电力设备局部放电检测原理分析

凌坤

（贵阳电力设计院有限公司 贵州贵阳 550000 ）

摘要：电力设备在绝缘材料完好时，其内部会有一定的场强分布不均，若其绝缘材料存在缺陷，运行后将加剧场强分布不均。分布不均的电场造成设备内部存在电位差，在绝缘材料中部分区域引起电荷积累与释放，就是局部放电的过程。局部放电初期只是电荷堆积，电荷堆积到局部放电点的场强超过介质击穿场强时，电力设备内部的绝缘材料会发生击穿放电，造成绝缘材料损坏。局部放电检测是检测这些早期放电伴随的物理量，从而确定绝缘材料是否存在缺陷，防止早期的缺陷在局部放电的侵蚀下造成设备绝缘材料进一步损坏。电力设备出现绝缘缺陷会产生局部放电进而侵蚀绝缘材料，如不及时处理，将导致绝缘材料被击穿，造成电力事故，有效的检修方式可以保证电力系统稳定运行。定期巡检作为传统的检修方式，检修时间较长，不利于电网稳定运行。因此，研究实时在线监测系统提高检修效率具有重要意义。本文着重介绍了电力设备局部放电的检测原理。

关键词：局部放电；特高频；检测原理；

1. 引言

随着经济的发展，我国对电能的需求逐年增长，保障安全稳定的供电成为了引人注目的重要一环。近年来，世界各地屡有出现大面积停电及电网瓦解事故，不仅造成了较大的经济损失，还在一定程度上影响了人们正常生活，造成不良社会影响。电力事故时有发生，设计绝缘缺陷在线监测系统，对电力设备绝缘状态进行实时监测并上报设备工作状态，可以及时发现电网设备绝缘隐患，从而保障电力安全。

变电站中包含变压器、开关设备、高压绝缘子等电气设备，而气体绝缘金属封闭开关系统（GIS）中包含包括断路器、互感器、避雷器、隔离开关及接地开关等电路元件，同时还涵盖了母线、连接元件、出线终端等部分，简言之，GIS是将除变压器以外的所有一次设备全封闭在充满了超过3个大气压强的六氟化硫气体的接地的金属外壳中，GIS的出现替代了许多传统老式变电站的裸露导线与电气设备连接的方式。

电力设备的检修技术要求很高，目前超声波检测在电力行业应用广泛，但超声波抗干扰能力弱易受机械振动干扰，存在检测效率低、检修不准确易报错故障等问题。而特高频信号具有抗机械振动干扰能力强、在封闭电力设备内传播速度快且衰减少等特点，因此特高频法灵敏度高、检测信息丰富可以基本无损再现局放信号，利用特高频法对电气设备进行检测将大大提高检测的效率和精度。

2. 局部放电产生原理

电力设备的检修技术要求很高，目前超声波检测在电力行业应用广泛，但超声波抗干扰能力弱易受机械振动干扰，存在检测效率低、检修不准确易报错故障等问题。而特高频信号具有抗机械振动干扰能力强、在封闭电力设备内传播速度快且衰减少等特点，因此特高频法灵敏度高、检测信息丰富可以基本无损再现局放信号，利用特高频法对电气设备进行检测将大大提高检测的效率和精度。

由于生产制造、装配运输、不良的设计设备长期运行分合闸都可能导致设备内部场强不均，因此对于长期运行的电力设备来说局部放电是不可避免的，研究绝缘故障在线监测系统可以尽早发现设备绝缘缺陷，及时对设备进行检修，可有效避免电力设备进一步损坏。在GIS金属导体的表面、内部绝缘材料的表面和其内部都可能发生局部放电。用气隙缺陷作为原理性分析，气隙缺陷如图2-1 所示。

图2-1 气隙缺陷原理图

图 2.1 是气隙的等效模型；x是与气隙串联的绝缘介质；g是除 a和x的其他部分。D是两个电极间的距离，d是气隙厚度，U是两个电极间的电压，通过该模型可以等效出气隙三电容模型，其等效电路图如图 2-2所示。

