华科高电压技术+第14讲+电气设备绝缘的在线监测.ppt

高电压技术 高电压工程系tslc 刘第七章电气设备绝缘的在线监测 电气设备检修方式的发展 20世纪40年代 事故后维修 20世纪60年代 预防性检修 目前 状态检修是发展趋势 事故后维修 电网电压等级低 容量小 故障的危害小 预防性检修 110kV 220kV电压等级 故障影响扩大 问题 预试是在停电状态下进行 没有考虑设备的运行条件 气象条件等 试验电压较低 一般在工频10kV以下 绝缘在线监测系统的基本框架 关键问题 选择传感器和传感性能如何处理信号数据如何判断绝缘缺陷 离线电气绝缘预防性试验 离线时电气绝缘预防性试验和高电压试验具有如下缺点 一 需要停电进行 而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行 二 检测间隔周期较长 不能及时发现绝缘故障 三 停电后的设备状态与运行时的设备状态不相符 影响诊断的正确性 在线检测 在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期性检测绝缘的状况 因而可以避免以上缺点 另外建立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态维修和建设无人值守变电站的基础 在线检测和状态维修带来的经济效益是十分显著的 电气绝缘在线检测是一门多学科交叉融合的综合技术 自20世纪70年代以来 电气绝缘在线检测与故障诊断的技术水平不断提高 在线检测产品大量投入市场 本章内容 7 1变压器油中溶解气体的检测7 2局部放电在线监测7 3介质损耗角正切的检测 7 1变压器油中溶解气体的检测 7 1 1绝缘故障与油中溶解气体7 1 2油中溶解气体的在线监测7 1 3油中气体分析与故障诊断 返回 变压器的绝缘发生故障时产生故障气体 故障气体部分溶解于油中 部分进入气体继电器 变压器绝缘故障主要分为三类 热故障 电故障及其绝缘受潮 故障不同时 油中溶解的故障气体成分不同 因此可以通过分析油中溶解气体的成分来判断变压器存在的绝缘故障 7 1 1绝缘故障与油中溶解气体 1 过热故障 变压器过热故障是最常见的故障 空载损耗 负载损耗和杂散损耗等转化为热量 当产生的热量和散出的热量平衡时 温度达到稳定状态 当发热量大于预期值 而散热量小于预期值时 就发生过热现象 2 放电故障 放电故障是由于电应力作用而造成绝缘裂化 按能量密度不同可以分成电弧放电 火花放电和局部放电等 当变压器内部进水受潮时 油中的水分和含湿气的杂质容易形成 水桥 导致局部放电而产生H2 水分在电场作用下的电解以及水和铁的化学反应均可产生大量的H2 所以受潮设备中 H2在氢烃总量中占比例更高 有时局部放电和绝缘受潮同时存在 并且特征气体基本相同 所以单靠油中气体分析难以区分 必要时根据外部检查和其它试验结果 如局部放电测试结果和油中微量水分分析 加以综合判断 3 绝缘受潮 返回 7 1 2油中溶解气体的在线监测变压器油中溶解气体在线检测根据不同的原则可以分为不同的种类 以检测对象分类可归结为以下几类 测量可燃性气体含量 TCG 包括H2 CO和各类气体烃类含量的总和测量单种气体浓度测量多种气体组分的浓度油中溶解气体在线检测装置主要由脱气 混合气体分离及气体检测三大部分组成 脱气脱气法主要有油中吹气法 抽真空取气法 分离膜渗透法 表7 1给出了简单的优缺点比较结果 其中平板分离膜 毛细管柱 血液透析装置 中空纤维装置都属于高分子分离膜的应用 其它都属于抽真空脱气法 表7 1油气分离方法比较 目前典型的吹气方法有三种 载气洗脱法 空气循环法和比色池法 其基本原理是采用吹气方式将溶解于油中的气体替换出来 使油面上某种气体的浓度与油中气体的浓度逐渐达到平衡 波纹管法是利用小型电机带动波纹管反复压缩 多次抽真空 将油中溶解气体抽出来 废油仍回到变压器中 真空泵脱气法是利用常规色谱分析中的抽真空脱气原理 用真空泵抽空气来抽取油中溶解气体 废油仍回到变压器油箱 抽真空法主要包括波纹管法和真空泵脱气法 分离膜渗透法是结构简单 成本低 操作方便 因此得到了广泛应用 目前采用的透气膜主要有聚四氟乙烯 聚酰亚胺 聚丙烯 聚六氟乙烯 聚四氟乙烯混合膜 中空纤维膜以及无机膜如钯银合金金属膜等 