（电气工程专业论文）发电厂几种主要电气设备绝缘状态在线检测与评估.pdf

些壅盔堂堡主堂垡丝塞 到广泛推广。通过变压器油中气体的色谱分析这种化学检测的方法，在不停电的 情况下，对发现变压器内部的某些潜伏性故障及其发展程度的早期诊断非常灵敏 而有效。经验证明，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有 关，它们之间存在不同的数学对应关系呦3 。通过对电气设备绝缘材料局部放电脉 冲量的检测可以更好的发现各种隐形故障。 然而绝缘状态在线检测结果超标并不能表示设备故障，必须与常规检测试验 及设备历史运行状况结合，才能准确判断出设备的绝缘状况，从而制定合理的设 备检修或维护方案，保证电气设备的安全稳定运行。 关键词：发电厂；电气设备；绝缘；色谱分析；局部放电 v l i 山东大学硕士学位论文 e l e c t r i c a le q u i p m e n ti n s u l a t i o nd a m a g et oe q u i p m e n tf a il u r ea c c o u n t e d f o ras u b s t a n t i a lp r o p o r t i o no ft h ep o w e rs y s t e mi so f t e nd u et oap a r t o rad a m a g e di n s u l a t i o n o fe l e c t r i c a le q u i p m e n tc a u s e db ya c c i d e n t ， u n d e r m i n e st h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mw o r k ，t ot h en a t i o n a l e c o n o m yh a sb r o u g h tg r e a tl o s s i no r d e rt og u a r a n t e et h a tt h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n ti n s u l a t i o nt h en o r m a lw o r k ，m u s tt ot h ei n s u l a t i o nm a t e r i a l ( g a s ， l i q u i da n ds o l i d ) a n dt h ei n s u l a t i o ns t r u c t u r eb e a r st h ee l e c t r i c i t y p e r f o r m a n c et oc a r r yo nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t sf u l lr e s e a r c h i sa l s o m u s ts t u d ye a c hk i n do fi n s u l a t i o ne a c hk i n do fa c t i v es t a t u sw h i c ha n d u n d e re a c hk i n do fe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o np o s s i b l ym e e t si nt h ep r a c t i c a l w o r k ，i se x p o s e de a c hk i n d o fv o l t a g e ( 1 0 n g f i r i n go p e r a t i o nv o l t a g e ， t h u n d e ra n dli g h t n i n go v e r v o l t a g ea n ds w i t c h i n gs u r g ea n ds oo n ) a f f e c t s t h et i m et ob e a rt h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c e e l e c t r i c a le q u i p m e n ti n s u l a t i o nc o n d i t i o nt e s t i n gc o n v e n t i o n a lt e s t m e t h o d si n c l u d et h ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c et e s t ，l e a k a g ec u r r e n t ， d i e l e c t r i cl o s st a n g e n tv a l u eo ft e s t i n g ，p r e s s u r et e s t i n g i n s u l a t i o n ， h o w e v e r ，t h ed a m a g ei so f t e nag r a d u a lp r o c e s s ，r o