第二讲绝缘的监测与诊断.ppt

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1、第二讲：绝缘的监测与诊断,第一节. 液体、固体介质基础知识回顾,内绝缘一般由固体介质和液体介质联合构成,内绝缘具有的特点：,不受外界大气条件变化的影响；,对包含固体介质的内绝缘，绝缘击穿 是非自恢复的；,长时间工作下逐渐老化；,常用的液体和固体介质为： 液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻璃、硅橡胶,在电场作用下，电介质中出现的电气现象 可分为两大类:,一. 电介质在弱电场下的电气特性,极化的概念、基本形式、介电常数,极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、 负电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩的现象,极化的基本类型：电子式极化、离子式极化、

2、 偶极子极化、夹层极化、空间电荷极化,介电常数来表示极化强弱,2.电介质的电导、电导率,电导：在电场的作用下，由带电质点沿电场方向 移动而形成电导电流 要点： 带电质点主要是离子，也称离子式电导 指标：用电导率(s/)表示,电阻率,电介质的电阻率具有负的温度系数,任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。,在直流电压作用下仅有电导损耗，可用 来表征，在交流电压下包括电导损耗和极化损耗，用介质损耗角正切 表征。 仅反映介质本身的性能，与介质尺寸无关。,介质损耗，,二. 液体电介质的击穿,纯净液体介质的击穿理论 ：电击穿理论、气泡击穿理论（小桥击穿理论）,

3、工程用变压器油的小桥击穿理论,击穿理论,变压器油击穿电压的影响因素,2. 电压作用时间,3. 电场均匀度,4. 温度,油品质的影响：含水量、含纤维量、含气量,5. 压力,提高变压器油击穿电压的方法,提高并保持油的品质 提高：去杂质、水分、有机酸过滤、防潮 去气体真空注油法 保持：装置吸附剂过滤器，可使正在运行的油不断净化,2 采用“油屏障”绝缘 如覆盖 、绝缘层、加隔板 阻止贯通行杂质小桥的形成和发展 ，改善油隙中的电场分布,（本节完）,小 结,纯净液体介质的击穿可用以下理论来解释： 电子碰撞电离理论 气体小桥理论 用气泡击穿理论来解释工程用变压器油击穿过程 变压器油击穿电压的影响因素 水分和

4、其他杂质 油温 电场均匀度 电压作用时间 油压的影响,三.固体介质的击穿,固体介质的击穿理论 电击穿理论 热击穿理论 电化学击穿 影响固体介质击穿电压的主要因素 电压作用时间 电场均匀程度 温度 受潮 累积效应,电过程（电击穿） 热过程（热击穿） 电化学过程（电化学击穿）,在电场作用下，固体介质可能因以下过程而被击穿：,实际电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂 的，常取决于以下多种因素：,介质本身的特性； 绝缘结构形式； 电场均匀性；,外加电压波形； 外加电压时间； 工作环境（周围媒质的温度及散热条件） 常用的有机绝缘材料，如纤维材料(纸、布和纤维板)以及聚乙烯塑料等，其短时电气强度很高，但

5、在工作电压的长期作用下，会产生电离、老化等过程，从而使其电气强度大幅度下降。 所以，对这类绝缘材料或绝缘结构，不仅要注意其短时耐电特性，而且要重视它们在长期工作电压下的耐电性能。,组合绝缘,组合目的：同时满足电气性能、机械性能、 热性能的要求,配合原则：在外加电压的作用下，组合绝缘中各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正比，这样整个组合绝缘的电气强度最高，各种绝缘材料的利用最合理、最充分。,绝缘常见形式：多种介质构成的层叠绝缘。理想情况下，组合绝缘中各层绝缘承受的电场强度与其电气强度成正比。,直流电压下：各层绝缘分担的电压与其绝缘电阻成正比，亦即各层中的电场强度与其电导率成反比。 工频交流和

6、冲击电压下：各层所承担的电压和各层电容成反比，亦即各层中的电场强度与其介电常数成反比。,小 结 高压电气设备一般采用多种电介质组合的绝缘结构； “油-屏障”式绝缘结构中应用的固体介质有三种不同的形式，即覆盖、绝缘层和屏障； 绝缘油和绝缘纸组成“油-纸”绝缘，击穿场强大大提高； 分阶绝缘的原则是对越靠近缆芯的内层绝缘选用介电常数越大的材料，以达到电场均匀化的目的。,第二节 绝缘监测和诊断的基本概念,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影响，其性能会逐渐劣化，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，可了解并评估绝缘在运行过程中的状态，从而能早期

7、发现故障的技术称为绝缘监测和诊断技术。,绝缘监测和诊断技术有离线和在线之分,离线监测和诊断：要求被试设备退出运行状态，通常是周期性间断实施；,在线监测和诊断：被试设备处于带电运行的条件下，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；,对绝缘的监测和诊断技术包括3个环节：,（1）正确选用各种传感器及测量手段，检测或监测被检对象的种种特性，采集各种特征参数；,（2）对原始的杂乱信息加以分析处理（数据处理），去除干扰，提取反映被测对象运行状态最敏感、最有效的特征参数；,（3）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。同时

