《高电压工程》绝缘监测与诊断(一)1

2014/4/15复习、作业、预习•复习：5.1、5.2、5.3、5.4•作业：5-6、5-8，5-10、5-11、5-12•预习：5.5、5.6，静电原理及应用•罗宏昌，毕载俊，伍学正·《静电实用技术手册》，上海科学普及出版社，上海：1990年12月1第5章绝缘监测和诊断5.1绝缘监测和诊断的基本概念5.2绝缘电阻和泄漏电流的测量5.3介质损耗角正切的测量5.4局部放电的测量5.5耐压试验5.6耐压试验与预防性试验方法的特点5.7绝缘的在线监测（自学）3非破坏性试验（亦称绝缘特性试验）概念：在较低电压下或用其它不会损伤绝缘的方法测量绝缘的各种情况，从而判断绝缘内部的缺陷包含的种类：绝缘电阻试验、介质损耗角正切试验、局部放电试验、绝缘油的气相色谱分析等破坏性试验（即耐压试验）概念：以高于设备的正常运行电压来考核设备的电压耐受能力和绝缘水平特点：耐压试验对绝缘的考验严格，能保证绝缘具有一定的绝缘水平或裕度缺点：可能在试验时给绝缘造成一定的损伤包含的种类：交流耐压试验、直流耐压试验、雷电冲击耐压试验、操作冲击耐压试验5高电压工程—绝缘诊断第5章绝缘监测和诊断清华大学电机系周远翔25.1绝缘监测和诊断的基本概念绝缘的监测和诊断技术设备故障：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作用，其性能将逐渐劣化，以致出现缺陷，造成故障，引起供电中断监测和诊断概念：通过对绝缘的试验和各种特性的测量，了解并评估设备的绝缘在运行过程中的状态，从而能早期发现故障的技术称为绝缘的监测和诊断技术绝缘预防性试验概念：为了对绝缘状态作出判断，需对绝缘进行各种试验和监测，通称为绝缘预防性试验绝缘的监测和诊断技术分类按照对设备造成的影响程度分类：非破坏性、破坏性按照设备是否处于带电运行方式分类：在线、离线4离线方式概念：被试设备退出运行状态的测量方式特点：通常是周期性间断地施行，试验周期由电力设备预防性试验规程（DL/T596）规定；可采用破坏性试验和非破坏性试验两种方式，两种方式是相辅相成的；耐压试验往往是在非破坏性试验之后才进行缺点：对绝缘耐压水平的判断比较间接，尤其对于周期性的离线试验更不易判断准确在线方式概念：在线监测则是在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特点：通常是自动进行的；只能采用非破坏性试验方式；由于可连续监测，除测定绝缘特性的数值外，还可分析特性随时间的变化趋势，从而显著提高了其判断的准确性612014/4/15绝缘监测和诊断技术的三个基本环节传感器与测量方法正确选用各种传感器及测量手段，检测或监测被试对象的种种特性，采集各种特性参数数据处理：理对原始的杂乱信息加以分析处理(数据处有效的特征参数)，去除干扰，提取反映被试对象运行状态最敏感、绝缘诊断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对绝缘的发展趋势进行并能为下一步的维修决策提供技术根据预测，从而对故障提供预警，7统计诊断：即统计性。对于处于同样状态的同类设备，其特征参数并考虑到被试对象特征参数分布的不确定性，不相同，而按一定的统计规律分布。利用这些规律进行绝缘诊断f1(x)和f2(x)分别为完好和损坏绝缘某参数x的概率密度曲线绝缘完好和损坏时概率密度曲线不重叠某特征参数的概率密度两者重叠图95.2.1测量绝缘电阻与吸收比的工作原理双层介质模型的电流－时间特性吸收电流i(t)ABexp(t/)其中R1R2(C1C2)/(R1R2)A[U/(R1R2)]双层介质等值电路图BU(R221C1R2C2)/[(C1C2)(R1R2)R1R2]11绝缘诊断规则诊断分类：逻辑诊断、模糊诊断、统计诊断逻辑诊断：将特征只归结为“有”和“无”两种(或特征参数大于某给定的阈值则为“有”该特征，否则为“无”)，诊断对象的状态同样只归结为“有”和“无”，或量来描述。