重庆大学在线监测第一章

1、输变电设备智能监测与诊断技术2012年2月教师：杜林教师：杜林参考教材：参考教材：朱德恒，谈克雄主编：电绝缘诊断技术，中国电力出版社，1999严璋编：电气设备在线监测技术，中国电力出版社，1995姜建国：故障诊断学及其在电工中的应用，科学出版社，1995王昌长、李福祺编：电力设备的在线监测与故障诊断，中国电力出版社，1996朱德恒、严璋： 电气设备状态监测与故障诊断技术，中国电力出版社，2009电气设备在线智能化检测电气设备在线智能化检测 p 电介质与电气设备绝缘电介质与电气设备绝缘p 电气设备的状态检修电气设备的状态检修p 电气设备在线监测系统组成及要求电气设备在线监测系统组成及要求1 绪论

2、研究对象研究对象n电气设备及绝缘结构电气设备及绝缘结构n变压器n容性设备n避雷器n电缆n.n单一介质绝缘n复合介质绝缘n不同电场形式n绝缘介质及老化绝缘介质及老化n固体绝缘n气体绝缘n液体绝缘n老化机理及规律n绝缘特征参量1 绪论 电介质与电气设备绝缘电介质与电气设备绝缘 电力系统与电气设备电力系统与电气设备 电气设备绝缘结构及电介质电气设备绝缘结构及电介质 绝缘材料绝缘材料 电介质老化电介质老化1.1电力系统与电气设备电力变压器电力变压器电压互感器电压互感器电流互感器电流互感器少油断路器少油断路器SFSF6 6 断路器断路器金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器耦合电容器、电容式电压互感器耦合电容

3、器、电容式电压互感器500kV 500kV 二自线二自线 1.2 电气设备绝缘结构及电介质电气设备绝缘结构及电介质电介质及其形式电介质及其形式 电介质是指在电场作用下能建立极化的一切物质，广义上电介质是指在电场作用下能建立极化的一切物质，广义上说来，电介质不仅包括绝缘材料，而且包括各种功能材料，说来，电介质不仅包括绝缘材料，而且包括各种功能材料，如压电、热释电、光电、铁电等材料。电介质中起主要作用如压电、热释电、光电、铁电等材料。电介质中起主要作用的是束缚电荷。的是束缚电荷。 电介质材料分布很广，有气态、液态或固态形式。电介质电介质材料分布很广，有气态、液态或固态形式。电介质不一定是绝缘体，但

4、绝缘体都是典型的电介质。绝缘体的电不一定是绝缘体，但绝缘体都是典型的电介质。绝缘体的电击穿过程及其原理关系到束缚电荷在场强作用下的极化限度。击穿过程及其原理关系到束缚电荷在场强作用下的极化限度。电力设备的绝缘结构由电极和电介质组成电力设备的绝缘结构由电极和电介质组成电力设备绝缘的基本构成 电介质及其形式电介质及其形式 电介质的分子由原子或离子组成，每个原子或离子由带正电电介质的分子由原子或离子组成，每个原子或离子由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子所组成。电介质分为：的原子核和绕核运动的带负电的电子所组成。电介质分为：1 1非极性电介质非极性电介质 在无外电场作用时，分子正电荷和负电荷中心

5、相重合，这种分子称为非极性分子。在无外电场作用时，分子正电荷和负电荷中心相重合，这种分子称为非极性分子。聚乙烯，聚四氟乙烯、石蜡、地蜡等均为非极性电介质材料。聚乙烯，聚四氟乙烯、石蜡、地蜡等均为非极性电介质材料。 2 2极性电介质极性电介质 无外电场作用时，分子正电荷和负电荷中心不相重合，这种分子称为偶极分子或无外电场作用时，分子正电荷和负电荷中心不相重合，这种分子称为偶极分子或极性分子。聚氯乙烯、纤维、某些树脂等。极性分子。聚氯乙烯、纤维、某些树脂等。 3 3离子型电介质离子型电介质 由正负离子组成。属于这一类的有离子型晶体介质，石英、云母、玻璃、陶瓷以由正负离子组成。属于这一类的有离子型晶

