毕业论文-电气设备绝缘状态的检测和诊断

1、哈尔滨理工大学学士学位论文PAGE PAGE IV电气设备绝缘状态的检测和诊断摘 要随着电力事业的迅速发展，对供电可靠性和用电安全性的要求在进一步的提高，电力设备绝缘状况检测和诊断技术的发展日益得到重视，新的检测设备和新的检测技术不断在推出。电力绝缘性能的优劣直接影响电气设备及材料的正常运行，因此电气设备绝缘性能的检测和故障诊断在电气工程施工中是极为重要的环节。多年来，由于电力设备的绝缘性能不符合设计要求或是电力设备的绝缘结构在工作中出现隐患而发生的安全事故不计其数。这些问题可能引起设备的损坏，电网系统的非正常运行甚至威胁作业人员的生命安全。所以研究电力设备绝缘检测与诊断技术对提高电力设备运行

2、可靠性、安全性具有极其重要的意义。本文的主要工作是对电气设备绝缘状态的检测和故障诊断技术进行了简单介绍，主要包括其经历的几个发展阶段、国内外的发展现状和其主要运用的主要技术。同时给出了电气设备绝缘检测的几个主要参数并对这几个参数的测量给出测量方法。介绍了整个检测和诊断系统的主要结构和组成部分，并对其中最为重要的传感器、采集系统、传输系统和诊断系统进行了系统的介绍。最后，介绍了现在在检测系统和诊断系统中运用的最新技术，即模糊人工神经元网络和专家系统的组成、工作原理和其在系统中的具体运用情况作了简单介绍。关键词：电力设备；绝缘监测和诊断；带电作业；人工神经元网络；专家系统AbstractDetec

3、tion and diagnosis of the insulation state for electrical equipmentAs the rapid development of the electric utilities, the requirements of the reliability of power supply and the safety for electricity are further improved. Nowadays the technology of insulating state detects and fault diagnoses at t

4、he electrical equipment are fully receiving attention, new technology and equipments are constantly released. The quality of insulating properties of the electrical equipment is a direct affection with the run of material and equipment; therefore it is a very important link that detecting insulation

5、 with power construction. For many years, many incidents involving electricity are caused by wrong-design insulation properties or wrong structure designed. These problems may lead damage of a equipment, unmoral grid system running or even worselife-threatening to the operating personnel. So the stu

6、dy in the technology of insulating state detects and fault diagnoses have a significant meaning to improve both the reliability and the security of the equipment. The main purpose of this paper is to show how we setting and measuring insulation parameters for a electrical equipment; basic informatio

7、n of online monitoring and diagnosing as well as the rising techartificial neural network and expert system.Keyword: electrical equipment insulation monitoring and diagnoses live working artificial neural network expert system目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328570018 摘 要 PAGEREF _Toc328570018 h I

8、 HYPERLINK l _Toc328570019 Abstract PAGEREF _Toc328570019 h II HYPERLINK l _Toc328570020 第一章 绪论 PAGEREF _Toc328570020 h 1 HYPERLINK l _Toc328570021 1.1概述 PAGEREF _Toc328570021 h 1 HYPERLINK l _Toc328570022 1.2国内外电气设备绝缘状态检测的研究现状 PAGEREF _Toc328570022 h 2 HYPERLINK l _Toc328570023 1.3电力设备绝缘状态检测诊断技术的发展

9、 PAGEREF _Toc328570023 h 3 HYPERLINK l _Toc328570024 1.3.1现代传感技术在电力设备监测中的应用 PAGEREF _Toc328570024 h 3 HYPERLINK l _Toc328570025 1.3.2信号处理技术在电力设备诊断中的应用 PAGEREF _Toc328570025 h 4 HYPERLINK l _Toc328570026 第二章 电气设备绝缘材料特性 PAGEREF _Toc328570026 h 5 HYPERLINK l _Toc328570027 2.1绝缘材料的种类 PAGEREF _Toc3285700

10、27 h 5 HYPERLINK l _Toc328570028 2.2电气设备的绝缘缺陷 PAGEREF _Toc328570028 h 6 HYPERLINK l _Toc328570029 2.3 绝缘老化 PAGEREF _Toc328570029 h 7 HYPERLINK l _Toc328570030 2.3.1 热老化 PAGEREF _Toc328570030 h 7 HYPERLINK l _Toc328570031 2.3.2机械老化 PAGEREF _Toc328570031 h 8 HYPERLINK l _Toc328570032 2.3.3电老化 PAGEREF

11、_Toc328570032 h 8 HYPERLINK l _Toc328570033 2.3.4电树枝 PAGEREF _Toc328570033 h 9 HYPERLINK l _Toc328570034 2.3.5水树枝 PAGEREF _Toc328570034 h 9 HYPERLINK l _Toc328570035 2.3.6化学树枝 PAGEREF _Toc328570035 h 10 HYPERLINK l _Toc328570036 2.4电气设备绝缘参数 PAGEREF _Toc328570036 h 10 HYPERLINK l _Toc328570037 2.4.1绝

