高电压技术-电气设备绝缘试验

电气设备绝缘试验,绝缘诊断与绝缘试验主要内容,1绝缘测试和诊断的基本概念2绝缘电阻和泄漏电流的测量3介质损耗角正切的测量4局部放电的测量5耐压试验与预防性试验方法的特点总结6绝缘的在线监测,1、绝缘测试和诊断的基本概念,绝缘的测试和诊断技术概念：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,绝缘的测试和诊断技术分类：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不同特性，采用综合分析的方法来判断绝缘内部的缺陷包含的种类：绝缘电阻和泄漏电流的试验、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；缺点是可能在试验时给绝缘造成一定的损伤，同时不能反映绝缘缺陷的性质包含的种类：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：在离线的测试和诊断时，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（DL/T596）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工作运行的条件下，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检测，通称为绝缘预防性试验。,绝缘的监测和诊断技术的三个基本环节：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。,绝缘诊断规则：规则分类：逻辑诊断，模糊诊断，统计诊断逻辑诊断：逻辑诊断中将特征只归结为“有”和“无”两种(或特征参数大于某给定的阈值则为“有”该特征，否则为“无”)，诊断对象的状态同样只归结为“有”和“无”，或“好”和“坏”两种，即特征和状态均采用二值逻辑量来描述。逻辑诊断简单明了，应用较广，但把问题过于简化，诊断准确度较低,模糊诊断：考虑到被试对象的特征及状态评价的主观不确定性，即模糊性，许多情况不能简单地用“有”、“无”和“好”、“坏”来评定。模糊诊断中被试对象的特征和状态不用二值逻辑量描述，而用多值逻辑的特征函数来描述，如某特征“很强”、“强”、“一般”、“弱”、“很弱”，某故障“严重”、“较严重”、“一般”、“轻微”、“无”等，然后按特征或状态参数的取值量确定归入某一类别。如采用连续变化的特征函数，判断可更加准确。,统计诊断：考虑到被试对象特征参数分布的不确定性，即统计性。对于处于同样状态的同类设备，其特征参数并不相同，而按一定的统计规律分布。利用这些规律进行绝缘诊断,(a)绝缘完好和损坏时(b)两者重叠图概率密度曲线不重叠某特征参数的概率密度,2绝缘电阻和泄漏电流的测量,1）测量绝缘电阻与吸收比的工作原理2）测量绝缘电阻与吸收比的方法3）泄漏电流的测量4）测量绝缘电阻和泄漏电流的功效5）测量绝缘电阻和泄漏电流的注意事项,1）测量绝缘电阻与吸收比的工作原理,双层介质模型的电流时间特性i（t）=U/(R1+R2)+U(R1C1R1C2)2/(C1+C2)2(R1+R2)R1R2exp(-t/)R1R2(C1+C2)/(R1+R2),双层介质等值电路图,吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线,i（t）=Kexp(-t/)R1R2(C1+C2)/(R1+R2)在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,双层介质等值电路图,吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线,定义吸收比K：为加压60秒时的绝缘电阻R60与15秒时电阻R15之比值K=R60/R15定义极化指数P：为加压10分钟时的绝缘电阻R10与1分钟时电阻R1之比值P=R10/R1我国电力行业标准DL/T5961996即电力设备预防性试验规程等规定：电力变压器及大型发电机凡采用沥青浸胶及烘卷云母绝缘者：K值应不小于1.3，P值应不小于1.5大发电机当采用环氧粉云母者：K值应不小于1.6，P应不小于2.0。发电机容量在200MW及以上者推荐测量,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K（及极化指数P，下同）的下降。当K1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,2）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，俗称摇表晶体管兆欧表：采用电池供电，晶体管振荡器产生交变电压，经变压器升压及倍压整流后输出直流电压兆欧表的电压：500、1000、2500、5000V等兆欧表选择：根据设备电压等级的不同，选用不同电压的兆欧表。