6、体介质，石英、云母、玻璃、陶瓷以及其它一些无机电介质。及其它一些无机电介质。电介质及其形式电介质及其形式无机（陶瓷和玻璃）材料；无机（陶瓷和玻璃）材料；（绝缘子，套管）（绝缘子，套管）塑料膜，聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺等膜材料；（电容器中铝箔间，塑料膜，聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺等膜材料；（电容器中铝箔间，旋转电机的槽绝缘旋转电机的槽绝缘) )柔软绝缘套管；柔软绝缘套管； （绕线部分的主或次绝缘、电缆保护及捆扎）（绕线部分的主或次绝缘、电缆保护及捆扎） 刚性纤维增强型层压板；（高密层压木板或纸层压板）刚性纤维增强型层压板；（高密层压木板或纸层压板） 树脂和漆；树脂和漆；（用于电气设备的浸渍和涂层，

7、改善于工作环境（用于电气设备的浸渍和涂层，改善于工作环境的抵御能力）的抵御能力）压敏粘带；压敏粘带；（粘着、密封或固定设备）（粘着、密封或固定设备） 纤维材料；纤维材料；混合柔性材料：混合柔性材料：（大量用在低压电机中）（大量用在低压电机中） 云母制品；云母制品；（用于高压旋转电机的制造）（用于高压旋转电机的制造） 织物绝缘：织物绝缘： 人造橡胶和热塑性塑料：人造橡胶和热塑性塑料： 电介质按照存在的形态分成几种基本类型：固体电介质、液体电介质、电介质按照存在的形态分成几种基本类型：固体电介质、液体电介质、气体电介质和真空电介质。气体电介质和真空电介质。固体电介质固体电介质:电介质及其形式电介质

8、及其形式液体电介质液体电介质 分矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油三大类。分矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油三大类。 常用矿物绝缘油的性能常用矿物绝缘油的性能 绝缘油名称绝缘油名称 性性 能能 变压器油变压器油 电容器油电容器油 110330kV 高压电缆油高压电缆油 开关油开关油 (45号变压器油号变压器油) 凝固点（凝固点（） 3545 45 60 45 酸值（酸值（mgKOH/g） 135 135 125 135 r（60） 2.2 V（20，/m） 4101251013 5101210121014（25） UB（kV，标准油杯），标准油杯） 2540 60 50 tan（%）100 0.5（

9、20） 0.4 0.15 运动粘度（运动粘度（20）（）（m2/s） 30106374510681810630106电介质及其形式电介质及其形式气体绝缘：气体绝缘：气体作为主绝缘，其它固体电介质只起支撑作用（架空线、空气电容器、气体作为主绝缘，其它固体电介质只起支撑作用（架空线、空气电容器、断路器、充气电力电缆及通信电缆等）；断路器、充气电力电缆及通信电缆等）；气体也可与承担主绝缘的固体或液体电介质以串联或并联形式存在；气体也可与承担主绝缘的固体或液体电介质以串联或并联形式存在；气体介质除了起绝缘作用外，有时还起灭弧、冷却和保护作用；气体介质除了起绝缘作用外，有时还起灭弧、冷却和保护作用； 气

10、体分气体分普通气体普通气体和和SFSF6 6气体气体。真空绝缘：真空绝缘： 真空绝缘主要应用于中压开关设备，具有优良的绝缘性能和灭弧性能。真空绝缘主要应用于中压开关设备，具有优良的绝缘性能和灭弧性能。采用真空作为开关灭弧介质，成本低、维修费用低、无爆炸危险，由于灭弧采用真空作为开关灭弧介质，成本低、维修费用低、无爆炸危险，由于灭弧室具有高真空度，空气分子十分稀薄，真空间隙的绝缘强度比常温下的空气室具有高真空度，空气分子十分稀薄，真空间隙的绝缘强度比常温下的空气和和SFSF6 6高得多。高得多。 电力设备的绝缘结构由电极和电介质组成固体电介质中的直流电流 电力设备的绝缘结构由电极和电介质组成固体