12、缘电阻 PAGEREF _Toc328570037 h 10 HYPERLINK l _Toc328570038 2.4.2局部放电 PAGEREF _Toc328570038 h 12 HYPERLINK l _Toc328570039 2.4.3 漏电流 PAGEREF _Toc328570039 h 12 HYPERLINK l _Toc328570040 2.4.4 相对介电常数和介质损耗因数 PAGEREF _Toc328570040 h 13 HYPERLINK l _Toc328570041 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc328570041 h 15 HYPERLIN

13、K l _Toc328570042 第三章 在线检测和状态维修技术 PAGEREF _Toc328570042 h 16 HYPERLINK l _Toc328570043 3.1 概述 PAGEREF _Toc328570043 h 16 HYPERLINK l _Toc328570044 3.2 在线检测状态维修综述 PAGEREF _Toc328570044 h 17 HYPERLINK l _Toc328570045 3.3 在线检测和故障诊断系统的结构 PAGEREF _Toc328570045 h 19 HYPERLINK l _Toc328570046 3.3.1系统的组成 PA

14、GEREF _Toc328570046 h 19 HYPERLINK l _Toc328570047 3.3.2系统分类 PAGEREF _Toc328570047 h 20 HYPERLINK l _Toc328570048 3.4 系统各组成部分 PAGEREF _Toc328570048 h 21 HYPERLINK l _Toc328570049 3.4.1传感器 PAGEREF _Toc328570049 h 21 HYPERLINK l _Toc328570050 3.4.2 数据采集系统 PAGEREF _Toc328570050 h 24 HYPERLINK l _Toc328

15、570051 3.4.3 数据处理系统 PAGEREF _Toc328570051 h 25 HYPERLINK l _Toc328570052 3.4.4 诊断系统 PAGEREF _Toc328570052 h 27 HYPERLINK l _Toc328570053 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc328570053 h 29 HYPERLINK l _Toc328570054 第四章 基于模糊人工神经元网络的故障诊断方法 PAGEREF _Toc328570054 h 30 HYPERLINK l _Toc328570055 4.1模糊人工神经元网络的概念 PAGEREF _

16、Toc328570055 h 30 HYPERLINK l _Toc328570056 4.1.1 神经元的概念 PAGEREF _Toc328570056 h 31 HYPERLINK l _Toc328570057 4.1.2 神经网络的概念 PAGEREF _Toc328570057 h 31 HYPERLINK l _Toc328570058 4.2 前馈神经网络拓扑结构 PAGEREF _Toc328570058 h 31 HYPERLINK l _Toc328570059 4.3工作原理 PAGEREF _Toc328570059 h 32 HYPERLINK l _Toc3285

17、70060 4.4 BP网络学习过程 PAGEREF _Toc328570060 h 32 HYPERLINK l _Toc328570061 4.5 本章小结 PAGEREF _Toc328570061 h 34 HYPERLINK l _Toc328570062 第五章 专家系统在电力设备故障诊断中的应用 PAGEREF _Toc328570062 h 35 HYPERLINK l _Toc328570063 5.1专家系统概述 PAGEREF _Toc328570063 h 35 HYPERLINK l _Toc328570064 5.2采用模糊神经网络的方法来建立专家数据库 PAGER

18、EF _Toc328570064 h 35 HYPERLINK l _Toc328570065 5.2.1庞大复杂的在线检测数据处理需要建立专家处理系统 PAGEREF _Toc328570065 h 35 HYPERLINK l _Toc328570066 5.2.2专家系统的基本结构 PAGEREF _Toc328570066 h 36 HYPERLINK l _Toc328570067 5.2.3 专家系统中的模糊化应用 PAGEREF _Toc328570067 h 38 HYPERLINK l _Toc328570068 5.2.4基于模糊神经网络的电力在线监测的专家系统 PAGER

19、EF _Toc328570068 h 39 HYPERLINK l _Toc328570069 5.2.5电力在线检测专家系统的任务和功能 PAGEREF _Toc328570069 h 40 HYPERLINK l _Toc328570070 5.3 本章小结 PAGEREF _Toc328570070 h 41 HYPERLINK l _Toc328570071 第六章 总结 PAGEREF _Toc328570071 h 43 HYPERLINK l _Toc328570072 致 谢 PAGEREF _Toc328570072 h 45 HYPERLINK l _Toc32857007

20、3 参考文献 PAGEREF _Toc328570073 h 46 HYPERLINK l _Toc328570074 附录 PAGEREF _Toc328570074 h 48第一章 绪论1.1概述电力设备（electrical equipment）主要包括以发电设备和供电设备两大类，发电设备主要是电站锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、变压器等等，供电设备主要是各种电压等级的输电线路、互感器、接触器等。早期电力设备采取的是事后维修的方式，在使用设备直到它发生故障后进行维修。因此，对于大型设备，发生突发性事故将造成巨大损失。其后，发展为对电力设备进行定期的预防性试验和维修。电气设备检修

