3、精密点检暨电气设备在线检测

1、精密点检暨电气设备局部放电检测11. 电力设备在线检测的必要性及意义电能是现代经济发展的基础，电力设备的功能就是完成电能的生产和传输。其中设备的绝缘在很大意义上决定了设备运行的技术经济性和安全可靠性故障统计表明，电力设备失效的主要原因是绝缘故障造成（6080%左右）故障危害严重 巨大的经济损失危害人身安全2变压器GIS 架空线路及电力电缆发电机电容性设备主要的电气设备3停电原因( % )4绝缘的老化设备在制造、运输、装配等过程中不可避免地产生缺陷（气泡、受潮、机械损伤、裂纹等）设备在运行过程中，承受电、热、化学、机械、环境等各种应力及其复合的作用下，使得其绝缘性能逐渐下降甚至丧失的现象绝缘缺陷

2、类型：集中型的局部缺陷（贯穿性、非贯穿性两种）普遍性的缺陷54. 电力设备绝缘缺陷的征兆及特征量耐电强度、绝缘电阻、介质损耗角正切、泄漏电流、局部放电、油中气体含量、油中微水含量等。65. 电力设备的维护和检修绝缘状态检测在电力设备停电状态下，通过定期的绝缘性能的检查性试验，根据检查结果进行维护的方法。在线检测在电力设备正常运行状态下，通过在线检测监测的方法获取设备绝缘状态的数据，并据此制定维护策略的方法。7电气维修方式的演变过程事后修理BM（Breakdown Maintenance）或故障维修；2. 定期检修TBM（Time Based Maintenance）或预防性维修PM（Preve

3、ntive Maintenance）；3. 状态维修CBM（Condition Based Maintenance）或预知性维修（Predictive Maintenance）。8事后维修体制早期技术及管理水平都很低 ，即使再重要的设备也只能坏了再修。以致工作毫无计划性，供电可靠性很低。 简单方便，对消耗性产品是有效的。 随着电力系统的不断扩大，设备故障所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。9计划维修 绝缘监测与电气设备试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有40年的使用经验。 试验、大修和小修构成了计划维修制

4、的基本内容。101. 维修周期频繁2. 试验项目过多3. 经济性差4. 增大不安全因素5. 过度维修6. 维修不足7. 预防性试验条件与实际运行工况不同计划维修制的种种弊端设备的现代化对设备的维修体制提出了变革的要求，设备运行的高可靠性和维修方式的经济性已成为电力系统降低运行成本的关键。 11发展中的维修体制状态维修状态维修方式的基本思想“治于未病” 采用状态监测和故障诊断技术后，可使预防性维修过渡到预知性维修 状态维修，从到期维修过渡到该修则修，为变电站无人化提供了技术支持。12 状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。 通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备

5、可能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。 实现“无病不修、有病才修、修必修好”的目的。 状态维修的必要性13 虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但大多都具有一个的较为缓慢的发展过程，在这期间会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生渐进的量变。根据这些特征量值的大小及变化趋势，即可对设备的可靠性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。 状态维修的技术可行性14设备状态状态监测故障诊断维修决策状态维修的基础15 绝缘水平监测参量

6、稳定运行阶段 危险水平 注意水平 实施修复 危险阶段 注意 阶段 劣化阶段 初期 T 状态维修示意图 破坏点 16运行现场的两种检测方法带电检测 (On-site detection):对在运行电压下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行的检测。 在线监测 (On-line monitoring):在不影响设备运行的条件下，对设备状况连续或定时进行的监测，通常是自动进行的。 17设备状态维修管理系统18两种维护方式的特点状态维修体制可有效地使用设备，提高了设备的利用率可降低维修费用有目标地维修可提高维修水平 19在线监测的发展概况及趋势国内发展80年代起步代表机构:清华,西交大,重大,华电,电科

7、院,武高所等截至目前为止，以油色谱分析、输电线路红外监测等为代表的多项在线检测技术迅速成熟并正在大力推广应用。无人值守变电站的增多使得站内视频、温度等环境监测被广泛采用；近几年，输电线路覆冰监测、介质损耗监测、微水监测、气体泄露监测等技术都迅速发展起来，并涌现出一批专业从事在线监测技术与产品的公司，如宁波理工、河南中分、西安金源、重大海吉等。 20局部放电的成因制造过程中的局部缺陷（如气泡、裂缝、悬浮导电质点和电极毛刺等）正是这些缺陷会造成绝缘体内部或表面出现某些区域电场强度高于平均电场强度，当这些区域的击穿场强低于平均击穿场强时，将会首先发生放电、而其它区域仍保持绝缘特性，从而形成局部放电

