高电压与绝缘试验

1、牵引变电所电气设备试验技术,内容提纲,电气设备试验的概念与分类 电气设备试验的基本原理 具体电气设备的试验分析,电气设备试验的概念与分类,出厂试验（生产厂家） 交接试验（安装部门） 大修试验（检修部门） 预防性试验（运行部门和试验部门进行周期性试验） 在线监测,电气设备试验的概念与分类,绝缘试验 非破坏性试验（试验电压较低，发现缺陷的灵明度有待提高） 破坏性试验（易发现设备的集中性缺陷，但个别情况下可能对设备造成一定损伤） 特性试验 绝缘试验以外的试验,电气设备试验的基本原理,绝缘缺陷 非破坏性试验 绝缘电阻、吸收比、泄漏电流的测量 介质损耗角正切的测量 局部放电的测量 破坏性试验 工频耐压试

2、验 冲击耐压试验 直流耐压试验,电气设备绝缘缺陷,集中性缺陷 局部放电 局部受潮和老化 局部机械损伤等； 分散性缺陷 整体受潮 整体老化 整体变质等,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裂劣化，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,绝缘的老化,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

3、短,电介质的热老化,绝缘材料的耐热等级划分,热老化规则： 热老化8规则：对a级绝缘介质，如果它们的工作温度超过规定值8时，寿命约缩短一半。 相应的对b级绝缘和h级绝缘则分别适用10和12规则,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,介质的老化过程,介质电老化的主要原因是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，

4、引起材料分解； 产生臭氧和硝酸，氧化剂和腐蚀剂，发生化学破坏。 绝缘油的老化： 油的裂解，产生出微量气体； 产生聚合蜡状物，影响散热,电介质的电老化,机械应力老化 机械应力对绝缘老化的速度有很大的影响，产生裂缝，导致局部放电； 环境老化 紫外线，日晒雨淋，湿热等也对绝缘的老化有明显的影响,其他形式的老化,多层介质的吸收现象,许多电气设备的绝缘都是多层的，但就其基本机理而言，多层介质的吸收现象与双层介质的吸收现象是完全一样的，本节将用双层电介质的吸收现象说明多层电介质的吸收,多层介质的吸收现象,初始电压分布 当开关k合上时，绝缘两端突然有很大的电压变化，在极短的时间内（t=0+）的时间内，介质上

5、的电压按电容分压,多层介质的吸收现象,稳态电压和电流分布 达到稳态后（t+），介质上的电压按电阻分压 稳态电流为电导电流,多层介质的吸收现象,任何时间下的电压分布和电流 由于存在着吸收现象，初始电压分布与稳态电压部分不同，即层间电压随时间而变化。 电路过渡时间常数的求取,多层介质的吸收现象,流过电介质的电流 吸收电流 注意：绝缘破坏时，吸收现象明显,绝缘电阻、吸收比（极化指数,绝缘电阻 定义：绝缘试品两端加上直流电压u，直流电压u与电流i的比值即为绝缘电阻。 通常所说的绝缘电阻是指r(t)的稳态值，即为r,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

6、绝缘电阻均指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻值。 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。但有局限性,绝缘电阻、吸收比（极化指数,吸收比 定义： t2时刻的绝缘电阻接近于稳态的绝缘电阻。 注意：一般以k1是否大于1.3作为绝缘状态是否良好的标准，但实践证明这种判断标准有缺陷，有时，虽然k1大于1.3，但其绝缘电阻较小；而有时，虽然k1小于1.3，但其绝缘电阻较大，因此我们必须同时考虑吸收比和绝缘电阻才能很好的判断绝缘的状态,极化指数 如高电压、大容量电力变压器之类设备吸收现象往往需相当长的时间，有时吸收比尚不能很好的反映

