第6章 变压器局部放电测试方法

第6章 变压器局部放电测试方法

6.1 放电脉冲在线圈中的衰减特性

对于局部放电脉冲信号，不能把变压器线圈看作一个集中参数电路，而应看为一分布参数电路，并可用图6.1的简化等值回路来表示，图中C为对地电容，K为纵向电容，L为导线寄生电感，A为线圈高压端，O为线圈中性点。

O L A K C

图6.1 变压器线圈的等值回路

n O P m A P k/dxCdxdu Cb dx uc Cc– + CnCb Cb CmCc ucxo x l

图6.2 气隙放电时的等值回路 图6.3 图6.2的简化等值回路

如果变压器中某一点发生局部放电时，在放电的瞬间，可以忽略寄生电感L并用图6.2来研究其起始电压分布，图中Cc为放电气隙电容；Cb为与气隙串联部分绝缘介质的等效电容，

uc为气隙两端电压。当变压器高压线圈首端工频电压升到Vs(瞬时值)时，P点处的工频电压为

(工频电压沿线圈为直线分布)，此时邻近P点的绝缘内部发生放电。可以推出气

upx0Vs/l隙两端的引燃电压us(瞬时值)为

usx0lCbCbCcVs (6.1)

气隙放电终止后，其两端的熄灭电压为ur(瞬时值)。在此放电过程中，气隙两端的电压变化

ucusur，由此而引起P点的电压变化up为

upCbCbCpuc

(6.2)

式中Cp可上图6.3来计算，图中的Cm为图6.2中P与A之间m段的入口电容，Cn为P与O

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局部放电及其测量

之间n段的入口电容，CpCmCn。

在图6.2中，由P点的电压变化up而引起m段的电位分布umx可计算如下：在电容K/dx上的电荷Q为

QKdxdumx (6.3)

在电容Cdx上的电荷等于电荷Q在x方向的增量dQ，即dQCdxumx，所以

由(6.3)、(6.4)得

(6.5)对x微分得 其通解解为

式中C/K。(6.4)的特解为： （1）由于A点开路，当xl时，QK

（2）当xx0时，umxup，即

因此可以解得

Aeupe(lx0)ll(lx)QCumxdx (6.4)

KdumxdxCumxdx (6.5)

dumxdx22CKumx0

(6.6)

umxAexBex (6.7)

dumxdxAel0，即

ldumxdx0，所以

Be0 (6.8)

Aex0Bex0up (6.9)

且 Beupe(lx0)l(lx0) (6.10)

e0e将A、B代入(6.7)可得

umxupch(1x)ch(1x0)(x0x1) (6.11)

同样，由P点的电压变化up而引起n段的电位分布unx可计算如下：对于n段，(6.7)仍然正确，即unxAexBex。在中性点开路的情况下，当xx0时，unxup；当x0时，

dunxdx0，同理可计算出

unxupchxchx0(0xx0)

(6.12)

由图6.3可知，气隙Cc放电时所中和的实际电荷q为

q(CcCbCppCbC)uc (6.13)

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第6章 变压器局部放电测试方法

图6.3中P点的视在放电电荷Q为

由(6.2)、(6.13)、(6.14)得

CbCcQCpCbCcCbCbCcqCbqCCCcCbCp/(CbCp)bpQCpCbCcCbupCc (6.14)

(6.15)

图6.2中，由P点至A端m段和P点至O端n段的入口电容计算如下： （1）在m段，因为在P点有

将(dumx/dx)xx0代入(6.16可得

CmCKth(lx0)dumxCmupKdx (6.16)  (6.17)

（2）在n段，在P点有（考虑x的方向）

dunxCnupKdx (6.18) 将(dunx/dx)xx0代入(6.17可得 所以 因

CbCcCbCcCpCnCKthx0 (6.19)

CpCK[th(lx0)thx0]

(6.20)

，由公式(6.14)得

upQCK[th(lx0)thx0]

将up代入(6.11)、(6.12)得

umx (6.21)

Qch(lx)CK[th(lx0)thx0]ch(lx0)QchxCK[th(lx0)thx0]chx0(x0xl)

(6.22)

unx(0xx0) (6.23)

根据以上分析可知：变压器内部某点发生放电时，其对应线圈部位上所产生的脉冲电压将沿线圈两端进行衰减性传播，沿线圈的起始电位分布ux与Qx的关系可用(6.22)、(6.23)表示。图6.2中P点邻近绝缘发生放电时，沿线圈的起始电位分布如图6.4所示。内部放电在首端响应的脉冲压ul与Q的关系可所示为

ulQck[tgh(lx0)tghx0]cosh(lx0) (6.24)

