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1、高电压技术,屠幼萍+80798656 13691145432,第8讲 绝缘诊断与绝缘试验,绝缘监测和诊断的基本概念绝缘电阻和泄漏电流的测量介质损耗角正切的测量局部放电的测量耐压试验与预防性试验方法的特点总结绝缘的在线监测,一、绝缘监测和诊断的基本概念,绝缘的监测和诊断技术概念：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。通过对绝缘的试验和各种特性的测量，了解并评估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,绝缘的监测和诊断技术分类：1.按照对设备造成的影响程度分类（两类）非破坏性试验，亦称
2、绝缘特性试验：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：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。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、雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压试验,2.按照设备是否带电的方式分类（两类）离线：在离线的监测和诊断时，要求被试设备退出运行状态，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/T 5
3、96）规定特点：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。缺点是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：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，通常是自动进行的特点：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,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
4、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：对原始的杂乱信息加以分析处理(数据处理)，去除干扰，提取反映被试对象运行状态最敏感、有效的特征参数；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。并对绝缘的发展趋势进行预测，从而对故障提供预警，并能为下一步的维修决策提供技术根据。,绝缘诊断规则：规则分类：逻辑诊断，模糊诊断，统计诊断逻辑诊断：逻辑诊断中将特征只归结为“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“好”和“坏”
5、两种，即特征和状态均采用二值逻辑量来描述。逻辑诊断简单明了，应用较广，但把问题过于简化，诊断准确度较低,模糊诊断：考虑到被试对象的特征及状态评价的主观不确定性，即模糊性，许多情况不能简单地用“有”、“无”和“好”、“坏”来评定。模糊诊断中被试对象的特征和状态不用二值逻辑量描述，而用多值逻辑的特征函数来描述，如某特征“很强”、“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。如采用连续变化的特征函数，判断可更加准确。,统计诊断：考虑到被试对象特征参数分布的不确定性，即统计性。对于处于同样状态的同类设备，其特
6、征参数并不相同，而按一定的统计规律分布。利用这些规律进行绝缘诊断,(a)绝缘完好和损坏时(b)两者重叠图 概率密度曲线不重叠 某特征参数的概率密度,二、绝缘电阻和泄漏电流的测量,测量绝缘电阻与吸收比的工作原理测量绝缘电阻与吸收比的方法泄漏电流的测量,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,双层介质等值电路图,吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线,在工程应用上的表达方便，把介质处在吸收过程时的U/i也称呼为绝缘电阻R,双层介质等值电路图,吸收和泄漏电流及绝缘电阻的变化曲线,定义吸收比K：加压60秒时的绝缘电阻与15秒时电阻之比值 定义极化指数P：为加压10分钟时的绝缘电阻与
7、1分钟时电阻之比值 电力设备预防性试验规程等规定：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；大型发电机采用环氧粉云母者：K值应不小于1.6，P应不小于2.0；发电机容量在200MW及以上，推荐测量,绝缘状态的判定若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮，则电阻R1、R2会显著降低，泄漏电流大大增加，时间常数大为减小，吸收电流迅速衰减。即使绝缘部分受潮，只要R1与R2中的一个数值降低，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（及极化指数P，下同）的下降。当K1或接近于1，则设备基本丧失绝缘能力。,不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲
8、线,2.测量绝缘电阻与吸收比的方法,测量仪表：一般用兆欧表进行绝缘电阻与吸收比的测量摇表：为了测准吸收比，需用灵敏度足够高的兆欧表。现场仍较多采用带有手摇直流发电机的兆欧表，俗称摇表晶体管兆欧表：采用电池供电，晶体管振荡器产生交变电压，经变压器升压及倍压整流后输出直流电压兆欧表的电压：500、1000、2500、5000V等兆欧表选择：根据设备电压等级的不同，选用不同电压的兆欧表。例：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,兆欧表的原理结构图,例：用兆欧表测量电缆绝缘电阻,用兆欧表测电缆绝缘电阻的接线图1铅铠外皮 2绝缘 3导芯,微安表直读法（两种接法）,
9、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,3.泄漏电流的测量,光电法,光电法测泄漏电流的测量装置的原理方块图,三、介质损耗角正切的测量,西林电桥的基本原理存在外界电磁场干扰时的测量电流比较式电桥,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tg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tg的测量,1.西林电桥的基本原理,西林电桥：高压臂：代表试品的Z1；无损耗的标准电容C0，它以阻抗Z2作为代表。低压臂：处在桥箱体内的可调无感电阻R3，以Z3来代表；无感电阻R4和可
10、调电容C4的并联，以Z4来代表 保护：放电管 P电桥平衡：检流计G 检零屏蔽：消除杂散电容的影响,西林电桥的基本回路,电桥的平衡条件：Z1/Z3=Z2/Z4串联等值回路 tg=R4 C4 Cx=R4C0/R3并联等值回路 tg=R4 C4 Cx=R4C0/R3(1+tg2)Cx：因为tg2 极小，故两种等值电路的Cx 相等,西林电桥的基本回路,屏蔽：杂散电容：高压引线与低压臂之间有电场的影响，可以看作其间有杂散电容Cs。由于低压臂的电位很低，Cx和C0的电容量很小，如C0一般只有50100pF，杂散电容Cs的引入，会产生测量误差。若附近另有高压源，其间的杂散电容Cs1会引入干扰电流iS，也会造
11、成测量误差 所以需要屏蔽，消除杂散电容的影响,西林电桥的基本回路,2.存在外界电磁场干扰时的测量,现场的试品：难以实现屏蔽，故干扰较严重两次测量法：第一次测得tg1和Cx，然后倒换试验变压器原边电源线的两头(试验电压U的相位转180)，测得第二次的数值tg2和Cx，可用下式计算得准确的tg和Cx值：,西林电桥的基本回路,磁场干扰时介损的测量检流计正反接抗磁场干扰的原理：设无磁干扰时，两个测量臂的数值分别为R3和C4；设存在磁干扰时，两个测量臂的数值分别为(R3+R3)和(C4+C4)；把检流计和电桥两臂相接的两端倒换一下，两个测量臂的数值将分别为(R3R3)和(C4 C4)当检流计正接时测得：
12、当检流计反接时测得：因无磁场干扰时：故可得：,电桥的下臂主要是两个绕在同一环形铁心上的线圈1和2，其匝数分别为N1和N2，两者绕向相同，流过经试品绝缘及标准电容C0过来的电流I1及I2后，分别会产生磁势。环形铁心上还绕有一个匝数为N3的第3线圈，在该线圈上接有指零仪表G。调节N1、N2及R，当N1I1=N2I2时，仪表G指零。调节R是为了实现I1与I2达到同相位,电流比较式电桥原理接线,电流比较式电桥测量介损,线圈1及2在电桥平衡时Cx=C0N2/N1 tg=R(C0+C)平衡时线圈上基本无压降，低压臂的杂散电容基本上不起作用。电桥工作时不须多次反复平衡，一次仪表指零即可读数，使用起来比较方便
13、。三个绕组的互感器为防止杂散磁场的影响，是精心屏蔽的。总的说来，它的灵敏度和准确度均高于普通西林电桥,电流比较式电桥原理接线,介损值,四、局部放电的测量,测量局部放电的几种方法局部放电的脉冲电流测量法脉冲电流法测PD的基本回路和检测阻抗脉冲电流法的测量仪器及其校正实施PD测量的其它技术问题,局部放电的概念：简称为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：局部放电发生在一个或几个绝缘内部的气隙或气泡之中，因为在这个很小的空间内电场强度很大。它的放电能量很小，所以它的存在并不影响电气设备的短时绝缘强
14、度。但如一个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,局部放电的特点：当介质内部发生局部放电时，伴随着发生许多现象。有些属于电的：如电脉冲的产生，介质损耗的增大和电磁波放射；有些属于非电的：如光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化局部放电的检测：这些现象都可以用来判断局部放电是否存在，因此检测的方法也可以分为电的和非电的两类,1.测量局部放电的几种方法,绝缘油的气相色谱分析法：这项试验是通过检查电气设备油样内所含的气体组成的含量来判断设备内部的隐藏
