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1、电力设备绝缘诊断基础篇,西安交通大学2009年9月,一、前言二、电力设备故障发生的原因三、电力设备故障诊断常用方法及依据四、综合诊断的必要性五、小结,目 录,前 言,变压器,GIS,电力电缆,发电机,电容性设备,电气设备界定,1.电气绝缘在线检测技术，严璋 编 北京，中国电力出版社，1995.11 2.电绝缘诊断技术，朱德恒、谈克雄主编 北京，中国电力出版社，1999.043.电工高新技术丛书第五分册(电气设备状态监测与故障诊断技术)朱德恒、谈克雄编 北京，机械工业出版社，2000.03,主要参考书目,停电原因,(%),电力系统维修方式的演变过程,1.事后修理BM（Breakdown Main
2、tenance）或故障维修；2.定期检修TBM（Time Based Maintenance）或预防性维修PM（Preventive Maintenance）；3.状态维修CBM（Condition Based Maintenance）或预知性维修（Predictive Maintenance）。,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。,现行维修体制定期维修,预防性试验是电力设备运行和维护工作中
3、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。预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。,1.维修周期频繁,2.预防性试验项目过多,电力变压器 32项发电机 25项互感器 11项 GIS达 20项,定期维修制的种种弊端,大修一台30万kVA的发电机需要大约3个月的时间，耗费资金近百万元。大修一台12万kVA的变压器需投入300多个工作人日，资金10万元。大修一台220 kV开关需投入100多个工作人日，资金2万元。长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组停运一天，少发电720万度，直接损失150万元。,3.经济性差,4.增大不安全因素,易
4、发生人身和设备安全事故。发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。停送电过程易造成误操作。,大连局的预试统计,19831991年，共检测111万片线路绝缘子，测出零值414片，且同一串无2片零值的。要否每13年普测？19821998年，继保及自动化装置不正确动作率：10kV及220kV电压级分别为0.02%及6.2%。要否每年同样要整定？,东北网几台设备当时测值及分析,5.过度维修,对110台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行的仅1项。对110kV及以上油开关大修统计表明，95%以上未发现部件损坏。定
5、期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。,6.维修不足,由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。,预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，试验电压一般不超过10kV。而大部分变电设备工作电压为110 500kV。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的缺陷。,7.预防性试验条件与实际运行工况不同,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。,发展中的维修体制状态维修,状态维修方式的基
6、本思想“治于未病”,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,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