21、都是根据运行规程、一定的检修周期进行设备的大修或常规检修，以发现设备潜在缺陷。现在，定期预防性试验和维修己在各级电力部门形成制度，对减少和防止事故的发生起到了很好的作用。但预防性试验是离线进行的，有很多不足之处:(l)需停电进行试验，而不少重要电力设备，轻易不能停止运行。(2)停电后设备状态(如作用电压、温度等)和运行中状态不一致，影响判断准确性。(3)由于是周期性定期检查，而不是连续地随时监测，绝缘仍可能在试验间隔期内发生故障。(4)由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划也需进行试验和维修，造成人力物力浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成对设备的损坏，即过度维修。但是近些年来由于用电

22、负荷的提高和电力主设备的增多，对电气设备的可靠性的要求也在提高。对于之前的周期性的离线检测甚至是事故后的维修已经逐渐不能满足人们的要求，不能满足当今电网运行的实际情况。所以现在一种新型的电力设备绝缘状态的检测方法正在为大家所熟知，即以在线状态检测和故障诊断维修为基础的状态维修技术。这种方法简单来说就是当电网内的某电气设备在运行时在线对其进行状态诊断和维修。当然我们通过这种技术也能实现对在线设备的实时监控。在线检测维修技术避免了早期预防性实验和事后维修技术的种种弊端。电网内设备的检测和维护现在正在从过去的预防性维护向预知性维护即状态维护的方向发展。虽然预防性实验和事后维护存在着很多弊端，但现阶段

23、电气设备绝缘状态检测和诊断方面还是必不可少的。无论是使用何种方法进行检测，只要能有效地监测设备的状况都能受到欢迎。总之，在电气设备的绝缘状态的检测和诊断技术方面，必须推陈出新，不断实践才能做到最高效、最经济、最安全地对电气设备进行绝缘检测。本文的研究方向主要围绕现阶段主要的在线检测方法，对比各种在线检测方法的优缺点以及讨论在线检测今后的发展趋势。电力设备的状态检测的目的就是为了及时发现设备缺陷，避免事故发生，同时也为状态检修提供实验依据。1.2国内外电气设备绝缘状态检测的研究现状 国外，特别是西方国家对电气设备的状态检测和诊断技术很重视，早在60年代就已经提出了在线状态检测这一概念。在20世纪

24、70年代美国杜邦公司首先提出了状态检修(C. B. M. Condition based maintenance)。这是从预防性检修发展而来的更高层次的检修体制，是一种以设备状态为基础、以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。这种方式就是现代在线检测诊断的雏形。这种检测方式能对电气设备及时而有针对性的进行检测和维护，这不仅能极大提高设备使用率，也大大降低了维护费用，同时能够很好的排除安全隐患。这是一项技术革新，与之前的预防性实验相比，其更具有主动性。 欧洲一些工业国家的电力设备诊断技术研究和开发都有了进展，而且各具自己地专长、领域和特色。如丹麦B&D公司的声学与振动检测和诊断技术，瑞典的AGE

25、MA公司红外测温技术，其红外热像仪广泛地用于电力部门带电部件及输电线测温，瑞典SAP仪表公司轴承监测技术等。国际大电网会议于1990年发表了关于电气设备绝缘诊断技术的综述性报告，对这一领域截止80年代末的研究成果作了系统的总结。 相比较而言，我国在这方面的研究起步就较晚。我国设备诊断技术的研究开发是从70年代末期开始的。从80年代开始，国内大专院校，科研所等开展了电力设备诊断技术的开发，研制并取得了一批成果。北京电力科学研究所、清华大学、陡河电厂联合开发了大型汽轮发电机振动监测和故障诊断系统，华中理工大学开发地200MW汽轮发电机组地寿命管理和故障诊断专家系统，可以诊断各类原因的振动故障;华北

26、电力科学院利用美国ENTEK公司电动机诊断软件开发了电动机诊断专家系统，在电厂实测55台电动机，准确度高;东北电力科学研究院研制成功BZS变压器油色谱在线监测装置，武汉高压研究所研制成功变压器局部放电诊断装置，都获得广泛运用;红外线监测技术在全国电力系统获得了广泛运用。国内外这项技术的发展和应用实践证明，状态监测与故障诊断系统能实时掌握电气设备的运行状况、电气参数的特性，减少突发性故障的发生，提高设备的安全可靠性和运行效益，降低设备强迫停运率、维修成本和寿命周期费用，延长设备的使用寿命，从而增加电力系统的经济效益。但是由于状态监测与故障诊断技术的难度，不论是国内还是国外，除个别项目外，大都还不

27、成熟，仍处于研究发展阶段。1.3电力设备绝缘状态检测诊断技术的发展随着传感器、计算机、光纤等高新技术以及数学理论应用，人工智能技术的发展，为监测和诊断提供了进一步发展的空间。监测与诊断过程分为信号检测、信号处理及其特征提取、状态判别与分类、趋势预测等几项基本内容。在监测过程中，状态判别主要关心的是设备系统的整体状况，而在故障诊断中，状态分类则是在发现设备异常后，对故障进行深入的分析，已确定故障发生的部位、严重程度及其原因，为诊断决策提供依据。1.3.1现代传感技术在电力设备监测中的应用现代测试技术是以信号采集、信号传输、信号处理为主干，传感是测量与检测的第一步。随着科技的发展，新的测量传感技术

