专利名称：用于绝缘元件的局部放电试验的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1的开头所述的用于绝缘元件的局部方文电 试验的方法并且涉及如权利要求11的开头所述的用于绝缘元件的局 部放电试验的系统。绝缘元件可例如由固体电介质材料(例如填有料
的环氧树脂(filledepoxy resin)，但不应限制于是固体)构成。
背景技术：
绝缘元件通常用于高压电气设备，例如电容器、变压器或开关设 备屏障等。然而，绝缘元件的电介质可以显示出高电场强度的区域， 其可导致特征在于它们不完全桥接电极的局部放电。局部》丈电非常频 繁地例如在例如固体绝缘元件内的空洞或裂缝或液体绝缘元件内的 气泡等的异质体内开始。为了描述的简单性，异质体在以下指"空洞"。 空洞典型地是充气的。如果横跨空洞的电压应力超过空洞内气体的起 始放电电压，气体电离并且局部放电开始在空洞内发生。局部放电接 着将引起绝缘元件的材料的逐渐退化，其最终可导致绝缘元件的电击 穿。
为了避免在电场中的退化和电击穿以及为了控制绝缘元件的品 质，绝缘元件通常在离开工厂之前用局部放电试验进行空洞试验。这 样的已知局部放电试验典型地由与局部放电测量结合的持续大约一 分钟的有限持续时间的高AC过电压的施加组成(在以下称为已知局 部》文电试-验)。
为了使局部放电发生(除了横跨空洞的超过起始放电电压的电压 应力)，在空洞内或在空洞处必须有足够的自由电子以在空洞内发起 电子雪崩并由此局部放电。自由电子也可称为起始电子。在未使用的
4绝缘元件中引起这样的自由电子的最可能的事件是背景辐射。用于起 始电子的产生的另 一个机制是从空洞表面的场致发射。
这意味着即使在空洞存在的情况下，由于在空洞中或空洞处缺少 自由电子或由于统计的时间滞后(自由电子出现在空洞中所需要的时 间)它们可能未被探测到。对于这样的自由电子出现在空洞内的时间 典型地随空洞尺寸的减小而增加。特别地，小的空洞可能在已知局部 放电试验的持续时间内未产生局部放电活动并且因此可能未被探测 到。常规已知局部放电试验经常使用非常高的AC电压，其导致从空 洞表面的场致发射，以迫使小的空洞也进入放电。然而，使用这样高
的AC电压通过从其他受应力的增强性缺陷而发起电树枝而可导致不
可逆的损伤，该缺陷例如在工作应力下可能是无害的金属微粒的夹杂 物。
为了提供初始的自由电子，与AC电压的施加和局部方文电活动的 测量同时将绝缘元件暴露于致电离辐射(例如X射线辐射)是已知的。 暴露于连续X射线束已经在"Partial Discharge - Part XV: Improved PD Testing of Solid Dielectrics using X-ray Induced Discharge Initiation (局 部放电-部分XV:使用X射线诱发的放电发起的改进型固体电介质 PD试验)，，,N. Fujimoto et al., IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 8, No. 6， 1992， pp. 33-41 、由J. M. Braun等的"Modulation of Partial Discharge Activity in GIS Insulators by X-ray Irradiation (在GIS纟色纟彖子 中通过X射线辐射的局部放电活动的调制)"，IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. 