其中高分子透气膜应用更为广泛 例如日本三菱株式会社利用聚四氟亚乙基全氟烷基乙烯基醚 PFA 膜从油中有效脱出CH4 C2H6 C2H4 C2H2 H2和CO六种气体 2 混合气体分离混合气体分离一般用气相色谱柱完成 它常以玻璃管 不锈钢管或铜管组成 管内静止不动的一相 固体或液体 称为固定相 自上而下运动的一相 一般是气体或液体 称为流动相 装有固定相的管子 玻璃管或不锈钢管 即为色谱柱 当流动相中样品混合物经过固定相时 就会与固定相发生作用 由于各组分在性质和结构上的差异 与固定相相互作用的类型 强弱也有差异 因此在同一推动力的作用下 不同组分在固定相滞留时间长短不同 从而按先后不同的次序从固定相中流出 分离过程见图7 1 图7 1色谱柱分离气体组分过程示意图 可见 固定相对气体组分的分离起着决定性的作用 不同性质的固定相适应不同的分离对象 应根据分离对象来选择固定相的材料 常用的固定相材料有活性炭 硅胶 分子筛 高聚物 主要性质如表7 2所示 表7 2油中气体分析用色谱柱的部分固定相材料 3 气体检测 检测油中溶解气体用的检测器的基本要求是 有足够的灵敏度 选择性好 对被测气体以外的共存气体或物质不反应或反应小 响应时间和恢复时间短 恢复时间指传感器从脱离被测气体到恢复正常状态所需要的时间 重复性好 性能稳定 维护方便 价格便宜 有较强的抗环境影响能力 目前应用于油中气体检测的气体检测器主要有热导检测器 半导体型传感器 催化燃烧型传感器 光敏气体传感器 燃烧电池型传感器和其他形式的传感器 热导检测器是一种万能气体检测器 但应用于在线检测时对制造工艺的要求很高 因此目前应用不是很广泛 燃烧电池型传感器目前主要应用于单氢气的检测 接触燃烧式气敏传感器不受可燃性气体周围气体的影响 可用于高温 高湿度环境下 同时具有对气体选择性好 线性度好 响应时间短等优点 但是如果长期使用 其催化剂易劣化和 中毒 从而使器件性能下降或失效 半导体传感器灵敏度高 结构简单 使用方便 价格便宜 但其稳定性较差 返回 热导检测器 TCD检测器叫热导检测器 是比较两种气流的热导率 纯载气 也叫参比气 和传递样品组分的载气 也叫柱流出物 检测器有一个电加热的热丝 因此热丝比检测器池体的温度高 进样前 当两种气体交替通过时 热丝温度保持恒定 进样后 载气中带有样品 若再要保持热丝温度恒定则其电流会有变化 两种气流在热丝上每秒切换五次 电流的差别被测量并记录下来 由于He和H2相对于常规样品的热导率很大 因此通常被用来做载气以获得好的灵敏度 但当被测样品是该两样时 则要选择N2或Ar CH4来做载气 火焰离子化检测器 FID的全称是火焰离子化检测器 因为一般都用的是氢气 所以一般叫氢火焰检测器 它的原理很简单 当有机物经过检测器时 在火焰那里会产生离子 在极化电压的作用下 喷嘴和收集极之间的电流会增大 对这个电流信号进行检测和记录即可得到相应的谱图 一般的有机化合物在FID上都有响应 一般分子量越大 灵敏度越高 FID是GC最基本的检测器 7 1 3油中气体分析与故障诊断 1 是否存在故障的判断 1 阀值判断法将油中溶解各气体的浓度与正常极限注意值作比较 可以判断变压器有无故障 表7 3变压器油中溶解气体的注意值 220kV及以下 L L 2 根据产气速率判断判断有无故障要将各组分的气体浓度和产气速率结合起来 短期内各组分气体含量迅速增加 但未超过规定的注意值也可判断为故障 6 1 绝对产气速率为每个运行小时产生某种气体的平均值 计算公式为 相对产气速率为每个月 或折算到两个月 产生某种气体的含量增加量的百分数的平均值 计算公式为 7 2 根据规程要求 变压器的总烃绝对产气速率 开放式大于0 25mL h 密封式大于0 25mL h和相对产气速率大于10 月时可以认定有故障存在 2 故障性质的判断 不同性质的故障所产生的油中溶解气体的组分是不同的 据此可以判断故障的类型 1 特征气体法我国现行的 变压器油中溶解气体分析和判断导则 DL T722 2000 将不同故障类型产生的特征气体归纳为表6 4 表7 4不同故障类型产生的气体组份 表7 4中总结的不同故障类型产生的油中特征气体组分 只能粗略地判断充油电力变压器内部的故障 因此国内外通常以油中溶解的特征气体的含量来诊断充油的故障性质 