一种利用闪电冲击下主部分放电估算油浸绝缘纸板中PD活性空腔数量及相对尺寸等级的多传感器方法

《Measurement》：A multi-sensor method to estimate PD-active cavity multiplicity and relative size classes in oil-impregnated pressboard using main PD under lightning impulses

　　

• 本文提出了一种新的方法，用于估算空腔数量及其尺寸演变，因为现有文献缺乏用于评估空腔数量和尺寸的PD测量模型。• 采用高频电流互感器（HFCT）和仿生超高频（UHF）天线，同时采集由多个空腔产生的PD脉冲，包括尺寸不同的空腔。• 天线提供的PD计数保真度高于HFCT。对于直径不同的空腔，验证了天线响应随空腔直径增大而增强。

引言

绝缘系统是决定高压设备可靠性、可用性和服役寿命的关键因素。在变压器、发电机、电缆和开关柜中，绝缘可以是单一材料，也可以是包含多种材料的复合绝缘系统。其介质完整性以及对固-液和固-固界面的妥善管理，决定了组件在承受电气、热、机械和环境应力时不会发生明显退化的能力[1]，[2]，[3]。材料不连续性（如气体空腔、裂纹、水分或制造过程中引入的夹杂物，例如干燥不充分），以及由热-机械应力和老化引起的缺陷，可能加剧局部电场并引发局部放电（PD）活动[4]，[5]。尽管PD是局部性的，但它通过侵蚀、表面跟踪、电树枝化等方式加速劣化，并可能促进化学反应（氧化、水解、热解或纤维素解聚），缩短服役寿命并导致设备故障[1]，[2]，[6]，[7]。因此，早期检测和表征初始缺陷对于出厂测试和运行维护中均至关重要。

传统上，PD测量和分析主要围绕交流（50/60 Hz）发展，实现了标准化的测量/校准程序和广泛采用的分析技术，包括相位分辨局部放电（PRPD）及相关统计诊断[3]，[8]，[9]，[10]。因此，缺陷形态通常与特征性PRPD模式及派生的统计特征相关联，并且存在稳健的方法用于分离、识别和诊断PD源及电气噪声[3]，[8]，[9]。然而，尽管基于交流的PRPD分析已趋于成熟，但仅凭PRPD数据通常无法直接且唯一地估算内部空腔的数量或尺寸。在实践中，当存在内部缺陷时，只能通过对PRPD派生统计量的持续变化进行追踪来跟踪时间演变，例如Nw（每周期脉冲数）的增加、Q95%（表观电荷的第95百分位数）的增加、相位质心的偏移或分布的展宽[8]，[9]。因此，大多数测量系统中实现的指标本质上是间接的，主要作为缺陷演变的早期预警信号。

另一方面，标准化的雷电冲击（LI，1.2/50 μs）和开关冲击（SI，250/2500 μs）测试已被使用数十年，分别用于验证基本冲击绝缘水平（BIL）和承受瞬态过电压的能力，主要作为型式试验，并且（取决于设备）也作为例行试验[11]，[12]。验收标准基于测试期间不存在介质击穿和不允许的破坏性放电。然而，除了这种通过/失败标准之外，冲击脉冲还能激活空腔中的内部PD，产生与交流下观察到的不同的非周期性暂态序列。这一现象已在一些研究中被记录，显示出存在两种类型的放电，主要通过其极性和相对于施加LI的时间位置加以区分（主PD和反向PD）[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。每种放电都与空腔上的残余表面电荷以及放电通道动力学相关联[13]，[14]。尽管已有经典和最新研究，包括叠加在交流上的冲击研究，提供了对这些放电的机理理解（统计延时和形成延时，以及记忆效应），但将冲击响应定量应用于诊断内部缺陷作为诊断框架的利用则受到了有限的关注。

从建模角度来看，空腔中的PD已通过三种主要方法进行研究。第一种是经典的三电容模型（ABC模型），通过等效缺陷和耦合参数提供了PD的透明电路解释[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。第二种是解析诱导电荷（偶极）模型，纳入了表面电荷记忆和局部放电器理[23]。第三种使用有限元分析（FEA）求解电场分布并评估几何或材料假设[24]，[25]。虽然这些方法丰富了该现象的机理理解，但文献中的大部分研究集中在单空腔构型上。在真实绝缘系统中，多个部分耦合的空腔是常见的，它们的相互作用会改变电场分布和表面电荷动力学，从而改变时间序列、重复特性和脉冲相关性[23]，[26]。因此，超越机理理解，一种将多空腔响应转化为操作指标以估算空腔数量和相对尺寸的定量且可重复的诊断框架仍然缺失。