u t i n et e s t i n gm e t h o d s c a nn o td i s c o v e ra n dc o r r e c tt h es i t u a t i o na n dc h a n g ec o n t r o le q u i p m e n t i n s u l a t i o nd e v e l o p m e n tp a t t e r no ff r e q u e n tp r e v e n t i v et e s tp o w e rs y s t e m o fq u a l i f i e de l e c t r i c a le q u i p m e n ti nt h eo p e r a t i o no fb u r na n de x p l o s i o n w i t hs c i e n t i f i ca n dt e c h n 0 1 0 9 i c a lp r o g r e s sa n dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e n t e r p r i s e sa n dp e o p l eo nt h ep o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft h e e n h a n c e dc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c eo fe l e c t r i c a le q u i p m e n th a v es o a r e d ， w h i l et h ec o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c ei sap r e r e q u i s i t ef o rt h eo p e r a t i o n o fe q u i p m e n tm u s tf u l l yg r a s pt h es i t u a t i o n ，o n l i n em o n i t o r i n ga sa n i m p o r t a n tm e a n so fd e t e c t i n gt h es t a t e ，b u ta l s om o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b yp o w e rc o m p a n ie s 山东大学硕士学位论文 e l e c t r i c a le q u i p m e n ti st h em o s ti m p o r t a n tp o w e rs y s t e mc o n t r o la n d p r o t e c t i o ne q u i p m e n t s t a t e f u li n s p e c t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n ti s e l e c t r i c a le q u i p m e n ts a f eo p e r a t i o no ft h ee c o n o m i cb a s i so fa s s e s s m e n t i saf u s i o no ft r a d i t i o n a le l e c t r i c a le q u i p m e n t ，s e n s o rt e c h n o l o g y ， a u t o m a t i cc o n t r o l ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，m u l t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g ei n c u t t i n g e d g er e s e a r c hd i r e c t i o n s i n s u l a t i n go i lc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i sa n dp a r t i a ld i s c h a r g eo n l i n e d e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l ya n dw i d e l yi nt h ep r o d u c t i o n o ft h ea c t u a l p r o m o t i o n t h r o u g h t h et r a n s f o r m e ro ili nt h eg a s c h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i so ft h ec h e m i c a ld e t e c t i o nm e t h o d ， w i t h o u tt h e c a