11、电介质的交流电流 1.3 电力设备的绝缘材料 电气设备绝缘材料：固体绝缘、液体绝缘和气体绝缘。电气设备绝缘材料：固体绝缘、液体绝缘和气体绝缘。对于大型电气设备，主要以组合绝缘方式为主。对于大型电气设备，主要以组合绝缘方式为主。n电机用的注塑树脂固化成型的云母复合绝缘方式，干式变压器和气体绝缘设备用的隔离、支撑等的注射绝缘方式，CV电缆终端用的橡胶成型绝缘方式；n变压器、电容器、OF电缆等用的油浸绝缘方式；n交流电缆中用挤出机生产的交联聚乙烯绝缘方式；n断路器和充气管道电缆用的气体绝缘方式；n绝缘子等用的瓷绝缘方式。1.3 电力设备的绝缘材料用于电气设备中的主要绝缘材料与其特性、用途用于电气设备

12、中的主要绝缘材料与其特性、用途绝缘材料主要的构成材料特征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，聚酯薄膜等）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、层压板高电压绝缘高耐电场无气孔变压器、电容器、OF油浸纸电缆注塑型绝缘物热固性树脂（主要为环氧树脂）填充剂（氧化铝，氧化硅等）阻燃性高强度高耐热变压器、交流器、气体绝缘设备支撑体气体绝缘物六氟化硫化气体（SF6）高耐电场高消弧性充气变配电设备挤出型绝缘物热塑性树脂（交联聚乙烯）外护层；聚氯乙烯高耐电场交联电缆成型绝缘物校胶（乙丙橡胶等）高耐电

13、场CV电缆终端、接头等陶瓷绝缘子、绝缘套管高耐电场设备的高电压引出线1.3.1 电机（或发电机、电动机）n高压线圈主绝缘材料-云母:绝缘性、耐热性和解理性良好。n线圈是在纸、玻璃布丝、聚酯薄膜等材料中加入多层云母片，再在线槽中填充环氧树脂等热固性材料而构成。 云母：54；树脂36。云母含量（重量%）54树脂含量（重量%）36相对电容率（50Hz）4.25介质损耗角正切（50Hz）/%0.75绝缘击穿场强/（kV/mm）30 云母复合绝缘材料的特性举例 1.3.1 电机（或发电机、电动机）龟甲形电机转子线圈图 电枢线圈的绝缘 1.3.2 油浸绝缘用于变压器、充油电缆（OF电缆）和电容器等设备中。

14、n绝缘构成是以纤维纸、塑料薄膜和层压板等绝缘绕制并浸渍低粘度绝缘油构成。n两类：浸泡在绝缘油中、油浸复合绝缘。充油变压器图 直绕式绕组的布置 1.3.2 油浸绝缘nOF电缆（英语称为Oil-impregnated Paper, Oil-filled Cable） OF电缆2.1.3 交联聚乙烯电缆（CV电缆）nCV电缆的绝缘层是用塑料挤出的一个完整的绝缘体。CV电缆的正式名称为交联聚乙烯主绝缘、聚氯乙烯外护层电力电缆。n主绝缘：交联聚乙烯；外护层：PVC护套。n无油、使用方便、介损小。n作为大型电力电缆使用的CV电缆是用化学交联法制造的。化学交联法是先将交联剂按1%3%的比例与聚乙烯相混合，在

15、低于交联剂的分解温度之下进行挤出，然后加热加压使其交联。 化学交联法化学交联法 1.3.2 油浸绝缘nOF式电容器绝缘结构为油浸绝缘，具有介电常数大、设计电场强度高等特点。电容器的绝缘材料使用的是电容器纸和聚丙烯薄膜，其结构是将这些材料和金属箔电极卷在一起做成电容元件，把这样的元件集中起来放入容器内，再浸渍绝缘油而制成。罐式电容的构造 薄膜电容元件1.3.3 交联聚乙烯电缆（CV电缆）nCV电缆的绝缘层是用塑料挤出的一个完整的绝缘体。CV电缆的正式名称为交联聚乙烯主绝缘、聚氯乙烯外护层电力电缆。 图2.11 CV电缆结构（C代表交联聚乙烯绝缘，V代表PVC外护套） 1.3.3 交联聚乙烯电缆（

