CN101435850A

CN101435850A - 测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路

Info

Publication number: CN101435850A
Application number: CNA2008102407784A
Authority: CN
Inventors: 刘卫东; 高文胜
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2009-05-20

Abstract

测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路属于电力设备局部放电检测领域，其特征在于，对三相电力设备的任意两个相对地绝缘或任意两个相间绝缘同时进行局部放电测量，以两个相对地电容或两个相间电容互为平衡电容，采用两个高电位检测阻抗，构成一种平衡方式的试验测量电路。高电位处检测阻抗的局部放电信号可借助光信号或电磁波信号传送到地电位处的测量设备。这种局部放电测试电路能够提高抗电源干扰的能力，降低对局部放电试验设备的要求。

Description

测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路

技术领域

本发明属于三相电力设备局部放电检测技术领域。

技术背景

绝缘介质中的局部缺陷，在交流电压作用下，发生缺陷区域的重复击穿，称为局部放电。

局部放电是绝缘缺陷的表现，也是绝缘缺陷进一步发展的原因。电力设备绝缘中长期的局部放电能够使绝缘缺陷不断扩大，最终导致整体绝缘击穿，引发绝缘事故。因此，在电力设备的制造、安装、运行和检修中，经常需要进行局部放电检测，以保证绝缘质量。

现有局部放电测量的常规方法是脉冲电流法，对测试设备和测试环境有严格的要求。在很多实际场合下，难以满足设备和环境的要求，影响局部放电的测量灵敏度。

本发明提出了一种改进的局部放电测量的脉冲电流法，其特点是以三相电力设备各相对地电容或各相间电容互为平衡电容，采用高电位检测阻抗，构成平衡方式的测试电路。这种方法能够克服现有脉冲电流法在实际应用中所面临的一些限制，实现更灵敏的测量。

局部放电测量的脉冲电流法属于离线测量方法，在电力设备退出电力***运行和专门的试验条件下进行。通过测量和标定局部放电所产生的脉冲电流，确定局部放电的视在放电量。

图1所示是描述电力设备局部放电的三电容模型，其中11和12分别为被测电力设备的高电压端和接地端；13为被测电力设备绝缘；14为被测电力设备绝缘中的局部缺陷；C_D为绝缘中局部缺陷的电容；C_A为高电压端和接地端之间与缺陷电容C_D相串联的部分电容；C_E为高电压端和接地端之间除去串联的C_D和C_A后剩余的部分电容。被试电力设备高电压端和接地端之间的总电容为C_X，有：

C_{X} = C_{E} + \frac{C_{D} C_{A}}{C_{D} + C_{A}} .

当发生局部放电时，绝缘中的局部缺陷14被击穿，电容C_D被短路，释放电荷量Q_D。Q_D取决于电容量C_D和缺陷击穿电压U_DB，有Q_D＝C_DU_DB，Q_D称为局部放电的真实放电量。由于C_D和U_DB实际中不可测，所以局部放电的真实放电量Q_D也不可测。

电容C_D击穿和电荷量Q_D消失，导致被测电力设备内的电荷重新分布，设备端口电容C_X上出现一个电荷变化ΔQ_X，称为局部放电的视在放电量。常规局部放电检测的脉冲电流法测量的就是局部放电的视在放电量。视在放电量不等于真实放电量。

图2所示是局部放电测量的脉冲电流法的试验电路，图2-(a)为并联方式测试电路，图2-(b)为串联方式测试电路，图2-(c)为平衡方式测试电路。

在图2-(a)并联方式和图2-(b)串联方式的测试电路中，U_S为高电压试验电源；Z_S为阻塞阻抗；C_X为被测电力设备的电容；C_M为耦合电容；Z_M为检测阻抗。在并联方式中，检测阻抗Z_M串联在耦合电容C_M的接地线中；在串联方式中，检测阻抗Z_M串联在被测电力设备C_X的接地线中。

由高电压试验电源U_S对被测电力设备C_X加电压，当被测设备绝缘中发生局部放电时，C_X上出现一个ΔQ_X的电荷变化(视在放电量)，耦合电容C_M立即对设备电容C_X上的电荷变化进行补充，在回路中产生脉冲电流，并在检测阻抗Z_M上输出脉冲信号。对此脉冲信号进行标定，可得到局部放电的视在放电量。标定的方法是，用标定电荷源在被测设备上注入已知的电荷量，测量产生的脉冲信号，确定脉冲信号幅值与电荷量的关系。为了保证局部放电测量的灵敏度，耦合电容C_M应该显著大于被测设备电容C_X，阻塞阻抗Z_S应该有效阻挡脉冲电流通过电源U_S支路。