7、判断，从而发现早期潜伏性故障。,状态维修的技术可行性,状态维修与监测是一个铜板的两面,维修方式决定了所要采用的监测技术；监测与诊断的结果将指导维修策略的建立。,运行现场的两种检测方法,带电测量(On-site detection):对在运行电压下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行的测量。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。,定义：通过电气绝缘的试验和各种特性的测量，了解及评估设备在运行过程中的状态，从而能早期发现故障的技术。,电气设备绝缘诊断,电力设备故障与使用寿命,故障诊断的必要性,II 电力设备故障
8、发生的原因,制造工艺存在缺陷恶劣的环境和苛刻的运行条件材料的劣化与老化缺乏良好的管理及维护,现代电气设备的造价及运行可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘结构。,绝缘介质 紧固支撑 冷却媒介,绝缘结构的作用,绝缘材料,液体绝缘:绝缘油,固体绝缘：绝缘纸、电瓷、云母交联聚乙烯、硅橡胶等,气体绝缘:空气、SF6,真空绝缘,实际绝缘结构通常是由几种电介质联合构成的组合绝缘。,固-液绝缘,固-气绝缘,绝缘劣化及其影响因素,电气因素机械因素温度和热稳定性受潮化学稳定性和抗生物特性,1.电气影响,长期工作电压 短时的过电压,2.机械影响,机械负荷长时间振动短路应力,不同耐热等级的绝缘材料在各种运行温度下长期运
9、行的寿命,3.温度影响,季节变化 长期过负荷 热老化,电介质的耐热等级,热老化规律 6 度规则 试验表明，对于常用的A级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过6，则寿命约缩短一半。而对于B、H级绝缘则分别约为10及12。,水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。,4.受潮,受潮引起的绝缘子的污闪过程,1)污层的形成：经过一段时间运行的绝缘子表面均能够累积一层连续污层。2)低分子聚合物的扩散：硅橡胶伞裙护套中的一些憎水性低分子聚合物能够扩
10、散至表面污层，使污层具有憎水性。3)污层的受潮：具有憎水性的污层使雾、雨、露等各种形式的水份只能在污层表面形成离散的水滴，水滴之间存在高阻干区，如图（a)。,4)污层电阻的发热：高阻干区的存在使得仅有微小的泄漏电流流过污层。电流流过污层电阻产生的热量一方面干燥污层，使污层阻值增大；另一方面，因电解液具有负温度系数，又使污层阻值减小。这两个相反的因素使泄漏电流平衡在一个微小值上。5)电场对水滴的作用：长时间的潮湿条件使水滴间的干区减少，因而水滴间的电场增强。在足够大的电场力作用下，沿电场方向的相邻水滴可能连接成细长水带，如图(b)。,6)火花放电：水带的形成进一步增强了沿电场方向的相邻水带间的电
11、场，使相邻水带的端部发生放电，如图(b)所示，此时的污层阻值还很大，其限流作用使这些放电成为此起彼伏的火花放电。7)憎水性的丧失：火花放电使污层的憎水性部份丧失，这使污层与水带之间的相互溶解程度增大，水带电导率增大，且较短的水带进一步凝结成较长的水带或面积较大的湿区，如图(c)所示。8)闪络：长水带和湿区的形成为电弧的形成和发展提供了条件。,(a)离散的水滴,(b)水带和火花放电,(c)长水带和电弧,5.化学稳定性及抗生物特性,在户外工作的绝缘应能长期耐受日照、风沙、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。工作在湿热带和亚湿热带
12、地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。,保证设备安全的基本途径,制造100%可靠的设备 建立完善的设备管理计划,虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段，但为了保证设备的正常运行，在很大程度上也需要借助于投运后的维护工作，即在运行过程中通过对设备进行必要的巡视检查、监测和试验，建立完善的维修计划，以减少事故的发生，提高运行可靠性。,制造这样的大型电力设备，在技术上是极其复杂的，尤其是对于电压等级较高的设备，多数情况下这样的设计在经济上也是不合理的。,III 常用的检测、诊断方法及其依据,一些常用的电气、非电气检测方法 这些检