8、，对绝缘性能的发展趋势进行预测，从而对故障的发生情况作出判断，并能为下一步的维修决策提供技术根据。,由于绝缘的特征和其状态一般不是一一对应的，因而要根据研究结果与经验，建立一定的诊断规则。根据诊断规则的不同可将诊断方法分为以下3类：,逻辑诊断；,模糊诊断；,统计诊断；,被测对象的特征和状态均采用二值逻辑量来表示,被测对象的特征和状态用多值逻辑量的特征函数来表示,考虑被测对象特征参数分布的不确定性,非破坏性试验（绝缘特性试验）：指在较低的 电压下或用其他不损伤绝缘的方法测量绝缘的 各种特性，由此判断绝缘内部的缺陷。 绝缘电阻和吸收比、泄漏电流、介质损耗角正切、 电压分布、局部放电、油中溶解气体的

9、色谱分析,非破坏性试验可以离线进行，也可在线进行,为了对绝缘状态作出判断，需对绝缘进行各种试验和监测，统称为绝缘预防性试验,绝缘预防性试验分为两类：,破坏性试验（耐压试验）：指在绝缘上施加高 于工作电压的试验电压，直接检验绝缘的耐压 水平。 交流耐压试验、直流耐压试验、雷电冲击及操作冲击耐压试验,耐压试验只能离线进行,第三节 绝缘特性试验项目及其检测方法,一. 绝缘电阻和吸收比,绝缘电阻R：施加直流电压时测得的电阻，通常指吸收电流衰减完毕后测得的稳态电阻值。,吸收比：,K11，K1值越大，表示吸收现象越显著，绝缘的性能越好,测试功效 : 可有效地发现：（1）两极间有贯穿性的导电通道 （2）大面

10、积受潮 （3）表面污秽 不能发现的缺陷： (1) 绝缘中的局部缺陷 (2) 绝缘的老化,测量方法 : 一般用兆欧表进行绝缘电阻与吸收比的离线测量,泄漏电流测量,试验电压比兆欧表工作电压高得多: 35kV以下设备：1030kV 110kV及以上设备：40kV,电压可随意调节，可监测泄漏电流的变化,能发现兆欧表不能发现的某些绝缘缺陷,离线测量方法：用微安表直读法测量泄漏电流,二. 介质损耗角正切 的测量,1测试功效,有效：整体受潮、全面老化 b小电容试品的严重局部缺陷 绕组上附积油泥 绝缘油脏污劣化等,很少有效：大容量设备的局部缺陷,离线测量方法：目前应用比较普遍的是用西林电桥测量,绝缘中的局部放

11、电是引起电介质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。,三. 局部放电及其测量（Partial Discharge,PD),局部放电的基本概念，表征局部放电的重要 参数。 局部放电检测发展历史及测量方法综述。 脉冲电流法的测量原理。 一些局部放电测量仪器。,1、局部放电基本概念,局部放电：指由于电气设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定的外施电压下发生的局部重复击穿和熄灭现象。,这种局部放电发生在一个或几个绝缘内部的气隙或气泡之中。,绝缘内部气隙局部放电等值电路,气隙每次放电所释放出的电荷量为：,真实放电

12、量 无法测量,放电时Ca 上的电压变动为：,即气隙放电时，试品两端电压会下降 ，这相当于试品放掉电荷q：,视在放电量,但qqr， q能相对反映qr的大小,直流电压下的局部放电比交流电压下弱得多,2. 表征局部放电的重要参数,(1) 视在放电量q,(2) 放电重复率N,(3) 放电能量W,通常指一次放电所消耗的能量,令,则脉冲电流：,放电能量：,设气隙开始出现局部放电（ ）时的外加电压瞬时值为 ，则有：,W的大小对电介质的老化速度有显著影响,3. 局部放电检测方法,伴随局部放电会出现许多现象：电气方面的如 电流脉冲、介质损耗增大、电磁波辐射等； 非电方面的如光、热、噪声、气压变化、 化学变化等，

13、利用这些派生现象可以对局部放 电进行测量。因此检测方法也分为电的和非电的两类。,(一). 非电检测法,超声波检测法（声测法),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，所发射的声波频谱很宽，可达到数MHz。,用于局部放电测量的超声检测系统，一般都包括三个基本部分，即声电转换、电信号放大以及信号显示。,声测量系统的方框图,一种声测法传感器,固体中常用传感器为测震仪（accelerometer）和 声发射（Acoustic Emission）传感器。测震仪有 着平滑的频率特性，测试频率可达5