特别是，在变压器油-纸绝缘系统中，气体空腔尤为关键，因为气体相对于浸渍固体的较低介电常数导致空腔内电场增强，有利于PD起始[6]，[7]。此外，热历史和纸中的微量水分可以改变壁面电导率、电荷衰减时间（记忆效应）、陷阱密度和空腔内的气体压力，从而改变起始/熄灭电压以及PD脉冲的重复性[22]。因此，一旦确认其存在（鉴于它们很少能被轻易消除），估算空腔数量及其尺寸分布（即使是相对意义上的），并为资产建立基准将极具价值。这样的基准能够通过与过去相对尺寸的比较，更精确地评估缺陷演变，即空腔是在增长还是出现了新的空腔。

在此背景下，本文提出了一种简单且可重复的诊断方法，以相对方式推断油浸绝缘纸板中产生主PD的空腔的存在性、数量以及内部空腔的相对尺寸等级。该方法在标准LI激励下，通过高频电流互感器（HFCT）和UHF天线同时采集主PD来演示。UHF天线提供了从中推导诊断指标的操作通道，而HFCT则作为传导参考通道保留用于幅值一致性检查。产生可分辨主PD事件的空腔数量通过每个冲击主PD事件数的分布进行统计推断，而相对空腔尺寸等级和排序则通过受控且可比测试条件下的TRPD（时间分辨局部放电）模式中的聚类进行推断。

所提出指标的潜在应用包括受控试样比较、实验室老化研究和受控LI条件下的工厂质量控制或投运测试。经过适当校准后，该方法也可作为补充工具支持现场离线诊断和趋势监测。总体而言，对含有多个空腔的油浸绝缘纸板试样的实验结果证明了该方法的可实现性，界定了其实际应用范围和局限性，同时突出了未来向更复杂多空腔构型扩展的可能方向。

LI下空腔中PD源的章节片段

在LI测试中，其特征为快速上升前沿和缓慢得多的尾波，可以观察到两种类型的内部PD。第一种称为主放电，是与起始事件相关的初始PD事件或紧凑脉冲串，且与施加的冲击电压Va(t)具有相同的极性。它通常在上升前沿期间或峰顶附近开始[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。其确切发生时间可能因统计延时和形成延时而有偏移。

实验装置

LI发生器按照IEC 60060-1[12]使用。如图5所示的电路由三个主要阶段组成。第一阶段是由二极管和10 MΩ限流电阻组成的充电/整流级，用于对25 nF电容Cs充电。第二阶段是一个远程触发的火花间隙G。第三阶段是基于电阻和电容（Re、Rd和Cb）的冲击成形网络，其数值被选择以充分再现前沿和尾波的参数。

实验结果

以下章节呈现了16个试样（含1、2、3和4个圆柱形空腔）的测试结果，按空腔直径分组（2 mm、3 mm、4 mm和混合构型）。对于每个试样，16张厚度为0.12 mm的绝缘纸板层叠在一起，事先干燥并用介电流体浸渍。在单一直径和混合直径试样中，穿孔制作在中间四张纸板上；而在非对称4-4-4 mm试样中，空腔则……

ABC-偶极框架下LI的理论-实验对应关系

第4节中描述的实验结果与第2节中呈现的多个物理原理和解析公式相一致。在本研究所采用的测试条件下，每个空腔每次冲击最多产生一个可分辨的主PD事件的假设得到了偶极场机制和实验观察的支持。在起始之后，导电放电通道将电荷转移到对面的空腔壁，建立起残余偶极场。

结论

在测试条件下（1.2/50 μs LI以及油浸绝缘纸板中的实验范围），主PD事件集中在冲击上升前沿和峰顶附近的分析时间窗口内。UHF天线表现出更高的时间分辨率和更强的每个冲击主PD事件计数能力，特别是随着活跃空腔数量的增加。对于固定数量的空腔和可比的LI水平，测量结果显示……

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