第4章--电气设备绝缘预防性试验(最终).ppt

第二篇电气设备绝缘试验 张宁 福州大学电力系一绝缘试验的必要性 电力系统的规模 容量不断地扩大 停电造成的损失越来越严重 绝缘往往是电力系统中的薄弱环节 绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因 新设备使用前都要进行实验 以防止在设计中存在的缺陷电气设备在长时间高电压下 会造成其绝缘性能逐渐丧失 电介质理论仍远未完善 须借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能 各种介质击穿特性的因素很多气体 气压 温度 气隙间距 电场均匀 湿度等液体 杂质 以水和纤维为主 温度 油压等固体 散热能力 外界温度 受潮 作用时间等 二绝缘监测和诊断的基本概念 绝缘的监测和诊断技术概念 电力设备绝缘在运行中受到电 热 机械 不良环境等各种因素的作用 其性能将逐渐劣化 以致出现缺陷 造成故障 引起供电中断 通过对绝缘的试验和各种特性的测量 了解并评估绝缘在运行过程中的状态 从而能早期发现故障的技术称为绝缘的监测和诊断技术 三绝缘试验的分类 1 按照对设备造成的影响程度分类 两类 非破坏性试验 亦称绝缘特性试验 在较低电压下或用其它不会损伤绝缘的方法测量绝缘的各种情况 从而判断绝缘内部的缺陷包含的种类 绝缘电阻试验 介质损耗角正切试验 局部放电试验 绝缘油的气相色谱分析等破坏性试验 即耐压试验 以高于设备的正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平 耐压试验对绝缘的考验严格 能保证绝缘具有一定的绝缘水平或裕度 缺点可能在试验时给绝缘造成一定的损伤包含的种类 交流耐压试验 直流耐压试验 雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压试验 2 按照设备是否带电的方式分类 两类 离线 在离线的监测和诊断时 要求被试设备退出运行状态 通常是周期性间断地施行 试验周期由电力设备预防性试验规程规定特点 可采用破坏性试验和非破坏性试验两种方式 两种方式是相辅相成的 耐压试验往往是在非破坏性试验之后才进行 缺点是对绝缘耐压水平的判断比较间接 尤其对于周期性的离线试验更不易判断准确在线 在线监测则是在被试设备处于带电运行的条件下 对设备的绝缘状况进行连续或定时的监测 通常是自动进行的特点 只能采用非破坏性试验方式 由于可连续监测 除测定绝缘特性的数值外 还可分析特性随时间的变化趋势 从而显著提高了其判断的准确性 绝缘预防性试验概念 为了对绝缘状态作出判断 需对绝缘进行各种试验和监测 通称为绝缘预防性试验 绝缘试验的三个基本环节 传感器与测量方法 正确选用各种传感器及测量手段 检测或监测被试对象的种种特性 采集各种特性参数 数据处理 对原始的杂乱信息加以分析处理 数据处理 去除干扰 提取反映被试对象运行状态最敏感 有效的特征参数 绝缘诊断 根据提取的特征参数和对绝缘老化过程的知识以及运行经验 参照有关规程对绝缘运行状态进行识别 判断 即完成诊断过程 并对绝缘的发展趋势进行预测 从而对故障提供预警 并能为下一步的维修决策提供技术根据 第四章电气设备绝缘预防性试验 张宁 福州大学电力系绝缘预防性试验的目的是什么 绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起 我们通过测量电气特性的变化来发现隐藏着的缺陷 绝缘缺陷类型集中性缺陷 裂缝 局部破损 气泡等分散性缺陷 内绝缘受潮 老化 变质等 4 1绝缘的老化 主要内容 什么叫绝缘的老化绝缘老化的原因有哪些电介质的热老化电介质的电老化其他影响因素 什么叫绝缘的老化 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和化学变化 致使其电气 机械及其他性能逐渐劣化 这种现象统称为绝缘的老化 老化的原因有哪些 热 电 机械力 水分 氧化 各种射线 微生物等因素的作用 一 电介质的热老化什么是电介质的热老化 在高温的作用下 电介质在短时间内就会发生明显的劣化 