26, No. 3, June 1991, pp. 460-468、由L S. Pritchard等的"X-ray Induced Partial Discharge — an Application for High Voltage Insulation Diagnostics ( X射线诱发局部放电-高压绝缘诊断的 应用)，，,Proceedings of the IEE Colloquium on Materials Characterisation —How Can We Do It What Can It Tell Us (Ref. No: 1997/150), December 1997, pp. 7/1 - 7/3、由J. Svitek的"Location of Partial Discharges in High voltage Equipment Using Ionizing Rays (4吏用至丈电离射线在高电压设备中的局部放电的位置)"，Proceedings of the 5th International Conference on Dielectric Materials, Measurements and Applications, June 1988, pp. 183-186中说明。通过由X射线辐射来 提供自由电子，在局部放电发起之前的时间滞后/延迟可以减少。此夕卜， 起始放电电压可以降低到认为更接近于绝缘元件的性质和缺陷类型 (即，空洞类型)固有的真值的值。
此外，已经提出将绝缘元件暴露于脉冲X射线辐射(由G. C. da Silva等的"Study of Continuous and Pulse X-ray Induced X-ray Induced Partial Discharge Statistical Behaviour in Epoxy Samples (在环氧树月旨样 品中连续和脉冲X射线诱发的局部放电统计行为的研究)"， Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, June 2003， Session S7-l， pp. 831-834、由G. S. Silva等的"Continuous and Pulsed X-ray Induced Partial Discharges: Similarities and Differences (连续和月永沖X射线i秀发 局部》文电相似性和差别)，，，2006 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp. 598-601 )。在这个
情况下，x射线管用于产生连续x射线束。在x射线管和绝缘元件之
间插入斩波器用于脉冲X射线束的产生。斩波器用具有由AC马达操 作的两个矩形窗口的铅盘组成。这样获得X射线脉冲的长度/持续时 间大约是每周期2ms。利用X射线管与斩波器的组合，通常不能获得 具有更短脉冲长度的X射线脉冲。
当使用脉沖X射线辐射时，局部放电仅在X射线脉冲施加的时间 间隔期间发生。因此，局部放电被X射线脉冲调制。
然而，利用连续X射线辐射或具有2ms或更高脉冲长度的脉沖X 射线辐射的施加，诱发局部放电脉冲的大小可相当大地降低，使得对 于局部放电脉冲的探测可需要高精度、低噪声局部放电探测设备。然 而，这样的高精度、低噪声局部放电探测设备不适合在工厂环境中使 用。
发明内容
本发明的目的是提供用于绝缘元件的局部放电试验的方法和系 统，通过其绝缘元件的空洞可以被容易地探测到。特别地，可提供用 于绝缘元件的局部放电试验的方法和系统，通过该方法和系统当与已 知的无辐射的试验和系统相比时局部放电的起始放电电压可以降低 而同时该局部放电的(和在空洞内引起局部放电的电子雪崩的)动态 行为基本上仍然保留。
为了实现本发明的这个目的和另外的目的，其随着说明进行将变 得更加容易明显可见的，提供用于绝缘元件的局部放电试^^的方法，
其中AC电压施加到绝缘元件并且至少一个具有等于或多于10_2 Gray/s ( 10mGray/s)的辐射剂量率和优选地小于lms的持续时间的X 射线脉冲施加到绝缘元件并且测量由该至少一个X射线脉冲诱发 (induced)的局部放电。当具有特定的预先限定的大小的局部放电、 特别地局部放电脉沖被测量时，于是可以分别断定绝缘元件包括空洞 或多个空洞。
通过使用X射线辐射，自由电子可以在绝缘元件的空洞内产生并 且起始》文电电压可以被降低。特别地起始i文电电压可以被显著地降 低，典型地以系数2至5而降低。