例：额定电压1kV及以下者使用1000V兆欧表；1kV以上者使用2500V兆欧表,兆欧表的原理结构图,屏蔽端子G：主要用于屏蔽表面泄漏电流,例：用兆欧表测量电缆绝缘电阻,用兆欧表测电缆绝缘电阻的接线图1铅铠外皮2绝缘3导芯4-屏蔽环,微安表直读法（高电位和低电位两种接法）,测量电力变压器主绝缘泄漏电流的接线T1调压器；T2高压试验变压器；D高压硅堆R保护电阻；C滤波电容；T被试变压器,3）泄漏电流的测量,4）测量绝缘电阻和泄漏电流的功效,测量绝缘电阻和泄漏电流能有效地发现的缺陷：1、两极间穿透性的导电通道2、绝缘受潮3、表面污垢测量绝缘电阻和泄漏电流不易发现的缺陷：1、绝缘的局部缺陷（局部损伤或裂缝、含有气泡、绝缘分层、脱开等）2、绝缘的老化（此时的绝缘电阻还相当高）,5）测量绝缘电阻和泄漏电流的注意事项,A、测量结果不应作为最后定论，应与下列数据比较：（1）、历史资料（2）、同类设备数据（3）、同一设备不同部位（不同相）的数据当K2时，有缺陷存在(4)、其它实验结果B、要考虑测量时温度的影响，只有同一温度下的结果才能比较C、测量电压要稳定，直流脉动不应大于3%D、测量仪表的保护与屏蔽E、测量前应充分放电，避免残余电荷造成误差F、被试品的接地问题,3介质损耗角正切的测量,1）西林电桥的基本原理2）反接法的西林电桥3）存在外界电磁场干扰时的测量4）测量介损的功效5）测量介损的注意事项,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,测量介损的方法,1）西林电桥的基本原理,高压臂：一个是代表试品的Z1；另一个是无损耗的标准电容C0，它以阻抗Z2作为代表。低压臂：一个处在桥箱体内，一个是可调无感电阻R3；另一个是无感电阻R4和可调电容C4的并联回路。前者以Z3来代表，后者以Z4来代表保护：放电管P电桥平衡：检流计G检零屏蔽：消除杂散电容的影响,西林电桥的基本回路,电桥的平衡条件：Z1/Z3=Z2/Z4串联等值回路tg=R4C4Cx=R4C0/R3并联等值回路tg=R4C4Cx=R4C0/R3(1+tg2)Cx：因为tg2极小，故两种等值电路的Cx相等,屏蔽：杂散电容：高压引线与低压臂之间会有电场的影响，可以看作其间有杂散电容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50100pF。所以杂散电容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,在实验室内：通常测试材料及小设备，被试品是对地绝缘的现场试验中：有许多一端接地的试品，如敷设在地下的电缆及摆在地面的重大电气设备，要改成对地绝缘是不可能的，只能改变电桥回路的接地点。这样就产生了一种反接法的西林电桥,反接法西林电桥的接线,2）反接法的西林电桥,3）存在外界电磁场干扰时的测量,现场的试品：难以实现屏蔽，故干扰较严重两次测量法：消除或减小外界电场影响的测试方法，是采用两次测量。第一次先调电桥到平衡，测得tg1和Cx，然后倒换试验变压器原边电源线的两头，即把试验电压U的相位转一个180，然后再测得第二次的数值tg2和Cx，可用下式计算得准确的tg和Cx值。tg=（Cxtg1+Cxtg2）/(Cx+Cx)Cx=(Cx+Cx)/2,西林电桥的基本回路,磁场干扰时介损的测量检流计正反接抗磁场干扰的原理：先设想当无磁干扰时，调电桥到平衡，两个测量臂的数值分别为R3和C4。如存在磁干扰时，调节电桥到平衡，两个测量臂的数值分别为（R3+R3）和（C4+C4），此时电桥两臂实际上是有电位差的，由于它克服了磁干扰电势，才使检流计指零。假若把检流计和电桥两臂相接的两端倒换一下，由于其他条件不变，此时如又调电桥到平衡，两个测量臂的数值将分别为(R3R3)和(C4C4)当检流计正接时测得：tg1=(C4+C4)R4CX1=C0R4/（R3+R3）当检流计反接时测得：tg2=(C4C4)R4CX2=C0R4/（R3R3)因无磁场干扰时：tg=C4R4CX=C0R4/R3，故可得：tg=(tg1+tg2)/2CX=2X1CX2/（CX1+CX2）,4）测量介损的功效,测量介损能有效地发现的缺陷：（1）绝缘受潮（2）穿透性导电通道（3）绝缘内含气泡的游离、绝缘分层、脱壳等（4）老化劣化，绕组上附积油泥（5）绝缘油脏污、劣化等测量介损不易发现的局部性缺陷：（1）非穿透性局部损坏（测介损时没有发生局部放电）（2）很小部分绝缘的老化劣化（3）个别的绝缘弱点,例1：当试品绝缘有两种不同绝缘并联组成则：当C2/Cx越小，C2中缺陷（tg增大）在测整体的时越难发现解决办法是将整体绝缘分解后分部测量（如分别对变压器线圈和套管的tg进行测量）,5）测量介损时的注意事项,（1）尽可能地分部测试（2）与温度的关系：不同温度下的测量结果不能换算为进行比较，要求在相同温度条件下测试。