油紙絕緣系統針板缺陷下局部放電發展過程研究

歐小波, 周丹，崔彥捷

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州510080 ；2.西安交通大學，陜西 西安710049)

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油紙絕緣系統針板缺陷下局部放電發展過程研究

歐小波1, 周丹1，崔彥捷2

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州510080 ；2.西安交通大學，陜西 西安710049)

摘要：對典型油紙絕緣針板缺陷進行了交流電壓下的局部放電試驗，并對其放電脈沖相位分布(phase-resolved partial disdarge,PRPD)譜圖與典型脈沖波形進行了分析，并根據PRPD譜圖中局部放電脈沖分布趨勢將局部放電發展過程劃分為3個階段。試驗結果表明，油紙絕緣交流電壓下局部放電脈沖可分為兩類，分別代表著油紙絕緣結構中發生的局部放電與氣泡中發生的局部放電。隨著電壓的升高，絕緣紙表面開始出現負極性下的沿面放電，對絕緣紙造成較大損傷，導致絕緣紙性能劣化，最終導致介質擊穿。研究油紙絕緣結構局部放電隨著電壓等級升高的發展過程有助于實現變壓器在線監測。

關鍵詞：油紙絕緣; 針板缺陷; 局部放電; PRPD譜圖; 典型脈沖波形

油紙絕緣結構由于具有較高的耐電強度，在電力設備中得到了許多應用，如變壓器中繞組匝間絕緣、餅間絕緣等均采用油浸紙作為絕緣介質。然而，電力設備在制造、組裝、運輸等過程中，油紙絕緣結構常受損傷并形成缺陷。當設備運行在額定電壓下時，缺陷引發局部放電(partial discharge，PD)，進而導致油浸紙的絕緣性能劣化，并最終導致設備擊穿。因此，通過檢測局部放電情況獲取變壓器內部絕緣狀態，對保障設備穩定運行具有重要意義。國內外對油紙絕緣局部放電均進行了一定研究。1990年美國羅格斯大學的E O Forster研究了油紙絕緣結構中存在氣隙所導致的局部放電，認為此時氣體放電理論仍適用[1]。1995年瑞士ABB公司的L Niemeyer建立了局部放電的通用理論模型，提出實際應用的固體電介質中局部放電均由空穴引發并進一步促進電場畸變，形成新的空穴[2]。意大利的A Contin 于2002年根據油紙絕緣中局部放電的典型規律建立了1套基于模糊分類與模式識別的專家系統[3]，應用于現場變壓器中局部放電數據分析[4]。西安交通大學的李彥明教授對直流下油紙絕緣中不同缺陷類型的局部放電中脈沖波形進行了研究，對比了超高頻法與脈沖電流法兩種檢測手段獲取的局部放電脈沖信號特性[5-7]。重慶大學的廖瑞金教授等人對交流下油紙絕緣中不同老化程度的紙的局部放電特性進行了研究，測量了空間電荷分布特性并在此基礎上提出了沿面局部放電的新模型[8-10]。清華大學的周遠翔教授對直流下油紙絕緣中不同缺陷類型的局部放電脈沖分布相位及對應放電量進行了研究[11-12]。然而，上述已有的研究主要集中于單個脈沖波形的局部放電，對局部放電脈沖相位分布(phase-resolved partial discharge，PRPD)譜圖隨著電壓等級升高的變化情況研究較少。

為此，本文對油紙絕緣中針板缺陷下PRPD譜圖隨電壓升高變化情況進行分析和探討，將局部放電隨電壓升高的發展過程劃分為3個階段，采用脈沖電流法獲取局部放電脈沖波形，分析3個不同階段中典型波形參數，通過波形參數的特征分辨出局部放電危險程度，目的在于研究局部放電特征參數在電壓等級升高時的變化過程，為基于局部放電信號的變壓器絕緣狀態在線監測與診斷技術提供一定的理論支撐。

