针对现有局部放电主要集中在去噪和识别研究,对局部放电过程中产生的表征信息却鲜有探讨。解决局部放电表征信息提取的问题。提取出正负半周放电次数比值、放电次数、相邻放电幅值比值以及相邻放电时间间隔等7项指标,通过检测表征信息可以反映出不同的局部放电状态,对于研究局部放电严重程度有着重要作用。基于simulink平台搭建局部放电试验电路,通过实验产生的局放波形,提取出多种局放表征信息,更加详尽地描述局部放电的发生机理,为后续局部放电严重程度评估提供了理论基础。 For the existing partial discharge mainly concentrated on the de-noising and identification re-searches, the partial discharge of the process of characterization information is rarely discussed. The problem of partial discharge representation information extraction is solved. There are 7 in-dicators extracted that the ratio of the number of positive and negative half cycles, the number of discharges, the ratio of the adjacent discharge amplitude and the interval between adjacent dis-charges. It is very important to study the mechanism of the partial discharges. Basing on the sim-ulink platform builds up a partial discharge test circuit. Through the partial discharge waveform generated by the experiment, a variety of partial discharge characterization information is obtained. The mechanism of partial discharge is described in more detail. It provides the theoretical basis for the evaluation of the PD severity.
曾锦河1,徐卫东2,周文文2,刁庆宪1
1广东紫光电气有限公司,广东 东莞
2广东工业大学自动化学院,广东 广州
收稿日期:2016年11月1日;录用日期:2016年11月26日;发布日期:2016年12月2日
针对现有局部放电主要集中在去噪和识别研究,对局部放电过程中产生的表征信息却鲜有探讨。解决局部放电表征信息提取的问题。提取出正负半周放电次数比值、放电次数、相邻放电幅值比值以及相邻放电时间间隔等7项指标,通过检测表征信息可以反映出不同的局部放电状态,对于研究局部放电严重程度有着重要作用。基于simulink平台搭建局部放电试验电路,通过实验产生的局放波形,提取出多种局放表征信息,更加详尽地描述局部放电的发生机理,为后续局部放电严重程度评估提供了理论基础。
关键词 :局部放电,表征信息,Simulink仿真,放电模型
高压电气设备在长期运行过程中,在绝缘部分局部有限范围内发生放电,这种放电仅能使导体间发生局部短路现象 [
当前,国内外学者对局部放电进行过一系列的研究,其中包含放电次数、放电幅值、放电相位等表征信息 [
图1所示为高压电气设备仿真接线原理图,具体仿真计算的参数如下:外施高压交流电源Uac,f = 50 Hz;保护电阻R = 10 kΩ;L = 5 mH, 用来检测回路的滤波器;耦合电容Ck = 0.5 × 10−9 F;Zm表示检测阻抗,其中Rm = 50 Ω,Cm = 2 × 10−12 F;Ca = 7. 36 × 10−13 F,Rk = 106 Ω;气隙的等效电容Cc = 5. 7 × 10−14 pF;用来模拟不同局放程度下电容值;等效电容Cb = 3.7 × 10−14 F;气隙电阻R1 = 2 × 1010 Ω;气隙沿面绝缘电阻R2 = 6 × 1010 Ω;气隙沿面半导电化等效电阻