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局部放电及其测量

可见，放电在线圈首端的响应的脉冲电压ul不但与Q有关，而与放电部位xl也有关。

ux up x 0 x0 l

图6.4 线圈的起始电位分布

6.2 局部放电测试回路

变压器局部放电测量的加压方式，分为直接加压和感应加压两种。试验电压一般要高于试品的额定电压，并且为了避免铁芯的磁密饱和，试验电源一般采用150~250赫。

变压器局部放电测试回路的选择，很重要的一个原则是尽可能地减少和缩短外部高压引线，以避免电晕的产生和防止外部干扰的窜入；同时也要考虑在试验中对主、纵绝缘都能同时得到应施加的电压。因此，一般采用感应加压的方式和从高压套管末屏引出信号进行测量。 一、单相变压器局部放电测试回路

单相变压器的基本测试回路如图6.5所示。图6.5 (a)、(b)为直接加压测试回路，这种测试回路多用的变压器线圈首、末两端绝缘水平相同的小变压器上，它只能检查主绝缘，不能检查纵绝缘。图6.5 (c)、(d)为感应加压测试回路，这种测试回路对主、纵绝缘都进行检查。图6.5 (d)是经常被采用的一种测试回路。

A a Z x X A CK a Z X x (a) (b)

a A a A CK X x Z X x Z

(c) (d)

图6.5 单相变压器局部放电测试回路

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第6章 变压器局部放电测试方法

二、三相变压器局部放电测试回路

对于三相变压器，尤其是对于大型变压器多采用感应加压方式进行局部放电试验，并采用单相励磁的方法对A、B、C三相逐相进行测量，共需试验三次。我国生产的变压器的三相连接组多为Y0/–11或Y0/y0/–11，其典型测试回路如图6.6所示。

A B C + – – A – B – C – Z A B C Z X + – a + x Y + – b Z – + c o X + – a + x – Y – + b y Z + – c + z o Z X a x y Y Z b o c z + y –z （a-2） ( a ) ( b )

A X Am Y Bm Ym B C Z1 （a-1）

C Z Z Cm o A B Y Bm A B C Z Cm o X Am Z X a x Y b y Z c z o Xm Zm b y Om Z2 Xm a Ym b Zm c Om a x c z x y z

( c ) ( d ) ( e )

A X Am Y Bm Ym B C Z1 Z Cm Z2 Xm Zm b y Om o

A X Am B Y Bm C Z1 Z Cm Z2 o Xm a Ym b Zm c a x c z x y z

( f ) ( g )

图6.6 三相变压器局部放电测试回路

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局部放电及其测量

图6.6(a)线路比较简单，能同时检查主、纵绝缘，是标准规定的一种测试回路。这种测试回路对于三铁芯柱的变压器有一个值得注意的问题是：由于三相变压器的铁芯对A、C相不对称，在如图6.6(a-1)所示之对C(或A相)从低压线圈感应加压时，由于a、b相串联阻抗是C相阻抗的2倍。所以C相中的电流是a、b相中所流过电流的2倍，高压侧C相感应出的电压本应也有A、B相感应出的电压的2倍(A、B相电压相等)，而极性相反(如图7-7(a-1)所示)，即C相电压若为U则A、B电压为U/2；但由于铁芯对C相(或A相)不对称，使各相中的磁通发生了变化（如图6.7所示），在高压线圈各相中所感应出的电压，也就不能按低压线圈中所流过的励磁电流成比例，实践证明，若C相(或A相)高压线中感应出的电压为U，则B相高压线圈中感应出的电压约为0.75U左右，而A相(或C相)高压线圈中感应出的电压若为0.25U左右，B、C相(或A相)间电压为U+0.75U=1.75U，如图6.8所示。

由于三相变压器的铁芯对B相的磁通路是对称的，采用图6.6(a-2)线路做B相的局部放电试验时，并没有以上情况，这时UAUC0.5UB，UABUBCUB0.5UB1.5UB。可见图6.6(a-1)线路在做A、C相局部放电试验时，其相间电压提高了0.25UA(C)。