1試驗系統及方法

1.1試驗模型

油紙絕緣尖板缺陷模型如圖1所示。絕緣紙如圖1(a)所示，厚度為0.07 mm，并裁剪為邊長50 mm的正方形。絕緣紙經過80 ℃真空環境下烘干72 h后被置入尖板缺陷模型(如圖1(b)所示)中。為避免絕緣油中混入的氣泡影響試驗結果，將缺陷模型靜置于真空環境下24 h。

圖1　油紙絕緣缺陷

1.2測量系統

試驗與檢測回路如圖2所示。

圖2　試驗與檢測回路

根據IEC 60270標準搭建了試驗回路與檢測回路[13]，并對其進行了標定。其中，R為限流電阻值，R=40 kΩ；C為耦合電容值，C=400 pF；Z為檢測阻抗，將脈沖電流信號轉化為電壓信號輸入PDCheck檢測系統，并將缺陷模型被放置于圖2所示的油杯中。試驗回路本體的起暈電壓為60 kV(有效值，下同)，遠高于試驗施加的最高電壓。

交流電壓下油紙絕緣局部放電的典型特征是不確定性大，隨機性強，局部放電呈統計分布。因此，試驗時，在每個電壓等級下均會維持電壓值30 min不變，并采集多次局部放電信息后取平均值代表在這一電壓等級下的局部放電發展情況。

2結果與討論

2.1PRPD 譜圖分析

為確定合適的閾值，試驗前采集了多次背景噪聲,其趨勢曲線如圖3所示。

圖3　背景噪聲水平

從圖3可看到，背景噪聲水平較低，將閾值設定為5 pC可以獲得較高的靈敏度，同時基本不受噪聲的干擾。當施加電壓升高至2.9 kV時，開始出現局部放電，放電PRPD譜圖如圖4所示。

圖4　2.9 kV時的PRPD譜圖

從圖4可看到，局部放電主要分布在一、三象限電壓上升沿處。由于峰值處電壓值最高，因此放電量較大脈沖在峰值附近分布也較多，同時，由于此時電場分布極不均勻，因此可能發生電荷注入現象，在油紙絕緣系統中形成空間電荷。當電壓極性相同時，這些空間電荷可以改善電場分布情況，然而電壓逐漸下降至零甚至變成另一極性時，這些空間電荷使電場畸變程度增大，從而引發局部放電，因此在過零點也形成了一個較大局部放電量的分布區。

通過觀察局部放電幅值可以發現此時視在放電量均較小，最大放電量出現在峰值附近，但均為偶發式的放電，無明顯規律可言，此時局部放電主要以低于10 pC的小放電脈沖為主。

隨著施加電壓進一步升高至9.2 kV，局部放電發展至更為劇烈的程度，同時PRPD譜圖也展示了新的趨勢，其曲線如圖5所示。

圖5　9.2 kV時的PRPD譜圖

在負半周峰值處出現了高能量局部放電脈沖群的同時，正半周峰值處也出現了零散的高能放電脈沖，最大放電量達到約150 pC，遠遠超出此前的最大放電量，這與典型氣體局部放電類似，因此可以認為此時放電也發生在氣泡中。油紙絕緣系統中氣泡的來源主要是高能量局部放電引發部分油分解形成氣泡[13]，而這些氣泡由于內部場強較高，又會發生新的高能局部放電并促進氣泡的形成。

電壓進一步升高至14.1 kV時，局部放電PRPD譜圖變化不大，其曲線如圖6所示。

圖6　14.1 kV時的PRPD譜圖

負半周氣泡內產生的的放電相位發生了擴展，而正半周較高放電量的局部放電脈沖數量明顯減少，但放電量有所增大，達到200 pC，而氣泡以外的局部放電情況無明顯改變。

當電壓最終升高至17.0 kV時，局部放電PRPD譜圖表現出了新的趨勢，其曲線如圖7所示。

圖7　17.0 kV時的PRPD譜圖

從圖7可看到，在負半周的上升沿處發生了大量高放電量的局部放電，可以認為此時氣泡中電場強度已經足夠高，并引發負半周絕緣紙表面沿面流注放電的出現，而負半周沿面流注放電的出現代表此時氣泡放電產生的帶電粒子與表面電荷已有充分積聚，可以在絕緣紙表面直接引發放電，臨近擊穿。電壓持續施加10 min后發生擊穿。

