电气设备直流局部放电测量中的新技术研究

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　　摘  要：本文针对高压电气设备局部放电，在简述局部放电原因、危害、特点及局部放电测量特点的基础上，提出几项局部放电测量新技术，以此为实际的高压电气设备局部放电测量工作提供技术参考。
　　关键词：高压电气设备;局部放电;局部放电测量
　　中图分类号：TM930.1    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00
　　0 引言
　　对于高压电气设备，它会受到局部放电很大影响，导致绝缘损坏。对此，在设备监测中必须重视并做好局部放电测量，掌握局部放电相关信息。随着对局部放电测量重视度的不断提高，出现了很多可用于测量局部放电的新技术和新方法，这对不同设备的局部放电测量和局部放电测量准确度、灵敏度及可靠性的提升具有十分重要的作用和意义。
　　1 电气设备直流局部放电
　　局部放电是一种高压电气设备常见现象，指设备绝缘受到电场作用后在局部范围产生放电。发生局部放电会对绝缘介质造成一定程度的影响，当局部放电比较轻微时，对设备绝缘造成的影响不大，使绝缘强度缓慢降低;但如果局部放电强度很大，则绝缘强度将快速降低，导致绝缘损坏。基于此，一方面对高压电气设备进行绝缘设计的过程中，应充分受工作电压持续作用时，避免绝缘结构中产生局部放电;另一方面要在设备实际运行过程中做好监测，如果监测到局部放电超出允许程度，则需将设备退出，并立即检修或予以更换[1]。
　　在有气体或者是液体存在的固体电介质当中，如果局部场强达到可以击穿的程度，则会开始放电。对于局部放电现象，通常是因为绝缘体有电场集中造成的，一般这种放电主要表现为不超过1μs 的瞬时脉冲。如果绝缘产生局部放电，将使绝缘寿命受到影响而缩短。在放电时，绝缘将受到电子持续冲击作用，尤其是长时间的局部放电还会引起不同形式的反应或效应，比如气泡外壁受到带电质点连续撞击，导致绝缘自身化学键被打断而产生裂解，使绝缘自身分子结构被严重破坏，进而劣化，并快速损坏。
　　局部放电现象是局部过热问题及元件发生老化的主要预兆;对于局部放电趋势，它是指局部放电和时间之间的关系，过程较为曲折，在不同的阶段既可能上升也可能下降;绝缘结构中一旦发生局部放电，将伴随一系列其它反应，同时还会引起局部发热。鉴于局部放电具有上述特点，怎样避免和消除局部放电问题，确保设备始终处于安全正常的状态，是每一位维护人员必须重视的事情。此时首要工作就是结合局放测量特点，采用合理可行的测量技术，尤其是在科技发展进程中衍生出的各类新测量技术[2]。
　　2 电气设备直流局部放电测量主要特点及其与交流局放的差异
　　相对于电气设备耐压试验，对电气设备进行的局放测试属于非破坏性，同时测试掌握电气设备实际局放情况能对电气设备自身绝缘情况进行综合判断，这样能避免对绝缘造成破坏。对于新电气设备，对其进行局放测试，能找出其中存在的薄弱环节，发现并纠正设计或制造等方面存在的差错。可将局放测试作为一种对电气设备绝缘性能进行鉴别的有效方法，同时也是使电气设备处于安全稳定状态的有效手段。对于处在运行状态的电气设备，不仅要定期开展常规试验，而且还要做好局放试验，并对试验结果进行记录和分析，这样能深入了解电气设备绝缘实际情况，确定老化程度。当发现有局放痕迹时，应立即确定放电位置，并采取有效措施加以处理，保证电气设备运行可靠性与安全性。