s eo fp o w e rf a i l u r e ，t h ed i s c o v e r yo fs o m el a t e n ti n t e r n a lt r a n s f o r m e r f a u l t sa n di t sd e g r e eo fd e v e l o p m e n to fe a r l yd i a g n o s i si sv e r ys e n s i t i v e a n de f f e c t i v e e x p e r i e n c eh a ss h o w nt h a tt h e o i lc o n t e n to fv a r i o u s c o m p o n e n t so ft h eg a sa m o u n ta n dt h en a t u r ea n de x t e n t o ff a il u r eis d i r e c t l yr e l a t e dt ob e t w e e n t h e mt h e r ea r ed i f f e r e n tm a t h e m a t i c a l c o r r e s p o n d e n c e t h r o u g ht h ei n s u l a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t ，t h ea m o u n t o fp a r t i a ld i s c h a r g ep u l s ed e t e c t i o nc a nb eb e t t e rf o u n di nav a r i e t yo f h i d d e nf a u l t s i n s u l a t i o ni n l i n et e s tr e s u l t s ，h o w e v e r ，d o e sn o tm e a nt h a te x c e s s i v e e q u i p m e n tf a il u r e sm u s tb ed e t e c t e dw i t hc o n v e n t i o n a lt e s t sa n de q u i p m e n t ， o p e r a t i o n a ls t a t u so fh i s t o r yc o m b i n e di no r d e rt oa c c u r a t e l yd e t e r m i n e t h ei n s u l a t i o ns t a t u so fe q u i p m e n t ，s oa st of o r m u l a t ear e a s o n a b l e e q u i p m e n to v e r h a u lo rm a i n t e n a n c ep r o g r a m st oe n s u r et h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n tr u n k e y w o r d s ：p o w e rp l a n t ： e l e c t r i c a l e q u i p m e n t ；d e t e c t i o n ； c h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i s ：p a r t i a ld i s c h a r i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丑毖 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：曼丝：导师签名：照日期：翌塑：! ：了 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 发电厂电气设备绝缘检测的意义 电气设备是电力系统中最重要的控制和保护设备。电气设备状态检测是对电 气设备经济安全运行评估的基础，是融合传统电气设备、传感器技术、自动控制、 信号处理等多学科知识的前沿研究方向之一。状态检测是以先进的监测设备和诊 断技术为基础，应用系统工程的方法进行综合分析判断和评估，从而查明设备内 部状况，掌握缺陷性质，预测隐患的发展趋势和设备寿命1 。 目前，发电厂主要电气设备的检修仍采用定期检修，定期检修存在两方面的 不足：一是设备存在着潜在的不安全因素时，因未到检修期限而不能及时排除隐 患；二是设备状态良好，但已到检修时间，就必须检修。检修时又缺少以往设备 运行的状态记录，要检修的内容不明确，存在很大的盲目性，造成人力、物力和 时间的浪费，检修效果也不好。状态检修是根据设备的运行状况进行检修，因此 状态检修的前提是必须要作好电气设备状态在线检测。状态检测有两个主要的优 点：一是能够及时发现设备缺陷，作到防患于未然；二是为电气主设备的运行管 理提供方便，为检修提供可靠的依据，减少人力、物力和时间的浪费，从而提高 检修效率。 