而根據PRPD譜圖可將針板電極下油紙絕緣局部放電的發展過程劃分為3個階段：從2.9 kV起暈到9.2 kV為第一階段。該階段中，局部放電量較低(小于20 pC)，偶有較大放電量脈沖出現，局部放電主要分布于正負半周的上升沿；從9.2 kV至17.0 kV為第二階段。該階段中，油紙絕緣結構發生變化，產生氣泡并在其中產生放電，可以根據局部放電量將局部放電劃分為較低放電量(小于20 pC)與較高放電量(大于30 pC)兩組。較低放電量的局部放電分布區域仍集中于正負半周的上升沿并不隨電壓的升高而發生變化，較高放電量的局部放電分布區域集中于峰值處，正半周的放電量大于100 pC，但脈沖分布較為稀疏；負半周的放電量主要集中在30～50 pC范圍內，其脈沖分布相位并隨著電壓的升高發生以負半周峰值為對稱軸向兩側擴展；從17.0 kV開始為第三階段。該階段中，除前文所提的兩種放電量的放電外，在負半周峰值附近出現了放電量大于50 pC的局部放電脈沖，其分布相位為200°～300°。這些高能放電由于其放電能量大，對絕緣紙劣化作用明顯，最終導致擊穿。

2.2單個脈沖時頻分析

a)圖8(a)為脈沖電流法采集的油紙絕緣尖板缺陷中局部放電第一個階段的典型波形。脈沖電壓幅值約20 mV，脈沖波形前沿20～50 ns，持續時間在200～400 ns之間。放電脈沖頻譜分析如圖8(b)所示，主要能量分布于10～20 MHz之間，屬于典型的油紙絕緣局部放電類型。

圖8　2.9 kV下局部放電典型脈沖時域曲線

b)圖9(a)為油紙絕緣尖板缺陷發展至第二個階段時新出現放電脈沖的波形。脈沖電壓幅值約75 mV，脈沖波形前沿10 ns，持續時間在3～4 μs之間。放電脈沖頻譜分析如圖9(b)所示，主要能量分布于10 MHz至30 MHz之間。有關研究表明，絕緣油中放電通常起始于氣泡的產生，而氣泡在強場下會表現出類似流注放電的特征，如放電持續時間較長，放電脈沖呈“多峰”狀[14]。

圖9　9.2 kV下局部放電典型脈沖時頻圖

c)圖10(a)為油紙絕緣尖板缺陷發展至第三階段時氣體中放電脈沖的波形。脈沖電壓幅值約 50 mV， 脈沖波形前沿10～30 ns，持續時間在150～200 ns之間。放電脈沖頻譜分析如圖10(b)所示，主要能量集中于12 MHz，與文獻[15]中的典型單峰沿面放電脈沖相似。此前氣泡內多次放電以及電場強度的升高的共同作用使絕緣紙表面積聚了大量電荷與帶電粒子，從而導致絕緣紙表面電場強度升高。隨著外施電壓的上升，達到了絕緣紙表面放電的起始場強。沿面放電直接損傷絕緣紙表面，造成纖維素斷裂，碳化，部分區域溫度升高等結果。多次沿面放電后，絕緣紙直接擊穿。

圖10　17.0 kV下局部放電典型脈沖時頻圖

從圖8到圖10可看到，3個階段的典型局部放電脈沖波形均有不同。第一階段的放電脈沖波形為振蕩衰減波，這種波形的特點是脈沖持續時間在200～400 ns之間，波形前沿20～50 ns，幅值10～20 mV，符合典型的油紙絕緣放電脈沖，具有持續時間較長、頻率較低、放電量較小的特征；第二階段的高放電量放電脈沖波形表現為多峰放電脈沖，其特點是波形前沿極短，僅有10 ns，幅值75～150 mV，持續時間可達3～4 μs，呈現出氣體放電正流注的主要特征；第三階段的負極性高能量放電與沿面放電類似，波形前沿10～30 ns，持續時間150～200 ns，但脈沖幅值可達50～100 mV，遠高于前期的一般放電脈沖，表現出放電更加劇烈的趨勢。由于沿面放電是發生在絕緣材料表面的放電，因此對固體絕緣的損傷更為明顯，使固體絕緣碳化，并最終形成貫穿性的導電通道，導致絕緣介質完全擊穿。