即使温度不太高 但如作用时间很长 绝缘性能也会发生不可逆的劣化 这就是电介质的热老化 温度越高 绝缘老化得越快 寿命越短 介质的老化过程固体介质的热老化过程受热 带电粒子热运动加剧 载流子增多 载流子迁移 电导和极化损耗增大 介质损耗增大 介质温升 加速老化液体介质的热老化过程油温升高 氧化加速 油裂解 分解出多种能溶于油的微量气体 绝缘破坏 二 电介质的电老化什么是电老化 电老化是指在外加高电压或强电场作用下的老化 介质电老化的主要原因是什么 介质中出现局部放电 局部放电引起固体介质腐蚀 老化 损坏的原因有 破坏高分子的结构 造成裂解 转化为热能 不易散出 引起热裂解 气隙膨胀 在局部放电区 产生高能辐射线 引起材料分解 气隙中如含有氧和氮 放电可产生臭氧和硝酸 是强烈的氧化剂和腐蚀剂 能使材料发生化学破坏 绝缘油的老化原因 油温升高而导致油的裂解 产生出一系列微量气体 油中的局部放电还可能产生聚合蜡状物 影响散热 加速固体介质的热老化 电气设备的使用寿命一般取决其绝缘的寿命 后者与老化过程密切相关 通过绝缘试验判别其老化程度是十分重要的 绝缘老化的原因主要有热 电和机械力的作用 此外还有水分 氧化 各种射线 微生物等因素的作用 各种原因同时存在 彼此影响 相互加强 加速老化过程 4 2绝缘电阻 吸收比的测量 主要内容 绝缘电阻最基本的综合性特性参数 组合绝缘和层式结构 在直流电压下均有明显得吸收现象 使外电路中有一个随时间而衰减的吸收电流 吸收比检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷 泄漏电流所加直流电压高得多 一双层介质的吸收现象 许多电气设备的绝缘都是多层的 例如 电缆和变压器的绝缘用的是油和纸有的电缆用胶和纸电机绝缘是用胶把纸或绸布和云母片粘合起来 一双层介质的吸收现象讨论因吸收现象而出现的过渡过程 时 双层介质等值电路图 以S闭合作为吸收现象的起点 时 双层介质等值电路图 达到稳定状态后 电导电流即为达到稳定状态时的电流 双层介质等值电路图 由于 在这个过程中存在电荷的重新分配 即吸收现象 通过吸收电流能发现绝缘材料中的局部性缺陷 当绝缘严重受潮或出现导电性缺陷时 阻值R1 R2或两者之和显著减小 Ig大大增加 而Ia迅速衰减 吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线 其中 二绝缘电阻与吸收比的测量 绝缘电阻 吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线 测量绝缘电阻时 其值是不断变化的 t无穷时刻 等于两层介质绝缘电阻的串联值 通常所说的绝缘电阻均指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻值 工程应用上的表达方便 把介质处在吸收过程时的U i也称呼为绝缘电阻R 受潮时 绝缘电阻显著降低 ig显著增大 ia迅速衰减 因此 能揭示绝缘整体受潮 局部严重受潮 存在贯穿性缺陷等情况 对于某些大型被试品 用测 吸收比 的方法来替代原理 令t 15s和t 60s瞬间的两个电流值的I15和I60比值R60已经接近于稳态绝缘电阻值R K1恒大于1 越大表示吸收现象越显著 绝缘性能越好 吸收比是同一试品在两个不同时刻的绝缘电阻的比值 所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响 绝缘状态的判定若绝缘内部有集中性导电通道 或绝缘严重受潮 则电阻R1 R2会显著降低 泄漏电流大大增加 时间常数 大为减小 吸收电流迅速衰减 即使绝缘部分受潮 只要R1与R2中的一个数值降低 值也会大为减小 吸收电流仍会迅速衰减 仍可造成吸收比K1 及极化指数K2 下同 的下降 当K1 1或接近于1 则设备基本丧失绝缘能力 不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线 大容量电气设备中 吸收现象延续很长时间 吸收比不能很好地反映绝缘的真实状态 用极化指数再判断 极化指数某些集中性缺陷已相当严重 