在图2-(a)并联方式和图2-(b)串联方式的测试电路中，如果电源U_s自身存在局部放电或存在电磁脉冲，则对局部放电测量构成严重干扰。因此，局部放电测量要求特殊的试验条件，包括：屏蔽的试验环境；无局部放电和无电晕的高电压试验电源；无局部放电的耦合电容；供电电源隔离和滤波等。

为了抑制来自高压电源的干扰，人们提出了图2-(c)所示的平衡法试验电路，其中：U_S为高电压试验电源；Z_S为阻塞阻抗；C_X1为被测电力设备的电容；C_X2为平衡电容，满足C_X2＝C_X1；Z_M1和Z_M2为检测阻抗，满足Z_M2＝Z_M1。当高电压试验电源存在干扰信号时，此干扰信号并行通过C_X1和C_X2，在检测阻抗Z_M1和Z_M2上产生波形、幅值和极性相同的信号，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的反极性叠加，接近为零。当被测设备中存在局部放电时，此局部放电信号串行通过C_X1和C_X2，在检测阻抗Z_M1和Z_M2上产生波形和幅值相同但极性相反的信号，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的同极性叠加。由此，在P1和P2两点之间可有效获得被测电力设备中的局部放电信号，抑制来自电源的干扰信号。

以上是脉冲电流法的三种测试电路，它们在实际使用中均面临限制：

(1)在并联方式和串联方式中，如果高电压试验电源存在显著干扰，将严重影响局部放电测量的灵敏度。要保证局部放电检测的灵敏度，必须提高试验设备的性能，包括：高压试验电源无局部放电、无电晕；供电电源有效隔离和滤波。

(2)在并联方式和串联方式中，需要耦合电容器，要求耦合电容器无局部放电、无电晕。

(3)使用平衡方式可以抑制来自高电压试验电源的干扰，不需要耦合电容器，但需要另一个和被测设备相同或相似的无局部放电、无电晕的设备，这一条件在很多情况下难以实现。

发明内容

本发明提供一种新的测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路，它以三相电力设备的各相对地电容互为平衡电容，或以各相间电容互为平衡电容，能够省去耦合电容，能够有效克服来自高电压试验电源的干扰。

本发明的特征之一在于，是用于测量三相电力设备任意两相的相对地绝缘的局部放电的平衡式电路：一个高压试验电源经过高电位处的两个相同的检测阻抗并联作用在三相电力设备的任意两个相对地绝缘上，所述两个检测阻抗与三相电力设备连接的两个端点之间的输出信号就是该两个相对地绝缘的局部放电信号。

本发明的特征之二在于，是用于测量三相电力设备任意两个相间绝缘的局部放电的平衡式电路：一个高压试验电源经过高电位处的两个相同的检测阻抗并联作用在三相电力设备的任意两个相间绝缘上，所述两个检测阻抗与三相电力设备连接的两个端点之间的输出信号就是该两个相间绝缘的局部放电信号。

在所述的高压试验电源的高压端和所述的两个检测阻抗之间有一个阻塞阻抗。

所述高电位处检测阻抗上输出的局部放电信号通过无线电通讯或光纤通讯传送到地电位处的测量仪器。

本发明的测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路，能够提高抗电源干扰的能力，降低对局部放电试验设备的要求，实现现场条件下的更灵敏的局部放电测量。

附图说明

图1：电力设备局部放电的三电容模型。11和12分别为被测电力设备的高电压端和接地端；13为被测电力设备绝缘；14为被测电力设备绝缘中的局部缺陷；C_D为此局部缺陷的电容；C_A为高电压端和接地端之间与缺陷电容C_D相串联的部分电容；C_E为高电压端和接地端之间除去串联的C_D和C_A后剩余的部分电容。

图2：局部放电脉冲电流法测量的试验电路。图2-(a)为并联方式，检测阻抗Z_M连接在耦合电容C_M的接地端；图2-(b)为串联方式，检测阻抗Z_M连接在被测设备C_X的接地端；图2-(c)为平衡方式，平衡电容C_X2和被测设备电容C_X1相同或相似，检测阻抗Z_M1和Z_M2相同。高压电源的干扰信号并行通过被测设备电容C_X1和平衡电容C_X2，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的反极性叠加，接近为零。被测设备的局部放电信号串行通过被测设备电容C_X1和平衡电容C_X2，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的同极性叠加。由此可以有效检测被测设备的局部放电信号，抑制电源的干扰信号。

