大型变压器现场局部放电研究Word文档格式.docx
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试验方法
ABSTRACT
Transformerpartialdischargemeasurementisthemajorprojectsofthetransferofpowerconstructionandpreventivetrials.Thiswillcombinethetransformerpartialdischargetestofpowerengineeringinrecentyearsandanalyzethemethodsanddatatoexploretheofpartialdischargetestingofpowerengineeringtransformer.
Thispaperintroducesthebasicconceptsofpartialdischarge,introductionthemeaningandthedevelopmentofpartialdischarge.Analysisthecausesofpartialbinedwiththestructuraloftransformertoanalysispartialdischargeoccursinsidethetransformeralltheweakparts.Analysisofdischargeformthedestructionoftheinsulation,thusfurtherclarifytheimportanceofpartialdischargetest.Thenonthebasisofthemeaningofpartialdischargetoreviewofthedevelopmentofpartialdischargedetectiontechnology,introducedavarietyofconventionaltestmethods.Onthebaseoftheoreticalanalysis,thecombinationofon-sitepartialdischargetestingfeaturesdetailsthefieldtestprogram.describedpartialdischargetestmethodsandtheimportancebyFurtherexperients.provideavaluablereferenceforfuturefieldtrials.
Keywords:
partialdischarge;
powerengineeringtransformer;
testmethod
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1选题来源和研究背景1
1.2文献综述2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状2
1.3本文的主要工作和研究内容2
第二章相关理论分析3
2.1局部放电3
2.1.1局部放电定义3
2.1.2产生原因4
2.2大型变压器现场局部放电的影响和危害3
2.3本章小结3
第三章大型变压器现场局部放电检测的方法6
3.1局部放电的测量方案6
3.1.1测量原理3
3.1.2测量技术分类4
3.1.3测量技术的优劣和选择3
3.2电流脉冲法6
3.2.1特征3
3.2.2工作原理4
3.2.3应用情况3
3.2.4实例分析3
3.3超高频法7
3.3.1特征3
3.3.2工作原理4
3.3.3在局部放电测量中的运用情况3
3.3.4优缺点分析3
3.3.5实例分析3
3.4本章小结7
第四章大型变压器现场局部放电试验数据分析和研究8
4.1试验方案8
4.1.1依据3
4.1.2前提条件和作业资源4
4.1.3试验流程和内容3
4.1.4注意事项3
4.2放电模型与试验装置8
4.2.1放电模型3
4.2.2放电试验电路4
4.3某变电站试验的实例分析8
4.3.1情况简介3
4.3.2试验环节和流程控制4
4.3.3试验数据获取和分析3
4.3.4改进建议3
4.4本章小结13
第五章总结与展望40
参考文献48
攻读硕士学位期间取得的研究成果51
致谢52
第一章绪论
1.1选题来源和研究背景
