第二节
局部放电试验方法

一、局部放电试验的重要性

随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。我国近年来110kV以上的大型变压器事故中50%是属正常运行下发生匝间或段间短路造成突发事故，原因也是局部放电所致。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。

虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，高压绝缘设备都把局部放电的测量列为检查产品质量的重要指标，产品不但在出厂时要做局部放电试验，而且在投入运行之后还要经常进行测量。对电力设备进行局部放电测试是一项重要预防性试验。

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。通常非电测法不适用于定量的测量，常常用于确定放电位置或者故障类型。

二、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6-5。图中C _x 代表试品电容，Z _m （Z′ _m ）代表测量阻抗，C _K 代表耦合电容，它的作用是为C _X 与Z _m 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6-5（a）为并联测量回路，试验电压U经Z施加于试品C _X ，测量回路由C _K 与Z _m 串联而成，并与C _X 并联，因此称为并联测量回路。试品上的局部放电脉冲经C _K 耦合到Z _m 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，对C _K 较大的被试品可以避免较大的工频电容电流流过Z _m 在实际工作中应用较多。图6-5（b）为串联测量回路，测量阻抗Z _m 串联接在试品C _X 低压端与地之间，并经由C _K 形成放电回路。因此，试品的低压端必须与地绝缘。图6-5（c）为桥式测量回路，又称平衡测量回路。试品C _X 与耦合电容C _K 均与地绝缘，测量阻抗Z _m 与Z′ _m 分别接在C _X 与C _K 的低压端与地之间。测量仪器M测量Z _m 与Z′ _m 上的电压差。

图6-5（a）、（b）是直接法测量局部放电的两种基本回路，其目的都是要使试品C _X 局部放电产生的脉冲电流作用到检测用阻抗Z _m 上，然后把Z _m 上的电压经放大器A送到适当的测量仪器M中进行测量。根据Z _m 上的电压可以算出局部放电的视在电荷量，为了知道测量仪器上显示的信号在一定的测量灵敏度下代表多大的放电量，必须对测量装置进行校准（常采用方波定量法校准）直接法的缺点是抗干扰性能较差。为了提高抗干扰性能，图6-5（c）平衡法采用电桥平衡的原理，由于外来干扰的频率分布很广，如果要求电桥对很宽广的干扰频率都能平衡，最好的办法是用与被试品完全相同的电气设备来充当辅助试品，电桥两臂的阻抗就相应相等。理论上，此时电桥对所有频率都能平衡，由此即可消除外来干扰的影响，实际上即使是型号规格完全相同的两个电气设备，其阻抗也不可能在所有频率下都相等，所以电桥也就不可能达到真正完全的平衡。即使这样，平衡法是能将外来干扰大大降低，是抗干扰性能较好的一种方法。

在上述所有回路中都希望检测阻抗及耦合电容C _K 不产生局部放电，检测阻抗可以用R、L或者R、L、C组合，当C _K 值不太大时，最好不小于C _X 值。

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。利用无线电干扰，通过试品两端的直接耦合，或者天线等其他采样元件的耦合，测量试品的局部放电脉冲信号。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，因此对放电消耗功率的测量很早就引起人们的重视。在大多数绝缘结构中，随着电压的升高，绝缘中气隙（或气泡）的数目将增加。此外局部放电的现象将导致介质的损坏，从而使得tanδ大大增加。因此可以通过测量tanδ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Δtanδ很大，故只有采用电桥法检测Δtanδ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。

三、非电检测法

局部放电发生时，常伴有光、声、热等现象的发生，对此，局部放电检测技术中也相应出现了光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。较之电检测法，非电量检测方法具有抗电磁干扰能力强、与试样电容无关等优点。

1.超声波法测试局部放电

利用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。在进行局部放电测量中当发现变压器有大于5000pC的故障放电，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。

用于局部放检测的超声检测系统由声电转换、前置放大、模数转换和信号处理现实四个部分组成。超声波探测局部放电的原理可简述如下。当电气设备绝缘内部发生局部放电时，在放电处产生超声波，向四周传播开来，一直到电气设备容器的表面，在设备的外壁，如套管、互感器的瓷套外表面放上压电元件，在交变压力波的作用下，具有压电效应的晶体便产生交变的弹性变形，晶体沿受力方向的两个端面上便会出现交变的束缚电荷。这一表面束缚电荷的变化便引起了端部金属电极上电荷的变化或在外回路中引起交变电流。这就是由压力波转变为电气量的过程，然后，可对电气量进行测量。