28、在电力设备监测中有了更为广泛的应用，由此发展的光纤传感技术、噪声监测技术、红外测温技术、声发射技术，无损探伤技术等拓宽了传统的电力设备的测量范围，提高了测量的准确性，使电力设备监测与诊断技术得到了重要发展。例如一种基于单片机的高压断路器综合在线监测系统。通过采用了绝缘泄漏电流传感器准确测量微安级泄漏电流;直线位移传感器来监测断路器动触头速度和行程:跟踪性霍尔电流传感器分合闸线圈回路电流、储能电机电流及短路电流:实现多参量的综合监测来判断断路器的机械性能的系统，全面地了解断路器的运行状态。又如一种利用光纤温度传感器来测量真空断路器触头温度，不仅能够直接诊断真空断路器的长期稳定温升，还可以估计触头

29、的接触压力。根据监测结果进行“状态维修”，对提高设备的不停电率和节省检修人力、物力有着重要的实际意义。例如一种六氟化硫气体密度的在线数字式监测装置，它通过压力、温度变送器采集断路器中SF6气体压力值和温度值，经过AID变换送至单片机，通过数字运算获得在线监测的SF6气体。1.3.2信号处理技术在电力设备诊断中的应用通过信号处理，能够抑止干扰、保留或增加有用的信号，提炼信号特征，从中获得与故障相关地征兆，利用征兆进行故障诊断。时域分析、快速傅立叶变换(FFT)频域分析、小波分析、小波包分析等信号处理提取技术的发展为进行诊断提供了前提条件。此处对小波分析在电气设备故障诊断中的应用作了简要的介绍，利

30、用小波变换的多分辨率性质，基于信号和随机噪声在小波变换域中不同的模极大值系特征，提取信号和噪声在多尺度分辨空间中的波形特征，而且根据表征该特征的小波系数模极大值传播特性的不同，来实现对信号波形的有效检测。小波分析能准确的反映故障发生的时间、位置等信息，并能对电气设备进行实时有效的状监视和故障诊断。基于小波包原理的振动信号处理方法，小波包变换能将己知信号按任意时频分辨率分解到更加精细频带，且提高了信号处理的频率分辨率，小波包正交分解后的信号具有各频带信号独立、能量守衡的特点。小波包分析继承了小波变换所有的时频局部化优点，能够为振动信号提供一种更精细的分析方法!它对多分辨分析没有细分的高频部分进一

31、步分解，从而高了信号的时频分辨率，是提取振动信号特征的一种很好的方法。基于小波变换的信号奇异性检测理论，对断路器合闸时的振动信号首先进行小波去噪处理，提纯有用信号。然后利用Hilbert变换提取信号包络，对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形。最后根据小波变换各尺度上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数，以此作为断路器故障诊断的一种特征参数，取得了较好的效果。第二章 电气设备绝缘材料特性2.1绝缘材料的种类电力设备由导电材料、导磁材料、结构材料和绝缘材料等组成。在电力设备实际运行过程中，绝缘结构的电气和机械性能往往决定着整个电力设备的寿命。所以电力设备的绝缘状态对电网的安全运行至关

32、重要。电力设备的绝缘材料大致可以分为固体、液体、气体三大类。如果进一步细分，则固体绝缘可分为注射绝缘和挤出绝缘，液体绝缘可分为绝缘油和纤维纸构成的油浸绝缘，气体绝缘中采用的绝缘气体有空气和SF6等。不同设备，不同电压等级和不同容量的电力设备应选用不同的绝缘材料，以满足绝缘要求。表2-1电气设备的主要绝缘材料绝缘材料主要构成材料特性用途云母绝缘物云母（片状与集层云母）热固性树脂（以环氧树脂为主）；带材（玻璃纤维，聚芳酰胺纸，聚酯薄膜）固体绝缘，高强度，高耐热，高耐局部放电电机油浸绝缘物绝缘油：矿物油、合成油；固体绝缘物：绝缘纸，半合成纸， 薄膜，层压纸液体绝缘，高电压绝缘，高压电场，无气孔变压器

33、，电容器，OF油浸纸电缆注塑型绝缘物热固性树脂（主要是环氧树脂），填充物（氧化铝、氧化硅等）固体绝缘，阻燃性，高强度，高耐热变压器，变流器，气体绝缘设备支撑物气体绝缘物SF气体绝缘，高耐电场，高消弧性充气变电设备挤出性绝缘物热塑性树脂（交联聚乙烯），外护层（聚氯乙烯）固体绝缘，高耐电场交联电缆成形绝缘物橡胶（乙丙橡胶等）固体绝缘，高耐电场CV电缆终端接头等陶瓷绝缘子，绝缘套管等固体绝缘，高耐电场设备的高压引出线2.2电气设备的绝缘缺陷电气设备的绝缘缺陷主要有两大类:一类是集中性缺陷，指集中于绝缘某个部分或某几个部分比较严重的缺陷。它又可分为贯穿性缺陷和非贯穿性缺陷。这类缺陷发展的速度最快，因此