　　直流情况下的局放检测和交流情况并无太大差别。局放检测会受到噪声干扰影响，现在很多高压发生器都会产生一定干扰，包括开关动作与某种电压条件下的局放。基于此，可通过滤波模块建立来减小噪声对局放检测造成的影响，也就是通过硅堆整流，使高压交流变实现直流输出，该方式和普通发生器相比，高频干扰相对较小，对直流局放检测十分有利。对于它的检测电路，主要由三部分组成：（1）直流高压输出部分;（2）高压滤波部分;（3）局放检测部分。
　　当采取脉冲电流的方法对局放实施检测的过程中，对耦合电容及检测阻抗进行串联，此时，若需对脉冲波形予以捕捉观察，则可将检测阻抗更换为无感电阻，这样能有效避采集波形发生畸变。除此之外，因直流电压为单极性，所以在试样中，局放信号同样为单极性，以此特点为依据，能对干扰和局放信号予以区分。相较于交流电压条件下的局放，在直流的情况中，局放无相角这一概念，所以和相交有关的所有分析方法，都无法在这种情况下使用。对此，必须采取新的可以在直流条件下使用的局放分析手段。对此，传统方法是对脉冲波形进行分析，即先捕捉放电脉冲，再对它的波形实施傅里叶变换，进而掌握时频特性。其表征参数有：放电幅值;脉冲上升与下降的时间;整体维持的时间;频段范围。通过对直流和交流两种条件下的脉冲波形对比，能清楚的看出这两个脉冲，无论是在时域波形上，还是在频域分布上，均有着明显的差异，进一步明确了直流与交流局放在细节上的差异性。
　　3 电气设备直流局部放电测量新技术
　　3.1 传感器技术
　　（1）罗氏线圈。这是一种原边仅一匝的传感器，在电气设备的在线监测过程中常用。在实际的监测过程中，将磁芯从待测电气设备地线穿过，其中磁芯可采用有机绝缘材料，也可采用具有较高磁导率的铁氧体，一般情况下它的响应频率能达到数兆赫兹。磁芯铁氧体通过和小电阻之间的并联能形成自积分回路，当频带范围相对较宽时，传递函数幅频表现为平坦。因有机绝缘材料的导磁率等于1，所以可采取增加匝数的措施来获得想要的电感，同时在线圈的两端与电阻或电容相并联，形成谐振回路，以此实现对检测信号的选频;则电阻则能起到阻尼的作用，使脉冲分辨率符合要求。在测量状态下，输出信号对应的电压幅值和待测电流幅值为正比关闭，因铁氧体存在磁饱的现象，所以如果检测电流当中含有工频大电流，则输出电压波形会出现明显畸变，此时要采取有效措施加以避免[3]。（2）声检测。对局放进行超声检测在声-电换能器引入后成为可能。对于整个超声检测系统，超声波传感器，也就是超声波探头，为最主要的组成部分。它由几部分构成：压电元件、放大器、滤波器、屏蔽壳。其中，对于压电元件，它是傳感器主要部件，直接影响检测灵敏度。在局放过程中产生的声波能传播于变压器油，变成机械压力波，对光纤传感头造成挤压，使光路长度改变。光需要从外部输入，通过对光波的调制解调能确定变形程度，之后经计算可定量声波强度。可见，对光纤与超声传感器进行联合使用，能达到理想的局放测量效果[4]。（3）光检测。对于光检测传感器，其原理为局放时会产生一定光辐射，且当放电不同时，所发出的光也有着不同波长，但不会超过500-700nm的范围。对这些光利用光纤实施光电转换，然后对光电流具有的特性进行检测能实现局放识别。虽然该方法的效果经试验得到验证，但设备投资较高，且不稳定，所以未能得到普及。（4）超高频。如前所处，当电气设备发生局放时，脉冲持续时间不超过1μs，而频率却很高，可达1GHz，这使得能对0.5-1.0GHz这一频带进行检测的超高频法被广泛应用。如今，可在GIS和大型发电机组电气设备中使用的局放超高频测量方法已经出现，采用该方法对局放时产生的电磁波进行提取时，基本不会受到其它信号影响，能大幅提升测量准确度、灵敏度及可靠性，在现阶段在线监测中十分适用。由于该方法的灵敏度极高，所以目前已有很多成型产品，主要针对GIS、电机和电缆，而对电力变压器而言，因其内部结构较为复杂，采用该方法进行局放测量有很大的难度，所以还未能普及的程度，仍需进一步研究和发展[5]。 　　3.2 定位技术