变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点周围的油和纸绝缘的分解本质 气体组分特征随着故障类型 故障能量及涉及的绝缘材料不同而不同 即故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源能量密度之间有密切的关系 表7 5判断变压器故障性质的特征气体法 CO和CO2与固体绝缘故障有关 无论哪一种放电形式 除了产生氢烃类气体外 与过热故障一样 只要有固体绝缘介入 都会产生CO和CO2 因此可以把CO和CO2作为油纸绝缘体系中固体材料分解的特征气体 表7 6特征气体中主要成分与变压器异常情况的关系 2 三比值法过热性故障产生的故障特征气体主要是CH4和C2H4 而放电性故障主要的特征气体是C2H2和H2 为此可以采用CH4 H2来区分是放电故障还是过热故障 7 4CH4 H2与故障类型关系 表7 8改良三比值法的编码规则 国际电工委员会和我国国家标准推荐CH4 H2 C2H4 C2H6 C2H2 C2H4三个比值来判断故障的性质 C2H2 C2H4编码决定故障的类型 0 代表过热故障 1 代表高能放电故障 2 代表低能放电故障 3 其他故障诊断法除了特征故障气体法和三比值法 还有立体图示法 大卫三角法 四比值法等其他一些传统的故障诊断法 近年来 数学工具开始广泛应用于故障诊断 并建立了一些以人工智能为基础的故障诊断专家系统 实际应用中 由于变压器故障表现形式以及故障起因均比较复杂 所以在进行故障诊断时 常常综合利用多种方法以求得到尽可能准确的诊断结果 绝缘故障与油中溶解气体过热故障放电故障绝缘受潮油中溶解气体的在线监测脱气混合气体分离气体检测油中气体分析与故障诊断特征气体法三比值法 小结 返回 本节完 7 2 1局部放电的在线监测系统7 2 2局部放电分析与故障诊断 7 2局部放电在线监测 返回 局部放电的在线检测分为电测法和非电测法两大类 其中电测法中的脉冲电流法是离线条件下测量电气设备局部放电的基本方法 也是目前在局部放电在线检测的主要手段 其优点是灵敏度高 电测法中的射频测量法等也都应用到了在线检测中 电测法的缺点是由于现场存在着严重的电磁干扰 将大大降低检测灵敏度和信噪比 7 2 1局部放电的在线监测系统 脉冲电流法在线检测的组成及关键技术 电流传感器抗干扰技术 图7 6局部放电检测系统原理框架图 电流信号i1 t 和二次侧线圈两端的感应电压 即输出信号 e t 的关系为 电流传感器 7 3 传感器的积分方式有两种 分别适用于宽带型和窄带型传感器 宽带型电流传感器 即信号电压u t 和所检测的电流i1 t 成线性关系 7 6 谐振型电流传感器 7 15 干扰来源 线路或其它邻近设备的电晕放电和内部的局部放电电力系统的载波通信和高频保护信号对检测的干扰可控硅整流设备引起的干扰无线电广播的干扰其他周期性干扰 上述干扰可能通过以下三种途径进入检测系统 1 从检测系统的工频电源进入 故检测系统的电源宜由隔离变压器加上低通滤波器供电 以抑制这种干扰 2 通过电磁耦合进入检测系统 故检测系统包括连线应很好的屏蔽 或利用光电隔离和光纤传输信号 以减少干扰 3 干扰信号通过传感器进入检测系统 这种干扰和局部放电信号混合在一起 上述方法不能抑制这种干扰 需要采用其他的措施 抗干扰技术 选择合适的检测频带 避开现场的干扰频带差动平衡系统 差动平衡系统主要用于抑制共模干扰其他 图7 10差动平衡系统原理图 返回 7 2 2局部放电分析与故障诊断 局部放电信号分析是指如何从测试信号中提取有关放电的信息 一般采用数字信号处理技术 目前常用的方法主要有 时域分析频域分析时频联合分析人工神经网络分析 局部放电信号分析 时域分析是最基本的数学分析方法 例如分析放电信号的幅值 幅值与时间 或相位 放电次数的关系 并且在显示设备上输出信号的波形 为此需要根据波形的采集要求确定所需的采样率和采集的数据长度 并将信号完整地记录下来 频域分析又称频谱分析 是分析某些放电特征在频域上的变化 如幅度谱 相位谱 能量谱和功率谱等 目前最常用的方法是快速傅里叶变换 FFT 2 放电类型的模式识别 模式识别是一种重要的诊断手段 于90年代应用于电力设备的放电识别 目前已被广泛应用于局部放电在线检测与故障诊断 图7 12模式识别过程示意图 