C + U 0 – +

ABC0.75 U

B –

图6.7 图6.6(a-1)各相中的磁通分布 图6.8 图6.6(a-1)B、C相间电压矢量图

ABC

ABC

图6.9 图6.6(a-2)各相中的磁通分布 图6.10 图6.6(b)各相中的磁通分布

图6.6(b)是O点支撑线路，并将高压线圈A、B相短路接地，形成一个短路平衡线圈，使A、B相磁通相等，如图6.10所示。如果UCU这就使UAUB0.5U，且UBC1.5U，则当主绝缘可以达到试验电压时，纵绝缘之间的电压却减少1/3。但它可使用工频电源电压试验，这在现场没有高频电源的情况下，是经常使用的一种线路。需要注意，A、B相的短路线要适当加粗。

图6.6(c)线路是为了测C相(或A相)时将高压线圈A、B相(或B、C相)短路而形成一个平衡线圈，其铁芯内的磁通分布如图6.10所示。这时B相对地电位则为C相对地电位的1/2，则B、C相间电压为1.5U。由于高压线圈O点接地，则被测相C相(或A相)的对地电位达到1.5U时，而纵绝缘也同样达到1.5倍电压的作用。这个线路也就能同时检查主绝缘和纵绝缘，也是一个最理想的试验线路。同样应注意，A、B相(或B、C相)的短路线要适当加粗。

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第6章 变压器局部放电测试方法

图6.6 (d)为三线圈变压器局部放电测试线路，其原理与图6.6 (a-1)双线圈变压器试验线路相似。在测C相时，B、C相间的电压为1.75U。

图6.6 (e)线路是利用中压线圈支撑高压线圈，作用与6.6 (a-1)作用相似。

图6.6 (f)线路在测C相时，将中压线圈Am、Bm相短路形成平衡线圈，它的作用与图6.6 (c)

相似，这样是因为中压线圈电压较高压线圈低，短路线的处理较为容易。这个线路是高压三相三圈变压器正常使用的线路。

图6.6 (j)是线路连接组为Y0/11/–11三相变压器的一种测试回路，它的作用与6.6 (a-1)相似，也是这种连接组三相三圈变压器正常使用的线路。

6.3 校正方法

变压器为一分布参数元件，使用集中参数元件的校正方法来校正，从原理上讲有些欠缺，便又没有更好的办法，根据国家标准GB1094-3-85规定和IEC76-3（1980）推荐，仍然用集中参数元件的校正方法对测试回路进行校正。即校正脉冲发生器串联一个小的注入电容加在“被试相的首、末两端”校正。根据这种集中参数元件的校正原理所得到的结果，与变压器为一等效电容时所得到的校正结果相当。此等效电容即为变压器的入口电容（冲击电容）。这样校正出来的测试系统，只有在线圈首端部位发生放电时才能正确地反映出其视在放电量值。若放电发生在线圈内部，由于放电脉冲波在线圈内的衰减，使得测到的视在放电量值就要偏低。

由于变压器油箱不能与地分开，所以校正脉冲发生器串联一个注入电容接入“高压端与油箱（地）之间”进行校正，校正方法仍用集中参数元件的校正方法来校正，具体校正方法如图6.11和6.12所示。图6.11为高压端校正，变压器的等效电容为其入口电容。图6.12为入口校正。在中性点O测量，就得在中性点O校正才正确。总之，校正的原则是：在那个部位测量，就在那个部位校正；亦即相当于在校正部位放电。同时，为了避免连接线杂散电容的影响，分度电容尽量靠近高压端。

A B C Z X a x Y b y Z c z o CO uo A B C CO Z uo 油箱 (地) X Y Z a b y c z o

x 图6.11 高压端校正方法 图6.12 入口校正方法

目前广为使用的JF-8001型和英国Model-5局部放电测试仪，以及其它国产和进品仪器，其输入单元（则试阻抗）都有接入校正脉冲的接口，利用这种入口校正（低压校正）方法，仍然要折合到高压端的校正结果，其刻度系数

Ku0C0H(1CxCk) （6.25）

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局部放电及其测量

式中Cx为变压器的入口电容，Ck为套管电容，H为仪器读数。

对分布参数的变压器来说，校正的原则是：在那个端子测量就在那个端子对地校正，如图6.13所示，这一点必须注意。若在线圈末端校正。在线圈末端校正时（相当于放电源在末端），刻度系数K仍然用Ku0C0/H计算，此时Ck相当于无穷大，它与入口校正的含义不同。

在校正方法上，习惯上都以高压端的校正为准，对所测到的实际视在放电量值，在报告上应注明“测量部位”和“校正部位”，这样才能使人明确知道所测量值的意义。

C0值的选取仍然与集中参数元件的选取原理相同，一般粗略计算可按C00.1Cx（Cx为变压器的入口电容）。由于变压器的入口电容较大，C0值往往选取50~100pF。校正脉冲电压u0应有足够值。K值的确定，主要取决于试验场地的各端的干扰水平，K值应尽可能小一些，以提高测试灵敏度。

