油纸绝缘系统针板缺陷下局部放电发展过程研究

欧小波, 周丹，崔彦捷

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080 ；2.西安交通大学，陕西 西安710049)



油纸绝缘系统针板缺陷下局部放电发展过程研究

欧小波1, 周丹1，崔彦捷2

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州510080 ；2.西安交通大学，陕西 西安710049)

摘要：对典型油纸绝缘针板缺陷进行了交流电压下的局部放电试验，并对其放电脉冲相位分布(phase-resolved partial disdarge,PRPD)谱图与典型脉冲波形进行了分析，并根据PRPD谱图中局部放电脉冲分布趋势将局部放电发展过程划分为3个阶段。试验结果表明，油纸绝缘交流电压下局部放电脉冲可分为两类，分别代表着油纸绝缘结构中发生的局部放电与气泡中发生的局部放电。随着电压的升高，绝缘纸表面开始出现负极性下的沿面放电，对绝缘纸造成较大损伤，导致绝缘纸性能劣化，最终导致介质击穿。研究油纸绝缘结构局部放电随着电压等级升高的发展过程有助于实现变压器在线监测。

关键词：油纸绝缘; 针板缺陷; 局部放电; PRPD谱图; 典型脉冲波形

油纸绝缘结构由于具有较高的耐电强度，在电力设备中得到了许多应用，如变压器中绕组匝间绝缘、饼间绝缘等均采用油浸纸作为绝缘介质。然而，电力设备在制造、组装、运输等过程中，油纸绝缘结构常受损伤并形成缺陷。当设备运行在额定电压下时，缺陷引发局部放电(partial discharge，PD)，进而导致油浸纸的绝缘性能劣化，并最终导致设备击穿。因此，通过检测局部放电情况获取变压器内部绝缘状态，对保障设备稳定运行具有重要意义。国内外对油纸绝缘局部放电均进行了一定研究。1990年美国罗格斯大学的E O Forster研究了油纸绝缘结构中存在气隙所导致的局部放电，认为此时气体放电理论仍适用[1]。1995年瑞士ABB公司的L Niemeyer建立了局部放电的通用理论模型，提出实际应用的固体电介质中局部放电均由空穴引发并进一步促进电场畸变，形成新的空穴[2]。意大利的A Contin 于2002年根据油纸绝缘中局部放电的典型规律建立了1套基于模糊分类与模式识别的专家系统[3]，应用于现场变压器中局部放电数据分析[4]。西安交通大学的李彦明教授对直流下油纸绝缘中不同缺陷类型的局部放电中脉冲波形进行了研究，对比了超高频法与脉冲电流法两种检测手段获取的局部放电脉冲信号特性[5-7]。重庆大学的廖瑞金教授等人对交流下油纸绝缘中不同老化程度的纸的局部放电特性进行了研究，测量了空间电荷分布特性并在此基础上提出了沿面局部放电的新模型[8-10]。清华大学的周远翔教授对直流下油纸绝缘中不同缺陷类型的局部放电脉冲分布相位及对应放电量进行了研究[11-12]。然而，上述已有的研究主要集中于单个脉冲波形的局部放电，对局部放电脉冲相位分布(phase-resolved partial discharge，PRPD)谱图随着电压等级升高的变化情况研究较少。

为此，本文对油纸绝缘中针板缺陷下PRPD谱图随电压升高变化情况进行分析和探讨，将局部放电随电压升高的发展过程划分为3个阶段，采用脉冲电流法获取局部放电脉冲波形，分析3个不同阶段中典型波形参数，通过波形参数的特征分辨出局部放电危险程度，目的在于研究局部放电特征参数在电压等级升高时的变化过程，为基于局部放电信号的变压器绝缘状态在线监测与诊断技术提供一定的理论支撑。

1试验系统及方法

1.1试验模型

油纸绝缘尖板缺陷模型如图1所示。绝缘纸如图1(a)所示，厚度为0.07 mm，并裁剪为边长50 mm的正方形。绝缘纸经过80 ℃真空环境下烘干72 h后被置入尖板缺陷模型(如图1(b)所示)中。为避免绝缘油中混入的气泡影响试验结果，将缺陷模型静置于真空环境下24 h。

图1　油纸绝缘缺陷

1.2测量系统

试验与检测回路如图2所示。

图2　试验与检测回路

根据IEC 60270标准搭建了试验回路与检测回路[13]，并对其进行了标定。其中，R为限流电阻值，R=40 kΩ；C为耦合电容值，C=400 pF；Z为检测阻抗，将脉冲电流信号转化为电压信号输入PDCheck检测系统，并将缺陷模型被放置于图2所示的油杯中。试验回路本体的起晕电压为60 kV(有效值，下同)，远高于试验施加的最高电压。

交流电压下油纸绝缘局部放电的典型特征是不确定性大，随机性强，局部放电呈统计分布。因此，试验时，在每个电压等级下均会维持电压值30 min不变，并采集多次局部放电信息后取平均值代表在这一电压等级下的局部放电发展情况。

