徐阳1 喻明1 曹晓珑1 邱昌容1 甄为红2 胡述静3
1.西安交通大学电气绝缘国家重点实验室，西安710049；2.中国电力科学研究院，北京100085；3.南阳防爆电气研究所，南阳473008
0 前言
目前局部放电测量多用IEC-270推荐的脉冲电流法，现场测量时易受电磁干扰。实际放电过程中除了有脉冲电流信号传播外，还常伴有发光、发热、低分子物质生成等现象[1]。对诸如防爆电机局部放电测量等场合，可通过测量放电产生的光信号来反映放电特征，不仅与防爆场合要求点燃的能量更直接相关，还具有不易受电磁干扰等特点。对放电伴生的光信号研究，早在70年代后期即已开始[2]，80年代则有按IEC112方法研究有机绝缘介质表面光发射的报道[3]，90年代初，有人利用光电测量系统检测SF6绝缘系统局放[4]。
本文针对防爆电机局部放电测量的要求，建立了一套放电的光电脉冲测量系统。研究了放电产生的光脉冲信号在不同媒质中的传播规律，不同类型的局部放电的光脉冲信号的衰减状况等。尝试通过研究放电过程中所产生光脉冲信号的强弱变化规律与脉冲电流法测量结果的对比等来反映绝缘劣化的状况。
1 基本测量原理
光电检测技术的原理是将光电探测器接收的来自放电源的光脉冲信号转为电信号，再放大处理。不同类型放电产生的光波波长不同，小电晕光波长≤400 nm呈紫色，大部为紫外线；强火花放电光波长自<400 nm扩展至>700 nm，呈桔红色，大部为可见光，固体、介质表面放电光谱与放电区域的气体组成、固体材料的性质、表面状态及电极材料等有关。实验中采用的光电检测系统由图1装置组成 ，放大器增益>60 dB,R,Ck，Z分别为电阻、耦合电容、阻抗。为了研究放电光脉冲信号与脉冲电流信号的关系，对通常由脉冲电流法得到的局部放电参数同时测量。
根据测量的灵敏度与运行环境抗干扰的要求，图1中光纤为50根直径3 mm的石英光纤组成的大截面光纤束。若需要扩大光纤的接受角度，可尝试将单根光纤端部加工成半球型，光纤束护套采用聚四氟乙烯紧包结构。光纤的电磁兼容、柔韧性及最高工作温度等均可满足安装到电力设备中去(如防爆电机，电力变压器等)的测量要求。由于局部放电产生的光脉冲信号微弱，故选用光电倍增管为光电转换与前置放大的主要部件，其阳极灵敏度>100 A/lm，暗电流要＜50 nA，脉冲上升时间＜50 ns。若系统装置用于测量变压器的放电特性，则要求光纤与变压器油无化学反应，并研究放电产生的光脉冲在变压器油中的衰减情况。
2 结果与讨论
为对比光脉冲与脉冲电流测量放电信号的结果，实验选择透明介质内部放电、针对板表面放电与针对半球的电晕放电3种典型放电模型(见图2)。
2.1 放电产生的光脉冲信号传输衰减特性
以内部放电为例，电压8 kV时，脉冲电流法测得的视在放电量q～2 000 pC。改变放电模型与光纤探头间的距离则光脉冲信号的幅值U随距离d的增加而减小，说明光脉冲在变压器油中传播时会发生明显衰减。其余两类放电亦有类似规律(见图3)。
2.2 光测法与脉冲电流法的比较
对于电晕放电，电极尺寸与针尖形状会影响放电过程。改变针尖曲率半径与电极间距，可产生不同的放电量q。图4为9、12及14 kV下的测量结果，表明了U与q基本成线性关系。实验表明，光脉冲幅值与放电次数无关。
图4 电晕放电的光肪冲辐值与放电量的关系
对于表面放电，光脉冲幅值的增加要快于脉冲电流法测得的放电电荷量的增加(见图5)。这是由于在较高电场下，会有多种放电同时产生，脉冲电流法测得的是那一刻发生的最大放电峰值，而光脉冲法测得的是多种同时放电的累积。
内部放电过程可能受气隙形状、尺寸、位置、介质等影响比较复杂。图6为实验模拟的气体间隙与变压器油间隙两种情况。通常IEC-270法测得的是视在放电量q，而非介质内部的实际放电量，所以，透明介质的内部放电的电、光脉冲法测得的结果无明显对应关系。
在局部放电测量中，放电量指标是最常用的参数，放电次数与放电能量是描述放电特征的重要参数。脉冲电流法测量的放电能量W=uiq，ui为放电瞬时电压；q为放电量。
图7和图8表面放电测量结果表明，光测法的U与电测法的W有近似线性关系。
图8 表面放电的光脉冲幅值与放电能量的关系
内部放电能量交换过程比较复杂，所发出的光能是总能量的一部分，可由下式估算[5]。
Wlight=AEB，其中A、B为常数，1＜B＜2
图9为内部放电之U和W关系。
对于电晕放电，随着放电电压的增高，放电次数n明显增加，视在放电量q并不增加，但放电产生的光脉冲U也无明显增加。图10为50个工频周期的测量结果。
以上实验表明光脉冲法可测量放电特性，实验中所用的测量装置已被用于大型防爆电机的火花放电监测，以保证电机的安全运行。
3 结论
建立的光测系统可测量透明介质中放电产生的光脉冲信号，信号的强度与脉冲电流法测得的放电量及放电能量有关。这种光脉冲测量法尤宜测量检测防爆电机等特殊场合的放电水平。
参考文献
1 邱昌容，王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术.北京：机械工业出版社，1994
2 Yoshimura N. Light emission from tracking discharges on organic insulation. IEEE Trans on EI,1984，19：149
3 Binns D F. Optical discharge detection in SF6 insulatedsystem. IEEE Transon EI，1990，25：405
4 甄为红.变压器局部放电光测法的研究.西安：西安交通大学硕士学位论文，1995
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