图2-2 气隙三电容等效电路

其中U_a是气隙对应的电压，U_x二是与气隙缺陷串联部分对应的电压。

GIS 内部在发生气隙局部放电时，气隙内场强要大于气隙外即绝缘介质场强。气隙缺陷其实是绝缘介质中存在空隙，空隙内部都是空气因此其介电常数是1，而绝缘介质的介电常数 远大于1，中，气隙的场强要高于与之串联的介质场强，此外绝缘介质的介电常数要比气体大得多，在相同大小下其击穿电压更大，同理气体的击穿场强更小，因此气隙缺陷更易发生击穿放电。

油隙放电与气隙放电相似，发生在用油作为绝缘介质的电力设备中，都是因为绝缘材料中存在间隙，只不过因为绝缘油作为介质填充，绝缘材料中不再出现气隙缺陷，但随之而来的是油隙绝缘缺陷出现。油隙的介电常数与气体相比更大，但相对于绝缘材料更小，油隙的击穿电压相对绝缘材料更低，而油隙缺陷中的场强更高，因此，油隙先发生局部放电，机理与气隙缺陷的类似，但是要在比气隙高得多的电压下才会发生油隙缺陷放电。

即使GIS中不存在气隙或者油隙，其内部也可能会发生局部放电，GIS内部绝缘材料存在极不均匀的电场分布，会导致电场强度远高于其它区域的绝缘介质发生局部放电。

3. 局部放电类型

3.1悬浮放电

悬浮放电可能是设计缺陷或者触头接触不良引起的，金属元件处于高压和低压之间，由部件阻抗分压，对地产生一个电位。当导体具有悬浮势时，其附近的场强通常集中，破坏周围绝缘介质。

悬浮放电场强集中，会破坏悬浮放电点周围的绝缘材料，是一种脉冲放电。与气隙放电相似的是悬浮放电也在外加电压上升期间极板间电荷堆积，产生局部放电。悬浮放电与气隙不同的是，气隙两端与其串联的是绝缘材料，而悬浮电极是金属材料，发生局部放电后极板的电荷会在短时间内全部释放掉，因此放电量很大，幅值很大且均匀。对于悬浮缺陷来说，其放电幅值比较高，且放电比较稳定，正、负半周均有放电信号。

3.2颗粒放电

颗粒缺陷主要是GIS内部存在金属粉尘，一般是生产装配未进行规范操作引入的，也可能是设备长期运行其内部进行合闸分闸等机械操作摩擦产生的金属粉末。GIS加电后在电场和自身重力的双重作用下，在GIS内部进行移动甚至跳动。金属颗粒在电场中带正电移动和堆积的过程又会反作用GIS内电场，在颗粒落下接触到GIS腔体的那一刻，颗粒会将自身所带电荷释放，使得腔体内电场发生畸变。经过一段时间的累积GIS内部的SF6气体将会电离从而形成局部放电。气室内的金属颗粒在强电场的作用下可能造成绝缘介质沿面闪络，严重时会造成绝缘击穿。

4. 结束语

电力设备出现绝缘缺陷会产生局部放电进而侵蚀绝缘材料，如不及时处理，将导致绝缘材料被击穿，造成电力事故，有效的检修方式可以保证电力系统稳定运行。本文从局部放电的形成入手，简述局部放电产生原因：电场分布极度不均造成局部放电；详述了常见的典型缺陷局放类型，包括颗粒和悬浮；简述不同缺陷产生的放电特征，根据PRPD 图谱识别缺陷类型。本文主要为今后的研究做理论铺垫，

参考文献

1. 周倩.组合电器局部放电超高频信号数学模型构建和模式识别研究[D]. 重庆大学, 2007.

2. 李德军,沈威,郭志强. GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较[J].高压电器,2009, 045(003):99-103.

3. 李军浩,韩旭涛,刘泽辉,李彦明.电气设备局部放电检测技术述评[J].高电压技术, 2015,41(08):2583-2601.