如果绝缘元件仅暴露于具有超过10_2Gray/s的剂量率并且优选地 具有小于lms的持续时间的X射线脉冲，超过一个许多的自由电子可 以在技术上相关的基本上球形的具有超过lOOpim直径的空洞内产生。 lms的时间间隔对应于对于在充满一种或多种用于高电压绝缘的相关 的气体(例如空气、氮气、六氟化硫(SF6))的空洞内的自由电子与 离子的复合(recombination)所需要的时间。因此，在X射线脉冲的 结束/消失之后，产生的许多自由电子与离子在毫秒的时间尺度上复 合，其意味着甚至在若干毫秒的一段时间之后找到至少一个位于靠近 空洞的阴极(空洞阴极)的自由电子的可能性是高的。空洞的阴极限 定为在空洞中在电场的方向上的空洞表面。因此，优选地该至少一个X射线脉冲的持续时间对应于在充满一种或多种气体的空洞内的自由
电子和离子的复合时间。如果在X射线脉冲后的若干毫秒的这个时间
段期间外加电压超过空洞的固有起始放电电压，并且剩余大量自由电 子(其位于靠近空洞阴极)，局部放电发生。于是局部放电的动态行
为接近无x射线辐射的局部放电的动态行为。局部放电在空洞表面上 沉积电荷，其具有接近无x射线施加的局部放电的大小和分布的大小 和分布。接着由从带电荷的表面发射的起始电子所触发的局部放电建
立局部放电模式，其接近当没有施加X射线辐射时产生的局部放电模式。
如果当横跨空洞的外加电压已经超过起始放电电压时施加X射
线脉冲，局部放电立刻触发。然而在这个情况下，因为附加自由电子 和离子的存在，在辐射期间发生的局部放电的动态行为与局部放电的 自然动态行为(其中没有施加x射线辐射)不同。这改变所得的空洞
表面电荷，并且还可影响随后的局部放电的特性。因此与甚至更短的 脉沖一起工作是有益的。
如果有利地绝缘元件仅暴露于具有小于100ns的持续时间和优选 地超过100Gray/s的剂量率的X射线脉冲，超过一个许多，典型地大 约IOO个自由电子在技术上相关的基本上球形的直径超过100pm的空 洞内产生。100ns的时间间隔对应于在用于高电压绝缘的相关的气体 (例如空气、氮气、SF6)中的单个局部放电事件的持续时间。这意味 已经是第一局部放电事件显示与自然局部放电(即其中没有施加X射 线辐射)的动态行为非常接近的动态行为。所得的表面电荷因此对应 于自然局部放电(即其中没有施加X射线辐射)的表面电荷，并且随 后的局部放电也是自然局部;改电。
因此产生的为自然局部放电的局部放电具有优势，即是所使用的 局部放电设备或装置可以具有较低精度，且可以与比在持久X射线辐 射下的用于局部放电探测的装置低的噪声降低一起工作。在另 一方面 如果使用具有它的固有噪声降低的给定装置可以探测到甚至更小的
8空洞。明确建立的规范可以用于结果的解释是另 一个优势。
与根据本发明的方法相比，具有上文提及的剂量率的持久X射线 辐射将导致高度电离的导电空洞，其中没有局部放电可以发生。已知
的具有较低剂量率的持久辐射，如在文献中报道的(5'10"至 2-l(T4Gray/s),导致在空洞中单一 自由电子的偶尔出现，然而其中许 多不像所要求的那样接近空洞阴极。因为仅有少数自由电子接近阴 极，自由电子在lms的典型复合时间之后仍然存在的可能性是非常小 的。因此，通过获得适当的局部放电测量而探测空洞的总体可能性是 相当小的。
由单一自由电子引起的局部放电(特别地在小空洞(具有小于 lmm的直径)中)可能是非常小的，使得在空洞表面上所得的电荷可 不足以在下一个电压周期中导致持续的局部放电。
在空洞位置处的X射线剂量率可以通过下列众所周知的X射线 的吸收规律估计。在z方向(该z方向为射束方向)沿着X射线束， 由X射线源特性给定的初始剂量率Io，根据吸收规律降低到
/(2T) =!■ /非.exp《—^f)
其中)i是X射线质量衰减系数，其取决于绝缘元件的材料和X 射线能量。对于大多数技术上相关的材料和X射线能量的ii的值被列 成表格，并且可以例如在"CRC Handbook of Chemistry and Physics, 75th Edition" , ISBN 0-8493-0475-X中找到。
用于根据本发明的方法的绝缘元件的局部放电试验的本发明的 系统包括用于产生待施加到绝缘元件的AC电压的AC电压源、用于 测量施加的AC电压的电压传感器、用于测量诱发的局部放电的局部 放电传感器、用于评估测量到的局部放电的局部放电探测装置和闪光 X射线源。利用闪光X射线源可以产生具有小于lms的长度的(优选 地具有基本上100ns的长度的)X射线脉冲。