2结果与讨论

2.1PRPD 谱图分析

为确定合适的阈值，试验前采集了多次背景噪声,其趋势曲线如图3所示。

图3　背景噪声水平

从图3可看到，背景噪声水平较低，将阈值设定为5 pC可以获得较高的灵敏度，同时基本不受噪声的干扰。当施加电压升高至2.9 kV时，开始出现局部放电，放电PRPD谱图如图4所示。

图4　2.9 kV时的PRPD谱图

从图4可看到，局部放电主要分布在一、三象限电压上升沿处。由于峰值处电压值最高，因此放电量较大脉冲在峰值附近分布也较多，同时，由于此时电场分布极不均匀，因此可能发生电荷注入现象，在油纸绝缘系统中形成空间电荷。当电压极性相同时，这些空间电荷可以改善电场分布情况，然而电压逐渐下降至零甚至变成另一极性时，这些空间电荷使电场畸变程度增大，从而引发局部放电，因此在过零点也形成了一个较大局部放电量的分布区。

通过观察局部放电幅值可以发现此时视在放电量均较小，最大放电量出现在峰值附近，但均为偶发式的放电，无明显规律可言，此时局部放电主要以低于10 pC的小放电脉冲为主。

随着施加电压进一步升高至9.2 kV，局部放电发展至更为剧烈的程度，同时PRPD谱图也展示了新的趋势，其曲线如图5所示。

图5　9.2 kV时的PRPD谱图

在负半周峰值处出现了高能量局部放电脉冲群的同时，正半周峰值处也出现了零散的高能放电脉冲，最大放电量达到约150 pC，远远超出此前的最大放电量，这与典型气体局部放电类似，因此可以认为此时放电也发生在气泡中。油纸绝缘系统中气泡的来源主要是高能量局部放电引发部分油分解形成气泡[13]，而这些气泡由于内部场强较高，又会发生新的高能局部放电并促进气泡的形成。

电压进一步升高至14.1 kV时，局部放电PRPD谱图变化不大，其曲线如图6所示。

图6　14.1 kV时的PRPD谱图

负半周气泡内产生的的放电相位发生了扩展，而正半周较高放电量的局部放电脉冲数量明显减少，但放电量有所增大，达到200 pC，而气泡以外的局部放电情况无明显改变。

当电压最终升高至17.0 kV时，局部放电PRPD谱图表现出了新的趋势，其曲线如图7所示。

图7　17.0 kV时的PRPD谱图

从图7可看到，在负半周的上升沿处发生了大量高放电量的局部放电，可以认为此时气泡中电场强度已经足够高，并引发负半周绝缘纸表面沿面流注放电的出现，而负半周沿面流注放电的出现代表此时气泡放电产生的带电粒子与表面电荷已有充分积聚，可以在绝缘纸表面直接引发放电，临近击穿。电压持续施加10 min后发生击穿。

而根据PRPD谱图可将针板电极下油纸绝缘局部放电的发展过程划分为3个阶段：从2.9 kV起晕到9.2 kV为第一阶段。该阶段中，局部放电量较低(小于20 pC)，偶有较大放电量脉冲出现，局部放电主要分布于正负半周的上升沿；从9.2 kV至17.0 kV为第二阶段。该阶段中，油纸绝缘结构发生变化，产生气泡并在其中产生放电，可以根据局部放电量将局部放电划分为较低放电量(小于20 pC)与较高放电量(大于30 pC)两组。较低放电量的局部放电分布区域仍集中于正负半周的上升沿并不随电压的升高而发生变化，较高放电量的局部放电分布区域集中于峰值处，正半周的放电量大于100 pC，但脉冲分布较为稀疏；负半周的放电量主要集中在30～50 pC范围内，其脉冲分布相位并随着电压的升高发生以负半周峰值为对称轴向两侧扩展；从17.0 kV开始为第三阶段。该阶段中，除前文所提的两种放电量的放电外，在负半周峰值附近出现了放电量大于50 pC的局部放电脉冲，其分布相位为200°～300°。这些高能放电由于其放电能量大，对绝缘纸劣化作用明显，最终导致击穿。

2.2单个脉冲时频分析

a)图8(a)为脉冲电流法采集的油纸绝缘尖板缺陷中局部放电第一个阶段的典型波形。脉冲电压幅值约20 mV，脉冲波形前沿20～50 ns，持续时间在200～400 ns之间。放电脉冲频谱分析如图8(b)所示，主要能量分布于10～20 MHz之间，属于典型的油纸绝缘局部放电类型。