　　（1）超声波定位。该方法在对变压器设备的局放定位中较为常用，其定位的原理为利用传感器对局放后产生的压力波进行接收，然后测量局放开始到接收到压力波所需时间，以测量结果为依据，对局放位置和传感器之间的距离进行计算，再通过三角测量，确定多个传感器和局放之间的相对位置来找出具体的局放位置。近几年在声发射技术快速发展的进程中，超声波定位得以进一步发展和优化，使得可采用这一方法进行局放定位的设备类型越来越多[6]。（2）电气定位。它是对几种方法的总称：1）行波法：根据局放源行波实现定位，它的定位精度会受到绕组、脈冲失真等因素的影响，在结构较为简单的电气设备中较为适用，如电缆等。2）电容比法：对绕组两端因局放产生的脉冲进行电容传递分量测量来确定和绕组间的相对位置关系，进而对局放进行准确定位。3）多点测量：主要用于变压器设备的局放定位，因该方法将设备频率关系及传输特性作为定位的依据，所以无法准确定位。4）脉冲比较：现假设放电源每个引线端实测脉冲波形均唯一，然后对待测和已知脉冲进行比较，以此定位待测脉冲。该方法在多种绕组结构中均可使用，但需要利用电磁模型来校正，操作过程比较复杂[7]。以该方法为基础，Marshall等提出一种波形识别的方法，其原理和脉冲比较基本相同，该方法不仅能在局放定位中使用，而且还能确定待测绕组对不同波形的响应速度，进而获得放电量幅值。（3）声、电联合定位。超声波定位会受到外界噪声影响使精度降低，对此可采用声、电联合定位来解决，即选择一个电信号，将其作为参考基准，然后选择相应的传感器，根据信号时差与速度对球面方程进行求解，进而确定局放的位置。这一方法最大的特点在于简单直观，但会受到电磁干扰，定位中要采取有效措施解决。
　　4 结语
　　综上所述，对高压电气设备进行局放测量，是设备实时监测与鉴定设备绝缘状态重要基础，测量结果能直接反映出设备绝缘是否老化，从而提出发现潜在隐患，为制定合理有效解决方案提供可靠参考借鉴，使电气设备始终处在安全、稳定的运行状态。
　　参考文献
　　[1] 唐志国，唐铭泽，李金忠，等.电气设备局部放电模式识别研究综述[J].高电压技术，2017（7）：2263-2277.
　　[2] 牛勃，丁培，马飞越，等.粒子群优化算法在电气设备特高频局部放电源定位中的应用[J].智慧电力，2018（9）：95-102.
　　[3] 宋琳，毕勇，栗鹏辉.超声波局部放电检测及定位技术在开关柜中的应用[J].科技展望，2017（28）：222-223.
　　[4] 孙廷玺，陈浩，钱森，等.光纤传感技术在局部放电检测的研究进展[J].高压电器，2018（11）：1-8.
　　[5] 李永祥，亢银柱，王天正，等.高压开关柜内部电气设备局部放电特性的检测与分析[J].高压电器，2018（1）：97-103+109.
　　[6] 郭威，王子伊，姜言金，等.高压电气设备局部放电监测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2017（4）：132-134.
　　[7] 周凯，黄永禄，何珉，等.基于传输系数的HFCT电气参数测试方法研究[J].高压电器，2018（11）：301-306.
　　收稿日期：2019-07-11
　　作者简介：马丽（1989—），女，陕西榆林人，本科，毕业于东北电力大学，助理工程师，研究方向：直流系统及UPS系统。
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