图3：测量三相电力设备A相和B相的相对地绝缘的局部放电的平衡方式测试电路。A相对地电容C_XA和B相对地电容C_XB互为平衡电容，检测阻抗Z_M1和Z_M2安装在C_XB和C_XA的高电位。当高压电源存在干扰信号时，干扰信号并行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的反极性叠加，接近为零；当被测设备A相对地绝缘或B相对地绝缘中存在局部放电时，局部放电信号串行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的同极性叠加。由此可以有效检测被测设备A相绝缘和B相绝缘的局部放电，抑制电源的干扰信号。

图4：测量三相电力设备AC相间绝缘和BC相间绝缘的局部放电的平衡方式测试电路。AC相间电容C_XCA和BC相间电容C_XBC互为平衡电容，检测阻抗Z_M1和Z_M2安装在C_XBC和C_XCA的高电位。当高压电源存在干扰信号时，干扰信号并行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的反极性叠加，接近为零；当被测设备AC相间绝缘或BC相间绝缘中存在局部放电时，局部放电信号串行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的同极性叠加。由此可以有效检测被测设备AC相间绝缘和BC相间绝缘的局部放电，抑制电源的干扰信号。

图5：测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路的一个实施例。检测阻抗基于变压器原理，61为变压器的磁芯；62为变压器原边绕组的I段，作为检测阻抗Z_M1；63为变压器原边绕组的II段，作为检测阻抗Z_M2；64为变压器的副边绕组；65为高电位信号处理和发送单元(电池供电)；66为高电位屏蔽；67为地电位信号接收和处理单元；68为高电压隔离信号传送，光纤传送或无线电传送。变压器原边绕组的端口1连接至高电压试验电源，端口2和端口3分别连接至被测电力设备的两个相的高压端。当高电压电源存在干扰信号时，干扰信号由端口1进入，并行经过变压器原边绕组的I段和II段，传至端口2和端口3，在变压器磁芯中产生的磁通方向相反，抵消为零，因此变压器副边绕组64不输出信号。当被测设备中存在局部放电时，局部放电信号在端口2和端口3之间经过，串行经过变压器原边绕组的I段和II段，变压器磁芯中的磁通相叠加，因此变压器副边绕组64输出信号。变压器副边绕组输出的局部放电信号由高电位信号处理和发送单元65进行放大、滤波和采样，再转变为无线电信号或光信号进行发送。地电位信号接收和处理单元67接收65发送来的局部放电信号，并进行进一步处理，完成局部放电测量。

具体实施方式

电力设备包含A、B、C三相，局部放电测试需要针对每个相对地绝缘和每个相间绝缘。电力设备三相的结构基本对称，各相对地电容非常接近，各相间电容也非常接近。因此，在检测其中一个相对地绝缘的局部放电时，可以用另一个相对地电容作为平衡电容；在检测其中一个相间绝缘的局部放电时，可以用另一个相间电容作为平衡电容，由此构成局部放电脉冲电流法测量的平衡方式测试电路。

当测量电力设备相对地绝缘的局部放电时，每次进行两相绝缘的试验，两相对称，两个相对地电容接近，互为平衡电容。图3所示是测量A相和B相的相对地绝缘局部放电的平衡方式测试电路，其中：U_S为高电压试验电源；Z_S为阻塞阻抗；C_XA，C_XB和C_XC为被测设备各相对地电容；Z_M1和Z_M2为检测阻抗。当高电压试验电源存在干扰信号时，此干扰信号并行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，在检测阻抗Z_M1和Z_M2上产生波形、幅值和极性相同的信号，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的反极性叠加，接近为零。当被测设备A相或B相存在局部放电时，局部放电信号串行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，在检测阻抗Z_M1和Z_M2上产生形状和幅值相同但极性相反的信号，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的同极性叠加。由此，在P1和P2两点之间可以有效获得被测电力设备中A相绝缘和B相绝缘的局部放电信号，抑制来自电源的干扰信号，实现A相和B相的相对地绝缘的局部放电测量。同样方法可测量C相的相对地绝缘的局部放电。