34、带来严重后果的可能性也大。但是集中性缺陷比较明显，因而较容易事先察觉。另一类是分布性缺陷，指整体绝缘性能下降。它是一种普遍性的绝缘劣化，是缓慢演变和发展的。此类缺陷较难引起足够的重视，经常是由分布性缺陷演化到集中性缺陷，直至产生后果时才被重视起来。及早检测到绝缘分布式缺陷对绝缘检测技术提出了更高的要求。绝缘材料的绝缘特性在使用过程中的劣化，有的是可逆的，有的是不可逆的。可逆的劣化情况如受潮等情况，经过干燥等针对性的处理后可以恢复到原有特性;而不可逆的劣化则是由其它原因造成绝缘特性不可恢复的情况，这些变化过程又被称为老化。 表征不同绝缘系统劣化程度有多种不同的特征量。绝缘特征量可以分为两类： 1

35、、直接表征绝缘剩余寿命的特征量，如耐电强度、机械强度等；2、间接表征绝缘剩余寿命的特征量，包括绝缘电阻、介质损耗角正切、漏电电流、局部放电量、油中气体含量、油中微水含量等。绝缘检测的目的就是检测出这些特征量，并据此判断绝缘状况的好坏，提前做好设备的维护和更换。直接特征量是通过破坏性试验方法得到的，如高压耐压实验等，间接特征量可以通过非破坏性试验方法得到。此外，对不同老化因子，如电、热、水等因素作用规律的研究不断深入，提出了一些新的特征量，如第二电流激增点、直流分量、超高频放电频谱、超声振动特性等。所以定期对电器设备进行绝缘检测，可及时发现绝缘缺陷，避免事故的发生。2.3 绝缘老化 如上所述，集

36、中性绝缘缺陷相比较明显，比较容易实现察觉，而分布性缺陷，即老化发展速度慢，不容易被察觉，极易引起安全隐患。而电力设备的绝缘检测主要就是针对此类缺陷的。所以在此集中讨论绝缘老化的产生原因极其表现形式。绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝缘老化”。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的，最具代表性的主有:热老化、机械老化、电压老化等。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对老化的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。2.3.1 热老化热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的

37、影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从C-H键中H的脱离开始的。 热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。例如，XLPE材料被认为当拉伸率从初始的400%-600%降低到100%时寿命终止。 一般地区，大气的温度对热老化的作用不明显，炎热高温的地区作用相对大些，但不是主要因素，热老化主要是电力设备自身产生的比较大的热量所

38、致，如电能损耗、局部放电等引起的较大的温升。为了防止绝缘材料被氧化，减缓连锁反应的速度，一般都是采用添加抗氧化剂的方法。聚乙烯的抗氧化剂常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供H-，与氧化老化连锁反应中产生的COO-结合，以阻止连锁反应继续进行。大量实践经验的积累表明绝缘材料的热老化寿命与温度的关系服从Arrhenius定律，如下式所示。 (2-1) f (T)：表示老化状态的物理量;Ea:引起老化所必须的能量;T:热力学温度;fc, k:常数式中Ea, fc和k由材料的特性决定。由上式可以看出T越高，对材料的绝缘要求也越高，相同绝缘材料的使用寿命成指数下降。2.3.2机械老化机械老化是固体绝缘系

39、统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电-机械击穿”。2.3.3电老化电老化指的是在电场长期作用下，电力设备绝缘系统中发生的老化。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。 一般可以用绝缘材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。各种高分子材料的本征击穿场强都在MV/cm的数量级。但是，实际所以中绝缘材料的绝缘击穿强度比本征击穿强度要小很多。这其中的原

40、因是多种的，比如厚度效应、杂质的混入、制造时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。总之，本征击穿强度表征的是理想情况下材料的击穿场强。 固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论： (1)达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因此称为“电击穿”； (2)在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏，这被称为“热击穿”。 此外，还有上文提到的“电-机械击穿”即机械老化，也是原因之一。和热老化寿命类似，绝缘材料的电老化寿命t与电场强度E的关系满足“n次方法则”，如式（2-2）所示： （2-2）n值的

41、大小因为材料不同、材料中的缺陷不同等因素而不同。n越大，老化速度越缓慢，绝缘在额定工作电压下的寿命越长;反之，绝缘在额定工作电压下的寿命越短。在不同电场强度下，试验绝缘击穿的时间，依据式（2-2），作出log(t)和log(E)的关系曲线可以近似估计绝缘在额定工作电压下的寿命。当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境(水分、阳光等)等众多因素综合作用的结果，是一个非常复杂的过程，在推算绝缘材料使用寿命时应该尽量综合以上因素考虑。2.3.4电树枝 研究发现，在固体绝缘材料的高压击穿试验后，可以观察到类似树枝或者树根一样的击穿痕迹。在高电压工程学上，这种树枝状的绝缘击穿部分称为“树枝(tree) ”，

