局部放電檢測儀

• 局放理論概述

在開始我們的實(shí)驗以前，我們首先應(yīng)該對局部放電有個初步的了解，為什么要測量局部放電？局部放電有什么危害？怎樣準(zhǔn)確測量局部放電？有了上述理論基礎(chǔ)可以幫助我們理解測量過程中的正確操作。

  一、局部放電的定義及產(chǎn)生原因

     在電場作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電，但尚未擊穿，（即在施加電壓的導(dǎo)體之間沒有擊穿）。這種現(xiàn)象稱之為局部放電。局部放電可能發(fā)生在導(dǎo)體邊上，也可能發(fā)生在絕緣體的表面上和內(nèi)部，發(fā)生在表面的稱為表面局部放電。發(fā)生在內(nèi)部的稱為內(nèi)部局部放電。而對于被氣體包圍的導(dǎo)體附近發(fā)生的局部放電，稱之為電暈。由此 總結(jié)一下局部放電的定義，指部分的橋接導(dǎo)體間絕緣的一種電氣放電，局部放電產(chǎn)生原因主要有以下幾種：

1. 電場不均勻。
2. 電介質(zhì)不均勻。
3. 制造過程的氣泡或雜質(zhì)。經(jīng)常發(fā)生放電的原因是絕緣體內(nèi)部或表面存在氣泡；其次是有些設(shè)備的運(yùn)行過程中會發(fā)生熱脹冷縮,不同材料特別是導(dǎo)體與介質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，也會逐漸出現(xiàn)裂縫；再有一些是在運(yùn)行過程中有機(jī)高分子的老化，分解出各種揮發(fā)物，在高場強(qiáng)的作用下，電荷不斷地由導(dǎo)體進(jìn)入介質(zhì)中， 在注入點(diǎn)上就會使介質(zhì)氣化。

二 、局部放電的模擬電路及放電過程簡介

介質(zhì)內(nèi)部含有氣泡，在交流電壓下產(chǎn)生的內(nèi)部放電特性可由圖1—1的模擬電路(a b c等值電路)予以表示；其中Cc是模擬介質(zhì)中產(chǎn)生放電間隙(如氣泡)的電容；C_b代表與C_c串聯(lián)部分介質(zhì)的合成電容；C_a表示其余部分介質(zhì)的電容。

(a)  實(shí)際介質(zhì)                            (b)  模擬電路

I——介質(zhì)有缺陷(氣泡)的部份(虛線表示)

                II——介質(zhì)無缺陷部份

圖1—1  表示具有內(nèi)部放電的模擬電路

圖1—1中以并聯(lián)有—對火花間隙的電容Cc來模擬產(chǎn)生局部放電的內(nèi)部氣泡。圖1—2表示了在交流電壓下局部放電的發(fā)生過程。

圖1-2  介質(zhì)內(nèi)單個氣泡在交流電壓下的局部放電過程

U(t)一一外施交流電壓

Uc(t)一一氣泡不擊穿時在氣泡上的電壓

Uc’(t)一一有局部放電時氣泡上的實(shí)際電壓

Vc一一氣泡的擊穿電壓

Y r一一氣泡的殘余電壓   

Us—局部放電起始電壓(瞬時值)

Ur一一與氣泡殘余電壓v r對應(yīng)的外施電壓

Ir一一氣泡中的放電電流

電極間總電容Cx=Ca＋(Cb×Cc)/(Cb＋Cc)=Ca電極間施加交流電壓 u(t)時，氣泡電容Cc上對應(yīng)的電壓為Uc(t)。如圖2—1所示，此時的Uc(t)所代表的是氣泡理想狀態(tài)下的電壓（既氣泡不發(fā)生擊穿）。

Uc(t)=U(t)×Cb/Cc＋Cb

外施電壓U(t)上升時，氣泡上電壓Uc(t)也上升，當(dāng)U(t)上升到Us時，氣泡上電壓Uc達(dá)到氣泡擊穿電壓,氣泡擊穿，產(chǎn)生大量的正、負(fù)離子，在電場作用下各自遷移到氣泡上下壁，形成空間電菏，建立反電場，削弱了氣泡內(nèi)的總電場強(qiáng)度，使放電熄滅，氣泡又恢復(fù)絕緣性能。這樣的一次放電持續(xù)時間是極短暫的，對一般的空氣氣泡來說，大約只有幾個毫微秒(10的負(fù)8次方到10的負(fù)9次方秒)。所以電壓Uc(t)幾乎瞬間地從Vc降到Vr，Vr是殘余電壓；而氣泡上電壓Uc‘(t)將隨U(t)的增大而繼續(xù)由Vr升高到Vc時，氣泡再—次擊穿，發(fā)生又—次局部放電，但此時相應(yīng)的外施電壓比Us小，為(Us-Ur)，這是因為氣泡上有殘余電壓Vr的內(nèi)電場作用的結(jié)果。Vr是與氣泡殘余電壓Yr相應(yīng)的外施電壓，如此反復(fù)上述過程，即外施電壓每增加(Us-Ur)，就產(chǎn)生一次局部放電．直到前—次放電熄滅后，Uc’(t)上升到峰值時共增量不足以達(dá)Vc(相當(dāng)于外施電壓的增量Δ比(Us-Ur)小)為止。