本发明的另外的有利特征和应用可以在从属权利要求以及示出 本发明的附图的下列说明中找到。以下中若千特征从头到尾，在附图
中相同的标号指代相同的或类似的部件
图1示出根据本发明的系统的第一实施例的示意图，
图2示出施加到根据本发明的方法的第一实施例的绝缘元件的
AC电压和X射线脉冲的示范性时间曲线，
图3示出施加到根据本发明的方法的第二实施例的绝缘元件的
AC电压和X射线脉沖的示范性时间曲线，以及
图4示出根据本发明的系统的第二实施例的示意图。
在图2和3中给出的值仅是示范性的。
标号列表
1本发明的系统的实施例10局部放电探测设备
2绝缘元件11控制单元
3空洞12AC电压时间曲线
4电极13X射线脉冲时间曲线
5AC电压源14X射线脉冲时间曲线
6闪光X射线源15本发明的系统的实施例
7X射线脉冲16光阑
8局部放电传感器17光阑面积、
9电压传感器18部分X射线脉冲
具体实施例方式
图1描绘根据本发明的用于绝缘元件2的局部放电试验的系统的 第一实施例1。绝缘元件2具有缺陷，其中它具有空洞3。空洞3具 有例如大约0.5mm的直径。绝缘元件2置于连接到AC电压源5的两 个电极4之间。通过AC电压源5,可以用AC电压对绝缘元件2施 加应力。AC电压可以例如具有50赫兹或60赫兹的频率和500kV的幅度。此外，闪光X射线源6提供用于至少一个以X射线辐射锥的形 式的X射线脉冲7的产生。闪光X射线源6不需要斩波器。闪光X 射线源6被放置使得它的X射线脉冲7撞击到绝缘元件2上面，由此 绝缘元件2优选地完全位于辐射锥内。闪光X射线源6可例如能够产 生具有15Hz的重复频率的100个X射线"永冲。
在从其中一个电极4、优选地从接地的电极4到AC电压源5的 电通道中，局部放电传感器8提供用于探测和测量可在空洞3中发生 的局部放电。典型地局部放电传感器8通过测量电流的导数和/或通过 确定处于由局部;故电引起的瞬态电流脉冲下的面积，即通过对瞬态电 流脉冲进行积分而探测和测量局部放电。此外，电压传感器9提供用 于测量外加在绝缘元件2上的实际电压。
典型地局部放电传感器8通过测量电流脉沖(并且可以因此包括 电流传感器)，或通过测量4黄;夸与试验对象(这里绝缘元件)串联 或并联的试-睑阻抗的电压脉冲而探测局部放电。其他的方法是采用超 声麦克风、光学传感器和/或天线的声波探测。在图l和4中局部放电 传感器8示范性地形成为电流传感器。
接着由局部放电探测装置10对由局部放电传感器8测量到的局 部放电相对于由电压传感器9测量到的AC电压进行评估，该装置10 其可以具有用于描纟会施加的AC电压、测量到的电压和/或测量到的局 部放电的时间曲线的显示器(没有示出)。
优选地，提供控制单元ll，通过其可以控制AC电压源5、闪光 X射线源6和/或局部放电探测装置10，特别地取决于施加的AC电压 来控制。
对于要在空洞3中产生的自由电子，闪光X射线源6产生一个具 有小于lms的长度的、优选地具有大约100ns的长度的X射线脉冲是 足够的。辐射剂量率例如是200Gray/s。为了确保局部放电在空洞3 中发生，施加的AC电压必须超过起始放电电压。因此，优选地基本 上在施加的AC电压的模量达到处于起始放电电压以上的值的那些时刻来施加一个或多个X射线脉沖。
为了确保当AC电压的值接近它的最大值(特别地是最大值的至 少百分之90 )时确实施加X射线脉冲，或者在AC电压的周期时间与 X射线脉冲的周期时间不同(即AC电压和X射线脉冲的顺序是异步 的)的情况下，必须施加足够的X射线脉冲。这在图2中示范性地描 绘。图2示出施加的AC电压12和施加的X射线脉冲13的示范性时 间曲线。对于这个例子，示出七个X射线脉冲13。当然，可以施加 更多或更少X射线脉冲13。在示出的例子中，在坐标系的原点后面 的第二X射线脉冲13位于离AC电压12的模量的最大值足够近，从 而AC电压已经达到或甚至超过起始放电电压。关于位于离最大值足 够近的X射线脉冲13的信息可以通过比较X射线脉冲的重复频率/ 周期时间与AC电压的周期时间而获得。