长期以来，运用绝缘预防性试验来诊断设备的绝缘状况起到了很好的效果， 但由于预防性试验周期的时间间隔可能较长，以及预防性试验施加的电压有的较 低，试验条件与运行状态相差较大，因此就不易诊断出被测设备在运行情况下的 绝缘状况，也难以发现在两次预防性试验时间间隔之间发展的缺陷，这些都容易 造成绝缘不良事故。而且绝缘预防性试验一般要求在温度5 0 以上和相对湿度 6 5 以下进行，同时还要对系统进行停电作业，工作量大且又繁锁。同时，试验 电压大多在1 0 k v 以下，不能反映出电力设备在运行状态下的绝缘状态。因此， 电力系统多次发生预防性试验合格的电气设备在运行中烧坏和爆炸。通过带电试 验，可以对电力设备在运行电压下的绝缘状况进行掌握，同时也比低电压下测试 绝缘状态更为有效地发现各类绝缘缺陷。 带电试验除了能按规定进行绝缘测试外，还可以实现集中测试，从而实行连 些查奎堂堡主堂垡丝茎 续监测和自动监测。带电测试使高压电气设备绝缘监测由复杂而繁重的劳动，过 渡到现代化的自动监测系统控制的绝缘监测方法。 从目前预防性试验的内容来看，对设备绝缘缺陷反映较为有效的试验有介质 损耗角馏6 ；泄漏电流i c 、全电流i g 、泄漏电流的直流分量i r ；局部放电测量及 油中色谱分析等。通过大量的试验证明，只要测准介质损耗、局部放电和油中色 谱组分，就能比较确切地掌握设备的绝缘状况，目前在线测定t g6 和i c 、i g 已非 常准确有效。但由于干扰的影响，现场设备进行局部放电测量较为困难且费用较 高，停电进行每台设备的局部放电试验进行预防性试验是不现实的。如果用一种 价廉的在线或带电监测装置，能简便地测出局部放电等各种电气绝缘参数，判断 设备的绝缘状况，从而减少预试内容，或增长试验时间间隔并逐步代替设备的定 期停电预防性试验，并实施状态监测及检修，这对于保证电力设备的可靠运行及 降低设备的运行费用都是很有意义的1 3 l 。 2 绝缘状态检测技术现状 1 2 1 国外状况 状态检测在美国、加拿大等国家发展较快，可能有两方面的原因：其一是设 备制造厂家生产的产品质量一致性较好，材质好，设备出现故障的概率很小；第 二是西欧国家劳动力造价高，如投入大量的试验人员进行预试，使试验费用等开 支很大，相对来讲，投入设备的经费相对要低，因此发展在线测量就具有更大意 义1 6 l 。随着计算机技术及电子技术的飞速发展，实现电气设备运行的自动监控及 绝缘状况在线监测，并对电气设备实施状态监测和检修已成为可能。 实施状态检测应具备三个方面的基本内容，第一是运行高压电气设备应具有 较高的质量水平，也就是设备本身的故障率应很低；第二是应具有对监测运行设 备状况的特征量的在线监测手段；第三是具有较高水平的技术监督管理和相应的 智能综合分析系统软件。其中在线监测绝缘参数是状态监测的基本必备条件。电 气设备状态特征量信号主要包括以下几方面： l 、电容性设备检测内容为电容量c 及介质损耗t g6 ，检测方法：依据选用 参考电压方式的不同可风分为如下两种方法： ( 1 ) p t 取样测量法：从母线p t 的二次侧获取基准电压信号。 2 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 同相设备比较法：通过比较两个设备介质差值的变化来判断绝缘状态。 2 、避雷器类设备检测内容：f z 型及f c z 型避雷器的电导电流，可有效发现 进水受潮故障；氧化锌避雷器( m o a ) 的泄漏电流及其阻性电流分量，可有效发 现进水受潮故障，通过阻性电流监测还能判断m o a 阀片的老化情况。检测方法： ( 1 ) 电导电流或泄漏电流测量( 2 ) m o a 避雷器阻性电流的检测 3 、电力变压器n 司 检测内容： ( 1 ) 发展速度较快的放电性故障，应采用局部放电检测技术，油色谱分析往 往不能做出及时反应。 ( 2 ) 发展速度较慢或缓慢的放电性故障，宜采用油中溶解气体分析技术。 ( 3 ) 过热性故障，可采用油中溶解气体分析技术进行判断。 ( 4 ) 铁芯接地故障，通过测量铁芯的接地电流即可发现，必要时可通过一定 阻值的电阻接地。 4 、高压断路器 检测内容： ( 1 ) 开关的机械特性检测技术，通过比较喷气阀压力变化的差异，分析开关 动作时的机械故障。 ( 2 ) 开关的累计动作电流监测。 ( 3 ) 触头行程监测。 ( 4 ) s f 6 气体的湿度及压力。 ( 5 ) 断和闭合线圈的电开流变化。 通过将实时监测和现场采集的各种参数、数据录入计算机数据库，同时建立 标准判据，形成每个设备的状态参数的历史曲线，自动绘制参数品质变化趋势， 并与标准数据进行比较，发现问题及时提出处理建议，指导运行调整各种参数， 为观察和分析设备的健康状况提供依据，逐步实现了从机组异常事后分析到异常 现象事先分析的飞跃。根据这些数据制定相应的检修对策，其他使用人员可以通 过网页看到由专业人员提供的趋势、警告、诊断和分析结论。这一技术的运用可 以杜绝检修决策的主观性和随意性，减少决策失误和重复劳动，规范状态检修工 作程序。系统可对全厂所选定的状态检修设备进行基本数据的记录、分类，所有 参数经自动或人工进入微机后会自动生成过程曲线，各参数及设备健康状况目 了然。 3 些垄奎堂堡圭兰垡丝苎 1 2 2 新技术的应用 ( 1 ) 红外线点温计：可手持操作，方便灵活，直观迅速，几乎适用于所有电 气设备的表面测温和故障发热检测。 ( 2 ) 红外线热像仪：既可以在线检测电气设备正常的运行状况，也可以在检 修中进行热像分析。