16、CV电缆）n大型电力电缆使用的CV电缆用化学交联法制造的。先将交联剂按1%3%的比例与聚乙烯相混合，在低于交联剂的分解温度之下进行挤出，然后加热加压使其交联。 化学交联法化学交联法 1.3.4 气体绝缘设备1 1、满足条件：、满足条件：n在使用温度范围以内为气体状态；n可进行压缩（压力可以按照需要增大）；n具有稳定的化学性质，无毒，无公害；n不造成较大的成本负担。2 2、能满足上面的条件的合成气体是六氟化硫，通常称为、能满足上面的条件的合成气体是六氟化硫，通常称为SF6气体。气体。3、SF6气体的分子量为气体的分子量为146，分子构造是以硫（，分子构造是以硫（S）为中心、正八面体为中心、正八面

17、体的顶点为氟（的顶点为氟（F）的对称分布。的对称分布。SF6气体在电力设备的通常使用温度气体在电力设备的通常使用温度范围内可以被压缩到范围内可以被压缩到10个大气压。个大气压。4、SF6气体的放电电压为大气压下空气的气体的放电电压为大气压下空气的22.5倍，压缩几个气压后，倍，压缩几个气压后，可以得到可以得到10倍于空气的绝缘耐压水平。也就是说，压缩后可得到几倍于空气的绝缘耐压水平。也就是说，压缩后可得到几乎与绝缘油相近的绝缘耐压水平乎与绝缘油相近的绝缘耐压水平。气体绝缘输电线路气体绝缘输电线路气体绝缘组合电器气体绝缘组合电器1.3.4 气体绝缘设备充气管道电缆的结构 275kV GIL柱状支

18、撑 1.3.4 气体绝缘设备导电粒子对导电粒子对SF6气体放电的影响气体放电的影响 1.4 绝缘材料的老化n在各种条件下的常年使用，并施加有高电压，电气设备的绝缘材料在一定条件下会发生绝缘性能劣化的现象，称其为绝缘老化。 n受到多种因素的影响，共同作用，相互影响。n一种复杂的物理、化学变化，具有不可逆性。n渐进的、长期的过程。n老化特征量：直接和间接特征量。电介质老化机理 电气设备的绝缘在运行中会受到各种因素如电场、热、机械应力、环境因素等的作用，其内部将发生复杂的化学与物理变化，导致性能逐渐劣化，这种现象称为老化。在设备正常运行的条件下，老化是渐进的、长期的过程。电介质老化机理 绝缘材料的老

19、化以有机绝缘材料的老化问题最为突出。高分子有机绝缘材料老化时表观上发生变色、粉化、起泡、发粘、脆化、出现裂纹或裂缝、变形等。 液体有机绝缘材料老化时表观上发生混浊、变色等。 多数情况下，绝缘材料的老化是由于其化学结构发生了变化，即由于降解、氧化、交联等化学反应，改变了其组成和化学结构；但是有的老化仅仅是由于其物理结构发生了变化所致。电介质老化机理 绝缘劣化的特征量有直接和间接之分。前者指明了运行中所必须具有的性能，如耐电强度、机械强度等；后者和这些必须具有的性能只是有着某种联系，但并无直接的、确定的关系，如绝缘电阻、介质损耗因数等。 直接特征量的确定通常采用破坏性试验方法；间接的特征量则可以通

20、过非破坏性试验方法确定。因此间接的特征量对于绝缘在线诊断有着极其重要的意义。绝缘材料的老化分为： 电老化 热老化 机械老化 环境老化1.4.1 电老化 在长期电场作用下绝缘中发生的老化称为电老化。n固体绝缘n本征击穿场强非常高。n电气设备中绝缘材料击穿场强比本征击穿场强低。 原因：厚度效应、杂质及气孔。 绝缘击穿机理：电击穿、热击穿、电机械击穿。n油浸绝缘 微量水分及纤维杂质的混入，将使击穿电压下降。电介质老化机理电老化 在电场长期作用下绝缘中发生的老化称为电老化。放电电老化是由于绝缘内部或表面发生局部放电而造成的。l局部温度急剧升高；l带电离子高速碰撞作用；l化学损坏。绝缘寿命与外加电压关系