42、其发生、发展的现象叫做“树枝形成”。这种树枝是由电场的作用导致击穿所致，所以又被称为“电树枝”。电树枝产生的原因和电老化的原因一样有多种理论，但是尚无定论。其中有本征破坏说、离子碰撞说、龟裂发生说以及机械破坏说等等。现在实验室制造电树枝的方法是通过在插入绝缘材料内部的细针施加高压，这在一定程度上说明电树枝的形成和绝缘材料不均匀引起的电极效应有关。电树枝形成后会不断发展，直至形成直径数微米到数百微米的细小中空管，这是引起绝缘局部放电的原因之一。2.3.5水树枝橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相比较其绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课

43、电现象”的绝缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这种树枝结构和水有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区别，称之为水树枝。水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥后就不易观察到。水树枝多见十结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材料的PVC、丁基橡胶等聚合物中少有发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生，高频电压也能促使水树枝的产生。在显微观察下发现水树枝的结构和电树枝还是存在一定差别的。水树枝一般为直径0. 11微米的微小气泡的集合，它们之间由直径为0. 05微米的微小导管相连，这些微气泡和微导管中有水的

44、存在。树枝的发生一般需要二个条件：水、起点、电场，这为防止水树枝的产生提供了指导。首先，对于铺设在地面以下的电力电缆，要尽量避免与水直接接触。但是，完全和水隔离是比较难做到的。其次，消除绝缘材料中的微隙、杂质、凸起等作为水树枝产生的起点的部分，这是最现实有效的方法。2.3.6化学树枝在电缆绝缘介质中发现的树枝状结构还有一种为化学树枝。化学树枝主要是由于硫化物从电缆外围穿透绝缘层并与铜导体发生反应形成硫化铜，硫化铜渗透到聚乙烯电缆的缺陷部位，形成树枝状的结晶。化学树枝呈现为黑色或者红褐色的连续结构，在无电场的作用下也会发生。化学树枝经总结有以下几个特点：（1）电化学树枝的演变很慢，一般要几年之久

45、；（2）树枝沿电场方向发展，形状各异，当树枝发生在绝缘和屏蔽接触有缺陷的部位时，形如藻类、草地或羽毛状；当发生在绝缘内部有缺陷的部位时，形如蝴蝶结或羽毛状；（3）各类杂质和缺陷的存在是电化学树枝的发源地；（4）电化学树枝的成长与潮气对电缆的腐蚀相一致；（5）有电化学树枝的电缆并未发现局部放电的增加；（6）电化学树枝具有颜色，一般多为棕褐色；（7）可以在比电树枝低得多的场强下发生；（8）必要的条件是孔中要有硫等化学成分的溶液存在；（9）电化学树枝一般需要形成并发电树枝通道而击穿绝缘。总之，树枝状结构是绝缘老化、劣化后最常观察到的现象，它们的产生和生长是引起绝缘老化、劣化的最基本、直接的因素。研究

46、各种树枝产生、生长的机理和它们对绝缘的影响对于寻找防止绝缘材料老化和检测绝缘老化程度的方法是非常有意义的。绝缘介质在电场作用下，除了会出现电老化、水树枝、击穿等老化现象外，还呈现出极化、电导、损耗等其它重要特性。2.4电气设备绝缘参数传统的基本绝缘测试项目主要包括绝缘电阻、直流泄漏电流、电容和损耗因数、局部放电、直流耐压和交流耐压实验。从上述实验项目所测量的相关参数我们可以得知电气设备的一些主要的绝缘参数，这也是我们判断其绝缘性能的一个重要指标。2.4.1绝缘电阻绝缘电阻是施加于绝缘体上两个导体之间的直流电压与流过绝缘体的泄漏电流之比，即 （2-3）式中R是绝缘电阻，U是直流电压，I是泄漏电流

47、。一个绝缘体的绝缘电阻由两部分组成，即体积电阻与表面电阻。体积电阻是实施加的直流电压与通过绝缘体内部的电流之比；表面电阻是施加的直流电压与通过绝缘体表面的电流之比。绝缘电阻是由体积电阻与表面电阻并联组成的。影响绝缘电阻的主要因素有：（1）温度 在绝缘材料中，导体主要是靠离子迁移，温度升高时离子容易摆脱周围分子的束缚而产生位移，从而使体积电阻率呈指数式下降。 （2-4）式中：n是离子浓度；f是离子震动频率；q是离子所带电荷量；是离子每次迁移的距离；A是离子迁移活化能；T是热力学温度；K是玻尔兹曼常数。（2）湿度 水的电导比绝缘材料的电导大得多，特别是水中含有杂质时。同时水的介电常数大，它能降低离