C0 u0 Z C0 Z u0

图6.13 各端校正示意图

6.4 套管内部或耦合电容器放电时所引起的虚假现象

QX QK CK CX Cd uk ux ex1ek

图6.14 简化等值回路

从高压套管(或耦合电容器)测屏测量时的等值回路可简化如图6.14所示。图中Cx为变压器的入口电容(冲击电容)，Ck为套管(或耦合电容器)的电容，Cd为测试阻抗和同轴电缆的电容，Qx为变压器内部放电时反应在Cx两端上的视在放电电荷，ux为变压器内部放电时反应在Cx两端上的脉冲电压，Qk为套管(或耦合电容器)内部放电时反应在套管(或耦合电容器)两端上的视在电荷，uk为套管(或耦合电容器)内部放电时反应在套管(或耦合电容)两端上的脉冲电压。若变压器内部发生放电，则

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第6章 变压器局部放电测试方法

CkCdQxuxCxCkCd （6.26）

因ux在Cd上响应的脉冲电压ex为

所以

exCkCkCdCxQxCkCdCkCdQxCk(CkCd)CxCkCdexCkCkCdux （6.27）

（6.28）

若套管(或耦合电容器)内部放电，则

CxCdQkukCkCxCd  （6.29）

因uk的出现而在Cd上产生的脉冲电压ek为

所以

ekCxCxCdCkQkCxCdCxCdQkCx(CxCd)CkCxCdekCxCxCduk （6.30）

（6.31）

若这两个部位的放电在Cd上产生相等的脉冲电压，即exek，则由（6.28）和（6.31）得

QxCxCkQk （6.32）

由（6.32）可知，若套管产生20pC的视在放电量，当变压器的入口电容Cx2500pF，套管电容Ck250pF，这时反应到测试仪器上则相当于变压器本身产生200pC的视在放电量。这就是根据变压器本身Cx放电的校正原理而测得的套管Ck内放电时所产生的虚假现象，此虚假值的大小由Cx/Ck的值而定。

6.5 试验程序和允许放电水平

变压器局部放电试验，一般放在感应耐压和冲击耐压后进行，其目的之一是为了检查在各种全试验电压下所产生的局部放电对绝缘是否有所损伤；但往往也有耐压试验以前进行局部放电试验的，一旦发现超过规定值的放电量，可对变压器再重新进行处理。

试验程序和允许放电水平按国家标准规定为：试验电压按图6.15所示的时间程序加压。在不大于U2/3的电压下接通电源并增加至U2，持续5分钟，再增加到U1，保持5秒钟，再不间断地立刻降到U2，保持30分钟，再降低到U2/3以下的电压值，然后切断电源。试验时间与试验频率无关。在施加试验电压的整个期间，局部放电的“视在放电量”不应大于规定的Q值。

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局部放电及其测量

U1 U2 5min 5s 30min

图6.15 施加电压的时间程序

在图6.15中：

（1）U13Um/3Um，其中Um为设备最大工作线电压； （2）U21.5Um/3时，Q500pC； （3）U21.3Um/3时，Q300pC。

在试验中需要注意的是：（1）在整个试验时间内连续观测，个别较高的脉冲可以忽略；（2）外围噪声水平应低于规定的视在放电量Q值限值的50%；（3）在电压升至U2及由U2再降低的过程中，应记录可能的起始放电电压和终止放电电压；（4）在电压U2的第一阶段应读出并记下一个读数；（5）在施加U1的短时间内不必观测；（6）在电压U2第二阶段的整个时间内，应连续地观察和记录局部放电水平。

如果满足两个条件，则试验合格。这两个条件是：（1）试验过程中，试验电压不产生突然下降；（2）在施加电压U2第二阶段的30分钟内，所有测量的视在放电量Q连续维持在低于规定的限值，并且不表现出明显地、不断地倾向允许大限制值增长的趋势。

