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1、高压电容套管绝缘及局部放电的检测摘要:高压电容套管用以把电流引入或引出变压器、断路器、电容器或其它电器设备的金属外壳,也用于导体或母线穿过建筑物或墙壁。套管式结构是一种容易发生滑闪放电的绝缘结构。因此需要对套管的绝缘进行合理的设计,为了防止事故的发生我们还需要对套管的工作性能进行在线监测。本文主要讲述套管的分类以及绝缘设计,并对套管局部放电的在线监测进行简单介绍。关键词:高压电容套管;绝缘;局部放电;在线监测Abstract:High voltage capacitor bushing used to introduce the current or lead to the transform
2、er, circuit breakers, capacitors, or the metal shell of other electrical equipment , also used for conductor or bus through the buildings or walls. Bushing structure is a kind of easy to slide the insulation of the flash discharge structure. So you need to reasonable design of the insulation of the
3、bushing, in order to prevent the accident we need for the online monitoring of the performance of bushing. This paper mainly described the classification of bushing and insulation design, and a brief introduction to the bushing of the partial discharge on-line monitoring.Keywords:high voltage capaci
4、tor bushing ;insulation;partial discharge; on-line monitoring.1、高压套管简介1.1、高压套管的分类 一般高压套管按其绝缘材料组成和绝缘结构可分为纯瓷套管、有机复合材料和瓷与有机材料复合应用的套管等三大类,其中最重要的是电容套管。此外还有全部有机材料(如环氧树脂、硅橡胶)制造的套管,充气(如充压缩的SF6气体)套管等。 纯瓷套管是最简单的一种套管,只是简单的一个瓷套,其外表面上有裙或棱(户外用裙、户内用棱)。低电压等级可采用空气腔,20-35kV采用在法兰附近加以大裙的方式来防止滑闪放电。由于瓷壁愈厚,击穿场强愈低,而很厚的瓷壁在制
5、造工艺上有困难,因此纯瓷套管在更高电压下不适用。 电容式套管是目前超高压系统中最常用的型式,防止滑闪的方法是改善套管的电场分布,在导杆和法兰之间加一个电容芯子作为内绝缘,电容芯子中有多层金属极板,以控制套管内部和表面的电场均匀化。关于套管的尺寸,其直径在很大程度上决定于绝缘材料的耐电强度,但其长度并不由绝缘材料的性能决定,而由套管表面的放电电压决定,这与周围介质及改善电场的方法有关。1.2、高压套管的表面放电 套管型结构在交流电压作用下的表面放电过程比较复杂。如为一个光滑的管状结构,则当电压上升时,法兰附近可以出现电晕、刷形放电、滑闪放电和闪络四个过程。其临界电压常以以下经验公式计算。1、 电
6、晕的起始电压公式中为单位面积下的体积电容(比电容)(法/厘米),在平板电极的情况下,=/(4*9*10)法/厘米,代入上式得以上指金属电极情况,如为半导体电极,其值约可提高达3040 %,式中d为绝缘厚度以厘米计。2、 刷形放电长度式中 指的是外施电压(kV); 指的是电晕起始电压(kV); 代表的是系数,在交流电压下,对瓷而言=5对胶纸而言,在空气中=5.5在油中=12.83、 滑闪起始电压 以=/(4*9*10)法/厘米,代入上式得:4、闪络电压套管如发生滑闪则闪络将随树枝状滑闪放电之延伸而很快发生,使放电距离的增加不能发挥作用。因此,在实际高压套管中,.必须消除滑闪的发生。在无滑闪的情况
7、下,一闪络电压的近似计算为=3.16+14(kV)式中,为放电距离,以厘米计,当< 200厘米时,上式比较准确。2、高压电容套管2.1、高压电容套管的结构 电容式套管具有内绝缘和外绝缘。内绝缘称为主绝缘,为一圆柱型电容芯子,外绝缘为瓷套。瓷套的中部有供安装用的金属连接套管,或称法兰。套管头部有供油量变化的金属容器称为油枕。套管内部抽真空并充满矿物油。 电容式套管上下高压端装有屏蔽尖端的金属均压罩(或均压球)。瓷套是外绝缘,同时也为内绝缘和油的容器。变压器套管上瓷套表面有伞裙,以提高外绝缘抵抗大气条件如雨、雾、露、潮湿、脏污等的能力,下瓷套在油中工作,表面有棱。胶纸式变压器套管无下瓷套。