图8　2.9 kV下局部放电典型脉冲时域曲线

b)图9(a)为油纸绝缘尖板缺陷发展至第二个阶段时新出现放电脉冲的波形。脉冲电压幅值约75 mV，脉冲波形前沿10 ns，持续时间在3～4 μs之间。放电脉冲频谱分析如图9(b)所示，主要能量分布于10 MHz至30 MHz之间。有关研究表明，绝缘油中放电通常起始于气泡的产生，而气泡在强场下会表现出类似流注放电的特征，如放电持续时间较长，放电脉冲呈“多峰”状[14]。

图9　9.2 kV下局部放电典型脉冲时频图

c)图10(a)为油纸绝缘尖板缺陷发展至第三阶段时气体中放电脉冲的波形。脉冲电压幅值约 50 mV， 脉冲波形前沿10～30 ns，持续时间在150～200 ns之间。放电脉冲频谱分析如图10(b)所示，主要能量集中于12 MHz，与文献[15]中的典型单峰沿面放电脉冲相似。此前气泡内多次放电以及电场强度的升高的共同作用使绝缘纸表面积聚了大量电荷与带电粒子，从而导致绝缘纸表面电场强度升高。随着外施电压的上升，达到了绝缘纸表面放电的起始场强。沿面放电直接损伤绝缘纸表面，造成纤维素断裂，碳化，部分区域温度升高等结果。多次沿面放电后，绝缘纸直接击穿。

图10　17.0 kV下局部放电典型脉冲时频图

从图8到图10可看到，3个阶段的典型局部放电脉冲波形均有不同。第一阶段的放电脉冲波形为振荡衰减波，这种波形的特点是脉冲持续时间在200～400 ns之间，波形前沿20～50 ns，幅值10～20 mV，符合典型的油纸绝缘放电脉冲，具有持续时间较长、频率较低、放电量较小的特征；第二阶段的高放电量放电脉冲波形表现为多峰放电脉冲，其特点是波形前沿极短，仅有10 ns，幅值75～150 mV，持续时间可达3～4 μs，呈现出气体放电正流注的主要特征；第三阶段的负极性高能量放电与沿面放电类似，波形前沿10～30 ns，持续时间150～200 ns，但脉冲幅值可达50～100 mV，远高于前期的一般放电脉冲，表现出放电更加剧烈的趋势。由于沿面放电是发生在绝缘材料表面的放电，因此对固体绝缘的损伤更为明显，使固体绝缘碳化，并最终形成贯穿性的导电通道，导致绝缘介质完全击穿。

3结论

本文对油纸绝缘尖板缺陷模型进行了逐级升压的局部放电试验，所得结论如下：

a) 随着电压的升高，油纸绝缘尖板缺陷局部放电可划分为3个阶段：2.9 kV起晕到9.2 kV为第一阶段，放电量较小，放电主要分布在正半周的上升沿与负半周的下降沿；9.2 kV至17.0 kV为第二阶段，出现两种局部放电类型，即放电量较小的仍分布在正半周上升沿与负半周下降沿，以及放电量较大的主要分布在峰值附近，负极性下的放电脉冲分布相位随着电压升高以峰值为对称轴向两侧扩展；17.0 kV开始为第三阶段，此时在已有的两种局部放电类型外出现了第三种局部放电类型，即负极性下在峰值附近出现了散布的放电量较大的局部放电脉冲，由这些脉冲导致了油纸绝缘系统的最终击穿。

b) 通过对3个阶段中不同类型的单个局部放电脉冲波形进行分析可以分辨出其对应的放电类型。第一阶段中典型局部放电类型表现为脉冲幅值小，上升沿较长，主要能量分布频率较低，属于油纸绝缘中的局部放电；第二阶段中典型局部放电波形表现为脉冲幅值较大，上升沿短，主要能量分布频率较高，属于气体中流注放电；第三阶段中出现的新类型局部放电波形表现为脉冲幅值较大，分布相位集中于负半周峰值附近，属于绝缘纸表面发生的沿面放电。由于其直接作用于绝缘纸上，对介质表面侵蚀作用严重，使介质发生碳化，最终导致击穿。

c) 针对现场中局部放电检测，应设定局部放电量阈值。低于阈值的局部放电脉冲对绝缘介质的损伤较小，而高于阈值的局部放电脉冲对绝缘介质的性能改变影响较大。同时对检测到的脉冲波形进行分析，并主要关注脉冲前沿时间，脉冲持续时间与主要频率等特征参数，通过对脉冲波形进行辨识，区分局部放电发生区域，并建立基于局部放电信号波形辨识与PRPD谱图的变压器绝缘状态在线监测与诊断技术。

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欧小波(1985)，男，湖南永州人。工程师，工学硕士，从事变压器类设备的研究与管理工作。

周丹(1986)，女，湖南株洲人。工程师，工学博士，从事变压器类设备的研究与管理工作。

崔彦捷(1990)，男，广东广州人。在读博士研究生，从事电力变压器局部放电研究。

(编辑王夏慧)

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

作者简介：

中图分类号：TM41

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)02-0009-05

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

基金项目：广东电网有限责任公司科技项目(K-GD2014-0541)

收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-10-27