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电气设备局部放电的测试方法

时间:2018-04-27 16:54:32        阅读:96
文章标题:电气设备局部放电的测试方法关  键 词:电气设备,局部放电,测试方法概      述:根据局部放电产生的各种物理、化学现象,如电荷的交换,发射电磁波、声波、发热、光、产生分解物等,可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电测法和非电测法两大类,电测法包括脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等,非电测法包括声测法、光测法、化学检测法和红外热测法等。
       根据局部放电产生的各种物理、化学现象,如电荷的交换,发射电磁波、声波、发热、光、产生分解物等,可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电测法和非电测法两大类,电测法包括脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等,非电测法包括声测法、光测法、化学检测法和红外热测法等。
       一、电测法
       局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质,引起试样外部电极上的电压变化。另外,每次放电过程持续时间很短,在气隙中一次放电过程在10ns量级;在油隙中一次放电时间也只有1μs。根据Maxwell电磁理论,如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。局部放电电检测法即是基于这两个原理。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等。
       1.脉冲电流法
       脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法。脉冲电流法的基本测量回路见图1-1。图中C代表试品电容,Zm(Zm)代表测量阻抗,Ck代表耦合电容,它的作用是为Cx与Zm之间提供一个低阻抗的通道。Z代表接在电源与测量回路间的低通滤波器,Z可以让工频电压作用到试品上,但阻止被测的高频脉冲或电源中的高频分量通过。
       图1-1(a)为并联测量回路,试验电压U经Z施加于试品Cx,测量回路由Ck与Zm串联而成,并与Cx并联,因此称为并联测量回路。试品上的局部放电脉冲经Ck耦合到Zm上,经放大器A送到测量仪器M。这种测量回路适合于试品一端接地的情况,在实际工作中应用较多。
       图1-1(b)为串联测量回路,测量阻抗Zm串联接在 试品Cx低压端与地之间,并经由Ck形成放电回路。因此,试品的低压端必须与地绝缘。
       图1-1(c)为桥式测量回路,又称平衡测量回路。试品Cx与耦合电容Ck均与地绝缘,测量阻抗Zm与Zm分别接在Cx与Ck的低压端与地之间。测量仪器M测量Zm与Zm'上的电压差。
测量局部放电的基本回路
图1-1 测量局部放电的基本回路
       2.无线电干扰电压法(RIV)
       无线电干扰电压法,包括射频检测法,最早可追溯到1925年,Schwarger发现电晕放电会发射电磁波,通过无线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生。国外目前仍有采用无线电干扰电压表检测局部放电的运用,在国内,常用射频传感器检测放电,故又叫射频检测法。较常用射频传感器有电容传感器、Rogowski线圈电流传感器和射频天线传感器等。
       RIV方法能定性检测局部放电是否发生,甚至可以根据电磁信号的强弱对电机线棒和没有屏蔽层的长电缆进行局部放电定位;采用Rogowski线圈传感器也能定量检测放电强度,且测试频带较宽(1~30MHz)。
       3.介质损耗分析法(DLA)
       局部放电对绝缘材料的破坏作用是与局部放电消耗的能量直接相关的,局部放电的现象将导致介质的损坏,从而使得tgδ大大增加。因此可以通过测量tgδ的值来测量局部放电能量从而判断绝缘材料和结构的性能情况。
       介质损耗分析法特别适用于测量低气压中存在的辉光或者亚辉光放电。由于辉光放电不产生放电脉冲信号,而亚辉光放电的脉冲上升时间太长,普通的脉冲电流法检测装置中难以检测出来。但这种放电消耗的能量很大,使得 tgδ很大,故只有采用电桥法检测 tgδ才能判断这种放电的状态和带来的危害。但是,DLA方法只能定性的测量局部放电是否发生,基本不能检测局部放电量的大小,这限制了DLA方法的运用。
       二、非电检测法
       1.超声波法测试局部放电
       利用测超声波检测技术来测定局部放电的位置及放电程度,这种方法较简单,不受环境条件限制,但灵敏度较低,不能直接定量。超声波声测量方法常用于放电部位确定及配合电测法的补充手段。但声测法有它独特的优点,即它可在试品外壳表面不带电的任意部位安置传感器,可较准确地测定放电位置,且接收的信号与系统电源没有电的联系,不会受到电源系统的电信号的干扰;因此进行局部放电测量时,以电测法和声测法同时运用。两种方法的优点互补,再配合一些信号处理分析手段,则可得到很好的测量效果。
       当设备内部有故障放电时(几千到几万皮库),这时利用电信号作为仪器触发信号,也即以电信号作为时间参考零点,然后以1-3个通道采集声信号,仪器A/D采样频率可选在500kHz或1MHz并移动传感器位置,使能有效地测到超声信号,见图1-2。测得电信号与声信号的时间差Δt就可计算出放电点与传感器的位置的距离,s=vΔt,一般计算取v=1.42mm/μs。
超声测量信号波形
图1-2 超声测量信号波形
       2.光检测法
       对于绝缘内部的局部放电,只有透明介质才宜用光检测法,例如聚乙烯绝缘电缆芯通过水介质扫描用光电倍增管观察。但该方法灵敏度较低,局限性大,较适宜于检测暴露在外表面的电晕放电。