如果视在放电量的读数暂时超过规定的限值之后再返回到低于这个水平，则试验不必间断可连续进行，直到在30分钟的期间内取得可以接受的读数。

以上是国家标准和IEC76-1推荐标准的规定。

6.6 放大器频带宽度的合理选择

变压器内不同部位上的主绝缘呈或绝缘处产生的局部放电，经过线圈传播到测试阻抗Z上所反应出的脉冲电压波形各自相异。我们知道，不同的电压波形所具有的频谱宽度都是不同的，宽频带放大器能尽可能地反映出其全部频谱，而使其波形不失真；窄频带放大器只能 反映出其中的一部分频谱，而使波形失真。

uuotot

图6.16 校正时检测阻抗上的波形 图6.17 放电时检测阻抗上的波形

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第6章 变压器局部放电测试方法

要定量，首先要对变压器进行校正，校正时的测试阻抗Zd上所产生的波形如图7-16所示。而变压器内部放电在测试阻抗Z上所产生的波形比较复杂，大致如图7-17所示。若欲要反映实际情部，使其最大幅值不畸变，选用宽频带放大器较为合理，这样才能不至于因校正时的波形与放电时所产生的波形不一致而造成较大的误差。

uuotot 图6.16 校正时检测阻抗上的波形 图6.17 放电时检测阻抗上的波形

6.7 变压器局部放电的电气定位法

根据变压器的各种电气传播特性原理建立起来的定位方法，通常有多端测量定位法、行波法、电容分量法、起始电压法、极性法等等多种。行波法、电容分量法、起始电压法、极性法在理论上都可大致进行定位。但实行起来不是一般工厂现用的局部放电测试仪所能够胜任的；同时，由于变压器结构的复杂性与放电部位的不同，使放电脉冲的波过程可能出现各种不同的振荡波形，对波形不易进行分析定位。这些方法一般只是在一些研究部门使用其优越的测试手段做些研究工作，在工厂中很少应用。应用较多的还是国家标准GB1094.3-85和IEC76-3（1980）所推荐的多端测量定位法，即多端测量和波形比较法，它用一般的局部放电测试仪都能做到。

多端测量定位法的原理是：变压器内任何一个部位放电，都会向变压器的所有在外部接线的测量端子传送信号，而这些信号在各个测量端子上所显示出的波形都有其独特的波形特征和不同的幅值。如果将校正脉冲依次加到某两个端子之间时，则校正脉冲同时向各个测量端子传送，在各个测量端子上测出其校正电荷量值和观察其波形，并将各端子上的校正电荷值依次作出比值。在实际局部放电测量中，测出各个端子上的放电量值和观察其波形，并将各端子上的放电量值同样依次作出比值。若放电的比值序列与校正时某个比值序列相似而且波形也相似，则可认为放电点在相应的校正端子邻近部位上。例如，若放电的比值序列与对套管两端校正时的比值序列相似而波形又相似，则认为放电在套管内部。具体步骤见图6.18和表6.1。若放电的比值序列与校正时的比值序列无一相似，则认为放电点在变压器内部其它部位上。

校正时，最好在各个测量端部各自校出其分度系数后，再重新按表6.1注入校正脉冲测出各个测量点的读数，然后按表6.1求出其读数比值序列。

电气定位法定出的是“电气位置”，而不是几何位置。例如，若定出放电点在高压端，人几何位置可能在高压引线、高压线圈端部、静电屏等高电压部位上，而不能定出确切的几何位置。这是电气定位法的不足之处。

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局部放电及其测量

0 u0 C0 a C q3 M Z3 0 0 C0 u0 A B Z1 0 Am Z2 D M q1 M q2 M Z4 q4

M—测试仪器 Z1、Z2、Z3、Z4—测试阻抗 C0—校正电容 u0—方波发生器 C—耦合电容

图6.18 多端测量-多端校正示意图

表6.1 “多端测量-多端校正”方法测点及计算表（参照图6.18） 校正 方波 注入端 A—O Am—O X—O A—O A—B Am—D 注入电量q (pC) q0 q0 q0 q0 q0 q0 q1 q1AO0 各测点读数q(pC) 高压(A) 中压(Am) 低压(a) q2 q2AOq2AmO读数比值 中性点 (x) q4 q1q2q1AOq2AOq1AmOq2AmOq1XOq2XOq1aOq2aOq1ABq2ABq1AmDq2AmDq3 q3AO q2q3q2AOq3AO q3q4q3AOq4AO q4AO q1AmOq3AmOq4AmOq2AmOq3AmOq2XOq3XOq2aOq3aOq2ABq3ABq2AmDq3AmDq3AmOq4AmOq3XOq4XOq3aOq4aOq3ABq4ABq3AmDq4AmDq1XOq2XOq3XOq4XOq1aOq2aOq3aOq4aOq1ABq2ABq3ABq4ABq4AmDq1AmDq2AmDq3AmD

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