm(b)132第4章局部放电测量的基本原理37可见ud(t)对时间的积分值与f无关，与q成正比，而低频放大器（带滤波器的放大器）就是一种积分式放大系统。4.2.2LCR型检测阻抗LCR型检测阻抗由电感Ld、电容Cd、电阻Rd组成，接LCR型检测阻抗的测试回路如图4.6所示。试品放电瞬间，脉冲电压u按电容分配，局部放电衰减完后，检测阻抗Cd上电压通过Rd衰减，同时在Ld、Cd之间产生磁能和电能转换，于是在Cd上出现衰减振荡，并且衰减系数为)2/(1tddCR，振荡角频率为tddCL1。对于理想局部放电脉冲波形，当dd时，)cos()(teCqtudtvdd（4.7）如果放电脉冲的前沿较缓慢，则]cos)cos([)/(11)(2tdtfdvdfdeteCqtu（4.8）式中)/(1fdtg。其波形如图3-7b所示。其幅值小于q/CV，最大幅值也不一定在第一周期。经傅氏变换得出其频率特性为212222222122/dddddVdLRCqU（4.9）由以上分析可见：（1）通常ddddLR，。这样，Ud(ω)的最大值出现在d时，如图4.7所示。（2）与RC检测阻抗一样，LCR型检测阻抗ud(t)的峰值与放电量q成正比。（3）与RC型检测阻抗不同的是LCR型检测阻抗频谱中幅值较大的谐波分量都集中在ωd附近。因此，只要选用包括ωd在内而频带不必很宽的放大器就可以得到被测信号中的大部分能量，从而获得足够高的测量灵敏度。（4）从vC的表达式和(4.7)可以看出，灵敏度最大的条件为Cd≈0及CkCd。故设计者应考虑尽最减小输入电容Cd；用户使用时应尽可能采用较大的耦合电容Ck。图4.6接RC检测阻抗的测试回路CddRdCkCxudLd局部放电及其测量384.2.3检测回路的脉冲分辨时间脉冲分辨时间是指检测系统输出的两个相继脉冲之间由于波形重叠而造成的脉冲幅值误差不超过10%时的最小时间间隔。放电脉冲在检测回路中造成检测阻抗输出脉冲波形重叠而引起的误差与检测阻抗的特性有紧密关系。1、RC型检测阻抗由前可知，RC型检测阻抗对局部放电脉冲的响应电压波是呈指数式衰减的单向脉冲波形，如果脉冲发生重叠，其结果总是相加。由（4.3）和（4.5）可知，检测回路的衰减常数d决定了波形衰减的快慢，是决定分辨时间的主要因素。为了使脉冲能充分分辨，脉冲必须经过约三倍的时间常数间隔在出现另一脉冲，故脉冲分辨时间为tddRCRt3/3（4.10）2、RCL型检测阻抗由图4.7可以看到，RCL型检测阻抗上的波形是衰减的振荡波，当脉冲叠加时，其结果可能增大，也可能减小。同样为了使脉冲能充分分辨，脉冲分辨时间应该满足tddRCRt6/3（4.11）4.3放电量的校正4.3.1放电量校正的原理在局部放电的电测法中，如果未经放电量的校正，就无法知道检测仪的显示器上所显示的放电脉冲的幅值代表试品的多少放电量。电测法局部放电检测系统的定量校正是根据视在放电量的定义，如果定量校正试品xC产生的局部放电量，可以用幅值为0U的方波电压源串联小电容0C组成人工模拟支路并将产生的放电量0q注入与xC两端，此注入的电荷量为000CUq，这时在局部放电检测仪的显示器上可测得脉冲高度0H，则放电量的分度系数为000HqK（4.12）经过校正后，应保持检测系统连接回路不变以及系统的放大倍数等其它参数都不改变，即保持检测系统分度系数不变。曲调校正用的人工模拟支路后，对试品按试验规程施加试验电压。lgωud(ω)ud(t)t（a）（b）图4.7LCR检测阻抗上的（a）电压波形及（b）电压的频谱示意图第4章局部放电测量的基本原理39当试品产生放电时，在显示器上读得的脉冲高度为H，则试品的视在放电量为HKq0（4.13）国家标准GB7354-87《局部放电测量》推荐了直接法和平衡法测量回路的直接校正电路，如图所示。如果将人工模拟支路产生的放电量0q注入检测阻抗dZ两端称为间接校正，采用间接校正方法得到的分度系数进行放电量标定时，实际的放电量是分度系数0K、回路衰减系数lK以及脉冲高度H三者的乘积，其中回路衰减系数lK通常以测量方式求得，其方法是：采用间接校正回路测得分度系数K，采用直接校正回路测得分度系数K，则KKKl/且1lK（4.14）（a）并联法直接校正回路（b）串联法直接校正回路（c）平衡法直接校正回路图4.8直接校正回路示意图4.3.2校正脉冲的特性对定量校正的影响一、校正脉冲上升时间的影响校正脉冲的电压波形应与实际局部放电所产生的脉冲电压波形相似，在测量中才会产生很大的误差。从4.3节的分析可以看出，当局部放电产生的脉冲电压上升时间f和检测阻抗的时间常数可以相比时，检测阻抗两端电压的幅值与脉冲电压的上升速度有关。如果校正脉冲上升时间越大，RC检测阻抗两端的电压幅值就越小，使检测仪显示器上显示的脉冲高度越低，此时分度系数会偏大。对于LCR检测阻抗，当校正脉冲的上升时间远小于检测阻抗输出脉冲电压du的振荡周期的1/4时，校正脉冲的上升时间对du幅值没有影响；反之，校正脉冲尚未上升到最大值而du已过峰值，因此du的幅值变小，则检测仪显示器显示的脉冲高度变低，分度系数偏大。而且，随着f的增大，du幅值就会更加偏大。一般认为，当f小于du振荡周期的1/25时，校正脉冲的上升时间的影响可以忽略。为了模拟实际局部放电，校正脉冲的上升时间最好取0.01s（大约是气隙放电的上升时间）。但是校正脉冲上升时间太快时容易造成寄生振荡（由于杂散电容和寄生电感的存在），因此，现行的标准规定校正脉冲的上升时间sf1.0。二、正脉冲衰减时间的影响校正脉冲衰减时间也称为持续时间，它对检测系统的分度系数的影响正好与校正脉冲上升时间的影响相反。如果校正脉冲衰减很快，则相当于用相继出现的一个正脉冲和一个负脉冲对检测系统进行校正，如果两个脉冲的时间间隔小于检测回路的脉冲分辨时间，就会产生CkMZdZmCxU0C0uCkCxMZdZmU0C0uCkZmCxZU0C0uZdZ局部放电及其测量40误差。对于采用RC检测阻抗的检测回路，正脉冲和负脉冲引起检测阻抗输出波形的叠加将会引起检测阻抗输出电压du幅值降低，