此后，隨著外施電壓U(t)經(jīng)過峰值Um后減小，外施電壓在氣泡中建立反方向電場，由于氣泡中殘存的內(nèi)電場電壓方向與外電場方向相反，故外施電壓須經(jīng)(Us+Ur))的電壓變化，才能使氣泡上的電壓達(dá)到擊穿電壓Vc，(假定正、負(fù)方向擊穿電壓Vc相等)，產(chǎn)生一次局部放電。放電很快熄滅，氣泡中電壓瞬時降到殘余電壓Vr(也假定正、負(fù)方向相同)。外施電壓繼續(xù)下降，當(dāng)再下降(Us-Ur)時，氣泡電壓就又達(dá)到Vc從而又產(chǎn)生一次局部放電。如此重復(fù)上述過程，直到外施電壓升到反向蜂值一Um的增量Δ不足以達(dá)到(Us-Ur)為止。外施電壓經(jīng)過一Um峰值后，氣泡上的外電場方向又變?yōu)檎较颍c氣泡殘余電壓方向相反，故外施電壓又須上升(Us+Ur)產(chǎn)生第—次放電，熄滅后，每經(jīng)過Us—Ur的電壓上升就產(chǎn)生一次放電，重復(fù)前面所介紹的過程。如圖1—2所示。

由以上局部放電過程分析，同時根據(jù)局部放電的特點(diǎn)（同種試品，同樣的環(huán)境下，電壓越高局部放電量越大）可以知道：一般情況下，同一試品在一、三象限的局部放電量大于二、四象限的局部放電量。那是因為它們是電壓的上升沿。（第三象限是電壓負(fù)的上升沿）。這就是我們測量中為什么把時間窗刻意擺在一、三象限的原因。

三、局部放電的測量原理：

局放儀運(yùn)用的原理是脈沖電流法原理，即產(chǎn)生一次局部放電時，試品Cx兩端產(chǎn)生一個瞬時電壓變化Δu，此時若經(jīng)過電容Ck耦合到一檢測阻抗Zd上，回路就會產(chǎn)生一脈沖電流I，將脈沖電流經(jīng)檢測阻抗產(chǎn)生的脈沖電壓信息，予以檢測、放大和顯示等處理，就可以測定局部放電的一些基本參量（主要是放電量q）。在這里需要指出的是，試品內(nèi)部實(shí)際的局部放電量是無法測量的，因為試品內(nèi)部的局部放電脈沖的傳輸路徑和方向是極其復(fù)雜的，因此我們只有通過對比法來檢測試品的視在放電電荷，即在測試之前先在試品兩端注入一定的電量，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)來建立標(biāo)尺，然后將在實(shí)際電壓下收到的試品內(nèi)部的局部放電脈沖和標(biāo)尺進(jìn)行對比，以此來得到試品的視在放電電荷。

四、局部放電的表征參數(shù)

     局部放電是比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象，必須通過多種表征參數(shù)才能全面的描繪其狀態(tài)，同時局部放電對絕緣破壞的機(jī)理也是很復(fù)雜的，也需要通過不同的參數(shù)來評定它對絕緣的損害，目前我們只關(guān)心兩個基本參數(shù)。

1. 視在放電電荷——在絕緣體中發(fā)生局部放電時，絕緣體上施加電壓的兩端出現(xiàn)的脈動電荷稱之為視在放電電荷，單位用皮庫（pc）表示，通常以穩(wěn)定出現(xiàn)的大視在放電電荷作為該試品的放電量。
2. 放電重復(fù)率——在測量時間內(nèi)每秒中出現(xiàn)的放電次數(shù)的平均值稱為放電重復(fù)率，單位為次/秒，放電重復(fù)率越高，對絕緣的損害越大。

• 局放測試的試驗系統(tǒng)接線。

    在了解了局部放電的基本理論之后，在本章我們的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H操作，我們先介紹局部放電測試中常用的三種接法，隨后我們再介紹整個系統(tǒng)的接線電路，后我們再分別介紹幾種典型的試品的試驗線路。