8、套管按用途可分为变压器套管、多油断路器套管和穿墙套管以及其他较为次要的如电容器用套管等。_电容式套管主要用于110千伏以上电压级。.在330千伏以上电压级中,变压器套管是最主要的一种套管。2.2、电容式套管的内绝缘(电容芯子)电容式套管的内绝缘电容芯子对于套管性能最为重要。电容式套管按其内绝缘材料不同可以分为胶纸电容式套管(简称胶纸套管)和油浸式电容式套管(简称油纸套管)。胶纸套管的电容芯子是由厚度0.05-0.07毫米不透油的单面上胶纸和许多具有一定尺寸的电容极板卷制而成的圆柱型芯子。胶纸一般用整张纸包绕,尺寸过大时也可用纸带。电容极板一般采用铝箔。卷制后呈同心圆柱型结构。为了提高局部放电电
9、压,铝箔极板边缘常采用半导体纸镶边的方法。国外也有采用整张涂刷或印刷的半导体极板或金属化纸极板的方法。电容芯子的极板数或绝缘层数愈多则控制电场愈好,起始放电电压也愈高。但是极板数目过多在工艺上不方便,一般高压电容式套管绝缘层最小厚度约为1-1.2毫米左右。110-330千伏套管约为30-90层,电压高者层数更多。胶纸所上的胶,可以是酚醛树脂或环氧树脂,我国现采用改性环氧树脂。实践证明,纸的含胶量较大则局部放电电压较高,但tg也较大。采用低损耗的胶和纸是十分重要的。胶纸在加热状态下包绕在导电管上,卷到规定的各半径尺寸时包上铝箱电容极板。电容芯子卷制好后经热处理使树脂固化,然后切削两端使成圆锥体样
10、的形状,再经几次上防潮漆和烘干而成,其机械强度很高。目前我国胶纸电容套管的电压级为110-330千伏,主要由绝缘材料厂制造电容芯子,由电瓷厂或变压器厂总装瓷套和金属附件成为整体,再经过抽真空充油,经试验合格后包装出厂、胶纸套管充油量很小,一般充粘度较大的矿物油。油浸纸电容式套管的电容芯子由电缆纸和多层铝箔极板卷制而成圆柱形。在500千伏及以上的电压级时,其中可设油道以利散热。电容芯子经真空干燥后进行总装瓷套和金属附件等使成整体,然后再抽真空和充变压器油,最后试验合格出厂。胶纸套管比之油纸套管具有如下特点:(1)机械强度高,法兰可以用机械卡装、环氧树脂粘接或热套等方法直接固定在电容芯子上,结构坚
11、固结实,可以作45º或水平安装。(2)在变压器中采用时,下部不采用瓷套,可以减小尺寸。如将电容芯子下端车出极板边缘,做成下端极板边缘敞开型式的短尾套管,则可大为缩短套管下部的轴向尺寸,下部带电部分的尺寸较小而易于屏蔽,因此变压器油箱的尺寸也可以大为减小。(3)胶纸套管充油量小,密封较易。(4)胶纸的耐电晕性比油纸好,一般认为在工作电压下,可耐受放电量达几百微微库。2.3、高压套管的电气性能高压套管在运行中经受四种电压作用:大气过电压,即雷电过电压,作用时间以微秒计;操作过电压,作用时间一般不超过0.01-0.1秒;短时工频电压升高,一般不超过一秒钟;长期工频工作电压,在此电压下希望能
12、工作30年。套管试验标准所规定的冲击试验和工频耐压试验及500千伏级以上的操作耐压试验用以保证前两项绝缘水平;而tg试验(包括对电压、时间和温度的变化关系)工频耐压试验及近年来发展的局部放电试验用以对后两项做出恰当的估计。为了保证性能,套管内绝缘与外绝缘必须满足下列条件:(1)长期工作电压下不发生有害的局部放电;(2)一分钟工频耐压试验电压下不发生滑闪放电;(3)干试和冲击耐受试验电压下绝缘无击穿 。电容套管的击穿或闪络包括以下形式:(1) 芯子发生贯穿纸层的径向击穿;(2)极板边缘电场集中且存在空隙,易发生局放,使胶纸和油纸逐渐老化变质;(3)沿电容芯子表面的轴向闪络(芯子沿纸层或芯子表面的
13、闪络);(4)在油中的下部瓷套(如变压器套管)的外表面或内表面闪络;(5)在空气中的上部瓷套的表面闪络。2.4、电容式套管电容芯子的绝缘强度材料在电压作用时间很长时,其击穿并不是单纯的电过程,也不是热击穿。而是由于局部放电所引起的热和化学的破坏作用,通常称为电晕腐蚀或电老化过程,这对有机绝缘材料特别重要。因此,套管内绝缘纸层的工作电场强度通常决定于长期工作电压下极板边缘不出现有害的局部放电这一条件,其值与所用材料的耐电晕性有关。右图为胶纸及油浸纸绝缘的试验所得击穿电场强度与电压作用时间的关系(即伏秒特性曲线)。由图可见,电压作用时间愈长,击穿场强愈低。因此,实验室中得出的短时击穿电场强度不能作