图1. 仿真电路原理图
当气隙两端电压达到气隙的放电起始电压时,局部放电开始发生,通过不断调节元器件参数可以得到如图4所示的波形。
为了尽可能模拟出局部放电的不同严重程度,采用等差升压法 [
仿真中所加的阶梯电压及其持续时间如图2所示。首先设定好各项参数以及初始电压,直至PD信号出现,测得起始放电电压为8.78 kV,将仿真得出的气隙电压通过FFT模块转换成频域信号并用示波器显示出来。采集30个工频周期内的PD信号作为一个PD样本;每次电压设定的仿真时间为3秒并逐步提高电压,仿真发现,在14.78 kV下仿真波形接近击穿状态,因此,以14.78 kV下的PD信号作为绝缘缺陷击穿前的PD特征信号。
三电容模型利用电路的观点来看待局部放电现象,将固体绝缘材料内部含有气隙缺陷这一绝缘结构简化 为电容网络,如图3(a)所示。其中,Cc为气隙电容,Cb为与放电气隙串联的介质电容,Ca为其他部分介质电容。
从图3(b)中可知,经典局部放电模型是将气隙看成一个等效电容进行分析,因为气隙放电是瞬时完成的,放电时气隙电阻减少为半导电化电阻 [
图4是不同程度局部放电仿真波形,从仿真结果可知,放电初始阶段只有微弱的PD信号,随着局放程度的加重,局部放电放电电荷不断积累,当尖端两端随着外加电压Uac增加到起始放电电压时,
图2. 等差电压及其持续时间
图3. (a)气隙等效电路;(b)实际气隙图
尖端将产生PD信号,放电后尖端两端电压急剧下降,当下降到安全电压范围内,放电立即熄灭,但由于外加电压的持续增加,尖端两端又将重新增加到放电电压,便又开始了第二次放电,这样周而复始的在一个工频周期内会多次重复出现放电。等差施加气隙电压,放电次数会明显增加,放电强度也愈加强烈,仿真结果符合局部放电理论基础,对于后续提取局部放电表征信息有着十分重要的作用。
本文共采集了不同放电阶段下的30个PD样本,每次仿真数据特征变化规律基本一致,为此选择其中一次样本进行分析。图5所示为不同放电阶段下的PD信号φ-u散点图和φ-n谱图。
从图5可知,当在局部放电初始阶段时,PD信号首先出现在负半周上,正半周上只有微弱的PD信号,随着局部放电电荷的不断累积,在发展阶段下,正负半周内的放电脉冲幅值相较于刚开始时有了成倍的增加,放电脉冲幅值达到了10 mV左右,虽然放电次数也在增加,但远小于负半周放电次数,且负半周放电脉冲的φ-n谱图向180˚偏斜在电压波形负半周幅值位置附近;当局部放电在饱和阶段,对比发展放电阶段正半周放电次数成倍的增长,但负半周放电次数有少量的增加,负半周的放电脉冲幅值没有明显增加,而正半周放电脉冲幅值增加较明显。在该放电阶段,正半周放电脉冲的φ-n谱图开始向0˚偏斜。
图4. (a)初始放电波形;(b)放电加重波形
图5. 不同放电阶段φ-u散点图和φ-n谱图。(a)初始阶段;(b)发展阶段;(c)饱和阶段;(d)过饱和阶段
当局部放电继续发展为过饱和阶段时,在0˚附近出现了放电,放电次数开始超过负半周放电次数。另外,在正半周基本上每个相位下都出现了放电信号。此时正负半周放电次数水平基本持平,负半周放电脉冲最大幅值达到饱和呈持平状态。但是在区间100˚~125˚内,放电次数较少,有个短暂的中断间隙。如果局部放电继续持续发生将会导致绝缘击穿引发重大安全事故。
通过分析谱图特性发现,在不同的PD放电阶段,放电脉冲幅值、放电次数以及放电脉冲分布相位区间等表现出一定规律性,为实现准确描述局部放电变化过程,本文提取如下表征信息:
(1) 相邻PD脉冲幅值差异
通过对图6正负半周相邻放电脉冲幅值特征进行分析发现,
(2) 最大放电脉冲幅值比值
放电次数N是放电严重程度最直观的特征信息,可以表征放电剧烈程度。
图7是一组实际测得的局部放电信号,从图中可以清晰的知道PD脉冲信号幅值是变化的,正负半周最大放电脉冲幅值
(3) 相邻放电时间间隔ΔT信息特征
分析φ-u散点图和φ-n谱图可知,在不同的PD严重程度阶段,正负半周放电脉冲的密集程度不同,即正负半周相邻放电脉冲的时间间隔有差异 [