15、缺陷超声波探测法：在电气设备外壁放上由压电元件和前置放大器组成的超声波探测器，用以探测局部放电所造成的超声波，从而了解有无局部放电的发生，粗测其强度和发生的部位脉冲电流法：测PD所形成的脉冲电流大小以判断绝缘PD的强弱程度，这种方法可以给出定量的结果，目前规程中已规定了定量的指标,2.局部放电的脉冲电流测量法,局部放电的三电容模型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Cg：气泡的电容Cb：和Cg相串联部分的介质电容Cm：其余大部分绝缘的电容,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,气泡很小，Cg比Cb大，Cm比Cg大很多电极间加上交流电压u，则Cg上的电
16、压为ug，,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,局部放电机理ug随外加电压u升高，当u上升到Us瞬时值，ug到达Cg的放电电压Ug时，Cg气隙放电。于是Cg上的电压一下子从Ug 下降到Ur，然后放电熄灭。Ur叫做残余电压，它可以接近为零值，也可以为小于Ug（均绝对值）的其它值,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,放电火花一熄灭，Cg上的电压将再次上升，由于此时Cg及Cb已经有了一个初始的直流电压，所以此后的ug 值不能直接用上式来表达，ug 值与上式表达的值在绝对值上要小一个（UgUr）值。外加电压仍在上升，Cg上的电压也顺势
17、而上升，当它再次升到Ug时，Cg再次放电，电压再次降到Ur，放电再次熄灭,Cg上的电压从Ug突变为Ur（均绝对值）的一瞬间，就是局部放电脉冲的形成的时刻，此时通过Cg有一脉冲电流，局部放电时气泡中的电压和电流的变化如图所示,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,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,当Cg放电时，放电总电容Cg：Cg上的电压变化为(UgUr)，故一次脉冲放出的电荷qr：当Cm Cb，Cg Cb，Ur=0时，qr UgCg,在实际试验时，式中所表达的各个量，都是无法实测得到的。所以要寻求其它能反映局部放电的量来测量。外施电压是作用在Cm上的，当Cg上的
18、电压变动(Ug-Ur)时，会造成外施电压的变化量U应为,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,由此两式得总电容上的电压变化量U：相应的电荷变化量q：把U 式代入上式q，可得,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,真实放电量：qr，是无法测量的视在放电量：q，其表达式中的量都是可以测得的。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q比真实放电量qr小得多，它以pC作为计量单位。其中C代表电荷量库仑,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,放电能量表征局部放
19、电的基本参数，除了视在放电量q外，还有一次脉冲放电能量W当外施电压由零上升到Us时，Cg上的电压为Ug，即可得如Ur0，则,放电重复率放电重复率N：是表征PD的另一个基本参数。因为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，可以通过实验求得如果每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n,局部放电时气隙中的电压和电流的变化,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。有时还测量局部放电的起始放电电压和熄灭电压影响局部放电特性的多种因素：主要有电压的幅值、电压的波形和频率、电压的作用时间、
20、环境的温度及湿度和气压等,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,电桥平衡回路,试品通过Ck后与检测阻抗并联的回路,试品与检测阻抗相串联的回路,在测量仪器上所测得的局部放电脉冲值是与试验的局部放电视在电荷量q成比例的，他们之间的具体比例关系与测量回路和放大器等都有关，要从指示值来计算视在放电电荷q是有困难的，只能通过试验来确定，亦即PD的测量仪器必须进行实验校正 q UcCq,PD试验的直接校准回路,4.脉冲电流法的测量仪器及其校正,显示器的视在放电量刻度系数k=UcCq/h 单位（pC/mm）,5.实施PD测量的其它技术问题,抗干扰措施 背景噪音决定最小可见视在放电量，亦
21、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。但干扰的来源很多，如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,预加电压测量 PD试验：国标规定对220kV及以上的电力变压器必须做,电力变压器PD测试的加压过程,图中U1为最高额定线电压UmU2：或要求在 的U2值下，q300pC或要求在 的U2值下，q500pC,谢谢!,屠 幼 萍 高电压与电磁兼容研究所+80798656，13691145432,Q&A,