以致在耐压试验时被击穿 但在此前测得的绝缘电阻 吸收比 极化指数却并不低 因为缺陷未贯穿绝缘 可见仅凭上述试验结果判断绝缘状态是不够的 测量绝缘电阻与吸收比的方法 测量仪表 一般用兆欧表进行绝缘电阻与吸收比的测量摇表 为了测准吸收比 需用灵敏度足够高的兆欧表 现场仍较多采用带有手摇直流发电机的兆欧表 俗称摇表 三泄漏电流的测量 反映绝缘电阻值 但有一些特点 加在试品上的直流电压比兆欧表的工作电压高得多 故能发现兆欧表所不能发现的缺陷 施加在试品上的直流电压是逐渐增大的 这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向 在电压升到规定的试验电压值后 要保持1min再读出最后的泄漏电流值 当绝缘良好时 泄漏电流应保持稳定 且其值很小 总结 绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合特性参数 电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构 故在直流电压下均有明显的吸收现象 测量吸收比可检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷 测量泄漏电流从原理上来说 与测量绝缘电阻是相似的 但它所加的直流电压要高得多 能发现用兆欧表所不能显示的某些缺陷 具有自己的某些特点 复习 吸收电流绝缘电阻吸收比和极化指数泄漏电流 4 3介质损耗角正切的测量 一介质损耗测量的意义 介质的功率损耗P与介质损耗角正切成正比 所以后者是绝缘品质的重要指标 测量值是判断电气设备绝缘状态地一项灵敏有效的方法 能反映绝缘的整体性缺陷 如全面老化 和小电容试品中的严重局部性缺陷 测量能不能灵敏地反映大容量发电机 变压器和电力电缆绝缘中的局部性缺陷 应尽可能将这些设备分解成几个部分 然后分别测量它们的 是一项表示绝缘内功率损耗大小的参数 主要用来检测设备中可能存在的集中性缺陷 测试无线电材料 常采用高频施压法 所加的电压不高在电工界 测量tg 的仪器和方法有多种 西林电桥测法和电流比较式电桥测法在线监测 采用微计算机对tg 的测量 二西林电桥的基本原理 西林电桥 高压臂 被测试品的等值电容和电阻分别为CX和RX 用Z1表示 无损耗的标准电容C0 它以阻抗Z2作为代表 低压臂 处在桥箱体内的可调无感电阻R3 以Z3来代表 无感电阻R4和可调电容C4的并联 以Z4来代表电桥平衡 检流计G检零 西林电桥的基本回路 电桥的平衡条件 Z1 Z3 Z2 Z4 西林电桥的基本回路 在交流电压U的作用下 调节R3和C4 使电桥达到平衡 即通过检流计P的电流为零 由实部和虚部个子相等1 2RxCxR4C4 0CNRXR4 R3 RXCX R4C4 并联等值回路tg 1 CXRX R4C4得 RX 1 CXtg R4C4 tg 代入上式 CX CNR4 R3 1 tg2 CNR4 R3 杂散电容 高压引线与低压臂之间有电场的影响 可以看作其间有杂散电容Cs 由于低压臂的电位很低 Cx和C0的电容量很小 如C0一般只有50 100pF 杂散电容Cs的引入 会产生测量误差 若附近另有高压源 其间的杂散电容Cs1会引入干扰电流iS 也会造成测量误差所以需要屏蔽 消除杂散电容的影响 西林电桥的基本回路 三测量的影响因素 外界电磁场的干扰有磁场干扰和电场干扰两种磁场干扰指外界磁场对电桥的感应所造成的干扰电场干扰指外界带电部分通过与电桥臂的电容耦合减少电场干扰的措施 加设屏蔽 采用移相电源 采用倒相法 温度的影响试验电压的影响电气设备电容量的影响设备表面泄漏的影响 4 4局部放电的测量 绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因之一 测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势 就能判断绝缘内是否存在局部缺陷以及介质老化的速度和目前的状态 局部放电的基本概念 表征局部放电的重要参数 脉冲电流法的测量原理 局部放电的概念 局部放电 指由于电气设备内部绝缘里面存在的弱点 