14、为工作电场强度的依据。油纸和胶纸相比,油纸的冲击强度比胶纸高得多。但当长期电压作用下,胶纸和油纸的耐电强度均趋于5兆伏/米以下。胶纸一般取工作电场强度约为2兆伏/米;油纸绝缘一般取3兆伏/米左右。3、 套管绝缘的在线监测电力设备作为电力系统的重要组成环节,其可靠性和安全性将会直接影响到电力系统稳定性。电力设备的可靠性也是衡量一个电系统能否持续正常的为用户供电的主要指标,同时也决定了电网为用户供应电能和输送电能的能力。电力设备绝缘检测技术保证了电力设备的供电能力。在供电过程中如果发生设备故障和线路问题或者检修和保养过程中的漏电都会给输送电能造成影响和危害,给人们的生活造成不必要的麻烦和困扰。所以
15、加强电力设备绝缘检测技术是配电网供电建设与发展的重要目标,同时也对提高供电可靠性有着非常重要的意义。3.1、电容套管进行局部放电测试的必要性当套管的电容芯子在绕包、真空干燥、真空浸渍等工序中处理不完善时,套管内部就会存有气隙、脏物及极板边沿缺陷等。对于这些局邹缺陷,如果用工频耐压试验与测值的方法,是发现不了的,而进行局部放电的测试却能很灵敏地检测出来。又如,若油未浸渍透电容芯子,在进行工频耐压,飞验时套管易被击穿。如果在耐压试验前进行局部放电的测量,就能及早发现这一缺陷。所以多年来局部放电检测技术已被认为是检测产品内主缺陷的有效手段之。3.2、电容套管局部分析 对于电容式套管施加电压几个月甚至
16、几年后,套管绝缘会逐渐出现绝缘劣化,其主要原因往往是介质内气隙局部放电造成的。在套管环氧浇注绝缘和挤压成型的时候常免不了混入气泡,套管每层油纸中也不免存在气隙。介质中局部放电过程的等值电路如图1所示,图1中为空气隙的电容,是与空气隙串联的介质电容,而则为除与以外绝缘完好部分的电容·通常>>。由于电容在较低电压时就开始放电,故等值地用放电间隙g与并联来表示。 电极间加工作电压时,上的瞬时电压为, 当随增大到气隙放电电压时,气隙内发生放电,使气隙上的电压急剧下降,上的电压降至气隙放电熄灭电压。气隙中放电熄灭后,又开始充电,直到上的电压再次达到发生第二次放电。以此类推,当上的电
17、压随外施电压改变极性时,电压达到一时发生放电。气隙每次放电时,电容两端电压会有很微小的电压突降。3.3、局部放电信号的传播过程 在设备运行的条件下高压套管发生局部放电时,往往伴随着出现声、光、化学、电磁辐射等各种物理现象,并且油中放电还会分解出气体,产生能量损失,引起局部过热。本文采用脉冲电流法对高压套管局部放电信号进行监测,只对局部放电发生后电压波动过程加以分析。 电容式套管内部发生局部放电时会在套管内部导电杆中发生微弱的电压波动,从而影响到导电杆与离它最近的油纸构成的电容值,以此类推将这种信号通过层层电容,向最外层绝缘传播,直至传到末屏接地线处,导入地下。由此看出,在电容式套管接地线中包含
18、有套管内局部放电的信号,通过对套管接地线的电流进行采集,在通过信号分析可以提取出套管内部的局部放电信号,如图2所示。3.4、传感器的选择与安装1、传感器的选择要实现电容式套管局部放电监测,选用传感器必须准确、有效地提取局部放电信号,并且要求绝缘在线监测系统与被监测系统之间没有电的联系,保证监测系统安全,也不会因监测系统故障而影响被监测系统的正常工作,所以传感器的选择在在线监测系统中起着关键的作用。电容式套管局部放电信号持续时间很短,包含的频谱范围很宽,因此采用宽频电流传感器系统,该系统由宽频电流传感器和宽频放大器组成,传感器基于罗氏线圈原理,采用磁祸合方式,检测回路与高压回路之间无直接电联系。
19、罗氏线圈电流传感器具有如下性能:在较宽的频带上具有平坦的幅频响应(3db,带宽为10 20MHz);响应速度快(建立时间为ns数量级);灵敏度高(可测量最小局部放电脉冲的幅度为2mV);线性度好,输出失真小(局部放电脉冲幅度为24000mV无失真);安全可靠(安装在中性点零电位处,具有良好的固定、屏蔽)。2、 传感器的安装根据现场情况,电流传感器选择套装在高压套管末屏接地线上。研究表明,要提取电容式套管局部放电信号的最佳的监测点是末屏接地线中,当套管内部发生局部放电现象,在套管电容芯子空心导电铜管上会有微弱的电压波动,并通过套管层层电容绝缘结构一直向外层传,直至到达最外层,最终通过高压套管末屏接地线导入地下,所以在高压套管末屏接地线内包含全部的局部放电信号,通过电流传感器祸合高压套管末屏接地线中的电流信号,可以提取到所需要的局部放电信息,所以电容式套管局部放电在线监测系统选择在高压套管末屏接地线上安装一罗氏线圈电流传感器。如图3、图4分别给出的是双绕组变压器传感器安装图和三绕组变压器传感器安装图。套装于末屏接地线上的电流传感器体积小,易于安装在变压器壳体上,输出电缆的固定也十分重要,避免挤压和振动摩擦。结束语 对电力设备进行绝缘检测技术研究,不仅能够及时发现和检测出电力设备内部的绝缘状态,而且还能够很好的发现设备的故障所在。在了解
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