容性负载电力设备的在线监测.ppt

容性负载电力设备的在线监测,电力设备绝缘的基础知识,电力设备的构成材料,电力设备是电力系统的构成元件 电力设备是机械与电磁相结合的装备 电力设备主要由两类不同材料构成： 一类为金属材料，包括铜、铝等导电材料，硅钢片等导磁材料，铸铁、钢板等外壳或结构材料； 另一类为绝缘材料，如绝缘纸(及纸筒、纸板)、层压板(及筒)、塑料薄膜、硅橡胶、电瓷、绝缘油、绝缘气体等。 电力设备中绝缘材料或电介质的根本作用，除了在电容器中有储能这一特殊要求外，在其它绝大多数场合中，只是防止电流向不希望的方面流动，以及对不同电位的导体起机械固定或隔离作用 上世纪40年代以前，绝缘问题似乎并不占有重要的作用，但之后?,相对于金属材料，绝缘材料尤其是有机绝缘材料，容易老化变质而使其机电强度显著降低； 电力系统中60以上的停电事故是由电力设备的绝缘缺陷引起的； 潜伏性故障设计、制造过程中存在质量问题，安装运输中出现损坏； 运行中故障由于电、热、机械、化学及其它因素，潜伏性故障发展或出现新的故障； 绝缘缺陷的分类：集中性缺陷、分布性缺陷；,电力设备的故障,故障率 (t),Burn-In Failures,Random Failures,Wear-Out Failures,Lifetime,Arrangements,e.g. caused by Instalation, Production or Material failures,e.g. caused by Operating and Maintenace Errors,trials, initial batch, production control, quality assurance,accurate operation and maintenance,life span calculation, trials,电力设备的故障率曲线,设计上： 研究改善电场分布、降低最大场强； 配件上： 对配件(如变压器分接开关、套管等)认真选购 及试验； 工艺上： 提高油纸绝缘包缠、干燥、浸渍质量； 试验上： 严格车间检验、出厂试验、增加局放试验等。,生产过程的措施（制造厂家）,投运后的试验和维修策略（运行部门）,加强试验和维修,如何减少电力设备的故障、避免和减少损失？,电力设备试验的分类,按类型分类：型式试验、出厂试验、交接验收试验、预防性试验等； 设计定型型式试验地点在认证机构 制造完出厂前出厂试验地点在厂家 制造商与运行商之间的交接交接验收试验地点在现场 投入运行后的运行中预防性试验地点在现场 按性质和要求分类：绝缘试验、特性试验； 绝缘试验的分类：非破坏性试验(试验电压低)、破坏性试验(试验电压高)；,设备投入运行后的试验 预防性试验：离线试验、在线试验； 常规预防性试验的缺点： 试验时需要停电； 试验时间集中、工作量大； 试验电压低、试验周期长，灵敏性、有效性值得研究； 在线检测目前并不能完全取代常规预防性试验： 大多局限于测量工频运行电压下的绝缘参量； 无法测量电力设备在高于运行电压下的参量； 迄今尚未形成统一的判断标准。,电力设备试验和维修策略的发展历程,事故维修（坏了再修，第二次世界大战之前） （盲目、不科学） 定期维修（按固定时间周期维修，当前多数情况） （维修过量、维修不足） 状态维修（以运行状态决定维修周期，正在逐步开展） （以在线监测为基础，科学、可靠、经济、可预见）,这几种维修方法并不互相排斥，但在不同阶段、不同要求的情况下，共存的形式有差别。 维修的目的在于获取各种信息，基于此得到设备状况的结论； 迄今为止，尚不能完全建立测量数据与设备状况之间的直接关系： Ub f (R, tan, PD, DGA, ),事故维修、定期维修、状态维修三种策略,电力设备使用寿命与应力之间的关系,具体问题要具体分析，不宜全采用状态维修,电力设备维修策略的分类原则,监测系统的价值分析,采用在线监测时的投入,产出的分析,不采用时,的费用,采用时,费用,由于风险所致的损失,(,宜计及故障几率及故障后果,),常规检查工作的支出,完成维修任务的支出,对故障进行调查及消除的支出,对故障设备进行监测所得知识的得益,监测评估及选用的支出,监测设备的投资及运行费用,设备负荷最大利用能力的提高,基于对少量的检测而可获得大量的该类设备性能的得益,对运行人员安全性的改善,对环境保护的改善,$,$,$,$,$,$,$,$,$,$,$,B,$,$,$,B,$,$,各栏累加后,可得采用该在线,监测系统前后的费用及得益,?,?,$表示支出费用，$表示较少的支出费用，B表示受益,常用介质相对介电常数,基本介电关系,在各向同性的线性电介质中, 极化强度P与电场强度E成正比，且方向相同，即 P = 0E -电介质的极化率， 对于均匀电介质是常数，对于非均匀电介质则是空间坐标的函数。定量表示电介质被电场极化的能力，是电介质宏观极化参数之一。,电介质的物理参数,基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度之间的关系为: D = 0E+P, 适用于各类电介质。