7、吸收现象的全过程，这时还可以利用“极化指数”作为又一判据。 定义： 注意：在吸收比k1不能很好反映绝缘的真实状态时，建议以极化指数k2代替k1。例如对于k11.3，但绝缘电阻仍很大的电力变压器，应再测量极化指数k2，然后再作判断,绝缘电阻、吸收比（极化指数）作绝缘状态判据的缺陷 电气绝缘的某些集中性缺陷虽然已经发展的相当严重，以致在耐压试验时被击穿，但在此前测得的绝缘电阻、吸收比和极化指数却并不低，这是因为这些缺陷还没有贯通整个绝缘。可见仅凭绝缘电阻、吸收比和极化指数的测量结果来判断绝缘状态仍不够可靠,绝缘电阻测量仪器,兆欧表有三个接线端子：线路端子（l）、接地端子（e）和保护（屏蔽）端子（g

8、）。 被试绝缘接在端子l和e之间，而保护端子g的作用是使绝缘表面泄漏电流不要流过线圈la测得的绝缘体积电阻不受绝缘表面状态的影响,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,泄漏电流的测量,左图中，曲线1代表绝缘状态正常；曲线2代表绝缘受潮；曲线3代表绝缘具有集中性缺陷；曲线4代表绝缘具有有危险的集中性缺陷,电气设备泄漏电流,泄漏电流试验接线图如下图所示 其中v为

9、高压整流元件，c为稳压电容，pv2为高压静电电压表，to为被试品,注意 ：测量泄漏电流用的微安表需用并联放电管v进行保护。 当流过微安表的电流超过某一定值时，电阻r1上的压降将引起v的放电而达到保护微安表的目的,介质的功率损耗p与介质损耗角正切tan成正比,所以后者是绝缘品质的重要指标，测量tan值是判断电气设备绝缘状态地一项灵敏有效的方法。 tan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tan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tan,介质损耗角正切的测量,介质损耗产生偶极子极

10、化引起分子间摩擦,介质损耗产生水分子电离增加电导,介质损耗产生气泡促使局部放电产生,电容器损耗增加导致爆炸,不同等效电路的tg计算,并联等效回路,串联等效回路,tg的测量,cx：被试品的等值电容 rx：被试品的等值电阻; r3：可调的无感电阻； cn：高压标准电容器的电容； c4：可调电容； r4：定值无感电阻； p： 交流检流计,西林电桥,tg的求取,电桥平衡条件 （1,四个臂的阻抗为 （2,并联等效阻抗 （3,求得,西林电桥反接线原理 电桥平衡的过程与正接线时无异，所不同者在于各个调节元件、检流计和屏蔽网均处于高电位，故必须保证足够的绝缘水平和采取可靠的保护措施,西林电桥,数字化tg测量仪

11、,西林电桥测量的影响因素,外界电磁干扰 电桥灵敏度的影响 温度的影响 试验电压的影响 试品表面泄漏的影响 试品的电容量影响,一）外界电磁场的干扰影响 干扰包括高压电源和试验现场高压带电体引起的电场干扰。 在现场测试条件下，电桥往往处于一个相当显著的交变磁场中，这时电桥接线内也会感应出一个干扰电势，对电桥的平衡产生影响，也将导致测量误差。 消除干扰的方法：金属屏蔽网和屏蔽电缆,二）温度的影响 一般来说， tg随温度的增高而增大。tg 为了便于比较，应将在各种温度下测得的 值换算到20时的值。 （三)试验电压的影响,四）试品电容量的影响 对电容量较大的试品（例如大中型发电机、变压器、电力电缆、电力

12、电容器等）,测量tg 只能发现整体分不性缺陷，因而用测量介质损耗角正切的方法来判断绝缘状态就不很灵敏了。 （五）试品表面泄漏电流的影响 测试前应清除绝缘表面的积污和水分，必要时还可以在绝缘表面上装设屏蔽极,局部放电是引起绝缘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,局部放电的测量,一、局部放电基本概念 绝缘内部气隙局部放电的等值电路如下图所示,电容上分到的电压 ，气隙放电电压 ，熄灭电压（剩余电压） ，局部放电的电流变化曲线见图4-10,表征局部放电的参数 视在放电量q 其中ca 为试品电容，ua为气隙