确保当AC电压的值达到它的最大值或接近它的最大值(例如它 的最大值的百分之90)时施加X射线脉冲的另一个方式是用控制单 元11控制闪光X射线源6，使得闪光X射线源6在对应于施加的AC 电压的某测量值(特别地是它的最大值或在例如它的最大值的百分之 90的范围内的值)的时刻发射X射线脉沖7。 AC电压的测量值从电 压传感器9获得。电压传感器9反馈AC电压的测量值到控制单元11 和到局部放电^:测装置10。控制单元11比较AC电压的测量值与预 先限定值(例如施加的AC电压的最大值或其的百分之90)。如果 AC电压的测量电压对应于或超过预先限定值，那么控制单元11触发 闪光X射线源6以发射X射线脉冲7。在图1中描绘的点线箭头代表 从控制单元11到闪光X射线源6的控制路径。
沖14,其中控制单元11在对应于AC电压12的某个值的某个时刻触 发闪光X射线源6，该AC电压12的某个值在这个情况下稍小于AC 电压12的最大值，这样X射线脉冲14尾沿基本上在与AC电压12 的最大值相同的时刻出现。如果合适，可以以这个方式产生超过一个
12X射线脉沖14。
优选地局部放电的测量/获取在一个或多个X射线脉冲7的施加 已经结束后、即在最后的X射线脉冲7消失后发生。这在图2和3中 示范性地描绘。在AC电压12的第一时期T1期间， 一个或多个X射 线脉冲13、 14与AC电压12同时施加到绝缘元件2。没有进行局部 ;故电测量。在时期T2期间，不再施加X射线脉沖13、 14而由X射 线脉冲13、 14诱发的局部放电的此刻测量通过局部放电传感器8进 行。这具有不产生比使局部放电发起实际上需要的更多的X射线脉冲 7的优势。此外，局部放电的幅度将不被改变，如果X射线脉冲在测 量期间施加则会是这种情况。
如果局部放电的测量可与X射线脉冲7的发射同时进行，那么局 部放电传感器8必须被屏蔽使不受闪光X射线源6影响，因为X射线 脉冲产生可干扰测量，从而歪曲测量。在另一方面，如果局部放电的 测量在X射线脉冲产生和施加已经结束后首先进行(如优选的)，需 要较少的或不需要局部放电传感器8从闪光X射线源6的屏蔽。
当施加若干X射线脉冲肘，每个X射线脉冲可在对应于AC电压 的不同值的时刻施加，其中AC电压的不同值随时间增加或减少。例 如从AC电压的零交点开始并且继续到它的最大值，控制单元11可在 对应于AC电压的不同的、逐渐增加的^直的不同的、逐渐增加的时刻 触发闪光X射线源6。这些时刻可以是等距的。以这样的方式，当使 用固定AC电压时可以找出起始^L电电压，因为当施加的AC电压等 于或超过起始放电电压时局部放电传感器8可以首先探测局部放电。 即一旦局部放电传感器8探测到局部放电，这意味最近的X射线脉冲 已经与等于或超过起始放电电压的AC电压的值同时施加。
当然，起始放电电压还可通过连续地增加AC电压或它的幅度同 时施加至少一个X射线脉冲而找出。
图4示出根据本发明的系统的另一个实施例15。实施例15对应 于在图1中描绘的实施例1但另外包括放置在闪光X射线源6的辐射路径中(即放置在闪光X射线源6和绝缘元件2之间)的光阑16。 光阑16的光阑面积17和/或它的位置可以-故改变，特别在与闪光X 射线源6的辐射方向垂直的方向上改变。通过打开或关闭光阑16,即 增加或减小光阑面积17,更宽或更窄的X射线脉冲束/锥可以辐射绝 缘元件2。即通过减少光阑面积17仅X射线脉冲的部分锥体18辐射 绝缘元件2，从而产生更高的分辨率。
通过使X射线脉冲束变窄并且在与辐射垂直的方向上移动光阑 16,而同时在移动之间发射若干连续的X射线脉冲，绝缘元件2的不 同位置可以被(部分的)X射线脉冲18辐射以在绝缘元件2中空间 地定位空洞3并且因此以用空间分辨率确定空洞3在绝缘元件2内的 位置。通过适当地调节光阑面积17并且移动光阑16使得X射线脉冲 18辐射绝缘元件2的不同的位置，可以这样对绝缘元件2扫描空洞3。 当然，关于图1至4说明的某些方面可以彼此结合。 要理解尽管本发明的某些实施例已经于此示出或说明，它不限于
"i兌明的和示出的具体实施例。
1权利要求