48、子的电离能，因此绝缘材料在吸湿后，电阻率要明显下降。电气设备在超市的环境中停放后，在重新投入运行前，必须先测其电阻，若下降很多，就要烘干后再投入运行。（3）电场强度 在电场强度不高时，电阻率几乎与电场强度无关。但当电场强度很高时，电子电导起明显作用，这是电导随电场强度增高而明显增加。如随电场强度E所增加的 EQ f(1,2) aqE大于KT时，绝缘材料的电导率将随E2而增大。 （2.5）另外，当电压升高时，绝缘体中的某些缺陷，如裂纹或气泡，则可能产生放电，这是绝缘电阻也会有所下降。（4）辐照的影响 许多有机材料在强光后X射线，射线等辐照下，会产生各种光电流，而使绝缘电阻率明显下降34个数量级。

49、在辐照停止后相当长的时间内，这种效应依然存在。2.4.2局部放电在电气设备绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的电场强度打到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有击穿，仍然保持绝缘性能，这种现象就是局部放电。局部放电会逐渐腐蚀，损坏材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘体的击穿。所以，一般的电气设备不仅在出厂前要进行局部放电实验，而且在投入运行后还要经常进行例行测量。局部放电是一种复杂的物理过程，有电，声，光，热等效应，还会产生各种生成物。电气设备中的最基本的三种局放形式包括：（1）介质内部的局部放电;(2

50、)表面局部放电；（3）电晕放电。此外，在设备中也可能出现导体联结不好而产生的接触不良的放电，以及金属体没有点的联结，成为一个浮动电位体而产生的感应放电等。局部放电的表征参数：（1）基本表征参数：视在放电电荷，放电能量，放电相位；（2）累计表征参数：放电重复频率，平均放电电流，放电功率；（3）起始放电和熄灭电压：起始放电电压，熄灭电压。局部放电的各表征参数和很多因素有关，主要有：（1）电压幅值；（2）电压波形和频率；（3）电压作用时间；（4）温度；（5）湿度；（6）大气压力等。2.4.3 漏电流 绝缘电阻的线路中，各开关，部件，式样支架等本身的绝缘电阻都不是无限大的，它们中都存在着微小的漏电流。

51、漏电不但决定于测试装置，而且与环境条件，气候条件都有关。 电气设备在运行电压下，总有一定的漏电流通过绝缘体打到低电位处或流入大地。只要这种电流不超过一定的数值，电气设备的使用仍然是安全的。但是当电气设备中的绝缘材料老化，电气设备受潮或存在故障时，这种漏电流将会明显增大，它会造成火灾，触电或损坏设备等漏电事故。在安全技术规程中已规定一定要安装漏电断路器，它可以检出电路或用电设备上发生的漏电现象而自动切断电路。绝缘电阻的测量，实质上都是测量通过式样的泄漏电流。由于一般电网内运行的电气设备通过的电压都很高，泄漏电流相对较大，就不需要很灵敏的测试仪器，一般用微安表或毫安表就能满足灵敏度的要求。同时电压

52、高才能暴露出某些绝缘缺陷或受潮，老化等。因此，电气设备经常要在直流高压下测量泄漏电流。2.4.4 相对介电常数和介质损耗因数相对介电常数和介质损耗因数是电介质和绝缘体的两个主要特征，同时也是电气设备绝缘检测中的重要参数。在一般的电气设备中，都要求损耗因数小，因为损耗因数大，不但小号浪费电能，而且使介质发热，容易造成老化或损坏，在工作电场强度高，电压频率高的工作条件下尤为突出。对绝缘材料的介质损耗因数和相对介电常数进行测量，可以检测评定设备原件性能，同时也能判断绝缘系统中的含湿量，老化程度等。（1）相对介电常数 相对介电常数r是在同一电极结构中，电极周围充满介质是的电容Cx与周围是真空时的电容C

53、0之比，即 （2-6）若电极为平行板电极，则 （2-7）式中：A为电极面积；t为电极间距离；0为真空介电常数，8.854*10-12（F/m）在标准大气压下，干燥空气的相对介电常数为1.00053，因此工程上可以用空气电容代替真空电容C0。最终可以得到以下公式 (2-8)由此可见相对介电常数实际上是测量电容及电极，式样有关的尺寸。（2）介质损耗因数 介质损耗因数是式样在实加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值，用电路的概念来描述，可以把有介质损耗的绝缘体看成是电容和电阻并联或串联的等效阻抗。对于并联等效阻抗 （2-9）对于串联等效阻抗 (2-10)实际上介质损耗是很微小的，一般不能用普通的功

54、率表来测损耗因数，而是把试品视为上述的等效阻抗，测得结果以求的试品的损耗因数。（3）影响相对介电常数与介质损耗因数的因素 = 1 * GB3 电压幅值一般情况下，相对介电常数及损耗因数与施加的电压幅值无关。若是夹层极化，在高场强下将会使相对介电常数和损耗因数增大；若在绝缘体中有气泡，在电压超过起始放电电压后，测得的相对介电常数及损耗因数都会增大。 = 2 * GB3 频率各种极化过程都需要一定时间，若这实践比交变电场的周期长很多时，这种极化就来不及完成，相对介电常数就变小，频率低时，各种极化都存在，所以就大，而频率高时，夹层极化，偶极子极化可能来不及完成，只剩下电子极化，原子极化，所以就小了。