21、：nUUA)(0A、n：常数，U0：局部放电起始电压。2、局部放电老化巴申定律：n固体绝缘中气泡或气隙发生局部放电遵循巴申定律。n油浸绝缘与交联聚乙烯相比，后者内部发生局部放电时危害更大。n局部放电使高分子材料老化的机理： 1）带电质点的轰击；2）热效应；3）活性生成物 ；4）辐射效应；5）机械力作用。 )(dPfUs（1）电树枝n气隙表面材料受局部放电的腐蚀 2、局部放电老化 （a） 空气中 （b） 氮气中 人工气隙中材料受放电腐蚀的图形 n树枝状放电的发展 2、局部放电老化 (a) (b) 1-导导体体 2-屏屏蔽蔽层层 3-绝绝缘缘层层 4-针针尖尖 5-空空隙隙 图图 2.18 聚聚乙

22、乙烯烯电电缆缆树树枝枝壮壮放放电电试试验验的的电电极极装装置置 2、局部放电老化n树枝状放电的发展 (a) (b) 图 2.19 两种树枝的放电模型， （a）刷状树枝， （b）丛林状树枝 (1)电树枝的产生必须有局部的高场强。 (2)电树枝的引发与材料的本征耐电强度有关。 (3)交变电场的机械应力可诱发电树枝。 (4)气隙的存在是电树枝生成的前提。 (5)杂质的存在可诱发杂质电树枝。 (6)电树枝中伴有局部放电。 (7)电树枝引发后，一般发展较快。 (8)电树枝放电使介质损耗增加，绝缘电阻和击穿电压下降。 (9)电树枝的发展与电压形式和温度有关。 n电树枝放电特点 2、局部放电老化水树枝老化机

23、理n交联电缆受潮在电场作用下产生水树枝劣化，水树枝是直径为0.1m 到几个m 的充满水的气隙集合，水树枝会造成局部应力增加，可能成为电树枝的发源地。n高温下，水树枝里可能发生显著的氧化，导致吸水性增大，导电性增高，最终热击穿；即使在低温下，水树枝经较长时间氧化或转化为电树枝，也会造成绝缘的破坏。n电缆绝缘中的杂质，气孔以及内外半导体层的不均匀处形成的局部高电场部位是发生水树枝的起点。它在高温和交流电场作用下逐步向电树枝转移，直至绝缘击穿造成故障。（2）水树枝2、局部放电老化（2）水树枝2、局部放电老化（3）油浸绝缘的老化n采用油纸绝缘结构的电气设备，在制造过程中可能混入气泡；n在运行中因湿度的

24、影响、热胀冷缩及电动力和机械力作用的结果使纸层间存在气隙或油隙。 油纸绝缘结构中局部放电的发展2、局部放电老化1.4.2 热老化n有机绝缘材料若老化的主要过程是热降解。热降解是一系列复杂的化学反应，含解聚反应和消去反应。即氧化反应。 寿命 L:绝缘寿命；t：温度；A,m：常数n绝缘的热老化遵循Arrhenius方程：U:化学反应速度；u0:常数；k:玻耳常数；Wa:化学反应的活化能；T:绝对温度n聚乙烯类材料老化特征：材料的伸长率、拉伸强度等机械性能下降；电气性能下降。)exp(0kTWvva 对不同类型的绝缘材料，温度每升高对不同类型的绝缘材料，温度每升高8 81212，其寿命将，其寿命将缩

25、短一半。缩短一半。mtAeLn油浸纸材料1）固体绝缘材料老化特征：反应纤维机械强度的性能指标下降，如反应抗拉强度的指标聚合度；生成CO、CO2、H2O以及丙酮和糠醛等产物。2）绝缘油老化过程中产生气体（低分子烃类气体、 CO、CO2 等）、有机酸和X-腊等。1.4.2 热老化电介质老化机理机械老化、环境老化机械老化：机械老化： 绝缘机械老化的主要原因有机械应力，电磁力，以及运动中的振动和热循环。 环境老化：环境老化： 当绝缘表面附着有污损物质（粉尘、盐分和油等），以及水分的情况下，这些附着物质将使绝缘表面产生电通路，形成漏电痕迹，使绝缘性能显著下降。 环境老化的表征是由于绝缘吸湿、变质、污损使