“好”和“坏”两种，即特征和状态均采用二值逻辑特点：准确度较低简单明了，应用较广，但把问题过于简化，诊断模糊诊断：述，而用多值逻辑的特征函数来描述，如某特征“很被试对象的特征和状态不用二值逻辑量描强”、“强”、“一般”、“弱”、“很弱”，某故障“严重”、“较严重”、“一般”、“轻微”、“无”等，然后按特征或状态参数的取值量确定归入某一类别特点：如采用连续变化的特征函数，判断可更加准确85.2绝缘电阻和泄漏电流的测量5.2.1测量绝缘电阻与吸收比的工作原理5.2.2测量绝缘电阻与吸收比的方法5.2.3泄漏电流的测量10i(t)ABexp(t/)绝缘电阻：直流电压U作用下通过仪表测出的U/i数值，简称为绝缘电阻工程应用上：把介质吸收过程的U/i也称作吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线绝缘电阻吸收比极化指数s10 min电阻时的绝缘电阻K的定义：RR为加压与15s时6060″15″之比值min时电阻时的绝缘电阻P的定义：为加压RR10′与11′之比值KR60''/R15''PR10'/R1'1222014/4/15绝缘状态的诊断若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮，则电阻R电流大大增加，时间常数1、R2会显著降低，泄漏τ大为减小，吸收电流迅速衰减即使绝缘部分受潮，只要R与R12中的一个数值降低，τ值也会大为减小，吸收电流仍会迅速衰减，仍可造成吸收比K或极化指数P的下降不同绝缘状态下绝缘电阻的变化曲线当K＝1或接近于1，则设备基本丧失绝缘能力135.2.2测量绝缘电阻与吸收比的方法测量仪表：的测量。为了测准吸收比，需用灵敏度足够高的一般用兆欧表进行绝缘电阻与吸收比兆欧表兆欧表的电压：500、1000、2500、5000V等兆欧表的种类摇表：欧表，俗称摇表现场仍较多采用带有手摇直流发电机的兆晶体管兆欧表：生交变电压，经变压器升压及倍压整流后输出直采用电池供电，晶体管振荡器产流电压兆欧表选择：同电压的兆欧表根据设备电压等级的不同，选用不额定电压1kV及以下者使用1000V兆欧表1kV以上者使用2500V兆欧表155.2.3泄漏电流的测量加直流用微安表直接测量测量电力变压器主绝缘泄漏电流的接线T1――调压器；T2――高压试验变压器；D――高压硅堆R――保护电阻；C――滤波电容；T――被试变压器17设备绝缘状况判断准则判断依据：电力行业标准DL/T596《电力设备预防性试验规程》判断标准电力变压器及大型发电机凡采用沥青浸胶及烘卷云母绝缘者：•K值应不小于1.3•P值应不小于1.5大发电机当采用环氧粉云母者：•K值应不小于1.6•P应不小于2.0建议：发电机容量在200MW及以上者推荐测量P值14例用摇表兆欧表测量电缆绝缘电阻转速：120 r/min读数时间：15 s和60s缺点：持续时间长时，人力难以维持解决的办法：采用晶体管兆欧表注意测量过程中温度的影响由于温度等因素的影响，绝缘电阻将发生变化测量时一定要记录环温和绝缘体（设备）温度用摇表兆欧表测电缆绝缘电阻的接线图注意纵向、横向对比1－铅铠外皮2－绝缘3－导芯165.3介质损耗角正切的测量5.3.1西林电桥的基本原理5.3.2反接法的西林电桥5.3.3存在外界电磁场干扰时的测量测试无线电材料：常采用高频施压法，所加的电压不高在电工界：测量tgδ的仪器和方法有多种，西林电桥测法和电流比较式电桥测法在线监测：采用微计算机对tgδ的测量1832014/4/155.3.1西林电桥的基本原理高压臂试品以Z无损耗的标准电容1表示C0，以阻抗Z2表示低压臂处在桥箱体内★可调无感电阻R3，以Z无感电阻R3表示以Z4和可调电容C4并联，保护：4表示放电管P电桥平衡：检流计G检零西林电桥的基本回路屏蔽：消除杂散电容影响抗电磁干扰19反接法的西林电桥在实验室内：及小设备，被试品可以对地通常测试材料绝缘现场试验中：地的试品，如敷设在地下的有许多一端接电缆及摆在地面的重大电气设备，要改成对地绝缘是不可能的，只能改变电桥回路的接地点。这样就产生了一种反接法的西林电桥反接法西林电桥的接线212.