• 局部放電測試電路的三種基本接法及優(yōu)缺點(diǎn)。

（一）并聯(lián)法        （二）串聯(lián)法          （三）平衡法

（1） 標(biāo)準(zhǔn)試驗電路，又稱并聯(lián)法。適合于必須接地的試品。

其缺點(diǎn)是高壓引線對地雜散電容并聯(lián)在 CX上，會降低測試靈敏度。

（2） 接法的串聯(lián)法，其要求試品低壓端對地浮置。

其優(yōu)點(diǎn)是變壓器入口電容、高壓線對地雜散電容與耦合電容CK并聯(lián)，有利于提高試驗靈敏度。缺點(diǎn)是試樣損壞時會損壞輸入單元。

（3） 平衡法試驗電路：要求兩個試品相接近，至少電容量為同一數(shù)量級其優(yōu)點(diǎn)是外干擾強(qiáng)烈的情況下，可取得較好抑制干擾的效果，并可消除變壓器雜散電容的影響，而且可做大電容試驗。缺點(diǎn)是須要兩個相似的試品，且當(dāng)產(chǎn)生放電時，需設(shè)法判別是哪個試品放電。

值得提出的是：由于現(xiàn)場試驗條件的限制（找到兩個相似的試品且要保證一個試品無放電不太容易），所以在現(xiàn)場平衡法比較難實(shí)現(xiàn)，另外，由于采用串聯(lián)法時，如果試品擊穿，將會對設(shè)備造成比較大的損害，所以出于對設(shè)備保護(hù)的想法，在現(xiàn)場試驗時一般采用并聯(lián)法。

• 采用并聯(lián)法的整個系統(tǒng)的接線原理圖。

    該系統(tǒng)采用脈沖電流法檢測高壓試品的局部放電量，由控制臺控制調(diào)壓器和變壓器在試品的高壓端產(chǎn)生測試局放所需的預(yù)加電壓和測試電壓，通過無局放藕合電容器和檢測阻抗將局部放電信號取出并送至局部放電檢測儀顯示并判斷和測量。系統(tǒng)中的高壓電阻為了防止在測試過程中試品擊穿而損壞其他設(shè)備，兩個電源濾波器是將電源的干擾和整個測試系統(tǒng)分開，降低整個測試系統(tǒng)的背景干擾。

根據(jù)上述原理圖可以看出，局部放電測試的靈敏度和準(zhǔn)確度和整個系統(tǒng)密切相關(guān)，要想順利和準(zhǔn)確的進(jìn)行局部放電測試，就必須將整個系統(tǒng)考濾周到，包括系統(tǒng)的參數(shù)選取和連接方式。另外，在現(xiàn)場試驗時，由于是驗證性試驗，高壓限流電阻可以省掉。

• 幾種典型試品的接線原理圖。

（1）電流互感器的局放測試接線原理圖

a電流互感器接線

（2）電壓互感器的局放測試接線原理圖

     A．工頻加壓方式接線原理圖

B．高頻加壓方式接線原理圖

為了防止電壓互感器在工頻電壓下產(chǎn)生大的勵磁電流而損壞，高壓電壓互感器一般采取自激勵的加壓方式。在電壓互感器的低壓側(cè)加一倍頻電源，在電壓互感器的高壓端感應(yīng)出高壓來進(jìn)行局部放電實(shí)驗。這就是通常所說的三倍頻實(shí)驗。其接線原理圖如下：

(3)高壓電容器.絕緣子的局放測試接線原理圖

(4) 發(fā)電機(jī)的局放測試接線原理圖

（5）變壓器的局部放電測試接線原理圖

我們僅僅是在原理性的總結(jié)了幾種典型試品的接線原理圖，至于各種試品的加壓方式和加壓值的多少，我們在做試驗的時侯要嚴(yán)格遵守每種試品的出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)或交接檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

第三章  概述

智能局部放電檢測儀是我公司推向市場的新一代數(shù)字智能儀器，該儀器在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上采用嵌入式ARM系統(tǒng)作為中央處理單元，控制12位分辨率的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)存放在雙端口RAM中。實(shí)現(xiàn)從模擬到數(shù)字的跨越。使用26萬色高分辨率TFT-LCD數(shù)字液晶顯示模組實(shí)時顯示放電脈沖波形，配備VGA接口，可外接顯示器。與傳統(tǒng)的模擬式示波管顯示局部放電檢測儀相比有以下特點(diǎn)：