13、测、诊断方法的依据,现行主要预试项目大致分类,注：“”进行；“-”不进行；“”仅电压高或容量大时进行；“”必要时进行；“”大修后进行。,基本电气参数的测量方法,测导体电阻（初判接触及短路）测绝缘电阻（初判绝缘状况）测tan（反映交流下介质损耗）交流耐压（破坏性试验）,介质极化现象,a）极间为真空 b）极间为介质,几种主要的极化形式,电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层极化,电子式极化,偶极子极化,偶极子极化示意图a）无外电场时 b）有外电场时,夹层介质界面极化,直流电压作用于双层介质(a)示意图；(b)等值电路,?,常用介质相对介电常数,测量C的意义,选择电容器材料时，希望r大 不同介质串
14、联时，各层电场分布不均匀：如交流下，分到场强E1/E2=2/1 偶极、夹层极化会引起tan增大 极性介质容易吸潮 电容器及套管的性能检测指标 极化谱、回复电压等新检测方法的基础,固体介质的电导,固体介质有体积及表面电阻；如天气潮湿时常易降低表面电阻。而温度升高时，因解离的离子数增大，使=A e B/T 因此测绝缘电阻或泄漏电流时，必须注意温度的影响 如不加屏蔽，分不开表面及体积电阻,电介质的损耗,tan与几何尺寸无关P=UIR=CU2 tan,气体的tan,极性液体介质的tan,频率 f2（曲线2）f1（曲线1）,电介质的击穿,击穿绝缘上外施电压升高到一定数值后，电流忽然剧增，失去绝缘性能。闪
15、络指发生于气液、气固交界面上的击穿。放电常为击穿、闪络之统称。,气体电离,碰撞电离、光电离、热电离 A Ae 带电质点（A、e）都受到电场力而运动，但电子轻、小，易由电场加速而积累能量，当碰撞中性分子形成碰撞电离,电离,（中性分子）,（正离子）,（电子）,高介电强度的SF6,为何SF6的Eb高,因卤族元素的电负性很强，易与电子结合成负离子，由此使碰撞电离的可能性降低、易于复合。且SF6分子量大、直径大，不易积聚能量而产生碰撞电离。为此，断路器、GIS中用SF6气体。,SF6放电时有离解,SF6在局部放电作用下的离解物试验参数：尖-板 PSD0.120.13MPa V700cm3U60kV fb
16、118h 辉光放电 I12.5A,SF6在电弧中离解及与氧反应,SF6+O2SOF2+4F SF6+O2SOF4+2F SF6SF4+2F SF6S+6F SOF4+O2SO2F2+2F,12,12,12,反应物与水继发反应,SF6+H2OSOF4+2HFSOF4+H2OSO2F2+2HFSOF2+H2OSO2+2HFSO2F2+2H2OH2SO4+2HF,反应物的影响,GIS设备中SF6气体分解原理,沿套管表面的放电现象,1导杆；2法兰,电晕,辉光,滑闪,等值电路,水分杂质对油Ub的影响,球电极直径12.77mm，间隙距离3.8mm,油及纸中含水量的平衡曲线,温度对油介质损耗的影响,温度()
17、,击穿电压与电压作用时间的关系,1-聚乙烯2-聚四氟乙烯3-黄蜡布4-硅有机玻璃 云母带,局部放电常起源于气隙中,（a）椭球形气隙（b）球形气隙,气隙放电后形成反电场E,放电时气隙上的电压变化,（a）气隙Cg的 电压变化（b）绝缘Cm上的 电压变化,局部放电测量结果的表示,局部放电的测量,常测的局放参数,起始放电电压 Ui 熄灭放电电压 Ue 视在放电量 Q 每秒放电次数 n 平均放电电流 I 局放出现的相位,气隙放电的等值电路,测得放电量Q与真实放电量Qr,真实放电量 Qr=(Cg+Cb)(Ug-Ur)测得的放电量常称视在放电量 Q=Cb(Ug-Ur)因此 Q=CbQr/(Cg+Cb)，而且
18、CgCb可见QQr，且无法获得Qr（真实放电量）,局放影响电缆的寿命,1-粘性浸渍；2-充油电缆,测量绝缘电阻Ri的判据,要用K或P.I.来判断,因绝缘电阻：Ri与几何尺寸（截面A、距离L）有关 可用（历史性）纵比或相间比较 或用吸收比：或用极化指数：,电机线棒tan与外施电压关系,（a）不同绝缘状态；（b）tan0及tan,电机线棒的击穿电压Ub与tan关系,直流泄漏电流与外施电压的关系,1-良好；2-受潮；3-有集中性缺陷；4-有危险的集中性缺陷,非破坏/破坏性试验,非破坏性试验（测绝缘电阻Ri、测泄漏电流Il、测tan等）各有助于发现一些缺陷。但外施电压偏低，一般不会带来残余破坏。交流耐