局部放电测量通常选用密封结构的超声传感器，其结构原理见图6-6。它是直接把压电陶瓷安装在金属外壳之上，带动外壳一起振动，并在金属壳里填充树脂作为密封。

超声波探测器探头示意图如图6-7所示。用超声探头获得由局部放电引起的超声信号，并用数字式局部放电仪或波形记录仪记录波形作定位测试。声测法原理框图如图6-8所示。

如将2～4个声探头的信号同时记录下并在屏上显示所测到的波形，对局部放电作定位测量很有利。当与电测法联合测量时，有助于判断所测到的信号是否为内部放电。当仪器对变压器进行超声测量时，屏上按所探测的声通道数在屏上同时显示2～4路波形，测量人员移动光标到认为是放电声信号的位置，程序即自行计算出放电点距探头的位置。若为3个以上的测量点，则由给定的各探头光标计算出放电点的光标。

用于互感器等试品时，在靠近高压部分则用光纤连接，有时装设1～2个传感器即可，前置放大器仅用一个。

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2～3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6-9。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，确定局部放电的放电点。

为了测量结果有可比性，系统要进行相对校准，在做校准用的电声传感器上，是加一个模拟局放的电脉冲，使之产生类似飓风的声压，再将此校准用的电声传感器紧贴在系统接受声波的省电传感器上，使系统接受到一定的声信号，然后调节系统的灵敏度，使系统指标达到一个标称值，校准完成。在以后的测量中，保持系统的灵敏度不变，则各次测量结果是可比的。超声波法在套管、互感器等少油设备的局部放电检测中取得良好效果。超声波在变压器、电机线棒的检测中也有应用，和油的色谱分析方法相配合，可以更好判断绝缘内部的局部放电缺陷，但超声波法的抗干扰能力尚需进一步提高以及超声波指示大小如何定量的问题。现在一般以同类设备的相互比较来判断。

为了区别探测器检测的是被试绝缘内部放电还是外界干扰，可以用空心铁盒放在探头与被测物之间，以隔开被测设备内部局部放电处传来的超声波。如果此时仪器指示较小，为一般噪声值，则说明除去空心盒时的指示反映了绝缘内部的放电。但对于被试设备的机械振动，则仍不能与其中局部放电相区别，有时也可以观察超声波的波形来进一步的分析。下面介绍一种脉冲鉴别回路，它是一种可以区分外来干扰与局部放电脉冲的回路。图6-10是该回路的原理图。图中C _A 、C _K 下部的检测元件1、2分别与放大器连接并根据极性，触发门电路A+、C-或B-、D+。“与门”只在如图的门电路极性配合下才动作输出信号。外部干扰使检测阻抗1、2上输出同极性脉冲。此时仅A+、D+动作或C-、B-动作，但均不能启动“与门”，故外部干扰不能测量仪器给出指示。如C _A 发生局部放电，则检测阻抗1、2上输出的是异极性脉冲。或者是A+、B-动作，或者是C-、D+动作。随之“与门”也动作，仪器上收到正或负的测量信号。我们知道，如果正半周C _A 中发生放电，则检测阻抗1上的脉冲应为正，2上的脉冲为负，显然只有A+、B-门动作，上边一个“与门”动作，才能测出局部放电信号。可以根据不同的与门动作条件来区别是C _A 放电还是C _K 放电。

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。利用视觉检测局部放电，要在眼睛对于黑暗习惯了以后，在黑暗的环境中进行。这时，为了增强视力和对高压保持一定间隔距离，使用大倍率的望远镜是很有效的。为了记录发生放电的位置，采用长时间曝光的照相机进行拍照是有效的。而且，还有在预先想到可能发生放电的位置，先放好感光胶片，通过直接感光进行放电的记录。

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。目前红外检测技术已经非常成熟，红外检测技术是利用红外探测器和光学成像镜接受被测设备辐射的红外线，然后成像在红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，从而确定局放的部位。

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样，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，这种方法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（CH ₄ ）、乙烷（C ₂ H ₆ ）、乙烯（C ₄ H ₄ ）、乙炔（C ₂ H ₂ ）、氢（H ₂ ）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO ₂ ）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氧；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。近年来国内外开展用气敏半导体来鉴别这些气体成分，实际上是简易的色谱法，气敏半导体由N型金属氧化物制成，放在待测气体中，当温度一定及载气流量一定的情况下气敏半导体有一定的电阻，当被测气体吸附到气敏半导体表面时，其表面层的电子数升高，阻值下降，使外回路电流增大发出信号。 b/2+uBZhQFBaJagmFwzYSBuv8MGAjh9CKsrHO7k6bVZ+VT+6GqZZulapeh58Swbh