26、绝缘的电阻降低、泄漏电流和介质损耗增加，由于绝缘层脱壳、剥落、龟裂造成局部放电量增加，其结果都是导致绝缘电气性能、机械性能变劣，剩余耐压水平和寿命减少，最终导致绝缘结构破坏。常用的绝缘诊断方法n旋转电机n变压器n电缆旋转电机n旋转电机的绝缘老化过程是典型的在机械力、热和电效应下的多种因素作用下的老化过程。n电机转动系统的不平衡会造成机械系统的异常噪声，是造成绝缘材料机械负荷加剧的主要原因。n测量电机的振动情况，并根据振动传感器的信号频谱分析是判断异常噪声的重要手段。n绝缘系统的运行温度也是影响绝缘老化的重要因素。3.1 旋转电机1、绝缘电阻试验目的：目的：确认绝缘层 表面或内部受潮、污损程度。

27、测量参数：测量参数：定子绕组的绝缘电阻、吸收比或极化指数，转子绕组的绝缘电阻。1min10minIRI1I10R1R102、泄漏电流试验n目的：绝缘内部老化判断。n测量参数：泄漏电流。n判断方法：1）泄漏电流不随时间增长而增大；2）相间泄漏电流比较及差值与历史数据比较；3）电流增加率；4) 电流增加倾向倍数 m2=tg2/tg03.1 旋转电机3.1 旋转电机3、介损试验n目的：绝缘的受潮和老化判定。n测量参数：定子整相绕组(或分支)及单根线棒的tg增量(tg)。 tg电压电压U0Un3.1 旋转电机4、局部放电量（整相绕组或分支）定子电压等级： 6kV 10kV最高试验电压： 6kV 10k

28、V试验电压： 4kV 6kV局部放电量Qm：15000pC 15000pC5、整相绕组(或分支)交、直流耐压试验 考验绝缘整体电气性能。3.1节 旋转电机6、绝缘剩余寿命推定nIEC：击穿电压下降至初始值的50时为寿命终点。n各项试验数据与绝缘寿命具有一定关系。n各项试验参数联合推定绝缘剩余寿命。n多因素绝缘老化下的绝缘剩余寿命推定。n局部放电量与剩余击穿电压具有一定的相关性。3.2 变压器一、判断故障的主要试验项目1、油中溶解气体分析n当气体继电器报警 、变压器出口短路以及判断绝缘老化时。n三比值法、改良电协研法等判断方法。n运行设备的油中H2与烃类气体含量(体积分数)超过下列任何一项值时应

29、引起注意：1）总烃含量大于15010-6；2）H2含量大于15010-63）C2H2含量大于510-6 (500kV变压器为110-6)n烃类气体总和的产气速率大于0.25ml/h(开放式)和0.5ml/h(密封式)，或相对产气速率大于10%/月则认为设备有异常 3.2 变压器二、当油中气体分析判断有异常时可选择的绝缘试验项目n绝缘特性(绝缘电阻、吸收比、极化指数、tg、泄漏电流)n绝缘油的击穿电压、tgn绝缘油含水量n绝缘油含气量(500kV)n局部放电(可在变压器停运或运行中测量)n绝缘油中糠醛含量n耐压试验3.2 变压器三、判断绝缘受潮可进行试验项目n绝缘特性(绝缘电阻、吸收比、极化指数、tg、泄漏电流)n绝缘油的击穿电压、tg、含水量、含气量(500kV)n绝缘纸的含水量四、判断绝缘老化可进行试验项目n油中溶解气体分析(特别是CO、CO2含量及变化)n绝缘油酸值n油中糠醛含量n油中含水量n绝缘纸或纸板的聚合度 3.2 变压器五、绝缘纸n聚合度：当聚合度小于250时，应引起注意。n油中糠醛含量（mg/L）1) 油中气体总烃超标或CO、CO2过高时注意。2) 超过以下值时，认为绝缘非正常老化： 15年、510年、1015年、1520年分别为0.1、0.2、0.4、0.75