,D = 0E+P0E0E（1）0E, 令（1）0 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质, 和r分别为电介质的介电常数和相对介电常数。,基本介电关系,电介质的物理参数,电介质的宏观平均电场和有效电场,电介质中某一点的宏观电场强度E：指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化分子形成的偶极距，共同在该点产生的电场。 电介质中任一点的电场强度，等于极板上自由电荷面密度在该点产生的场强/0与束缚电荷面密度在该点产生的场强-/0之和，即,电介质中的有效电场Ei，是指极板上的自由电荷以及除某极化分子以外其它极化分子形成的偶极距共同在该分子产生的电场。,电介质的损耗,在直流电压的作用 下，电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导所引起。所以用体积电导和表面电导率两个物理量就已能充分说明问题。,（一）电介质损耗的基本概念,电介质的损耗,在 交流电压下，流过电介质的电流 包含有功分量 和无功分量 ，即,P = U I cos = U IR= U IC tg = U2 Cp tg 式中 电源角频率； 功率因数角； 介质损耗角。,介质损耗角 为功率因数角 的余角，其正切 tg 又可称为介质损耗因数。,在下图中画出了此时的电压、电流相量图，可以看出，此时的介质功率损耗,通常均采用介质损耗角正切 tg 作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量和监控各种电力设备绝缘的 tg 值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要的项目之一。,图中C1 代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2 R2 代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。,有损介质更细致的等值电路如下图所示,在这个等值电路上加上支流电压时，电介质中流过的将是电容电流 i1、吸收电流 i2 和传导电流 i3 。三者随时间的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，即得出总电流上右图中的总电流 i,它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为吸收曲线。,上述三支路等值电路可进一步简化为电阻、电容的的并联等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常采用并联等值电路；如果介质损耗主要由极化所引起，则常采用串联等值电路。现分述如下：,把电流归并成有功电流和无功电流两部分，即可得如下图所示的并联等值电路，图中CP代表无功电流IC的等值电容、R代表有功电流IR的等值电阻。,其中,并联等值电路,此时电路的功率损耗为,介质损耗角正切 tg 等于有功电流和无功电流的比值，即,由右图的相量图可得,由于 ， I = UCSCS=U cosCS ，所以电路的功率损耗将为, 串联等值电路,用两种等值电路所得出的 tg 和 P 理应相同，所以只要把并联电路与串联电路的损耗公式加以比较，即可得CS CP，说明两种等值电路中的电容值几乎相同，可以用同一电容 C 来表示。另外串联等值电路中的电阻 r 要比并联等值电路中的电阻 R 小得多。,因为介质损耗角值一般都很小，cos1，所以,PU2CStg,答：1）直流电压下：,2）工频交流电压下：,3）工频交流下介质损耗并联电路的等值电阻：,举例：一台电容器的电容量C2000pF，tan0.01，而直流下的绝缘电阻为2000M，试求： (1). 直流100kV下的功率损耗； (2). 工频(有效值)100kV下的功率损耗，它与直流100kV下损耗的比值； (3). 交流下介质损耗的并联等值电路中的等值电阻，它与直流绝缘电阻的比值。,电介质的老化,绝缘的老化:电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一 系列物理变化(如固体介质软化或熔解,低分子化合物及增 塑剂的挥发)和化学变化(如氧化,电解,电离,生成新物质), 致使其电气,机械及其他性能逐渐劣化. 电气设备的使用寿命一般取决于其绝缘的寿命，而后者与老化过程密切相关. 电击穿 绝缘老化的因素 热击穿 电化学击穿(局部放电) 其他影响因素,表达介电性能的参数,介电系数电容量C 电阻率 绝缘电阻Ri 介质损耗角正切tan 介质损耗P 击穿场强Eb 击穿电压Ub,极化、电导、放电、损耗、老化、击穿的关系,常用气体、液体、固体介质的耐电强度,不同气体的耐电及液化特性,常用液、固体介质的tg（20）,现行预试项目分类,注：“”进行；“-”不进行；“”仅电压高或容量大时进行；“”必要时进行；“o”大修后进行。,I, C, tand的检测,电容型设备（套管、CT、耦合等）尺寸小，在线测介质损耗因数tgd及电容量C很有效。,如套管早期缺陷， tgd测值增大；发展到相邻极间击穿时， C测值增大。