8、。绝缘在电、热、机械等应力长期作用下产生的老化21局部放电的劣化机理局部放电引起介质劣化和损伤的机理是多方面的，主要包括三种效应：（1）带电质点(电子和正、负离子)对介质表面的撞击，切断分子构造；（2）由于带电质点撞击介质，在放电点引起介质局部温度上升，使介质加速氧化，导致材料的机械、电气性能下降。（3）局部放电产生的活性生成物对介质的氧化作用使介质逐渐劣化。 22局部放电基础 放电脉冲(Partial Discharge，缩写为PD)可用合适的检测电路测量到的电流或电压脉冲 放电重复率测量时间内平均每单位时间内的脉冲次数 放电起始时间ti电压过零点到放电起始时的时间）放电起始相位i = 36

9、0 (ti / T)23局部放电基础 视在电荷量 (Apparent charge q )在局部放电时，绝缘体施加电压的两端上出现脉动电荷称为视在放电电荷。视在放电电荷的大小是这样测定的：将模拟实际放电的瞬变电荷注入试样施加电压的两端，在此两端出现的脉冲电压与局部放电时所产生的脉冲电压相同，则注入的电荷量即为视在放电电荷量，单位用pC表示。 24绝缘内的电场分布开始外加电压时空穴内没有初始电荷25绝缘内的电场分布空间电荷改变了电场分布=绝缘体其他部分的电场增强并使其劣化几率增加26绝缘缺陷的电气模型经典三电容模型2728局部放电的征兆及检测方法电磁辐射射频声子超声波 电荷迁移-电流脉冲(脉冲电

10、流法)PD材料分解(DGA方法)HF(3M-30MHz)VHF(30M-300MHz)UHF(300M-3GHz)光发射(光测法)产生热量(测温法)29气相色谱法(DGA)化学检测法(罗杰斯比值法)优点：受外界电磁干扰影响相对较小，准确度较高缺点：油气分离时间长，实时性差，对突发性故障不灵敏30脉冲电流法当变压器内部出现局部放电时，在出现脉冲电流信号的出线端、套管末屏接地线、铁芯接地线等处，利用电流传感器在这些点测量局部放电脉冲电流信号并进行分析，这种方法称为脉冲电流法。 脉冲电流法主要利用局部放电频谱的较低频段部分，一般为数kHz到数百kHz 。常规电流传感器采用电耦合的方式，包括RC和RL

11、C两种检测阻抗，RC型检测阻抗一般是宽带测量，多用于试验研究；RLC型检测阻抗多串接在变压器套管末屏接地线，作为窄带测量。 31超声波(AE)法检测局放产生的声发射优点：不影响电气主设备的安全运行，受电磁干扰影响较小缺点：声波阻抗复杂，超声波信号传播途径复杂、衰减严重，检测灵敏度较低32其他方法光纤技术光纤超声波法测量原理：当局部放电的超声波信号传播到光纤上时会发生碰撞从而使光纤发生形变，紧接着导致光纤的长度和折射系数发生变化。光波在光纤中传播时受到超声信号的相位调制，然后采用合适的调制解调器把局放的超声波信号提取出来 光测法测量局部放电产生的光来探测局放尽管在实验室里采用光学技术对电气设备的

12、局部放电和老化等做了许多有用的研究，但该技术达到现场应用还有很大的距离。造成这种局限的主要原因变压器结构复杂，不透光，且有光学设备的造价高 33其他技术红外测温法红外检测是基于局部放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像原理实现热点测量。目前针对变压器外部故障（包括导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和变压器套管故障等）是有效的 由于变压器结构和传热过程的复杂性，要利用红外成像方法直接检测变压器本体内部的局部放电是十分困难的。34UHF法高频RF检测、超宽带(300M-3000MHz)国外KEMA公司，Deft大学、法国Alstom公司、英国Strathclyde大学；国内清华大学、