随着电力系统的发展,大容量高电压变压器越来越广泛地应用于发电厂和主供变电站。
如其内部发生故障将会对电力系统的稳定和运行单位的安全生产产生重大影响,特别是放电性故障,轻则降低可靠性、损失电量,重则发生爆炸造成财产和人身的重大损失变压器的内绝缘结构主要是油纸组合绝缘,局部放电是促使油纸绝缘老化并发展到击穿的重要因素。
局部放电的持续发展,将导致绝缘寿命的缩短。
严重影响变压器的正常运行,并对设备有极大地损害。
作为电力系统变电站运行中的重要设备,变压器的安全运行至关重要,对变压器进行局部放电试验,不仅能够了解变压器的绝缘状况,还能发现一些在制造或安装中出现的其他问题,确定故障部位和原因。
因此,对变压器进行局部放电试验是电力设备制造和运行中的一项重要的预防性试验项目,并且国家给出了相关的重要标准。
1.2文献综述
目前国内外电力科研机构已经认识到了电力变压器局部放电现象造成的危害,并进行了大量研究工作。
局部放电检测的基本方法有电气测量法和非电测法,电测法主要有脉冲电流法、无线电干扰法、超高频UHF、介质损耗分析法等局部放电检测法,非电测法主要有声测法、光测法和化学检测法等局部放电检测法,目前在变压器的局部放电检测中都有应用。
1.2.1国外研究现状
近年来,国外在积极研究超高频(UHF)局部放电检测法,这种方法基于局部放电时放电脉冲会向外辐射频带极高的(达到几吉赫)高频电磁信号,在这种超高频下,己基本不存在噪声信号,实现了对噪声的有效抑制,同时可以较好的模拟局部放电脉冲。
这种检测方法是一种新的局部放电检测理念,是近几年才发展起来的,具有很强的抗电磁干扰能力、灵敏度高、使用频带高等优点,适用于变电站现场的变压器局部放电检测,但是此种方法获取信号的判别和标准还处于研究阶段。
微带天线传感器是此种检测手段主要使用的传感器,在检测电力电缆、封闭式组合电器、电力变压器等设备的局部放电上已经使用过微带传感器,现场试验时,其抗干扰能力强,可有效获取试品本身的局部放电波形,但是微带天线传感器目前还在研究阶段,且其制造工艺要求极高,到目前为止技术尚不成熟。
局放发生的同时,一般都伴有热、化学反应、光和声等现象。
通过检测局放的伴生现象,出现了非电量的检测方法,包括红外检测法、化学检测法、光测法与声测法等。
与之电测法相比,这些非电测法具有与试品本身电容无关、抗干扰能力强的优点。
九十年代以来,国外提出了一种新的检测方法,声一光测法。
是把声测法和光纤技术结合到一起。
局部放电时产生的声波会改其安装在附近的光纤传感器的性能,改变光纤传感器输出的信号,根据信号的变化将其转化为局部放电的波形。
例如目前投入应用的是将光纤传感器安装到变压器内部,当变压器的内部出现局部放电时,随之产生的超声波向外传播,声波对光纤产生机械压力,导致光纤变形,光纤的折射率和长度会发生变化,依据光纤传感器变化的波形,转化为局部放电的波形,实现放电的定位。
国外还在声测法应用方面做了很多研究。
当介质中发生局放时,其产生的能量会将周围的介质加热并使其蒸发,发生局放的同时向外界发出声波,局放源就相当于个发声源,通过检测这种声波反映局部放电的方法称为声测法。
要有效的获取局放中的声信号并转化为电信号,选择合适的传感器是关键。
常用的声传感器有用于液体介质中的类似水中听诊器的传感器;
用于固体中的测震仪和声发射传感器;
用于气体中的各种麦克风。
基于声测法的设备在现场使用中发现其受环境干扰大,变压器附近的电晕放电、风扇、机械震动等都会对检测结果造成重大干扰。
且声波在传播过程中迅速衰减、畸变,使其不能反映局放量的大小,因此在实际工作中声测法要与电测法相结合。
1.2.2国内研究现状
目前我国内变压器局部放电检测主要采用脉冲电流法,脉冲电流法是目前应用最为成熟和广泛的一种方法。
它是利用介质发生局部放电时,会有一定量的电荷移动,从而引起介质外部电极上的电压发生变化产生脉冲电流,通过检测这个脉冲电流来反映局部放电的大小。
IEC(国际电工委员会)对脉冲电流法制定了相关标准(IEC-270),此标准对工频交流电压下局部放电的测试方法做出了规定,同时也适用于直流条件下的局放测量。
目前对脉冲电流法的研究已经很成熟,此方法检测局部放电己得到普遍推广。
因为此方法检测灵敏度很高,并且容易对放电量进行校准,在加上高频检测阻抗技术的应用,可同时准确的显示局部放电脉冲的波形,因此在局部放电机理研究、实验室测试中得到了广泛应用。