（3）与电压的关系：试验电压过低，不易发现缺陷，因接近工作电压。（4）表面泄漏要排除：加屏蔽环（5）抗干扰措施：屏蔽和接地要好（6）测量绕组绝缘时，应将绕组首尾短接，避免电感和励磁铁损造成误差,4局部放电的测量,1）局部放电概念和特点2）测量局部放电的几种方法3）局部放电的脉冲电流测量法4）脉冲电流法测PD的基本回路和检测阻抗5）实施PD测量的其它技术问题,1）局部放电的概念和特点：局部放电的概念：PartialDischarge简称为PD，指在一定外施电压作用下，电气设备内部绝缘里面存在的弱点处发生的局部重复击穿和熄灭现象局部放电的危害：这种局部放电发生在一个或几个绝缘内部的缺陷中（如气隙或气泡），因为在这个很小的空间内电场强度很大。虽然其放电能量很小，在短时间内对电气设备的绝缘强度并不造成影响，但电气设备在工作电压下长期运行时，局部放电会逐步扩大，并产生不良化合物，使绝缘慢慢地损坏，日积月累，最后可导致整个绝缘被击穿，发生电气设备的突发性故障,局部放电的特点：当介质内部发生局部放电时，伴随着发生许多现象。有些属于电的：如电脉冲的产生，介质损耗的增大和电磁波放射；有些属于非电的：如光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化。局部放电的检测：这些现象都可以用来判断局部放电是否存在，因此检测的方法也可以分为电的和非电的两类,2）测量局部放电的几种方法,A-局部放电源B-电磁波的传播C-高压端的电压下落D-高压端对地杂散电容的电场传播E-流经接地线电流信号和磁场传播,电磁测量方法:,绝缘油的气相色谱分析法：这项试验是通过检查电气设备油样内所含的气体组成的含量来判断设备内部的隐藏缺陷超声波探测法：在电气设备外壁放上由压电元件和前置放大器组成的超声波探测器，用以探测局部放电所造成的超声波，从而了解有无局部放电的发生，粗测其强度和发生的部位,PD非电量法的检测,3）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,气泡很小，Cg比Cb大，Cm比Cg大很多电极间加上交流电压u，则Cg上的电压为ug，Ug=UCb/(Cg+Cb),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,例如：Cg=1pFCb=0.01pFCm=100pF则：Ug=1kV;U=100kV,局部放电机理Ug=UCb/(Cg+Cb)ug随外加电压u升高，当u上升到Us瞬时值时，ug到达Cg的放电电压Ug，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,Ug=UCb/(Cg+Cb)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（UgUr）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,真实放电量：qr=(UgUr)Cg+CmCb/(Cm+Cb)UgCg(1kV*1pF=1000pC)实际无法测量整体电压降落：U=Cb（Ug-Ur)/（Cm+Cb)（0.01pF*1kV/100pF=0.1V）可测视在放电量：q=UCm+CbCg/(Cb+Cg)=UCmUgCb(1kV*0.01pF=10pC)可测视在放电量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q的允许值均有所规定,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WW=qr(Ug-Ur)/2=q(Cg+Cb)(Ug-Ur)/(2Cb)当外施电压由零上升到Us时，Cg上的电压为Ug，即Ug=UsCb/(Cg+Cb)可得W=qUs(Ug-Ur)/(2Ug)如Ur0，则WqUs/2,放电重复率放电重复率N：是表征PD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，N也是一个重要参量。可以通过实验求得如果每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n,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。以及放电电流的时域表示法。局部放电的统计表示法（在线检测常用）:n-q-三维统计谱图；以及n-和q两维谱图等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,4）脉冲电流法测PD的基本回路和检测阻抗,三种基本测量回路,电桥平衡回路,试品通过Ck后与检测阻抗并联的回路,试品与检测阻抗相串联的回路,5）实施PD测量的抗干扰问题,1、周期性干扰：连续的周期性干扰信号：如广播，电力系统中的载波通讯，手机通讯，高频保护信号，谐波，工频干扰等等，其波形一般是正弦形。