1.用于绝缘元件(2)的局部放电试验的方法，包括下列步骤a)施加AC电压(12)到所述绝缘元件(2)，b)施加至少一个X射线脉冲(7；13；14；18)到所述绝缘元件(2)，c)测量由所述至少一个X射线脉冲(7；13；14)诱发的局部放电，其特征在于在所述绝缘体内的所述至少一个X射线脉冲(7；13；14)的剂量率是至少10-2Gray/s。
2. 如权利要求1所述的方法，其中在所述绝缘体内的所述至少 一个X射线脉冲(7; 13; 14; 18)的剂量率基本上是100Gray/s。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一个X射线脉 沖的持续时间对应于在充满一种或多种气体的空洞内的自由电子和 离子的复合时间。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个X射线脉冲的 持续时间少于lms，特别地为100ns。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述至少一个X 射线脉冲(7)的长度基本上对应于局部放电的寿命。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中由所述至少一个X 射线脉冲(7; 13; 14)诱发的局部放电在所述一个或多个X射线脉 沖(7; 13; 14)的施加已经结束后测量。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述至少一个X 射线脉冲(7; 14)基本上在施加的AC电压(12)的预先限定的模量 处施力口。
8. 如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中施加若干X射线 脉冲(7)，每个X射线脉冲在施加的AC电压(12)的对应于不同 时刻的不同值处施加，其中所述AC电压(12)的这些不同值随时间增力口或减少。
9. 如权利要求7或8所述的方法，其中所述AC电压(12)由电 压传感器(9)测量，所述电压传感器(9)供应所测量的AC电压(12) 值到控制单元(11)并且其中当所述测量的AC电压(12 )值达到预 先限定的值时所述控制单元(11)触发闪光X射线源(6)以产生X 射线脉冲(7; 13)。
10. 如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中施加若干X射线 脉冲(7; 18),其施加在所述绝缘元件(2)的不同位置。
11. 通过如权利要求1-10中任一项所述的方法的用于绝纟彖元件 (2)的局部放电试验的系统，其包括用于产生至少一个X射线脉冲(7; 13; 14; 18)的X射线源、AC电压源(5)、电压传感器(9)、 局部放电传感器(8)和用于评估所测量的局部放电的局部放电探测 装置(10),其特征在于所述X射线源是闪光X射线源(6)。
12. 如权利要求11所述的系统，其中提供控制单元(11),其 被构建成使得，当由所述电压传感器(9 )测量的AC电压(12 )值达 到预先限定的值时，它触发所述闪光X射线源(6)以产生X射线脉 沖(7; 14)。
13. 如权利要求11或12中任一项所述的系统，其中所述闪光X 射线源(6)提供有光阑(16)，所述光阑的位置和/或光阑面积(17) 能够改变。
全文摘要
本发明涉及用于绝缘元件(2)的局部放电试验的方法，其中至少一个X射线脉冲(7；13；14)施加到绝缘元件(2)，AC电压(12)施加到绝缘元件(2)并且由至少一个X射线脉冲(7；13；14)诱发的局部放电被测量，其中该至少一个X射线脉冲(7；13；14)的剂量率至少是10<sup>-2</sup>Gray/s。本发明还涉及用根据本发明的方法的用于绝缘元件(2)的局部放电试验的系统(1；15)，其包括用于产生至少一个X射线脉冲的闪光X射线源(6)、AC电压源(5)、电压传感器(9)、局部放电传感器(8)和用于评估所测量的局部放电的局部放电探测装置(10)。
文档编号G01R31/12GK101655537SQ20091016882
公开日2010年2月24日 申请日期2009年8月21日 优先权日2008年8月21日
发明者A·克里夫达, H·富尔曼 申请人:Abb研究有限公司