在一定外施电压下发生的局部的重复击穿和熄灭现象 局部放电的脉冲电流测量法 局部放电的三电容模型以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电的机理Cg 气泡的电容Cb 和Cg相串联部分的介质电容Cm 其余大部分绝缘的电容 介质内部气隙放电的三电容模型 a 具有气泡的介质剖面 b 等值电路 电极间加上交流电压u 则Cg上的电压为ug 介质内部气隙放电的三电容模型 a 具有气泡的介质剖面 b 等值电路 局部放电机理ug随外加电压u升高 当u上升到Us瞬时值 ug到达Cg的放电电压Ug时 Cg气隙放电 于是Cg上的电压一下子从Ug下降到Ur 然后放电熄灭 Ur叫做残余电压 它可以接近为零值 也可以为小于Ug 均绝对值 的其它值 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 放电火花一熄灭 Cg上的电压将再次上升 由于此时Cg及Cb已经有了一个初始的直流电压 所以此后的ug值不能直接用上式来表达 ug值与上式表达的值在绝对值上要小一个 Ug Ur 值 外加电压仍在上升 Cg上的电压也顺势而上升 当它再次升到Ug时 Cg再次放电 电压再次降到Ur 放电再次熄灭 Cg上的电压从Ug突变为Ur 均绝对值 的一瞬间 就是局部放电脉冲的形成的时刻 此时通过Cg有一脉冲电流 局部放电时气泡中的电压和电流的变化如图所示 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 介质内部气隙放电的三电容模型 a 具有气泡的介质剖面 b 等值电路 当Cg放电时 放电总电容Cg Cg上的电压变化为 Ug Ur 故一次脉冲放出的电荷 qr 当Cm Cb Cg Cb Ur 0时 qr Ug Cg Cb 在实际试验时 式中所表达的各个量 都是无法实测得到的 所以要寻求其它能反映局部放电的量来测量 外施电压是作用在Cm上的 当Cg上的电压变动 Ug Ur 时 会造成外施电压的变化量 U应为 介质内部气隙放电的三电容模型 a 具有气泡的介质剖面 b 等值电路 由此两式得总电容上的电压变化量 U 相应的电荷变化量 q 把 U式代入上式 q 可得 介质内部气隙放电的三电容模型 a 具有气泡的介质剖面 b 等值电路 真实放电量 qr 是无法测量的视在放电量 q 其表达式中的量都是可以测得的 它是局部放电试验中的重要参量 国际和国家标准中 对于各类高压设备的视在放电量 q的允许值均有所规定 介质内部气隙放电的三电容模型 a 具有气泡的介质剖面 b 等值电路 放电能量表征局部放电的基本参数 除了视在放电量 q外 还有一次脉冲放电能量W当外施电压由零上升到Us时 Cg上的电压为Ug 即可得如Ur 0 则 放电重复率放电重复率N 是表征局部放电的另一个基本参数 因为在加压半周期内能发生好几个脉冲 所以定义一秒钟内产生的脉冲数叫做放电重复率N 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 局部放电的其它表示方法为了表征局部放电在一定期间内的平均综合效应 还提出了各种累积参数 如平均放电电流 放电功率等 有时还测量局部放电的起始放电电压和熄灭电压影响局部放电特性的多种因素 主要有电压的幅值 电压的波形和频率 电压的作用时间 环境的温度及湿度和气压等 声检测法 介质中发生局部放电时 其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发 效果就像一个小爆炸 此时放电源如同一个声源 向外发出声波 由于放电持续时间很短 所发射的声波频谱很宽 可达到数MHz 噪声检测法的特点 抗电磁干扰能力强灵敏度不受试品电容的影响能进行复杂设备放电源定位在传播途径中衰减 畸变严重基本不能反映放电量的大小实际中一般不独立使用声测法 而将声测法和电测法结合起来使用 测量局部放电的几种方法 光检测法 采用光纤传感器 局部放电产生的声波压迫使得光纤性质改变 导致光纤输出信号改变 从而可以测得放电 光测法只能测试表面放电和电晕放电 在现场中光测法基本上没有直接应用 将光纤技术