脉冲型周期性干扰信号：例如可控硅整流设备在可控硅开闭时产生的脉冲干扰信号。其特点是该脉冲干扰周期性地出现在工频的某相位上。2、脉冲型随机干扰：高压输电线的电晕放电，相邻电气设备的内部放电，以及雷电，开关继电器的断、合，电焊操作等无规律的随机性干扰。旋转电机电刷和滑环间的电弧等。,抗干扰措施,背景噪音决定最小可见视在放电量，亦即决定测量系统的灵敏度，严重噪音将使局部放电测量无法进行。目前常采用的抗干扰措施包括：软硬件滤波；平衡电路；差动电路；相位锁定或可移开窗；统计法等。,预加电压测量PD试验：国标规定对220kV及以上的电力变压器必须做,电力变压器PD测试的加压过程,图中U1为最高额定线电压UmU2为1.3Um/或1.5Um/要求在1.3Um/的U2值下，q300pC或要求在1.5Um/的U2值下，q500pC,5耐压试验与预防性试验方法的特点总结,1）交流耐压2）直流耐压3）雷电冲击耐压4）操作冲击耐压5）各种预防性试验方法的特点总结,1）交流耐压,交流耐压：是交流设备的基本耐压方式。适用于220kV以下的电力设备。以变压器为例如图所示,交流耐压试验实施办法：电力设备预防性试验规程（DL/T596）已对各类设备的耐压值作出了规定。以电力变压器为例，当大修而全部更换绕组后，按出厂试验电压值进行试验。在其它情况下，它们的耐压值取出厂试验电压的85。规程给出了电力变压器的交流工频耐压值如表所示,电力变压器交流试验电压值括号内数值适用于不固定接地或经小电抗接地系统,2)直流耐压,直流耐压：是直流电力设备的基本耐压方式。对于交流电网中的长电力电缆等，在现场进行交流耐压试验常出现困难，因为长电缆的电容量较大。为了减小试验电源的试验容量，规程规定采用直流耐压来检查电缆绝缘的质量。直流耐压基本上不会对绝缘造成残留性损伤,直流耐压特点：与交流耐压不同，直流耐压无局部放电损伤：对于电缆等油纸绝缘，在交、直流电压作用下，在油和纸上的电压分布不一样交流时电压按介电常数分布：电压较多作用在油层上直流时电压按电阻系数分布：电压较多作用在纸上纸的耐压强度较高，所以电缆能耐受较高的直流电压为了加强绝缘的考验，电缆的直流耐压值规定得较高。尽管如此，对于使用在交流电网中的电缆，进行直流耐压对绝缘的考验不如交流耐压接近实际。对电力电缆的直流耐压持续时间为5分钟，可同时进行泄漏电流的测量，加压极性为负对电力变压器绝缘的泄漏电流测试时所施加的直流电压不很高，可以认为是非破坏性试验对电机绝缘进行直流耐压，也是发现绝缘缺陷的重要方法,3）雷电冲击耐压,雷电冲击耐压用作为考验电力设备承受雷电过电压的能力。对电力变压器类试品不仅考验了主绝缘，而且是考验纵绝缘的主要方法。只在制造厂进行本项试验，因为本项试验会造成绝缘的积累效应，所以在规定的试验电压下只施加3次冲击。对小变压器是作为型式试验进行的。国家标准规定额定电压220kV，容量120MVA的变压器出厂时应进行本项试验。电力系统中的绝缘预防性试验，不进行本项试验。对主绝缘的耐受雷电过电压的能力，由交流耐压试验等值地承担,4）操作冲击耐压,330kV电力设备的出厂试验应进行本项试验。对变压器进行出厂试验时，大多采用在高压绕组上直接加压法。在电力系统现场进行各个电压等级变压器的耐压试验时，可采用操作冲击感应耐压方式来取代工频耐压试验。由于利用被试变压器自身的电磁感应作用来升高电压，所以冲击电源装置电压较低，整个装备比较简单。因为工频耐压试验本来是等值地代表雷电和操作过电压的，所以从这个意义上来说，进行操作冲击耐压试验是合理的。而且试验本身不会在绝缘中产生残留性损伤,IEC1980年763刊物对电力变压器内绝缘操作波试验的波形，作出了下述规定，第一个半波极性为负，视在波前时间Tf不小于20s，通常小于250s；视在波长时间Tz不小于500s，90峰值持续时间Td不小于200s,IEC76-3和国家标准规定的操作冲击波形,国家标准GB744987文件对波形的规定，基本上根据上述IEC文件，但明确了Tf应为20s250s，反极性的峰值U2m0.5Um。电力工业部的行业标准DL/T5961996规定的波形，基本上符合IEC标准，唯Tf规定为不小于20s，未作上限值的规定。因为感应法产生的操作波，其Tf常会超过250s。若强行规定Tf不大于250s，波形上所迭加的高频振荡的幅值有可能会较高,IEC76-3和国家标准规定的操作冲击波形,5）各种预防性试验方法的特点总结,各种预防性试验方法的特点,表中序号6和7两项为破坏性试验，其它各项均属于非破坏性试验,1）tg的在线监测2）局部放电（PD）的在线监测,6绝缘的在线监测,绝缘预防性试验是在电力设备处于离线情况下进行的。离线监测的缺点是：需停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；只能周期性进行而不能连续地随时监视，绝缘有可能在诊断期间发生故障；停电后的设备状态，如作用电场及温升等和运行中不