它适用于发电机、断路器、高低压电动机、大型变压器、中 小型变压器、高压开关、隔离闸刀、c t 、c v t 、p t 、避雷器、母线及连接、中压 开关、配电变压器、高压套管、电力电缆、变频器、整流组件、绝缘子、电力电 容器等设备的检测。在停机检修中还可以辅助进行发电机定子铁损试验和发电机 转子护环的拆装工作等。 ( 3 ) 发电机在线综合分析专家系统：可以综合发电机的各种工况参数，例如 对温度、电压、电流、振动、励磁、绝缘、寿命等进行分析，并对照专家系统给 出结论和处理意见。 ( 4 ) 发电机在线检测装置：包括发电机工况监测仪、发电机槽局部放电监测 仪、无线电频率监测仪、电刷工况监测仪、转子绕组匝间短路监测仪、氢气露点 监测仪、氢气漏入水中监测仪、氢气漏出发电机外监测仪等。 ( 5 ) 在线热态绝缘监测系统：可以在线测量发电机、电动机和变压器的热态 主绝缘和轴承绝缘状况等。 ( 6 ) 红外线色谱综合分析法：利用红外线检测发现充油电气设备可能的故 障部位，配合色谱分析进行定性判断。它适用于油浸式电力变压器、高压油断路 器、c t 、c v t 、高压套管、电力电容器的故障检测。 ( 7 ) h y o r a n2 0 1 r 气体监视器：可以在线检测变压器油中气体的含量，能及 时有效地发现变压器内部出现的早期故障。该技术是对离线色谱分析的重要补充。 它适用于油浸式电力变压器的在线检测。该监视器已在珠海发电厂和河南新乡供 电局投运。 ( 8 ) 避雷器在线泄漏电流指示仪：适用于避雷器的在线泄漏电流指示和监测。 1 2 3 我国电气设备绝缘在线检测开展情况 目前我国电气设备绝缘检测仍以定期预防性试验为主，主要有绝缘电阻测 试、泄漏电流、介质损耗角正切值测试、耐压试验等。常规检验方法可以从某种 程度上预防电气设备因绝缘损坏造成的事故发生，但是绝缘损坏是循序渐进的过 程，常规检测方法不能及时发现和正确掌握设备绝缘状况及变化发展规律，因此 4 山东大学硕士学位论文 电力系统经常发生预防性试验合格的电气设备在运行中烧坏和爆炸。虽然我国电 气设备绝缘的在线监测技术的发展已有十多年的历史，技术上日臻完善。然而， 由于种种原因使得某此技术问题未能得到彻底解决，它们或者影响测量精度，或 者影响对测量结果的分析判断，这在一程度上影响在线监测技术的推广应用。这 些技术问题有的属于理论性的，例如在线监测和停电试验的等效性、测量方法的 有效性、大气环境变化对监测结果的影响等，问题的解决是需加强基础研究，积 累在线检测系统的运行经验，并制定相应的判断标准。另一类则属于测量方法和 系统设计方面的问题，例如通过传感器设计及数字信号处理技术来提高监测结果 的可信度，采用现场总线控制等技术提高监测系统的抗干扰能力，简化安装调试 及维修工作等。妥善解决这些问题将有助于提高在线监测系统的质量和技术水平。 状态检测的问题已经讨论了好几年，很多科研单位都投入了极大的热情，攻克了 许多技术难题，电力系统也投入了许多资金进行尝试，但成效并不显著。要把状 态检测工作搞好，作好规划工作是关键。电力系统作为用户和设备的运行管理单 位应该对状态检测做出总体要求，当好指挥长。具体的工作应要求主设备制造厂 来完成。这样，既可以使检测项目更加完善，又可使高压电气设备的状态检修达 到更佳的效果。 1 3 主要研究工作 本论文从电气设备绝缘材料及性能出发，阐述电气设备绝缘损坏的危害及绝 缘检测工作的重要性。论文中对常规绝缘检测技术进行了简单阐述及分析，通过 与在线状态检测技术比较，阐明了电气设备绝缘状态在线检测的必要性，并对发 电厂变压器绝缘检测应用较为广泛的绝缘油色谱分析及局部放电在线检测技术进 行了详细说明。结合实际工作经验，论述了两种检测方法的原理及应用，通过对 市场上绝缘油在线色谱分析系统装置进行调查研究，对国电石横发电厂# 1 机主 变绝缘在线检测系统的改造提出方案及，对装置运行状况进行了具体分析，结合 具体事故案例重点分析了色谱分析法的判断准则及局部放电在线检测技术的信号 采集问题。本论文共分七章： 第一章：引言，简述了国内外电气设备绝缘状况在线检测技术的发展及应用； 第二章：绝缘检测方法概述，对常规绝缘检测试验方法及在线检测技术进行 简单论述； 5 山东大学硕士学位论文 第三章：变压器绝缘油色谱分析及应用； 第四章：变压器局部放电检测技术及应用； 第五章：少油式电气设备在线检测技术应用； 第六章：电缆故障在线检测； 第七章：全文总结及技术展望。 1 4 小结 对发电厂电气设备绝缘状态检测的意义进行了阐述，同时对国内外绝缘检测 技术的现状进行了分析，通过分析提出我国状态在线检测技术发展的问题所在， 并提出利用在线检测技术对电气设备绝缘状况进行跟踪检测的重要性和必要性。 本章对论文的主要研究内容进行了简要叙述。 6 山东大学硕士学位论文 第二章绝缘检测方法概述 随着科学技术的进步和电力企业的发展，电力设备状态检修的呼声越来越高， 而状态检修的前提条件是必须全面掌握设备的运行状况，在线监测作为状态检测 的重要手段，也越来越受到电力企业的重视。电气设备状态检测是对电气设备经 济安全运行评估的基础，是融合传统电气设备、传感器技术、自动控制、信号处 理等多学科知识的前沿研究方向之一。状态检测是以先进的监测设备和诊断技术 为基础，应用系统工程的方法进行综合分析判断和评估，从而查明设备内部状况， 掌握缺陷性质，预测隐患的发展趋势和设备寿命。