但外界的干扰对脉冲电流法的测试结果影响较大,现场使用时灵敏度大大下降,因此在现场环境下准确性受到较大干扰。
无线电干扰电压法是检测电晕放电时发射到外界的电磁波,使用无线电干扰电压表检测局部放电是否发生。
目前我国内使用射频传感器检测放电,被称为射频检测法,此方法使用的传感器有射频天线传感器、电容传感器与罗氏(Rogowski)线圈电流传感器等。
这种方法可定性的检测局部放电发生与否,依据检测信号的强弱甚至能对电极线棒及无屏蔽层的长电缆实施局部放电的定位。
使用罗氏线圈传感器安装方便、设备结构简单,检测灵敏度高、频带宽(1~30MHz),也能检测放电的强度等优点,在我国大型发电机、变压器、GIS等高压设备的在线监测中己有少量的使用。
1.3本文的主要工作和研究内容
本文以大型变压器的局部放电试验为研究样本对局部放电试验过程中的试验方法选择、干扰抑制、信号识别、局部放电定位、现场处理手段进行论述,并对现场测试中的典型及非典型局部放电进行研究。
本文主要研究工作如下:
(1)查阅技术文献分析变压器局部放电产生的原因,总结大型变压器易产生局部放电的结构及因素。
(2)分析大型变压现场局部放电测量使用设备、仪器的特点,总结升压变压器、补偿电抗器的设计、使用原则。
(3)对变压器局部放电测量的测试回路进行研究,分析仪器参数、测量模式对局部放电测量的影响。
(4)研究大型变压器现场局部放电信号识别的方法,结合工程实例提出适合现场局部放电测量的干扰抑制措施。
(5)以现场测试数据为样本,分析、总结规程中大型变压器局部放电的特点及识别方法。
第二章相关理论分析
2.1局部放电
2.1.1局部放电定义
在GB/T7354-2006《局部放电测量》中局部放电这样定义的:
局部放电是指导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电,此种放电可以在导体附近发生或远离导体都可以发生。
对于电力变压器生产过程中出现的气隙绝缘缺陷,在电场强度较高的情况下,气隙绝缘最先被击穿放电,如果这种情况反复多次发生,周而复始地击穿和熄灭,但其周围的绝缘仍旧良好的话,即形成局部放电的通道并未形成。
也就是说,绝缘介质的部分区域被电气击穿的现象称为局部放电。
变压器制造过程中产生的绝缘空隙,绝缘油中未处理良好的气泡中,以及设备内部端部位,都是易产生局部放电的部位。
沿介质表面的放电、变压器内部层压材料的放电、内层树枝爬电等,均属于变压器局部放电的范畴。
局部放电分为表面局部放电和内设备部局部放电,分别指发生在变压器绝缘体的表面或内部不同位置的放电现象。
在电气设备局部放电的研究中,放电电晕也是一个重要的放电现象。
其主要发生在被气体所包围的导体周围,发生在不均匀的场强中,使周围气体发生电离。
(1)电力变压器局部放电存在以下几种形式:
①辉光放电,属于非脉冲型放电
②火花放电,是一种脉冲型放电
③亚辉光放电,具有幅度比较微小的离散脉冲,属于之前两类放电的中间过渡;
(2)绕组内部放电主要有下列几种形式:
①在绕组中部的击穿油-纸屏障绝缘中油通道;
②绕组端部油通道击穿;
③紧靠着绝缘导线和电工纸(引线绝缘、搭接绝缘、相间绝缘)的油间隙击穿;
④线圈间纵绝缘油通道击穿;
⑤绝缘纸板围等的树枝放电;
⑥其他固体绝缘的爬电;
⑦绝缘中渗入的其他金属异物的放电等。
2.1.2产生原因
导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电,称为局部放电。
这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生。
发生在气体周围的局部放电称为电晕放电,发生在表面的称为表面局部放电,发生在内部的称为内部局部放电。
电力变压器的各区域承受的场强一般是不均匀的,固液组合绝缘的应用将会导致局部电场的加强,同时大型变压器在制造、安装、运行过程中会残留一些气泡与杂质,使得该部分区域的电气强度下降。
局部电场的加强或局部绝缘性能的下降,将会导致该部分区域的击穿场强低于平均击穿场强。
在电压的作用下,该部分区域先行发生局部放电,而其他的区域仍保持良好的绝缘状态。
电力设备在设计、制造时均对局部电场的加强的问题进行了充分考虑,因此局部绝缘缺陷是电力设备局部放电的主要原因,最为常见的是气泡放电。
2.2大型变压器现场局部放电的影响和危害
大型变压器一般采用油浸式,介电常数很高的油浸纸和介电常数较低的绝缘油构成其主、纵绝缘。