图6. 相邻PD脉冲幅值差异
图7. 实测局部放电脉冲信号
式中,N+,N−分别表示一个工频周期正负半周放电次数;
(4) 放电信号熵fn均方根信息特征
熵表示每个值所能提供的平均信息量的复杂度,熵越大,信息越丰富,复杂度越高 [
式中,N为一个工频周期内放电次数;ui为第i个放电脉冲幅值。
(5) 放电电荷量ΔQ
局部放电越剧烈,单位时间内的放电量越大,对绝缘的危害就越严重,因此,一定时间内的放电量可以从宏观角度表征PD严重程度。研究表明 [
式中,N为一个工频周期内放电次数;ui表示第i个放电脉冲幅值。
假若气隙两端在放电发生时电压变化为ΔUc,则气隙两端电荷的变化量即实际放电量可表示为式(1)所示。
在固体绝缘材料中,一般气隙很小,可认为
在实际测量中,基本不太可能直接获得局部放电的实际放电量。很明显,气体击穿时电极两端也会出现电荷量瞬变,而且能够直接测量。假定放电时,由放电造成的电极两端电压变化为ΔUa,则电极两端的瞬变电荷量为式(10)所示。
由于一次放电的持续时间很短,大约为十几纳秒,远小于电源回路的充放电常数,因而可认为放电时电源并不对电荷瞬变产生作用。假定放电造成Cb上的电压变化为ΔUb,存在式(4)关系。
式(10)中,Qa称为视在放电量,IEC60270标准用其来量化局部放电的强弱程度,这主要是出于两个方面的考虑:由式(10)、(11)可知,实际放电量与视在放电量正相关;反映局部放电对绝缘材料损害作用的参数放电能量与视在放电量呈线性关系。
三电容模型简单直观地建立了可测的视在放电量与实际放电量、放电能量以及气隙位置之间的联系,并能将局部放电的两种随机性理论统一起来。
(6) 放电能量W
通过理论分析得出能量与加载到气隙两端与电荷量之间的函数关系表达式为:
因此
假设
因此根据气隙两端电压和电荷量就可以求出放电能量W,通过大量实验数据发现,局部放电能量与放电电荷平方之间存在线性关系,如图8所示,同时可以看到,当放电量升高时,该趋势依旧保持不变仍呈线性关系。
(7) 放电功率P
从图7实测局部放电信号电压随时间变化曲线可知,电压幅值虽然十分微弱,但随着局部放电严重程度不同会有所变化,所以有必要对其进行提取,同理从图9单个局部放电信号中可以知道电流值的大小,根据前面定义公式(1-5)的方法定义局部放电的放电功率P
图8. 放电能量与电荷量平方关系
图9. 单个局部放电信号
从公式中可知需要求出每次放电的电压值和电流值就能得出放电功率P指标,设在测量时间T内出现放电n次,各次相应的视在放电电荷为
测得出现n次放电,每次放电对应的电荷量和外加电压瞬时值的乘积为
放电功率P表征信息综合表征了放电量、放电次数以及放电时外加电压值,它与其它表征参数相比,包含最多的局部放电信息。同时也能在出现干扰的情况下能检测出哪项数据异常,为后续综合评判局部放电严重程度提供了一种新的思路。
结合上述提取表征信息总结出如下规律:
相邻局放幅值差异
(1) 本文在分析局部放电发生机理基础上,结合局部放电中最常见的气隙放电建立了simulink仿真电路模型,较完整的提取出7项局部放电严重程度的表征信息,为进一步研究局放严重程度提供了数据基础。
(2) 通过对PD发展过程各项表征信息值的描述并阐明了各特征值的物理含义,根据不同含义建立数学公式,从数学上评价局部放电的不同严重程度,有利于后续建立局部放电严重程度评价模型。
(3) 多项表征信息指标所反映不同阶段下的局部放电,表征信息之间存在着关联性,可以识别由于外部干扰造成某项表征数据异常或数据测量误差,避免单一从某项表征信息指标判断局部放电严重程度带来的不准确性。
感谢东莞市科技局产学研合作项目专项资金资助(2015509132215)。
曾锦河,徐卫东,周文文,刁庆宪. 高压电气设备局部放电表征信息提取研究Research on Partial Discharge Characterization Information Extraction of High Voltage Electrical Equipment[J]. 电力与能源进展, 2016, 04(06): 205-215. http://dx.doi.org/10.12677/AEPE.2016.46026