状态检测有两个主要的优点： 一是能够及时发现设备缺陷，作到防患于未然；二是为电气主设备的运行管理提 供方便，为检修提供可靠的依据，减少人力、物力和时间的浪费，从而提高检修 效率。 电气设备在长期运行中必然存在电的、热的、化学的及异常工况条件下形成 的绝缘劣化，导致电气绝缘强度降低，甚至发生故障。长期以来，运用绝缘预防 性试验来诊断设备的绝缘状况起到了很好的效果，但由于预防性试验周期的时间 间隔可能较长，以及预防性试验施加的电压有的较低，试验条件与运行状态相差 较大，因此就不易诊断出被测设备在运行情况下的绝缘状况，也难以发现在两次 预防性试验时间间隔之间发展的缺陷，这些都容易造成绝缘不良事故。为了保证 电气设备绝缘的正常工作，必须对绝缘材料( 气体、液体和固体) 和绝缘结构的 耐电性能进行理论和实验的充分研究。也就是要研究各种绝缘在实际工作中可能 遇到的各种工作状态和在各种环境下，遭受到各种电压( 长时工作电压、雷电过 电压及操作过电压等) 作用时的耐电性能。随着电力系统额定电压的提高，对系 统供电可靠性的要求也愈高，由于设备绝缘工作不可靠而引起事故所带来的损失 远远超过电气设备本身的价值，因此，设计优良的绝缘结构，提高它的技术、经 济指标，保证系统绝缘正常工作就具有十分重大的意义。 2 1 绝缘材料及其性能 2 1 1 绝缘材科 绝缘材料( 又称电介质) ，通俗地讲，就是能够阻止电流在其中通过的材料， 7 坐垄奎堂堡主兰垡丝苎 即不导电的材料。常用绝缘材料有气体、液体、固体三大类。气体绝缘材料包括 空气、六氟化硫( s f 6 ) 等，液体绝缘材料有变压器油、电缆油、电容器油等，固 体绝缘材料分为无机绝缘材料、有机绝缘材料等。无机绝缘材料有云母、石棉、 电瓷、玻璃，主要用于电机和电器的线圈绝缘、直流电机换向器片间绝缘、开关 底板、绝缘子等，多用来制造绝缘漆或直接被覆导线、线圈。 绝缘材料应用广泛，种类繁多，是电气工程中不可缺少的重要材料。例如电 机、电器、变压器中使用的绝缘材料种类，比它们使用的导电材料种类多得多。 电气设备对绝缘材料的要求除电气性能外，还对绝缘材料的以下性能提出要求。 ( 1 ) 机械性能。绝缘材料在使用中，除受电压的作用外，还须承受机械力的 作用。如架空输电线的绝缘子，就起着悬挂或支架导线的作用；在施放电缆时， 电缆的绝缘层要受到卷曲、拉伸的作用力。 ( 2 ) 热性能。电气设备在运行中会发热。因此，绝缘材料也要受到热的作用。 长时间热的作用也会加速绝缘材料老化，以致丧失绝缘性能。绝缘材料，特别是 脆性材料( 像玻璃、陶瓷、硬塑料等) 在剧烈变化的温度( 热冲击) 作用下，由 于在材料的内、外层间形成温差和不均匀的热膨胀( 或收缩) ，可能形成裂缝。 ( 3 ) 吸潮性。对于温度大的地区要尽量采用吸湿性小的材料，或对材料进行 表面防潮处理。一般如材料具有多孔毛细管状结构时，其吸水性能比结构稠密、 均匀的材料要高得多。 ( 4 ) 化学性能及抗生物特性。这主要是材料的稳定性，如固体绝缘材料的抗 腐蚀性( 氧、臭氧、酸、碱、盐类的溶液和蒸汽的作用) 和抗溶剂的稳定性( 耐 油性、耐漆性等) ，液体介质的抗氧化性能( 反映为酸价的增加等) ，工作在湿热 带和亚热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物特性，需采用防霉剂和除虫涂料等。 2 1 2 绝缘材料的电气性能阳1 绝缘材料电气性能的好坏，直接影响电气设备运行的可靠性和安全性。当电 气设备的绝缘材料电气性能变坏时，可能导致绝缘击穿，引起设备损坏事故。所 以，早期预测绝缘电气性能的变化，可以防止事故发生。 ( 一) 绝缘材料泄漏电流( 电介质的电导) 在电场作用下绝缘材料中的带电质点沿电场方向运动就形成了泄漏电流。这 种泄漏电流与金属导体中的电流有本质区别，其中之一体现在导体的电阻率很小， 例如，金属电阻率为1 0 培- - ，1 0 4 q m ，而绝缘材料的电阻率很高，达1 0 7 1 0 2 0 q m 。 8 山东大学硕士学位论文 泄漏电流的大小与绝缘材料本身有关，与外加电场大小有关，而与外电场的 变化频率无关。 固体绝缘材料的泄漏路径，一是通过材料内部，二是通过材料表面。通过材 料内部的泄漏电流的大小与温度有关，温度越高，材料中的导电离子数越多，则 泄漏电流越大：同时它与材料内部是否受潮有关，受潮后泄漏电流显著增大。而 表面泄漏电流大小与绝缘材料是否受潮、是否脏污有关。当天气潮湿，材料表面 又脏污时，其表面泄漏显著增大。 ( 二) 绝缘材料的极化 绝缘材料是由带正电及带负电的质点构成。在外加电场的作用下，这些带电 压点将沿着电场方向作有限地位移，或有规律的排列，并对外显示出极性。当外 电场消失时，又恢复原状，这种现象就称为电介质极化。而各种绝缘材料的极化 特性是不一样的，其极化的强弱、快慢各不相同。 l 、电子式极化 当物质原子里的电子轨道受到外电场的作用时，它将相对于原子核产生位移， 这就是电子式极化。当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力而整个呈现非 极性，所以这种极化没有损耗。 温度对电子极化影响不大。 2 、离子式极化 固体无机化合物多数属离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电场作用时， 不呈现极性。