19、压更真实、严格，但为破坏性试验。如需进行，必须在非破坏性试验通过后。,绝缘油,油浸变压器、电容器、电缆中，绝缘油起双重作用（冷却、绝缘）油断路器中还起灭弧作用 矿物油由石油分馏而得，成分主要是饱和烃、环烷烃和芳香烃 植物油已开始较多应用,绝缘油的试验项目（一）,水溶性pH值：因老化后可能出现水溶性有机酸（“规程”对新油及运行油分别要求5.4及 4.2）酸值（mgKOH/g 油）：因进一步老化会形成不溶于水的高分子酸，腐蚀绝缘出现高分子量的油泥（“规程”对新油及运行油分别要求0.03及0.1）,绝缘油的试验项目（二）,闪点：有助于检查油中有无混入低沸点的有机杂质等 标准油杯中的击穿电压：水分、杂
20、质等都会影响油的耐压，因此耐压并不反映油质。,绝缘油的试验项目（三）,tan：如油老化后产生的极性物质等会引起油的tan值增大 界面张力：因油老化后生成的酸类、皂类都是亲水的，引起油水交界面上的分布改变，使界面张力下降,水分的作用,绝缘强度降低击穿电压降低局放起始电压降低水解作用加速固体材料老化 机械强度降低 较湿的纸板析出气泡,绝缘系统中水分含量非常重要！,析出气泡的温度与含水量有关,析出气泡的温度,水分测量方法,油箱,保护,高压绕组,低压绕组,高压电源,主绝缘,电流表,物理性质测量:纸板及绝缘油的导电率界面极化影响因素:绝缘几何尺寸温度受潮程度可导电的老化产物,时域及频域的方法,时域：极化
21、/去极化电流(PDC),频域：频域谱法(FDS),缺点：低频段水分估计 测试时间,测量时间的选择,典型情况:干燥变压器或者低温环境 0.1 mHz,2:50小时中等受潮变压器及环温适中 1 mHz,22分钟受潮变压器或高温环境 0.1 Hz,5 min,德国对油中饱和湿度的建议,油中气体分析DGA（Oil Dissolved Gas Analysis）,过去也称油色谱分析，是利用色谱、传感器等方法以灵敏地检测油及纸（纸板）中局部过热、电弧放电等潜伏性故障。,故障气体的演变 vs 能量,不同类型的故障裂解变压器油后产生了不同的气体,故障气体的演变 vs 温度,气体的演变 vs.故障温度,典型故障
22、条件下不同气体组分所占百分数,Duval三角形法,“三比值法”的编码方法,用“三比值法”分析故障类型,TD图法,使用条件：C2H4C2H6,色谱流程举例,2,1.分两次进样。进样(FID)测烃类气体进样(FID)测CO、CO2，(TCD)测H2、O2(N2)2.此流程适合于一般仪器,1,说明,流程图,序号,1.一次进样，自动切换阀切换操作在实线位置时(TCD)测H2、O2(N2)(FID)测CO、CH4 切换阀在虚线位置时(FID)测CO2、C2C32.此流程适合于自动分析仪器,“规程”规定的溶解气体注意值(110-6),注：*500kV为110-6，*220kV及以上为110-6,当时为确定
23、“注意值”的统计依据,IV 综合诊断的必要性,为什么必须综合诊断分析用什么方法进行诊断分析,31个供电公司在线监测设备运行情况的综合分析（2004）,已装在线设备收效不明显的原因,缺乏全局性的长远规划有些检测设备质量不高不善于选用、检验各类检测设备认识上的片面性、局限性相应的规章制度未跟上对监测设备的选择、运行、维护等缺乏责任制,国网监测设备运行情况统计,早期监测设备状况分析,便携式或仅测全电流为何事故率低?,内含元件越多，整体可靠性往往越低（约为各元件可靠性之乘积）便携式仪器有高压班专人管理，且带电检测合格后，可延长预试时间,确保监测设备正常运行的措施,制订监测设备入网条件严格监测设备的选购
24、及检验需要时用现场校验仪器检验确立有专人负责维护的制度,首先要有全局统一规划，按规划要求选择有效的检测方法及仪器！,各网公司对电容型监测的推广意见,IIIIIIIVV整体,赞成,反对,待定,获得各种信息综合分析诊断,测量方法要正确、获得数据才可靠设备的耐压水平与残余寿命与测得数据之间没有直接的函数联系,因此要依据发现的现象（运行中的征兆）、各种试验数据等进行综合分析；不仅看当前测值，而且要看趋势（纵比、横比）、要吸收过去的经验、教训。,不同方法对CT损坏前的报警时间（美国EPRI）,在击穿前的40hr内的相对tan的比较,在线监测更有条件及时获得数据序列,两CT A1、A2的介损及其相对值的在线测值,（a）平滑处理前（b）平滑处理后,对CT的tan在线监测值的平滑处理,指纹识别指纹库,指纹识别识别结果,状态检修是必然的趋势检查电气设备的基本方法有利用兆欧表测量绝缘电阻和吸收比；利用高压硅整流装置进行直流耐压试验和泄漏电流的测量；利用介质损失角测定器测量介质损失角的正切值；利用交流升压设备进行交流耐压试验。,V 小结,
