高电压技术-第6章

1、第六章电气绝缘在线检测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。u 6

2、.1 变压器油中溶解气体的检测u 6.2 局部放电在线监测u 6.3 介质损耗角正切的检测u 习题和参考答案本章内容6.1 变压器油中溶解气体的检测6.1.1绝缘故障与油中溶解气体6.1.2油中溶解气体的在线监测6.1.3油中气体分析与故障诊断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。6.1.1 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

3、，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6

4、.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。不存在不存在差差差复杂复杂简单复杂复杂较高高较高高高差一般好好好短短短短短波纹管真空泵毛细管柱血液透析装置中空纤维装置一般简单低较好长高分子平板透气膜抗污染性结构价格分离效果平衡时间油气分离方法1.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6-1给出了简单的优缺点比较结果。其中平板

5、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6-1 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

6、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。时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生

7、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流出。分离过程见图6-1。图6-1 色谱柱分离气体组分过程示意图分离的组分H2、O2、CO、CO2H2、O2、N2、CO、CO2CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C3H4载气N2ArH2N2N2柱径3 mm3 mm3 mm2 mm3 mm柱长1m1m2m1m4m粒度/目6080306080100801006080固定相活性炭5A分子筛硅胶涂

8、固定液HGD-201GDX502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6-2所示。表6-2 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

9、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。15051501501150H2C2H2C1+C2含量330kV及以上 220kV及以下气体组分6.1.3 油中气体分析

10、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6-3 变压器油中溶解气体的注意值（220kV及以下）L/L a=C i2 C i1 Gt （61）（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。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：r = 100%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：Ci2 Ci1Ci1.t（62）根据规程要求，变压器的总烃绝对产气

11、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6-4 不同故障类型产生的气体组份次要气体组份H2，C2H6H2，C2H6C2H6，CO2CH4，C2H4，C2H6CH4，C2H4，C2H6主要气体组份CH4,C2H4CH4，C2H4，CO，CO2H2，CH4，C2H2，COC2H2，H2H2，C2H2H2，

12、C2H2，CO2，COH2故障类型油过热油和纸过热油、纸绝缘中局部放电油中火花放电油中电弧油和纸中电弧进水受潮或油中气泡表6-4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6-5 判断变压器故障性质的特征气体法特征气体的特点总烃较高，C2H25L/L，但C2H2未构成主要成分，H2含量较高总烃不高，H2

13、100L/L，CH4占总烃的主要成分总烃不高，C2H210L/L，H2含量较高总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成分，H2含量较高故障性质一般过热性故障严重过热性故障局部放电火花放电电弧放电序号12345CO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6-6 特征气体中主要成分与变压器异常情况的关系分接开关接触不良，连接部位松动，绝缘不良绕组短路，分接开关切换器闪络过热、接触不良电弧放电CH4、C2H4主导型C2H2主导型局部放电、 绕组层间短

14、路，绕组击穿；分接开关电弧放电 接触点间局部放电，电弧放电短路H2主导型具体情况异常情况主要成分（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。6-4 CH4/H2与故障类型关系表6-8 改良三比值法的编码规则0012102201120.10.11133C2H4/C2H6CH4/H2C2H2/C2H4比值范围编码特征气体的比值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

15、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ooo过热故障放电故障绝缘受潮油中溶解气体的在线监测1.2.3.脱气混合气体分离气体检测油中气体分析与故障诊断o特征气体法o三比值法小结（本节完）6.2.1 局部放电的在线监测系统6.2

16、.2 局部放电分析与故障诊断6.2 局部放电在线监测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。6.2.1 局部放电的在线监测系统1. 电流传感器2. 抗干扰技术脉冲电流法在线检测的组成及关键技术：图6-6 局部放电检测系统原理框架图di1(t)N Se(t) = M2,M = dt l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)

17、的关系为：1.电流传感器（6-3）u(t) = Ri2 1 1(t)(t) =RN即信号电压u(t)和所检测的电流i1(t)成线性关系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（6-6）1LC0 2R + RLRC0Lf0 = 2i (t) = Ki谐振型电流传感器i1(t)M(RL + R)Cu(t) =12 LC12 LCRd + RLRdf0 =（6-15）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

18、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。2.抗干扰技术u其他u选择合适的检测频带，避开现场的干扰频带u差动平衡系统：差动平衡系统主要用于抑制共 模干扰图610差动平衡系统原理图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6.

19、2.2 局部放电分析与故障诊断1.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6-12 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

20、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

21、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6-12 放电类型识别结果识别率（%）931009710097正确识别数/识别总数28/3030/3029/3030/3029/30训练样本数/全部样本数20/5020/5020/5020/5020/50放电类型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悬浮放电局部放电的在线监测系统oo电流传感器抗干扰技术局部放电分析与故障诊断oo局部

22、放电信号分析放电类型的模式识别1. 局部放电特征提取2. 放电识别小结（本节完）6.3.1 高压电桥法6.3.2 相位差法6.3.3 全数字测量法6.3 介质损耗角正切的检测图613电桥法tan测原理接线图6.3.1 高压电桥法=当电桥平衡时，而R4=104/，C4的单位为pF时，有：tan =C4R4 = C4R4 KR3 R3Cx = kCn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：K = kCNR4（6-18）（6-19）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P

23、T1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。图6-14相位差法检测tan原理框架图6.3.2 相位差法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1. 频率f引起的误差2. 电压互感器引起的固有误差3. 谐波的影响4. 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10s，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。6.3.3 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