在外电场作用下，使整个分子呈现极性。离子式极化也属弹性极化， 几乎没有损耗。形成极化所需时间也很短，约1 0 。3 s 。 温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素，即离子间结合力随温度 升高而降低，使极化程度增加，但离子的密谋随温度升高而减小，则使极化程度 降低，通常前一种因素影响比较大： 3 、偶极子极化 偶极子是一种特殊的分子，好像分子的一端带正电荷，另一端带负电荷似的， 因而形成一个永久性的偶极矩。具有这种永久性偶极子的电介质称为极性电介质。 例如蓖麻油、橡胶、胶木、纤维素等均是常用的极性电介质绝缘材料。 4 、夹层介质界面极性 上面介绍的均是单一均匀介质的情况，实际上高压电气设备的绝缘往往由几 种不同的材料组成，或介质是不均匀的，这种情况下会产生“夹层介质界面极化 9 山东大学硕士学位论文 现象。这种极化过程特别缓慢，而且伴随有介质换损。 5 、空间电荷极化 介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，便在电极附近形成 空间电荷，称为空间电荷极化。它和夹层介质界面极化现象一样都是缓慢进行的。 ( 三) 绝缘材料的能量损失( 电介质损耗) 绝缘材料在电场的作用下会产生泄漏电流和极化现象，因而也就会引起绝缘 材料的发热及能量的损失。这种损失与外加电场强度、频率、绝缘的温度及绝缘 材料中是否含有水份、气泡、杂质等有关。一般情况下，绝缘的温度升高，损失 增大；绝缘受潮、脏污，损失显著增大。 如果损耗主要是电导引起的，则常用并联等值电路。如果损耗主要是由介质 极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等值电路。实际上电导损耗和极化损 耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示。 ( 四) 绝缘材料的击穿 在强电场作用下，也即外加电压很高时，绝缘材料内的电场强度超过某一极 限值，就会使绝缘材料失去绝缘性能而成为导体，这种现象称为绝缘材料的击穿。 发生击穿时的电压就称为击穿电压，也称为绝缘的耐电强度或绝缘强度。 2 常规绝缘检测方法 电气设备绝缘试验是保证电气设备可靠工作的检验手段。电气设备的出厂试 验，安装时的交接试验和运行中定期进行的绝缘预防性试验等都是为了这个目的。 高压绝缘的试验方法很多，大致可分为非破坏性试验和破坏性试验两类。 非破坏性试验是在较低的电压下测定电气设备绝缘的某些特性( 如绝缘电阻、 介质损耗、局部放电、电压分布等) 及其变化情况，从而判断加工制造过程中和 运行中出现的绝缘缺陷。破坏性试验是模仿设备绝缘在运行中实际可能碰到的危 险的过电压状况，对绝缘加上与之等价的高电压来进行试验，从而考验绝缘的耐 电强度。显然，破坏性试验对考验电气设备绝缘的工作可靠性，发现绝缘缺陷最 有效，但就在试验过程中却有可能损坏设备的绝缘，因而称为破坏性试验。为尽 可能避免在试验过程中损坏设备，常在耐压试验之前先进行一系列的非破坏性试 验作为初步判断，发现问题时先进行处理。 非破坏性试验方法很多，如测绝缘电阻及泄漏电流、介质损耗、局部放电、 1 0 山东大学硕士学位论文 交流电流激增率、色谱分析和用x 射线及超声波探测绝缘缺陷等。各种方法对不 同的绝缘材料和结构型式的有效性各不相同，能够判断的缺陷也各不一样。目前， 各种非破坏性试验的测试量与绝缘耐电强度之间并没有确切的定量关系，即不能 根据非破坏性试验所得到的测试量的数值直接判断出绝缘的击穿电压，但根据多 种非破坏性试验的结果，并参考过去的记录，进行综合的和历史的分析判断( 包 括和同类设备相比较，与设备本身过去的记录相对比) 是可以较为确切地判断绝 缘缺陷的。 近年来，各种非破坏性试验的带电试验法，非电量测试法等均在试验研究中， 多种试验方法的发展，对于综合判断设备的绝缘状况及时发现绝缘缺陷是极为有 利的，可以提高综合判断的可靠性。 2 2 1 绝缘电阻和吸收比 绝缘材料在电压作用下会产生泄漏电流。绝缘电阻反映绝缘在一定的直流电 压作用下，通过它的泄漏电流的大小，电流越小，绝缘电阻就越大；电流越大， 绝缘电阻越小。显然，在同一绝缘结构中泄漏电流大，绝缘电阻小，表示绝缘状 态不良：反之，绝缘良好。实践证明，测定绝缘电阻的大小可以有效地发现设备 绝缘的普遍受潮，局部严重受潮和贯穿性缺陷。在测量大电容量电力设备的绝缘 电阻时，可以明显地看到绝缘电阻数值和电压的时间有关。加压时间越长，绝缘 电阻数值越高，这种现象叫做绝缘的吸收现象。 吸收现象产生的原因可做如下简介。绝缘材料总可以用电容与电阻的串并联 来描述其外特性，实际上可用图2 1 的等值电路来描述。 在直流电压下，图中的i l 是电容的充电电流，衰减很快，h 是吸收电流，它 需要较长时间才趋于零。实际上它是绝缘材料缓慢极化过程的反映。i 3 为泄漏电 流，它反映绝缘电阻的大小。 由于吸收现象的存在，必须加压一定时间后才能测得真正的泄漏电流即绝缘 电阻。有的设备需加很长时间( 理论上无限长) 才能稳定。一般规定以第6 0 s 的 读数为绝缘电阻值，而将第6 0 s 的读数和第1 5 s 的读数之比称为吸收比。 绝缘电阻通常用兆欧表进行测量。