13、放电时，试品两端的压降。 q既是发生局部放电时试品ca所放掉的电荷，也是电容cb上的电荷增量。（比真实放电量小得多,放电重复率（ ） 在选定的时间间隔内测得的每秒发生放电脉冲的平均次数 放电能量（ ） 指一次局部放电所消耗的能量。 其中 为视在放电量， 为局部放电起始电压,其他参数 平均放电电流 放电的均方率 放电功率 局部放电起始电压 局部放电熄灭电压,二、局部放电检测方法综述,电检测法,声测法,光测法,化学检测法,其他检测法,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

14、的声波频谱很宽，可达到数mhz,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,声检测法的特点,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。 将光纤技术和声测法相结合提出了声-光测法,光纤传感器应用,化学分析法,膜纸绝缘介质中，常用高性能液体色谱分析法（hplc）判断介质老化情况。 在电力变压器中，油色谱分析（dga）方法是一

15、种简单、经济、有效的变压器在线监测方法,电气检测法 脉冲电流法 测量视在放电量 介质损耗法 西林电桥 脉冲电流法测量原理,电气检测法的发展,1925年，schwaiger发现电晕放电的射频特性，由此 发展出riv局部放电检测法； 1928年，基于电子束示波器技术，lioyd和starr等人设计出平行四边形检测法； 1954年，首台商用便携式局部放电检测仪由mole等人研制成功； 1960年，基于平行四边形检测原理，dakin等人设计出积分电桥法,1975年，lemke博士等人设计出商用宽频局放测试仪，测试带宽达到10mhz; 1978年，tanaka okamoto等人采用计算机技术建立数字化

16、局部放电检测仪； 1981年，boggs、fujimoto、stone等人设计出1ghz超高频局放检测仪,目前局部放电电检测方法 脉冲电流法 无线电干扰电压法（riv） 射频检测法（rf） 介质损耗分析法（dla） 超高频（uhf）检测法,te571,局部放电测试仪,twpd-4多通道数字式局部放电综合分析仪 天威新域科技发展有限公司,以油中气体分析为基础的故障诊断,绝缘故障与绝缘油中溶解气体的关系 油中溶解气体的产生：绝缘故障所产生的能量（热、电、光等）使高分子油纸绝缘裂解产生低分子气体，同时产生其他低分子有机物，如糠醛等；绝缘纸聚合度下降，降低绝缘寿命；故障气体部分溶解于油中，部分集中于气

17、体继电器中,以油中气体分析为基础的故障诊断,绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系过热故障 当热应力只引起热源处绝缘油分解时，所产生的特征气体主要是ch4和c2h4，他们的总和约占总烃的80%，且c2h4所占比例随着故障点温度的升高而增加；例如78台高温过热（温度高于700）故障变压器的c2h4占总烃的比例平均为62.5%，其次是c2h6和h2。据统计，c2h6一般低于20%；高、中温过热h2占氢烃总量（h2+ c1+ c2）的25%以下，低温过热时一般为30%左右；这是由于烃类气体随温度上升增长较快所致。过热故障一般不产生c2h2，只在严重过热时产生微量的c2h2 ;当故障涉及固体材料时，则还

18、会产生大量的co和co2,油纸绝缘热故障时的产气情况,图 变压器油热分解,图 固体绝缘物受热产生气体,以油中气体分析为基础的故障诊断,绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系电弧放电故障 当变压器内部发生电弧放电故障时，油中溶解的故障特征气体主要是c2h2、h2，其次是大量的c2h4、ch4 ； 由于电弧放电故障速度发展很快，往往气体来不及溶解于油中就释放到气体继电器内，因此，油中溶解气体组分含量往往与故障点位置、油流速度和故障持续时间有很大关系 ； 固体绝缘材料发生高能量电弧放电时，不仅产生较多co、co2，而且因放电能量密度高，产生的高速电子流轰击固体绝缘材料，致使其受到严重破坏 ； 若对电弧