长期的局部放电将会导致油、纸的分解、裂解;
局部过高的温度将会导致绝缘纸和绝缘油出现热老化;
局部放电产生新的气体,局部温度的升高将会使气隙的体积膨胀、形状改变,从而导致新的局部放电产生或原有的局部放电加剧。
运行的经验表明局部放电是变压器最终发生绝缘击穿的重要原因。
在电场长期作用之下,因局部放电发生的绝缘性能劣化,称为电老化。
电老化的机理相对较为复杂,它包括局部放电引起的一系列物理和化学的效应,在大型变压器中局部放电的危害主要包含以下几种。
由电极注入的电子或局部放电过程中电离的电子、正负离子,在电场作用下,将会加速运动,积累的能量可能高达10eV以上。
变压器中的变压器油、绝缘纸是由具有不同键能的化学键键合在一起的碳氢化合物分子组成的,其键能只有几个电子伏,如C-H键能为3.5eV,C==C键能为6.2eV。
因此,当这些质点撞击到气隙壁上时,就可能打断绝缘体的化学键,而产生裂解,破坏绝缘体的分子结构。
在放电点上,介质的温度将会达到很高。
在大型变压器内部,线圈的匝间采用绝缘纸绕包,绝缘纸与变压器油形成油纸组合绝缘,绝缘纸是多孔材料,同时在绕包的过程中不可避免的出现气隙,线圈绕制成型后,将会采用真空罐进行真空干燥,浸油处理,以排除绝缘纸内部及绝缘纸和线圈之间的气隙。
如果绕包不良或浸油不充分将会在变压器的绕组的附近留下气隙。
从前面的分析可以看出,变压器在运行中,这些气隙可能会出现局部放电。
局部放电将在气隙的内部产生高温。
局部温度的升高,将会之间导致线圈局部温度上升,随着温度的上升,线圈局部的电阻率将会上升,附近存在局部放电的线圈的电阻将会增大,该段的线圈的温度将会上升,随着局部温度的上升,导体的电阻率将会进一步增大,由此产生恶性循环。
局部温度的升高,同时会增加绝缘介质的损耗,并促进绝缘介质氧化裂解,变压器油由于对流的作用将会在变压器内流动,不断的新油将会补充到局部放电的发生点,因此热效应不会明显。
但是绝缘纸将会在持续的高温下出现热裂解、氧化裂解,使得介质损耗进一步增大,绝缘性能进一步的降低。
在局部放电过程中,会生成许多活性生成物,如O3.NO,NO2,活性气体将会对介质产生氧化作用,同时有可能与水分等杂质进一步反应,进一步破坏绝缘介质的特性。
如臭氧,有水分时生产硝酸、草酸等,这些生成物进一步与绝缘纸起反应,将会降低其绝缘性能。
2.3本章小结
本章节介绍了局部放电的基本概念及发展过程,阐述了局部放电对大型变压器绝缘的危害,强调了局部放电检测的重要性。
对变电站变压器抑制局部放电所采取的措施进行介绍,对局部放电产生的原因的分析也将为以后的试验判断、变压器故障定位提供参考。
第三章大型变压器现场局部放电检测的方法
3.1局部放电的测量方案
3.1.1测量原理
变压器绝缘结构复杂,内部发生局部放电的原因很多,设计不当,局部场强过高,工艺上有缺陷使绝缘中含有气泡,在运行中油质劣化分解出气泡,机械振动和热胀冷缩造成局部开裂出现气泡。
在这些情况下,在外施电压下都会发生局部放电。
一旦发生局部放电,放电就会持续发展,造成绝缘老化,严重的会造成绝缘击穿。
(a)测量阻抗与祸合电容器串联回路,(b)测量阻抗与试品串联回路,(c)平衡回路
Zf一高压滤波器Cx一试品等效电容Ck--藕合电容器Zm--测量阻抗
Z一调平衡元件
试验电压下,试品的工频电容电流超出测量阻抗Zm的允许值,可采用上图(a)试验回路
试验电压下,试品的工频电容电流符合测量阻抗Zm的允许值时,可采用上图(b)试验回路
试验电压下,上图(a)、(b)试验回路有过高的干扰信号时,可采用上图(c)试验回路
视在放电量校准的基本原理是:
以幅值为U0的方波通过串接小电容C0注入试品两端,此时注入的电荷为:
Q0=U0C0
直接校准:
将已知电荷量Q0注入试品两端称为直接校准
直接校准接线
间接校准:
将已知电荷量Q0注入测量阻抗Zm两端称为间接校准
间接校准接线
3.1.2测量技术分类
发生局部放电的过程中会伴有声、光、电、热以及化学分解等物理现象,利用这些过程都可以进行放电测量。
脉冲电流法、超声波法、气相色谱法、震荡波法、特高频法等多种检测方法都可以检测局部放电的检测〔针对产生的不同表征有不同的试验方法,下面将一一阐述。
概括说来,局部放电的测量主要分为电测法和非电测法。
非电测法通常用在局部放电的定位测量中,电测法在定量测量中能获得比较灵敏的数值,因此广泛应用于电力系统电气设备的检测中。