1.彩色顯示器，雙色顯示波形，更清晰直觀；

2.可鎖定波形，更方便仔細(xì)查看放電波形細(xì)節(jié)；

3.自動測量并顯示試驗電源時基頻率，無需手動切換；

4.配備VGA接口，可外接大尺寸顯示器；

5.與示波管相比壽命更長。

6.具有波形鎖定、打印試驗報告功能

    本儀器檢測靈敏度高，試樣電容覆蓋范圍大，適用試品范圍廣，輸入單元（檢測阻抗）配備齊全，頻帶組合多（九種）。儀器經(jīng)適當(dāng)定標(biāo)后能直讀放電脈沖的放電量。

    本儀器是電力部門、制造廠家和科研單位等廣泛使用的局部放電測試儀器。

第四章  主要技術(shù)指標(biāo)：

    1．可測試品的電容范圍： 6PF—250uF。

    2．檢測靈敏度（見表一）：

表一

3、放大器頻帶：

（1）低端：10KHZ、20KHZ、40KHZ任選。

（2）：80KHZ、200KHZ、300KHZ任選。

4、放大器增益調(diào)節(jié)：

粗調(diào)六檔，檔間增益20±1dB；細(xì)調(diào)范圍≥20dB。每檔之間數(shù)據(jù)為10倍關(guān)系：如第三檔檢測數(shù)據(jù)為98，則第二檔顯示數(shù)據(jù)為9.8，如在第三檔檢測數(shù)據(jù)超過120，則應(yīng)調(diào)至第二檔來檢測數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)應(yīng)乘以10才為實(shí)際測量值。

5、時間窗：

（1）窗寬：可調(diào)范圍15°-175°；

（2）窗位置：每一窗可旋轉(zhuǎn)0°- 180°；

（3）兩個時間窗可分別開或同時開。

6、放電量表：

0-100誤差<±3％（以滿度計）。

7、橢圓時基：

（1）頻率：50HZ、或外部電源同步（任意頻率）

（2）橢圓旋轉(zhuǎn)：以30°為一檔，可作360°旋轉(zhuǎn)。

（3）顯示方式：橢圓—直線。

8、試驗電壓表：

精度：優(yōu)于±3％（以滿度計）。

9、體積： 320×480×190（寬×深×高）mm³。

10、重量：約15Kg。

三、系統(tǒng)工作原理：

本機(jī)的局部放電測試原理是高頻脈沖電流測量法（ERA法）。

試品Ca在試驗電壓下產(chǎn)生局部放電時，放電脈沖信號經(jīng)藕合電容Ca送入輸入單元，由輸入單元拾取到脈沖信號，經(jīng)低噪聲前置放大器放大，濾波放大器選擇所需頻帶及主放大器放大（達(dá)到所需幅值與產(chǎn)生零標(biāo)志脈沖）后，在示波屏的橢圓掃描基線上產(chǎn)生可見的放電脈沖，同時也送至脈沖峰值表顯示其峰值。

時間窗單元控制試驗電壓每一周期內(nèi)脈沖峰值的工作時間，并在這段時間內(nèi)將示波屏的相應(yīng)顯示區(qū)加亮，用它可以排除固定相位的干擾。

試驗電壓表經(jīng)電容分壓器產(chǎn)生試驗電壓過零標(biāo)志訊號，在示波屏上顯示零標(biāo)脈沖，橢圓時基上兩個零標(biāo)脈沖，通過時間窗的寬窄調(diào)節(jié)可確定試驗電壓的相位，試驗電壓大小由數(shù)字電壓表指示。

整個系統(tǒng)的工作原理可參看方框圖（圖一）。

四、結(jié)構(gòu)說明

本儀器為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，儀器分前面板及后面板兩部分，各調(diào)節(jié)元件的位置及位置和功能見下圖說明。

1、4：長按改變門窗的位置

2、3：長按改變門窗的寬度

5：時鐘設(shè)置按鈕

6：按9號鍵鎖定后再按此鍵，即可打印試驗報告

7：分壓比設(shè)置按鈕

8：門開關(guān)，重復(fù)按可選擇左右門

9：波形鎖定按鍵

10：橢圓旋轉(zhuǎn)按鈕

11：顯示方式按鈕

12：取消按鈕

A、B、C通道選擇旋鈕與后面板A、B、C測量通道相對應(yīng)

第五章  操作說明

取合適序號的輸入單元（表一），表一中調(diào)諧電容量是指從輸入單元初級繞組兩端看到的電容（按Cx和Ck的串聯(lián)值粗略估算）。

輸入單元應(yīng)盡量靠近被測試品，輸入單元插座經(jīng)8米長電纜與后面板上輸入插座相接。

（3）試品接入輸入單元的方法主要有以下幾種：