       3.热检测法
       由于局部放电在放电点会发热,当故障较严重时,局部热效应是明显的,可用预先埋入的热电偶来测量各点温升,从而确定局部放电部位。这种方法既不灵敏也不能定量,因而在现场测量中一般不用这种方法。
       4.放电产物分析法
       油纸绝缘材料在局部放电作用下会分解产生各种气体,分析局部放电时产生的化学生成物,例如用色谱分析仪测量高压电气设备的油中,由于放电产生的微量可燃性气体。从而推断局部放电的程度,从而判断故障类型,已在生产实际中广泛应用,并取得较好的效果。各种气体中对判断故障有价值的气体有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、氢(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等。
       绝缘中存在局部放电时,当放电较小并在故障点引起的温度高于正常温度不多时,由油裂解的产物主要是甲烷和氢;当局部放电故障扩大,形成局部爬电或火花、电弧放电时,会引起局部高温,产生乙炔、乙烯和一氧化碳、二氧化碳。如利用四种特征气体的三比值法,可用来判断变压器故障性质,但实际上对电力设备进行绝缘故障判断时,仅根据一次测量数据往往是不够的,宜利用色谱分析,观察各有害气体随时间的增量。并和局部放电超声测量和电测法数据作比较,进行综合判断,才能更加有效地判断故障性质。
       当故障涉及到固体绝缘时,会引起一氧化碳和二氧化碳含量的明显增长。但根据现有统计资料,固体绝缘的正常老化过程与故障情况下劣化分解,表现在油中一氧化碳的含量上,一般情况下没有严格的界限;二氧化碳含量的规律更不明显。因此,在考察这两种气体含量时更应注意结合具体变压器的结构特点,如油保护方式、运行温度、负荷情况、运行历史等情况加以分析,以尽可能得出正确的结论。
       三、变压器变比测试方法
       变压器的变比K(即电压比)是在变压器空载条件下,高压绕组电压U1和低压绕组电压U2之比。对于三相变压器而言,铭牌上的变比通常是指高压绕组额定线电压U1N和低压绕组额定线电压U2N之比。当需要运用变比做变压器等值电路的计算时,由于等值电路反映的是变压器一相绕组的参数情况,则应采用相电压的比值来计算,使之与各绕组的匝数成正比,更能反映各相的绕组状况。根据变压器的工作原理分析可知该比值也就是变压器各相高压绕组匝数N1与低压绕组匝数N2之比:K=U1/U2=N1/N2
       目前常用测量方法有双电压表法和变比电桥法(变比测试仪)。
       1.双电压表法
       用双电压表法测量时,一般在变压器的一次侧施加电源电压,整个测试过程中应保持试验电源的稳定性,在变压器的两侧分别用精度不低于0.5级的电压表或精度不低于0.2级电压互感器测取电压计算变比,并且2块电压表应同时读数,特别是在电压波动较大的时候,尤其要注意这点。为确保测量的准确度,试验电源电压以高于加压侧额定电压的1/3以上为宜。这种测量变比的方法所采用的试验设备均为常用测量仪器仪表,较容易取得。
       对于单相变压器,可以直接用测试结果得到变比。测量三相变压器时,可以使用单相电源,也可以用三相电源做为测试电源。如果使用三相电源,应施加对称的三相试验电源电压作用在对应绕组的同极性端,并要求测量时所使用的三相电源电压必须三相保持对称、稳定,其三相的不平衡度不应超过2%。若三相电源电压存在不完全对称的情况,将导致线电压与相电压的关系变化,需要进行转换时两者的关系比不再是,使得变比计算时出现误差,影响测试结果的分析判断。
       2.变比电桥法
       变比电桥是测量变压器变比的专用电桥,具有简便、可靠、准确度高、灵敏度高的优点,通常其准确度可达到0.1%以上,并且试验电压低、安全,可直接读取变比误差。若采用全自动变比测试仪,还能在测量变比的同时完成变压器连接组别的测量,并能够测量变压器的绕组极性,实现量程自动切换、自动记录和计算分析试验数据等功能。
       ZC-203B全自动变比测试仪是武汉致卓测控于2009年最新推出第二代专业变比测试仪,可用于电力系统的三相变压器测试,特别适合于Z型绕组变压器、整流变压器和平衡变压器测试。仪器采用了大屏幕液晶显示,全中文菜单及汉字打印输出,人机界面友好,功能完善,操作方便,是电力系统、变压器生产厂家和铁路电气系统进行变压器变比、组别、极性、以及角度测试的理想仪器,它有如下特点:
       (1)仪器内部集成幅值稳定、相位恒定的三相或单相标准电源。
       (2)测试单相或者三相变压器,不但对一般电力变压器适用,而且特别适合于Z型绕组变压器、整流变压器和铁路电气系统的斯科特、逆斯科特、平衡变压器测试。
       (3)内部标准电源输出功率大,最大5A输出,特别适合低压变压器测试、以及CT和PT制造过程中半成品的匝数测试。
       (4)精确快速测试电流互感器(CT)和电压互感器(PT)的匝比,匝比误差和相位差。
       (5)测试精度高,仪器采用16位高精度AD转换器配合CPU采用DSP(数字信号处理)芯片,有效的保证了测量精度及抗干扰能力。
       (6)仪器采用无局放调压输出,调压、测量速度快,只需5秒钟即可完成升压与测试。
       (7)测量速度快,一组数据的测试时间为几秒钟,仪器自动判断当前分接的额定变比:在多分接变压测试过程中只需设置一次参数,仪器自动判断当前分接,大大提高工作效率。
       (8)仪器内部根据被测试试品自动进行量程切换。
       (9)内部具有过流保护、检查接线功能。
       (10)320×240大屏幕、高亮度的液晶显示,全汉字菜单及操作提示实现友好的人机对话,触摸按键使操作更简便。
       (11)自带实时电子钟,自动记录试验的日期、时间利于实验结果的保存、管理。
       (12)面板式热敏打印机,可现场快速打印试验结果。
       (13)数据具备掉电存贮及浏览功能,可以存储1000组实验结果,能与计算机联机传送数据。
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