13、西安交通大学、华北电力大学、重庆大学等都展开了大量的理论和工程探索，大大推动了该方法的研究和应用优点：灵敏度高、抗电晕干扰、非接触式检测，更安全，适合在线，理论上可定位缺点：发展不完善，诊断判据、定位（变压器）技术都有待于进一步发展35电晕放电发生部位: 高压导体尖端、毛刺 地电极尖端等、毛刺局部放电的模式识别36电晕放电的谱图 (高压端为针电极)37沿面放电发生位置: 套管 电缆终端、接头 发电机线圈38沿面放电特征: 正负半周均有放电 发生在零点与峰值之间 峰值点后无放电现象 可沿放电通道延伸 脉冲幅值高于气泡或空气间隙放电39沿面放电谱图40内部放电（空穴型放电）位置: 固体或液体绝缘中

14、充气的空隙部位主要原因气体绝缘低电气强度气隙中电场增强41内部放电42特点: 两半周均有放电，波形基本对称 多发生在零点与峰值之间 电压增加，幅值无明显变化，放电密度加大内部放电43内部放电谱图44悬浮放电位置: 分接引线、导线接头连接不良等因加工损伤而刮伤的金属屑螺栓松动等安装中遗落的金属组件等45特点加压到一定程度，放电突然出现，放电幅值、间隔大体相等随电压升高，脉冲出现的频率加快，幅值则基本不变。统计谱图呈现比较典型的“柱状”分布，放电几乎遍布所有相位，电压峰值后发生较少 悬浮放电46悬浮放电统计谱图Qmax统计谱图 N统计谱图 47局部放电定位方法电气法超声波法UHF法48定位方法超声

15、波定位法原理：利用放电产生的超声信号和电脉冲信号之间的时延，或直接利用各超声信号的时延，假定声波直线传播，根据各传感器坐标及所测时延，采用最小二乘原理求解等值波速及PD位置。局限性：声波在变压器结构内衰减严重，许多情况下难以保证传感器有效地检测到PD信号，造成定位失败。（据现场人员介绍，超声定位成功率仅为30%）变压器结构复杂，超声波信号在不同介质中的等值声速难以准确确定，加之定位算法不尽完善，造成定位不准49定位方法电气定位法根据局放脉冲沿变压器绕组传播规律 (如电容性分量与行波分量到达时延、绕组两端电容分量之比或检测信号频谱特征等)进行定位的方法。电气法定的是局放发生的电气位置而非几何位置

16、目前，实际中很少采用电气法。其主要原因在于：对变压器绕组精确建模难度较大、工作繁琐，通用性差变压器绕组结构复杂，局部放电发生部位的不同，传播到绕组端部的脉冲规律性不强现场电磁干扰强烈，该方法在线应用受限制。50定位方法超声波与RF联合检测定位原理：以局放射频信号作为触发基准，测量放电信号传播时延进行定位。此外，还有采用基于特高频和超声波相控接收阵的新方法特点：以局放射频信号作为触发可解决现场难以获取脉冲电流信号的问题。该技术的关键在于解决超声波检测灵敏度的问题，以及变压器结构对声波波速严重影响的问题。关于该方法的实际效果还有待于接受工程实践的检验。51特高频(UHF)定位方法背景2003年，英

17、国学者Judd提出采用UHF法基于最短光程原理对变压器局放进行定位的思想。即利用多UHF传感器检测PD信号的时延，结合波传播的最短路径搜索，确定放电位置。传感器安装示意图；其中L1,L2,Lm为从放电源到各传感器的信号传播时延最短的路径长度最短传播路径的三维显示52基于UHF的变压器局部放电定位技术 变压器UHF局放定位的传感器平面阵列布置方案 4个传感器布置在放电的同侧在铁心两侧各装一组传感器，可实现全空间定位阵列的优点避免铁心影响算法只考虑直线传播问题各传感器接收信号的波形相似度高，有利于提高时延的精度 53变压器局放UHF定位系统4路短探针单极天线4个1G-6GHz宽带放大器LeCroy Wavemaster 8620示波器，6GHz，20GS/s，示波器建立时间约58ps放大54定位试验模型压电打火注入，单极探针发射悬浮放电针板放电气泡放电55典型波形56油阀式传感器带电安装；可靠密封；排气功能57油阀传感器安装第一步在阀门关闭的情况