,数字化测量系统原理框图,各种测量参数灵敏度的比较,早期的三相不平衡法,改进的三相不平衡法框图,第四章 电容型设备的在线监测,图4-1表示在交流电压作用下介质绝缘的特性。流过介质的电流由两部分组成：ICx为电容电流分量，IRx为有功电流分量。通常ICxIRx,甚小。介质中的功率损耗 P = UIRx = UICx tg= U2Cx tg （4-1） tg为介质损失角的正切，一般均比较小。,图41 介质绝缘的等值电路和向量图,如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则tg 有时反映就不灵敏。被试绝缘的体积越大，或集中性缺陷所占的体积越小，那么集中性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗中的比重就越小，而ICx一般几乎是不变的。故由（4-1）式可知，tg 增加的也越少，这样，测tg 法就越不灵敏。对于象电机、电缆这类电气设备，由于运行中故障多为集中性缺陷发展所致，而且被试绝缘的体积较大，tg 法效果就差了。,当被试品绝缘由不同的介质组成时，例如由两种不同的绝缘部分并联组成，则根据被试品总的介质损耗为其两个组成部分介质损耗之和，而且被试品所受电压即为各组成部分所受的电压，由（4-1）式可得,从而,由（4-2）式可知， 越小，则C2中缺陷（tg 2增大）在测整体的tg 时越难发现。,图4-2 tg U关系曲线,4.1 测tg用的西林电桥,图4-3 QS1型电桥的基本线路 （a）正接法；（b）反接法,图44 电桥平衡时的相量图,由图4-4（b）可得,由UDA = UDB，可得IxR3 = INZ4 = INR4 ，于是ICx = Ixcos 。 再由,，,（46）,故,通常取R4为 欧，故（4-5）式成为,法,= 微法,也就是当电桥调到平衡时，C4的微法数就是等于被试品的tg值。,4.2 用电桥法进行tg在线检测,图4-5 采用高压标准电容器CN以正接法测量tg,为解决现场没有很高电压的标准电容器的困难，不少单位采用挂在同相线路上各电容型试品相互作对比的方法，测得各电容型试品的tg的差值，如果此差值与过去有显著变化，往往反映某一试品有问题。应用得较多的是选定某几台tg较小且随电压、温度较稳定的电容型试品相串联而当作“标准”电容器使用。,图46 存在tgN时测量tg的相量图,或,（47）,对于tgN1， tgN 1，故,（48）,或,为解决在现场只有低压标准电容器而无高压标准电容器的困难，可采用电压互感器配以低电压标准电容器CN的方案，其原理如图4-7。这时对该电压互感器的角差 大小及其线性度等须予以重视，因为被测的试品Cx的tg常是很小的数值。,在现场实测时，一般选CN为10003000pF。而试品真实的tgx与电桥上读数tgm的关系为,图4-7 用电压互感器配低压标准电容器CN而组成的电桥法,4.3 tg及C的在线监测,图4-8 tg在线监测仪的原理框图,图4-8为国内外应用较为广泛的用传感器、移相器及自动平衡装置来测量C及tg的原理框图。由被试品Cx接地侧处的传感器获得 ，它反映了流经试品的电流 ；而由分压器或电压互感器处获得 ，它反映了加在试品上的电压 。如果先忽略传感器及分压器的角差，则 应滞后一个角度（90）；再将 经移相器前移90而成 ，则 与 间的角差即为介质损耗角，其相量图如图4-9所示。,图4-9 测tg的相量图,为了能准确地读出此很小的角差，可采用了单片机或计算机里的时钟脉冲来计数，其示意图如图4-10所示。由图4-8中从传感器所获得的信号Ui及Uu分别经过过零转换而成相同幅值的方波I及U。为便于相与，将移相90后的电压信号再反相而成U*，再将I与U*相与，所得的方波宽度即反映了此角的大小了。,图4-10 用过零转换移相相与的原理测角的原理图,为提高测量的准确性，可加进图4-11那样的预处理电路 。,图4-11 对Uu及Ui信号的预处理及校正回路,也可采用加进电子开关后，用同一套预处理电路进行处理，其原理图如图4-12。,图4-12 用同一套预处理电路来测量tg,Presco AG,介损测量电桥,高精度自动、手动电容及介损测量电桥TG-1,通用型全自动电容及介损测量电桥TG-3,高精度全自动电容及介损测量电桥TG-4,现场型全自动电容及介损测量电桥FT-12 有效排除现场干扰,采用先进的电流比较法,Presco AG,I = U * * C 这里 = 2 * * f,电流比较法工作原理,Presco AG,IN . NN = IX . NX 或者 Utest . . CN . NN = Utest . . CX . NX CX = CN . NN / NX,Presco AG,TG-1,可以手动平衡，也可全自动平衡 (独一无二的设计) 通过试品的最大电流 35A 通过标准电容器的最大电流 30mA 电容测量范围 0.1CN.10000CN 介质损耗测量范围 110-5.1 电压测量范围 10V.1MV 电容测量精度 0.01% 相位测量精度 0. 2mrad读数的2% 电压测量精度 量程的1%2位,Presco AG,TG-3,全自动电桥平衡 通过试品的最大电流 5A 通过标准电容器的最大电流 30mA