存在外界磁场干扰时的测量磁干扰源：现场试验附近母线电抗器、通信的滤波器和其他漏磁通较大的设备，可引起电桥回路的感应电动势和感应环流回路磁干扰：由于试品和标准电容器在工频下的阻抗很大，所以引起的误差不大检流计磁干扰：虽有良好屏蔽，但也容易收到干扰两次测量法：在有磁场干扰时，检流计两端接线对调，由对调前后的测量结果通过计算可得实际结果检流计正接：tgδ1=ω（C4+△C4）R4，Cx1=C0R4/（R3+△R3）检流计反接：tgδ2=ω（C4-△C4）R4，Cx2=C0R4/（R3-△R3）无磁场干扰时：tgδ=ωC4R4，Cx=C0R4/R3故可得tgδ=（tgδ1+tgδ2）/2Cx=2Cx1Cx2/（Cx1+Cx2）23电桥的平衡条件Z1/Z3=Z2/Z4串联等值回路tgδ=ωR4C4Cx=R4C0/R3并联等值回路tgδ=ωRCx=R4C44C0/[R3(1+tg2δ)]两种等值回路Cx相等tg2δ极小西林电桥的基本回路故两种等值电路的Cx相等205.3.3存在外界电磁场干扰时的测量1.存在外界电场干扰时的测量现场的试品：难以实现屏蔽，故干扰较严重两次测量法：消除或减小外界电场影响的测试方法，是采用两次测量第一次先调电桥到平衡，测得tgδ然后倒换试验变压器原边电1和Cx′源线的两头，即把试验电压U西林电桥的基本回路的相位转一个180°然后再测得第二次的数值tgδ强电场干扰时－tgδ的测量和Cx″2可计算得准确的tgδ和Cx值当外界电场很强烈时，有可能出现－δtgδ=（Cx′ tgδ1+Cx″ tgδ2）/（Cx′ +Cx″）要使电桥获得平衡，必须使C4Cx=（Cx′ +Cx″）/2与R4脱开而改为与R3并联225.4局部放电的测量5.4.1局部放电的基本概念5.4.2测量局部放电的几种方法5.4.3局部放电的脉冲电流测量法5.4.4脉冲电流法测PD的基本回路和检测阻抗5.4.5脉冲电流法的测量仪器及其校正5.4.6实施PD测量的其它技术问题2442014/4/155.4.1测量局部放电的几种方法局部放电的概念：缩写为PD（Partial Discharge）。指由于电气设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下发生的局部的重复击穿和熄灭现象局部放电的危害发生在一个或几个绝缘内部的气隙或气泡之中，在这个很小的空间内电场强度很大放电能量很小，所以并不影响电气设备的短时绝缘强度电气设备在运行电压下长期存在局部放电现象，这些微弱的放电能量和由此产生的一些不良效应，如不良化合物的产生，就可以慢慢地损坏绝缘，日积月累，最后可导致整个绝缘被击穿，发生电气设备的突发性故障255.4.2局部放电的脉冲电流测量法局部放电的三电容模型概念：以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电的机理介质内部气隙放电的三电容模型(a)具有气泡的介质剖面(b)等值电路模型参数三个电容的大小：气泡很小，CgCg：气泡的电容；比Cb大，Cm比Cg大很多Cb：和Cg相串联部分介质电容气泡上分担的电压：电极间加上Cm：其余大部分绝缘的电容交流电压u，则Cg上的电压为uguguCb/(CbCg)27放电量的计算总放电电容：当Cg放电时，放电总电容Cg′应为Cg'Cg[CmCb/(CmCb)]真实放电量△qr：Cg′上的电压变化为(Ug－Ur)，故一次脉冲放出的电荷△qr应为qC介质内部气隙放电三电容模型r(UgUr)[CgCmCb/(Cmb)]当Cm>>Cb，Cg>>Cb，Ur= 0时，△qr≈UgCgΔqr无法实测：在实际试验时，式中所表达的各个量都无法实测得到要寻求其它能反映局部放电的量来测量外施电压作用在Cm上，当Cg上的电压变动(Ug-Ur)时，会造成外施电压（即电容Cm上电压）的变化量△U应为UCb(UgUr)/(CmCb)由△qr、△U得Cm上的电压变化量UCbqr/(CgCmCgCbCmCb)视在放电量：Cm上相应的电荷变化量qU{Cm[CbCq/(CbCq)]}把△U式代入上式△q，可得qqrCb/(CgCb)△q比△qr小得多29介质内部局部放电的现象电磁现象：如电脉冲的产生，介质损耗的增大和电磁波放射非电现象：如光