当被试品绝缘中存在贯通的集中性缺陷时， 反映i 3 ( 见图2 1 ) 的绝缘电阻往往明显下降，于是用兆欧表检查时便可发现。例 如，变电站中用的针式支柱绝缘子，它最常见缺陷为瓷质开裂，开裂后绝缘电阻 会明显下降，用兆欧表可以检测出来。 山东大学硕士学位论文 i 2 l 厂 l 一ii i 3 _ r 图2 1 电介质的等值电路图 但对于许多电气设备，例如电机，反映i 3 的绝缘电阻往往变动很大，它和被 试品的体积尺寸有关，往往难以给出一定的绝缘电阻判断标准。通常是把处于同 样运行条件下的不同相的绝缘电阻进行比较，或是把这一次测得的绝缘电阻和过 去对它测出的绝缘电阻进行比较来发现问题。 对于电容量较大的设备，如电机、变压器、电容器等，利用上述吸收现象来 测量这些设备的绝缘电阻随时间的变化，可以更有利于判断绝缘的状态。 应该注意的是，温度、湿度和被试品表面脏污对绝缘电阻的测量都会有影响， 所以进行结果判断时，要排除这些因素的影响。 有时，当某些集中性缺陷虽已发展得很严重，以致在耐压试验中被击穿，但 耐压试验前测出的绝缘电阻值和吸收比均很高，这是因为，这些缺陷虽然严重， 但还没有贯通的缘故。因此，只凭绝缘电阻的测量来判断绝缘质量是不可靠的。 但因它是一种简单而有一定效果的方法，故使用仍十分普遍。 2 2 2 泄漏电流测量与直流耐压试验 泄漏电流试验也是在直流电压下测量泄漏电流的大小，因而与绝缘电阻一样 对于发现绝缘的普遍受潮、劣化和局部缺陷等十分有效。由于它试验电压高、表 计准确，因而发现缺陷灵敏度更高。特别是对于电缆、开关等设备的试验，能发 现兆欧表检测不出的尚未完全贯通的局部缺陷。 直流耐压试验与泄漏电流测量是同步进行的。只不过所加电压较高，加压时 间较长，是检查试品绝缘强度的破坏性试验。 直流耐压与交流耐压相比，所需耐压设备的容量小，重量轻，这是它的一个 优点。 测泄漏电流时所加电压较高，对3 5 千伏额定电压以下的设备用1 0 , - - - 3 0 千伏， 对1 1 0 千伏额定电压及以上设备用4 0 千伏。一般以1 分钟时的微安表读数为依据， 同时还可以把电流与时间的关系和电流与试验电压的关系绘制成曲线进行全面的 分析。因此，测泄漏电流比用摇表测绝缘电阻检查绝缘要有效得多。 1 2 山东大学硕士学位论文 泄漏电流的判断标准在规程中作了一些规定，更重要的是要根据历史记录和 同类设备的试验结果进行比较判断。 2 2 3 介质损失角正切值的测量 介质损失角正切值的测量，是一种使用较多而且对判断绝缘状况较为有效的 方法。流过介质的电流由两部分组成：i c x 为电容电流分量，i r x 为有功电流分量， 通常i c 。i r x ，6 甚小。介质中的有功损耗p 为t p = u i r x = u i c x t g8 = ( | ) c x i j 2 t g8 蟾6 为介质损耗角正切值，一般较小。习惯上也称蟾6 为介质损耗角。 通过测量坞6 ，可以反映出绝缘的一系列缺陷：如绝缘受潮，油或浸物脏污 或劣化变质，绝缘中有气隙发生放电等。这时，流过绝缘的电流中的有功电流分 量i r x 增大了，t g6 也加大。 由于蟾6 是一项表示绝缘内功率损耗大小的参数，对于均匀介质，它实际上 反映着单位体积介质内的介质损耗，与绝缘的体积大小没有关系。 如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则t g6 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i c x 一般几乎是不变的，由式可知， t g6 增加的也越少，这样，测t g6 法就越不灵敏。 在通过t g6 值判断绝缘状况时，必须着重于与该设备历年的t g8 值相比较， 以及和处于同样运行条件下的同类型设备相比较。即使蟾6 值未超过标准，但和 过去比以及和同样运行条件的其他设备比，蟾6 突然明显增大时，就必须进行处 理，不然常常会在运行中发生事故。 2 2 4 耐压试验 在绝缘预防性试验中应用的耐压试验方法，主要有交流耐压试验和直流耐压 试验两种。在应用中，发现过大量设备的绝缘缺陷，有效地提高了电气设备的安 全性。直流耐压试验方法，对于电容量较大的设备，例如电缆、电容器、电机， 具有独特的优点。因为直流下没有电容电流，要求电源容量很小，加上可以用串 级的方法产生高压直流，故试验设备可以做得轻小，适合于现场预防性试验的要 求。交流耐压试验因为对绝缘的考验比直流耐压试验更接近实际，而且试验简单， 所以长期被沿用，但对1 1 0 k v 及以上的变电设备的交流耐压试验，由于条件限制， 而一般不能进行。不少单位对于改造、大修后的变压器采用交流倍频感应耐压试 验的方法进行耐压试验，不仅考验主绝缘，对纵绝缘也有一定的考验。另外，有 1 3 山东大学坝士学位论文 的单位还采用操作冲击做耐压试验，利用电器对变压器低压绕组放电，在高压侧 感应出操作波形的高压来考验绝缘。和其他现有交流耐压试验方法相比，操作冲 击试验所需设备比较轻小，能考验主绝缘以及能更好地检测一些严重的纵绝缘缺 陷，有明显的优点，缺点是测试还较复杂，此外操作冲击作用下绕组中的匝间、 层间电位差不太大，检测其中潜在缺陷的能力沿不够。 利用雷电冲击电压进行试验，由于电压变化很陡，当电压被沿绕组传播时， 可以在匝间、层间产生较大的电压梯度来检查纵绝缘中的缺陷。但由于试验设备 和测试比较复杂还未能