14、0kHz以上。声发 射传感器有多个频段（30k1MHz），该传感器有 很强的方向性，一般来说只能测试某个特定方向的声信号。,Senaco AS100 声传感器 北京亚捷隆测控技术有限公司,声检测法的特点,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。,原理：通过测量局放产生的光辐射实现局放测量。光电转换后，通过检测光电流的特性 可以实现局放类型识别。,光检测法,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

15、出了声-光测法。,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）方法是一种简单、经济、有效的方法。,用气相色谱仪，通过检测变压器油分解出的各种气 体的组成和浓度来确定故障（局放、过热等）状态 的。局部放电引起的气相色谱特征是C2H2 和H2 的 含量较大。 特点：灵敏度高，操作简单，且设备不需要停电， 适合在线绝缘监测。 应用广泛,油色谱分析法（DGA , Dissolved Gas Analysis),(二). 电气检测法,目前局部放电电检测方法有： 介质损耗分析法（DLA） 无线电干扰电压法（RIV） 射频检测法（R

16、F） 超高频（UHF）检测法 脉冲电流法,介质损耗分析法（DLA）：局部放电要消耗能量，使介质产生附加损耗。外加电压越大，放电频度越大、附加损耗也就越大，本法就是基于测量这种附加损耗来检测局放的，这时一般也可利用西林电桥，测出介质的 关系曲线。,本法的优点是不需添置专用的测量仪器，缺点是灵敏度比脉冲电流法低得多，而且 随电压而增大的现象也可能是介质受潮等其他因素引起的，要排除这些因素的影响，并非易事。,超高频（UHF）检测法：超高频方式是通过检测变压器内部局部放电所产生的超高频（300-3000MHz）电信号，实现局部放电的检测和定位，同时可实现抗干扰。 UHF法灵敏度较高，能有效地 抑制外部

17、干扰并提高信噪比， 有很大的应用前景。,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局部放电检测仪； 1981年，Boggs、Fujimoto、Stone等人设计出

18、1GHz超高频局放检测仪；,脉冲电流法能给出定量的结果，目前规程中已给出了定量的标准,原理：发生局部放电时，试品两端出现瞬时的电压降落，在检测回路中引起一高频脉冲电流，将它变换成电压脉冲后用示波器等测量其波形或幅值，由于其大小与视在放电量成正比，经过校准就能得到视在放电量，一般单位用pC,脉冲电流法,基本测试回路,a)并联测试回路,b)串联测试回路,c)桥式测试回路,三种回路的基本目的都是把一定电压作用下的被试品 中产生的局部放电电流脉冲流过检测阻抗 ，然后 把 上的电压或 及 上的电压差加以放大后 送到测量仪器P（示波器、峰值电压表、脉冲计数器等） 上去，所测得的脉冲电压峰值与试品的视在放电

19、量成正比， 经过适当的校准，就能直接读出视在放电量之值（pC)，,数字化测试系统 传统方法是用示波器 观测脉冲信号 计算机辅助测试系统与传统的测试方法相结合,作出各种谱图和统计量，来分析局部放 电情况。,局 放小 结 局部放电的检测已成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。 试验内容包括测量视在放电量、放电重复率、局部放电起始电压和熄灭电压、放电的具体部位。 表征局部放电的参数主要有：视在放电量、放电重复率、放电能量等。 伴随局部放电会出现多种现象：包括电、光、噪声、气压变化、化学变化等。 局部放电的检测方法很多，包括非电检测和电气检测两大类。 主要介绍了脉冲电流法的测量原理，另外

20、介绍了噪声检测法、光检测法、化学分析法、超高频检测法等。,四. 电压分布的测量,在工作电压的作用下，沿着绝缘结构的表面会有一定的电压分布。 表面比较清洁时，其分布规律取决于绝缘结构本身的电容和杂散电容 表面染污受潮时，分布规律取决于表面电导。 通过测量绝缘表面上的电压分布亦能发现某些绝缘缺陷。 测量电压分布最适用于那些由一系列元件串联组成的绝缘结构。,以表面比较清洁的悬式绝缘子为例来分析,假如不存在杂散电容 和 的影响，沿串的电压分布应是均匀的，每片绝缘子上的电压为：,其中 为各元件对地电容， 为各元件与高压 导线之间的电容。,的影响是造成一定的分流，使最靠近高压导线的那片绝缘子流过的电流最大，因而分到的电压也最大。 的影响使最靠近接地端的那片绝缘子流过的电流最大，因而电压也最高，其余各片上的电压依次减小。 由于 ，所以 的影响更大。,零值绝缘子 若某一片绝缘子的实测电压低于标准值的一半时，可认定该片为劣化绝缘子,称为低值或零值绝缘子。,为使绝缘子串上的电压分布均匀一些，可采用在绝缘子串与导线连接处装设均压金具，它能增大 值，有利于补偿 的影响，所以能有效改善沿串电压分布。,在电力系统中，测量线路绝缘子串电压分布或检出零值绝缘子的工具有：短路叉、可调火花间隙测杆、自爬式检零工具等。,