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化局部放电的检测电磁现象和非电现象可以用来判断局部放电是否存在由此产生的检测方法也可以分为电的和非电的两类测量局部放电的几种常见方法（1内所含的气体组成的含量来判断设备内部的隐藏缺陷）绝缘油的气相色谱分析法：通过检查电气设备油样（3绝缘）脉冲电流法：目前规程中已规定了定量的指标PD的强弱程度，这种方法可以给出定量的结果，测PD所形成的脉冲电流大小以判断（2前置放大器组成的超声波探测器，用以探测局部放电）超声波探测法：在电气设备外壁放上由压电元件和所造成的超声波，从而了解有无局部放电的发生，粗测其强度和发生的部位26放电起始相位uguCb/(CbCg)局部放电产生的过程气隙放电→放电熄灭→残余电压→重复放电熄灭伴随着声、光和电的信号发生，同时分解介质，产生各类气体局部放电时气隙中的电压和电流的变化放电重复率N的概念：表征PD的一个基本参数。在加压半周期内能发生好几个脉冲。所以定义一秒钟内产生的脉冲数叫做放电重复率N，可以通过实验求得重复率N值的计算：设每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n放电的电荷量（放电量，charge of PD）真实放电量视在放电量（apparent charge）28真实放电量：概念：△qr是缺陷处发生的实际放电量，称之特点：无法测量视在放电量：概念：△q是从外部间接反映缺陷处发生的放电量，称之特点：表达式中的量都是可以测得的，△q也是可以测得它是局部放电试验中的重要参量，国际和国家标准中，对于各类高压设备的视在放电量△q的允许值均有所规定从△q和△qr的关系式知，△q比真实放电量△qr小得多单位：计量单位为皮库（pC）3052014/4/15放电能量表征局部放电的基本参数，除了视在放电量△一次脉冲放电能量Wq外，还有Wqr(UgUr)q(CgCb)(UgUr)22Cb起始放电电压Us：当外施电压由零上升到Us时，CUg上的电压为g，即UUsCbqUs(UgUr)g(CgCb)W2Ug如UqUsr≈0，则W2315.4.3脉冲电流法测PD的基本回路和检测阻抗三种基本测量回路耦合电容器检测阻抗试品通过Ck后与检测阻抗试品与检测阻抗电桥平衡回路并联的回路相串联的回路335.4.5实施PD测量的其它技术问题1.抗干扰措施背景噪声的影响：背景噪音决定最小可见视在放电量，亦即决定测量系统的灵敏度，严重噪音将使局部放电测量无法进行抗干扰的关键：抗干扰措施在局部放电测量中是个严重任务。要消除干扰，必先找到干扰的来源干扰的来源送电线路的电晕放电无线电广播的电磁波开关的开闭电焊机、起重机的操作试区高压线放电导体接触不良试验回路接地不良试验变压器屏蔽不好内部有放电等等35局部放电的其它表示方法为了表征局部放电在一定期间内的平均综合效应，还提出了各种累积参数，如平均放电电流放电功率等起始放电电压Φ-Q-n图谱熄灭电压影响局部放电特性的主要因素电压的幅值（越大）电压越高，局部放电水平越高，介损电压的波形和频率电压的作用时间环境的温度、湿度和气压等325.4.4脉冲电流法的测量仪器及其校正校正的概念：通过试验来确定局部放电脉冲值，亦即PD的测量仪器进行实验校正qUCCqPD试验的直接校准回路342.按照国家标准施加高电压的过程PD试验：根据IEC及国标要求进行。国标规定对66kV及以上的电力变压器必须做局部放电试验加压方式（1）无预加电压的测量（2）有预加电压的测量测量中预加电压的作用：激发局部缺陷加压过程现行局部放电标准旧的局部放电标准电力变压器PD测试加压过程3662014/4/15本节内容总结了解绝缘监测和诊断的意义掌握破坏性试验和非破坏性试验的概念掌握在线和李显测量的概念了解预防性试验和绝缘诊断的意义掌握绝缘电阻和泄漏电流的测量方法以及在绝缘诊断中的作用掌握西林电桥测量tgδ的电气图及原理掌握西林电桥测量时抗电磁干扰原理和措施掌握交流电压下三电容法局部放电模型及测量、抗干扰等问题37高电压工程—第5章绝缘监测篇(To be continued)387