19、放电故障不及时处理，严重时有可能造成变压器的重大损坏或爆炸事故,以油中气体分析为基础的故障诊断,绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系火花放电故障 当变压器内部发生火花放电时，油中溶解气体的特征气体以c2h2、h2为主，因故障能量小，一般总烃含量不高，但油中溶解的c2h2在总烃中所占比例可高达25%90%，c2h4含量约占总烃的20%以下，h2占氢烃总量的30%以上。 当h2和ch4的增长不能忽视时，如果接着又出现c2h2的情况，这时可能存在着由低能放电发展成高能放电的危险。因此，当出现这种情况时，即使是c2h2未达到注意值，也应给予高度重视,以油中气体分析为基础的故障诊断,绝缘故障种类与绝缘油

20、中溶解气体的关系局部放电故障 当变压器发生局部放电时，油中的气体组分含量随放电能量密度不同而异，一般总烃不高，主要成分是h2，其次ch4。通常h2占氢烃总量的90%以上，ch4占总烃的90%以上。当放电能量密度增高时也可出现c2h2，但在总烃中所占比例一般小于2%，这是与上述电弧放电和火花放电区别的主要标志,以油中气体分析为基础的故障诊断,绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系绝缘受潮 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“小桥”，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

21、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,以油中气体分析为基础的故障诊断,变压器故障种类的判断特征气体法,以油中气体分析为基础的故障诊断,变压器故障种类的判断特征气体法 例：某240mva220kv进口变压器（tdq315f22w9k-99）属三绕组五柱铁心式结构。在正常运行情况下突发内部故障，主变压器重瓦斯及差动保护均动作，事故发生时系统无任何操作。事故发生后现场检查：故障录波器图上发现有2次短路故障。绝缘油色谱数据如表，请用特征气体法分析可能发生的故障种类,以油中气体分析为基础的

22、故障诊断,变压器故障种类的判断特征气体法 例题答案解析：乙炔与总烃浓度急剧上升，表明变压器内部发生了电弧性放电事故。对变压器抽油后开盖检查，发现箱底有部分散落烧焦的绝缘纸，内部故障已较严重。分析表明由于该变压器的a、b、c相的引出线（铜棒）均并在一起走线，因相互间距较长，引线也很长，中间采用外包纸绝缘后，再用u形木夹进行固定。由于u形木夹的空隙是固定的，不可能将引线夹的很紧，因此在复杂的电动力作用下，在夹紧处绝缘又相互直接摩擦，最终导致绝缘击穿事故,以油中气体分析为基础的故障诊断,变压器故障种类的判断三比值法 过热性故障产生的骨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c

23、2h2和h2，为此可以采用ch4/ h2来区分是放电故障还是过热故障。当温度升高或绝缘纸也过热时，ch4的含量还要增加。而温度的高低可以用体积之比c2h4/ c2h6来区分，原因是随着故障点温度的升高，c2h4的比例将增加。c2h2的产生与高能量放电有关，低能量的局部放电一般无c2h2，所以可以用c2h2/ c2h4判断放电故障的类型,以油中气体分析为基础的故障诊断,变压器故障种类的判断其他故障诊断法 除了特征故障气体法和三比值法，还存在立体图示法、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，神经网络、模糊技术、粗糙集等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

24、故障诊断专家系统。 在实际应用中，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,绝缘的高电压试验,为什么要对绝缘进行高电压试验？ 电气设备的绝缘在运行过程中长期经受工作电压的作用； 电气设备在运行过程中经受的各种过电压 主要包括雷击过电压、操作过电压、暂时过电压等 与非破坏性试验相比，高电压试验具有直观、可信度高要求严格等特点,难点问题： 由于输电电压和相应的试验电压在不断提高，要获得各种符合要求的试验用高电压越来越困难，这是高电压试验技术发展中首先需要解决的问题,高电压试验分类 击穿试验在一定试验条件下，升高电压直到试验

25、发生击穿为止； 耐电压试验在一定试验条件下，对试样施加一定电压，经历一定时间，若在此时间内试样不发生击穿，即认为试样是合格的,工频高压试验设备与装置,工频高压试验设备的组成 调压器、高压试验变压器、高电压测量装置、控制和保护装置等,高压试验变压器,工频高压试验变压器的要求 电压：耐压试验电压比被试设备额定工作电压要高的多，击穿电压比耐压试验电压高20%60%。 容量：比较小（注意容量计算） 绝缘裕度小、冷却系统简单、绕组的机械强度要求低 注意点：设计时采用较小的安全系数，额定电压下只能短时运行,高压试验变压器,串联试验变压器,高压试验变压器,串联谐振升压方式 谐振条件: wl = 1 / wc