当测量电力设备相间绝缘的局部放电时，每次进行两个相间绝缘的试验，两个相间对称，两个相间电容接近，互为平衡电容，图4所示是测量AC和BC相间绝缘局部放电的平衡方式测试电路，其中：U_S为高电压试验电源；Z_S为阻塞阻抗；C_XAB，C_XBC和C_XCA为被测设备各相间电容；Z_M1和Z_M2为检测阻抗。当高电压试验电源存在干扰信号时，此干扰信号并行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，在检测阻抗Z_M1和Z_M2上产生波形、幅值和极性相同的信号，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的反极性叠加，接近为零。当被测设备AC相间或BC相间存在局部放电时，局部放电信号串行通过检测阻抗Z_M1和Z_M2，在检测阻抗Z_M1和Z_M2上产生形状和幅值相同但极性相反的信号，使得P1和P2两点之间的输出信号是两检测阻抗信号的同极性叠加。由此，在P1和P2两点之间可以有效获得被测电力设备中AC相间绝缘和BC相间绝缘的局部放电信号，抑制来自电源的干扰信号，实现AC相间和BC相间绝缘的局部放电测量。同样方法可测量AB相间绝缘的局部放电。

在图3和图4电路中，检测阻抗Z_M1和Z_M2安装在试验电路的高电位位置，没有像图2中所示的那样安装在试验电路的地电位位置。对于大部分的电力设备，无法分开得到每一相的接地端，因此无法在每一相的地电位位置安装检测阻抗。由于这一限制，所以采用在高电位位置安装检测阻抗。

检测阻抗Z_M1和Z_M2处在高电位位置，但观测设备需要处在地电位位置，这之间需要解决信号的高电压隔离传送。可以在高电位处对局部放电信号进行放大、滤波和采样等处理，然后通过无线电或光纤通讯传送到地电位的观测设备，高电位处的信号处理电路采用电池供电。这种信号传送目前已有成熟技术。

本发明的特征在于，高电压试验电源经过两个相同的检测阻抗并联作用在三相电力设备的任意两个相对地绝缘上，或任意两个相间绝缘上，两个相对地电容或两个相间电容互为平衡电容，构成局部放电脉冲电流法测量的平衡方式测试电路，局部放电检测阻抗安装在高电位位置。此方法可提高局部放电检测的抗干扰能力，降低对局部放电检测的试验条件的要求。

本发明的一个实施例如图5所示。检测阻抗基于变压器原理，其中61为变压器的磁芯；62为变压器原边绕组的I段，作为检测阻抗Z_M1；63为变压器原边绕组的II段，作为检测阻抗Z_M2；64为变压器的副边绕组；65为高电位信号处理和发送单元；66为高电位屏蔽；67为地电位信号接收和处理单元；68为高电压隔离信号传送，光纤传送或无线传送。

在图5的实施例中，变压器原边绕组的端口1连接至高电压试验电源，端口2和端口3分别连接至被测电力设备的两个相的高压端，如图3和图4所示。当高电压电源存在干扰信号时，干扰信号由端口1进入，并行经过变压器原边绕组的I段和II段，传至端口2和端口3，在变压器磁芯中产生的磁通方向相反，抵消为零，因此变压器副边绕组64不输出信号。当被测设备中存在局部放电时，局部放电信号在端口2和端口3之间经过，串行经过变压器原边绕组的I段和II段，变压器磁芯中的磁通相叠加，因此变压器副边绕组64输出信号。变压器副边绕组输出的局部放电信号由高电位信号处理和发送单元65进行放大、滤波和采样，再转变为无线电信号或光信号进行发送。地电位信号接收和处理单元67接收65发送来的局部放电信号，并进行进一步的处理，完成局部放电测量。高电位装置采用电池供电，采用66屏蔽抗干扰。

Claims

1.测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路，其特征在于，是用于测量三相电力设备任意两相的相对地绝缘的局部放电的平衡式电路：一个高压试验电源经过高电位处的两个相同的检测阻抗并联作用在三相电力设备的任意两个相对地绝缘上，所述两个检测阻抗与三相电力设备连接的两个端点之间的输出信号就是该两个相对地绝缘的局部放电信号。

2.测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路，其特征在于，是用于测量三相电力设备任意两个相间绝缘的局部放电的平衡式电路：一个高压试验电源经过高电位处的两个相同的检测阻抗并联作用在三相电力设备的任意两个相间绝缘上，所述两个检测阻抗与三相电力设备连接的两个端点之间的输出信号就是该两个相间绝缘的局部放电信号。

3.根据权利要求1或权利要求2中任意一项权利要求所述的测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路，其特征在于，在所述的高压试验电源的高压端和所述的两个检测阻抗之间有一个阻塞阻抗。

4.根据权利要求1或权利要求2中任意一项权利要求所述的测量三相电力设备局部放电的脉冲电流法的平衡式电路，其特征在于，所述高电位处检测阻抗上输出的局部放电信号通过无线电通讯或光纤通讯传送到地电位处的测量仪器。