如下图所示,为局部放电检测方法的分类表。
局部放电检测技术分类
(1)电测法
①脉冲电流法
脉冲电流的方法是相当于变压器内部的局部放电产生的瞬时电压的两端,此时用一个耦合电容,检测阻抗的电容,可以得到一个脉冲电流,此脉冲电流与局放对应,经数据处理可以得到变压器内部的局放参数,这是目前使用最广泛的的方法,其灵敏度高,易于量化的数据处理,因此这种方法得到越来越广泛的使用。
而这其中属高频脉冲电流法的利用率最高。
这种方法同样是通过接入耦合电容引出检测阻抗,所获得的脉冲电流和试品两端的电压来检测变压器局部放电参数的。
试验中,通过校正方波输入充电,测试变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点接地线、铁芯接地线和绕组中由局放引起的脉冲电流,获得视在放电量。
脉冲电流法目前应用最广泛的的一种检测方法。
在变压器的交接性试验中,广泛使用的就是脉冲电流法。
但是此种方法的缺点也有待继续深入研究,并提出解决措施。
首先,此种方法抗干扰能力弱。
针对施工现场复杂的环境,常常因周围电场、磁场、施工等干扰,而无法获得准确数据,以至于变压器运行后,局部放电的在线监测。
其次,电容器的补偿问题是大型变压器局部放电试验中需要特别留意的。
最后,由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响,因此当试样的电容量较大时,受耦合阻抗的限制,测试仪器的测量灵敏度受到一定限制。
尽管有这样那样的缺点还有待改进和提高,脉冲电流法仍属于最易接受,最受认可和应用最广的局部放电测量方法。
②无线电干扰电压法
电测法还有RIV法,即无线电干扰电压法。
它是利用无线电接收方式接收局方所辐射的特定频带的超高频信号,处理后,用于判定局方的发生和程度,此种方法在欧美应用较广,在变压器局放较强的情况下一般不会误判,但是在低水平局放情况下易受到干扰。
局部放电会产生无线电干扰的现象很早就被人们所认识。
例如人们常采用无线电电压干扰仪来检测由于局放对无线电通讯和无线电控制的干扰,并已制定了测量方法的标准。
用RIV表来检测局放的测量线路与脉冲电流直测法的测量电路相似。
此外,还可以利用一个接收线圈来接收由于局放而发出的电磁波,对于不同测试对象和不同的环境条件,选频放大器可以选择不同的中心频率(从几万赫兹到几十万赫兹),以获得最大的信噪比。
RIV法又称射频检测法,是因为常用射频传感器来进行检测。
我国专家在国外研究的基础上设计出用于大型电机局部放电在线监测用的宽频电流传感器,取得了良好的应用效果。
并且随着滤波技术的发展,此传感器在大型变压器在线监测中应用广泛。
③超高频法
超高频是通过超高频传感器接收变压器内部局部放电产生的超高频电磁波,进行局部放电检测,并实现抗干扰。
变压器局部每一次放电都是正负电荷的中和,伴随有一个很陡的电流脉冲,并向周围辐射电磁波。
超高频检测法作为目前逐渐被使用和了解的测量局部放电量的方法,也同样存在一些缺陷。
例如,视在放电量无法确认,无法与行业公认的局部放电标准相对应,来判别设备局部放电指标的合格与否。
仅从目前的研究成果来看,还很难讲脉冲电流法和局部放电超高频测得信号之间的振幅相对应,这就限制了此方法的广泛运用。
目前来看,电测法依然是局部放电试验中最重要的手段。
其中脉冲电流法仍是工程试验中主要的测量方法,灵敏度高,放电量校准方便,利于获取局部放电脉冲波形,更好地分析变压器故障。
但是在现场试验中,脉冲电流法容易受外部电磁路的干扰,影响试验分析的准确性,如何抑制干扰是广大专家学者广为研究的课题。
(2)非电测法
非电测法的最主要优点是抗电磁能力强,其主要包括有声测法、光测法、化学法、红外热像法。
①声测法
近年来利用局部放电过程中产生的声发射(AcousticEmission,简称AE)信号来对其进行判断和定位的方法越来越引起人们的重视。
这是因为当介质内发生局部放电时,其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发,由于分子的激烈撞击,气泡的形成和发展,液体的流动以及固体材料的微小开裂,会产生一定的声发射信号。
此时放电源如同一个声源,向外发出声波。
由于放电持续时间很短,所发射
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