26、x 谐振时 ux = qu0 = u0 / wcr,采用串联电抗的串联谐振升压,串联谐振回路的优点 提高试验电压； 电压波形好，谐振时只对工频基波谐振，只有基波电压提高q倍，其他谐波分量相对就小得多了； 安全：一旦试样发生击穿，cx变了，回路失去了谐振，试样两端电压自动立即跌落,高电压试验的影响因素 电压波形 电压作用时间 电场的均匀性及电压的极性 试样的厚度与不均匀性 环境条件,被试品的电容量很大的场合（例如长电缆段、电力电容器等），用工频给交流高电压进行绝缘试验时会出现很大的电容电流，要求试验装置具有很大的容量，很难做到。这时用直流高电压试验来代替工频高电压试验。 直流输电工程的增多促使直

27、流高电压试验的广泛应用,直流高电压试验,一、直流高电压的产生 将工频高电压经高压整流器而变换成直流高电压。 利用倍压整流原理制成的直流高压串级装置（或称串级直流高压发生器)能产生出更高的直流试验电压,研究电气设备在运行中遭受雷电过电压和操作过电压的作用时的绝缘性能 。 许多高压试验室中都装设了冲击电压发生器，用来产生试验用的雷电冲击电压波和操作冲击电压波。 高压电气设备在出厂试验、型式试验时或大修后都必须进行冲击高压试验,冲击高电压试验,多级冲击电压发生器原理接线图,变压器试验,测量绕组绝缘电阻和吸收比或和极化指数； 测量绕组泄漏电流： 测量绕组介质损耗因数tan； 交流耐压试验； 测量电容型

28、套管的介质损耗因数tan 和电容值； 测量轭铁梁和穿芯螺栓(可接触到的)的绝缘电阻，测量铁芯对地、铁芯对轭铁粱、穿芯螺栓对铁芯的绝缘电阻； 绝缘油介电强度试验及油中溶解气体色谱分析,变压器绝缘电阻和吸收比的测量,试验结果的分析判断,吸收比的要求为：1030时一般不应低于1.3 极化指数的要求：1030时不应低于15 油浸电力变压器绕组绝缘电阻的允许值(m,变压器介质损耗正切的测试,变压器tan结果分析,和规程规定的值比较进行判断，规程规定20时变压器绕组tan测量值不应大于下表所列数值,tan值与历次测量数值比较，不应有显著变化(一般不大于30)。现场实测经验表明，测量tan值虽小于表所列数据

29、，但较往年试验数据有较大变化的变压器，一般有异常，因此不能一次tan的测量值来判断，而应比较变压器历次tan数值的变化发展趋势,变压器工频耐压试验,工频耐压试验加压时间为l min。施加规定电压持续l min 时，变压器油箱内无声音，指示仪表指示正常(电压表及电流表无抖动、摆动，无突然升降)，球隙无放电等，即为工频耐压试验合格,互感器试验,测量互感器绕组及末屏的绝缘电阻； 测量35kv及以上互感器一次绕组连同套管的介质损耗因数tan； 绕组连同套管一起对外壳的交流耐压试验； 油箱和套管中绝缘油试验及油中溶解气体色谱分析； 测量铁芯夹紧螺栓(可接触到的)绝缘电阻； 互感器的极性、变比、励磁特性等特性试验； 局部放电试验,串级式电压互感器tan测量,测量串级式电压互感器tan的反接线法,电压互感器的交流耐压试验,电磁式电压互感器的交流耐压试验有两种加压方式。一种方式为外施工频试验电压。该加压方式适用于额定电压为35kv及以下的全绝缘电压互感器的交流耐压试验。试验接线及方法与变压器的交流耐压试验相同。35kv以上的电压互感器多