3結論

本文對油紙絕緣尖板缺陷模型進行了逐級升壓的局部放電試驗，所得結論如下：

a) 隨著電壓的升高，油紙絕緣尖板缺陷局部放電可劃分為3個階段：2.9 kV起暈到9.2 kV為第一階段，放電量較小，放電主要分布在正半周的上升沿與負半周的下降沿；9.2 kV至17.0 kV為第二階段，出現兩種局部放電類型，即放電量較小的仍分布在正半周上升沿與負半周下降沿，以及放電量較大的主要分布在峰值附近，負極性下的放電脈沖分布相位隨著電壓升高以峰值為對稱軸向兩側擴展；17.0 kV開始為第三階段，此時在已有的兩種局部放電類型外出現了第三種局部放電類型，即負極性下在峰值附近出現了散布的放電量較大的局部放電脈沖，由這些脈沖導致了油紙絕緣系統的最終擊穿。

b) 通過對3個階段中不同類型的單個局部放電脈沖波形進行分析可以分辨出其對應的放電類型。第一階段中典型局部放電類型表現為脈沖幅值小，上升沿較長，主要能量分布頻率較低，屬于油紙絕緣中的局部放電；第二階段中典型局部放電波形表現為脈沖幅值較大，上升沿短，主要能量分布頻率較高，屬于氣體中流注放電；第三階段中出現的新類型局部放電波形表現為脈沖幅值較大，分布相位集中于負半周峰值附近，屬于絕緣紙表面發生的沿面放電。由于其直接作用于絕緣紙上，對介質表面侵蝕作用嚴重，使介質發生碳化，最終導致擊穿。

c) 針對現場中局部放電檢測，應設定局部放電量閾值。低于閾值的局部放電脈沖對絕緣介質的損傷較小，而高于閾值的局部放電脈沖對絕緣介質的性能改變影響較大。同時對檢測到的脈沖波形進行分析，并主要關注脈沖前沿時間，脈沖持續時間與主要頻率等特征參數，通過對脈沖波形進行辨識，區分局部放電發生區域，并建立基于局部放電信號波形辨識與PRPD譜圖的變壓器絕緣狀態在線監測與診斷技術。

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歐小波(1985)，男，湖南永州人。工程師，工學碩士，從事變壓器類設備的研究與管理工作。

周丹(1986)，女，湖南株洲人。工程師，工學博士，從事變壓器類設備的研究與管理工作。

崔彥捷(1990)，男，廣東廣州人。在讀博士研究生，從事電力變壓器局部放電研究。

(編輯王夏慧)

Research on Development Process of Partial Discharge Under Defect of Needle-plate of Oil Paper Insulation System

OU Xiaobo1, ZHOU Dan1,CUI Yanjie2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049, China)

Abstract：Partial discharge (PD) experiment on needle-plate defect of typical oil paper insulation system with alternative current (AC) voltage is conducted, analysis on PRPD spectrum diagram and typical pulse waveform of the defect is carried on, and according to distribution trend of PD pulse in PRPD spectrum diagram, development process of PD is divided into three stages. Experimental results indicate that PD pulse with oil paper insulation AC voltage could be divided into two types, which may respectively represent PD in structure of oil paper insulation and PD in bubble. With rise of voltage, negative polarity discharge along the surface of insulation paper occurs which may cause large damage to the insulation paper, bring about performance degradation of insulation paper and finally result in dielectric breakdown. Research on development process of PD of structure of oil paper insulation with rise of voltage level has important meanings for realizing transformer online monitoring system.

Key words：oil paper insulation; needle-plate defect; partial discharge; PRPD spectrum diagram; typical pulse waveform

作者簡介：

中圖分類號：TM41

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)02-0009-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.002

基金項目：廣東電網有限責任公司科技項目(K-GD2014-0541)

收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-10-27