55、损耗因数主要是由偶极子极化，夹层极化造成的，当频率很高时，这些极化不存在，当然也就没有由它产生的损耗。但是频率很低，交变电场的周期比该极化过程所需的时间长得多时，极化完全跟得上电场变化而没有滞后现象，极化形成的电容电流与外加电压的相位差为90，这是也不会产生损耗，只有在该极化有之后现象时才会出现介质损耗，所以在有变化时，介质损耗因数出现最大值。 = 3 * GB3 温度温度升高会使分子间的束缚力减小，极化容易形成，因而介电常数增大；但当温度很高时，物质密度降低，而且分子的热运动加剧，从而使极化强度降低。在温度较低时，损耗因数也是在介电常数变化时出现最大值，而在温度很高时，由于电导产生的介质损耗

56、占主要地位，介质损耗就和电导一样随温度上升而指数式增长。 = 4 * GB3 湿度水的相对介电常数很大（=81），同时水分渗入会起增塑作用，是的极化更容易形成。使得介电常数明显增大，再加上水的电导也比较大，损耗因数也明显增大。2.5 本章小结本章的主要内容是介绍了电气设备绝缘材料的主要种类，分析了绝缘材料的劣化的成因、影响因素以及劣化对绝缘材料的影响。最后，列出了几种判断绝缘材料绝缘状态良好与否的测量参数，主要包括绝缘电阻、局部放电测量、漏电流、相对介电常数和介质损耗因数。对这几项参数的原理、测量方法以及影响因素进行了介绍。第三章 在线检测和状态维修技术3.1 概述电力系统要可靠运行，除了要求

57、网络结构合理、潮流分布合理及备用外，还要求包括高压设备在内的各组成部分具有很高的可靠性。电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘性能。大型电力变压器事故中，绝缘事故占80%以上。长期以来为防止事故的发生，对电力系统中运行着的设备一直坚持定期进行绝缘预防性试验的制度，这对保证设备在电力系统中安全可靠地运行，防止事故的发生起到了很好的作用。但是，传统的常规试验间隔时间长，因此不易及时发现设备绝缘缺陷，且停电试验还要造成一定的经济损失。加上随着电力系统的不断发展，变电站越来越多，变电设备台数急剧增加，许多单位已无法根据规程按时完成预防性试验任务，因而不得不加大预防性试验的时间间隔。这就造成往往无法及

58、时发现设备绝缘缺陷。预防性试验方法有以下缺点：（1）需要设备退出运行状态，降低了系统供电效率；（2）进行试验时必须设置临时试验线路，费工费时；（3）试验电压常常远低于实际运行电压，所测结果不是系统运行状态下设备的真正绝缘状况；（4）试验间隔过长而且集中，难以及时有效地掌握电力设备绝缘性能发展状况。导致电力设备绝缘事故常有发生，而事故之前停电试验的结果却往往正常；（5）预防性试验受运行条件、现场环境及温度影响较大，为测得准确结果和便于纵向比较，一般换算至相对湿度65 % ,温度20因此，对电力设备绝缘进行带电检测和在线监测势在必行。带电检测即是在工作电压下对电力设备进行绝缘试验;在线监测则是在设

59、备运行中，随时监测绝缘状况，并把计算机引入测量系统，对测量过程实现自动化，对数据处理实现智能化。同时，现代技术的飞速发展，特别是电子、计算机和各种传感新技术，也为开展电力设备绝缘的带电检测和在线监测提供了有利条件。绝缘的劣化、缺陷的发展，虽然具有统计性，发展速度也有快有慢，但大多数都有一定的发展期。在这期间，会发出反映绝缘状态变化的各种物理化学信息。对电力设备进行在线监测，可以及时和大量地取得各种即使是很微弱的信息，对这些信息进行处理和综合，就可以对设备绝缘的可靠性做出判断和对绝缘寿命做出预测，必要时还可提供预警或规定的操作。这样既可避免绝缘缺陷的扩大导致事故，也可避免盲目停电进行预防性试验。

60、对电力设备绝缘进行带电检测，可以缩短检测周期，提高及时发现绝缘缺陷的概率，从而降低绝缘事故率，这一点在电力设备投入运行的初期和老化期尤其重要。对电力设备绝缘进行在线监测，则可以进一步实现对绝缘的在线诊断，从而使电力系统从预防性维修阶段过渡到预知性维修阶段。目前，全国各省、市、自治区的电力部门大都开展了在线监测技术的研究与应用，并在电力系统的故障诊断上取得了良好的效果。3.2 在线检测状态维修综述20实际70年代以来，随着世界上装机容量的迅速增长，对供电可靠性的要求越来越高。考虑到原有预防性维修体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出预知性维修这一新概念。其具体内容是对运行中电气设备的绝缘状况进