变压器绝缘体系中的放电类型很多 不同的放电类型对绝缘的破坏作用有很大差异 因此有必要对各种放电类型加以区分 变压器超高频局部放电的神经网络模式识别是将计算机辅助测试系统测得的电磁信号经放大 滤波后进行A D转换 然后把提取到的多个工频周期的高频 中心频率在506 1000MHz之间可调 窄带 带宽5MHz 时域信号送入计算机进行数据处理和分析 作出各种谱图 由此来分析变压器的局部放电情况 变压器的局部放电情况 局部放电特征提取变压器绝缘结构中发生的局部放电类型主要有五种 油中尖板放电 纸或纸板内部放电 油中气泡放电 纸或纸板沿面放电和悬浮放电 模式识别结果的正确与否关键在于放电信号特征的提取 放电识别 选取合适的训练样本集对提高网络的识别能力十分重要 一定要合理挑选样本 以使训练样本能涵盖全部样本的变化范围 每种放电模型都有5个以上的样品 这些样品的材料和结构完全相同 但尺寸等方面有一定差别 而且对同一个样品 在相同条件下采集多个样本 以确保实验结果具有良好的统计性和可重复性 表7 12放电类型识别结果 局部放电的在线监测系统电流传感器抗干扰技术局部放电分析与故障诊断局部放电信号分析放电类型的模式识别局部放电特征提取放电识别 小结 返回 本节完 7 3 1高压电桥法7 3 2相位差法7 3 3全数字测量法 7 3介质损耗角正切的检测 返回 图7 13电桥法tan 测原理接线图 7 3 1高压电桥法 当电桥平衡时 而R4 104 C4的单位为pF时 有 式中 k为参与平衡的电压互感器PT1 PT2构成的变比 CN R4是固定值 7 18 7 19 高压电桥法优点 是较准确 可靠 与电源波形频率无关 数据重复性好 缺点 接入了R3后改变了设备原有的运行状态 其他元件的接入也增加了PT1发生故障的概率 要选择可靠性高的元件和采取一些保护措施 可用低频电流传感器代替相应的电阻元件 但效果并不理想 返回 6 3 2相位差法 图7 14相位差法检测tan 原理框架图 电桥法是一种间接测量法 而相位差法则是直接测量介质损耗角的正切值tan 电流信号由设备末屏接地线或设备本身接地线上的低频电流传感器经转换为电压信号后输入检测系统 电压信号则仍由同相的电压互感器提供 并再经电阻器分压后输出 和两个信号之与的脉宽 即为电流和电压的相角差 则tan 0 5 通过相位鉴别单元 用计数脉冲进行计数 计数值和tan 成正比关系 误差来源 频率f引起的误差电压互感器引起的固有误差谐波的影响两路信号在处理过程中存在时延差 低通滤波器的建立约为10 s 这将造成信号0 003rad的系统误差 过零整形的时延引起误差 整形波形引起的误差 其他因素 例如环境温度的变化 返回 7 3 3全数字测量法 数字化测量方法主要包括过零点时差比较法 过零点电压比较法 自由电压矢量法 正弦波参数法 谐波分析法和异频电源法 过零时差比较法对谐波干扰十分敏感 过零电压比较法的抗干扰能力得到了加强 但所要求的条件十分苛刻 自由矢量法和正弦波参数法在方法设计时把试品上的电压 电流理想化为标准的正弦波 而谐波分析法和异频电源法在设计时就充分考虑到在实际电压 电流中含有干扰成分 因而有广泛的应用前景 任意周期性函数f t 只要能满足狄里赫利条件 即给定的周期性函数在有限的区间内 只有有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值 而电工技术中年所遇到的周期性函数通常都能满足这个条件 则f t 均可分解为由直流分量和各次谐波所组成的傅立叶级数 基本原理 7 20 根据三角函数的性质经过变换后K次系数 对于基波 其系数为 7 21 7 22 7 23 7 24 经过变换基波电压信号的系数a1 b1为 基波电流信号的系数a1和b1为 7 30 7 31 由 7 30 式可得 由 7 30 式可得 则 本法主要是通过数字运算得到tan 它完全避免了运算硬件带来的诸多误差因素 在最后的运算中 虽存在大数相减的问题 但计算机能保证运算的准确性 同时 通过只对基波作运算 等于对谐波进行了理想滤波 从而排除了谐波对检测的影响 图7 16全数字化tan 在线检测原理框架图 高压电桥法原理优点缺点相位差法原理误差全数字测量法 小结 温度监测 可用于电力系统的在线监测的传感器主要有两类 接触式传感器 即热敏