第4章电气设备绝缘预防性试验

1、田付强田付强 副教授副教授牵引供电研究所Email: 办公室：电气楼808办公电话604手机二篇第二篇 电气设备绝缘试验电气设备绝缘试验第四章第四章 电气设备绝缘预防性试验电气设备绝缘预防性试验( (非破坏性非破坏性) )第五章第五章 绝缘的高压试验绝缘的高压试验( (破坏性破坏性) )一一 绝缘试验的必要性绝缘试验的必要性u电力系统的规模、容量不断地扩大，停电造成的损电力系统的规模、容量不断地扩大，停电造成的损失越来越严重；失越来越严重；u绝缘往往是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常绝缘往往是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系

2、统事故的首要原因；是引发电力系统事故的首要原因；u新设备使用前都要进行实验，以防止在设计中存在新设备使用前都要进行实验，以防止在设计中存在的缺陷；的缺陷；u电气设备在长时间高电压下，会造成其绝缘性能逐电气设备在长时间高电压下，会造成其绝缘性能逐渐丧失；渐丧失；u电介质理论仍远未完善，须借助于各种绝缘试验来电介质理论仍远未完善，须借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和检验和掌握绝缘的状态和性能。性能。本篇引言本篇引言二二 绝缘试验的绝缘试验的分类分类1. 1. 按照对设备造成的影响程度分类（两类）按照对设备造成的影响程度分类（两类）非非破坏性试验，亦称绝缘特性试验：破坏性试验，亦称绝缘特性试

3、验：在较低电压下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绝缘内部的缺陷。包含缺陷。包含的种类：的种类：绝缘电阻试验、介质损耗角正绝缘电阻试验、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切试验、局部放电试验、绝缘油的气相色谱分析等。等。破坏性破坏性试验，即耐压试验：试验，即耐压试验：以高于设备的正常运行电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；缺点可能考验严格，

4、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在试验时给绝缘造成一定的损伤损伤。包含的种类：。包含的种类：交流耐压试验、交流耐压试验、直流耐压试验直流耐压试验、雷电冲击、雷电冲击耐压试验及操作冲击耐压试验及操作冲击耐压试验。耐压试验。电气设备绝缘试验对于设备制造厂、电力系统运行部门、电气设备绝缘试验对于设备制造厂、电力系统运行部门、某些电工、电力科研机构来说，都是重要的和必需的。某些电工、电力科研机构来说，都是重要的和必需的。本篇引言本篇引言2. 按照设备是否带电的方式分类（两类）按照设备是否带电的方式分类（两类）u 离线离线：在离线的监测和诊断时，要求被试设备退出运行状

5、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性试验规程规定；规定；特点特点：可采用破坏性试验和非破坏性试验两种方式，两种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才进行。u 在线在线：在线监测则是在被试设备处于带电运行的条件下，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，通常是自动进行行的；的

6、；特点特点：只能采用非破坏性试验方式。由于可连续监测，除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，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从而显著提高了其判断的准确性。准确性。本篇引言本篇引言三绝缘三绝缘试验的三个基本环节试验的三个基本环节u传感器传感器与测量方法：与测量方法：正确选用各种传感器及测量手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；段，检测或监测被试对象的种种特性，采集各种特性参数；u数据处理数据处理：对原始的杂乱信息加以分析处理对原始的杂乱信息加以分析处理(

7、 (数据处理数据处理) )，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；征参数；u绝缘绝缘诊断：诊断：根据提取的特征参数和对绝缘老化过程的知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、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，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。根据。本篇引言本篇引言 第一第一节节 绝缘的老化

8、绝缘的老化1第二节第二节 绝缘电阻、吸收比和泄漏电绝缘电阻、吸收比和泄漏电流的测量流的测量23第三节第三节 介质损耗角正切的测量介质损耗角正切的测量第四节第四节 局部放电的测量局部放电的测量第四章第四章 电气设备绝缘预防性试验电气设备绝缘预防性试验5第五节第五节 电压分布的测量电压分布的测量6第六节第六节 绝缘状态的综合判断绝缘状态的综合判断4u绝缘绝缘预防性试验概念：预防性试验概念：为了对绝缘状态作出判为了对绝缘状态作出判断，需对绝缘进行各种试验和监测，通称为绝断，需对绝缘进行各种试验和监测，通称为绝缘预防性试验。缘预防性试验。 u绝缘预防性试验的目的是什么绝缘预防性试验的目的是什么？绝缘故

9、障绝缘故障大多大多因内部存在缺陷而引起，我们通过测量电气特因内部存在缺陷而引起，我们通过测量电气特性的变化来发现隐藏着的缺陷性的变化来发现隐藏着的缺陷。u绝缘绝缘缺陷类型缺陷类型 集中性集中性缺陷：裂缝、局部破损、气泡等缺陷：裂缝、局部破损、气泡等 分散性分散性缺陷：内绝缘受潮、老化、变质等缺陷：内绝缘受潮、老化、变质等本章引言一、绝缘的老化一、绝缘的老化 电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化和化学变化，致使其电气、机械及其他列物理变化和化学变化，致使其电气、机械及其他性能逐渐劣化，这种现象统称为绝缘的老化。性能逐渐劣化，这种现象统称为绝缘

10、的老化。 二、老化二、老化的的原因原因热、电、机械力、水分、氧化、各种射线、微热、电、机械力、水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。生物等因素的作用。第一节第一节 绝缘的老化绝缘的老化三、绝缘的热老化三、绝缘的热老化 u热老化的概念热老化的概念 在在高温的作用下，电介质在短时间内就会发生高温的作用下，电介质在短时间内就会发生明显的劣化；即使温度不太高，但如作用时间很长，明显的劣化；即使温度不太高，但如作用时间很长，绝缘性能也会发生不可逆的劣化，这就是电介质的绝缘性能也会发生不可逆的劣化，这就是电介质的热热老化。温度老化。温度越高，绝缘老化得越快，寿命越短越高，绝缘老化得越快，寿命越短。u热

11、热老化的过程老化的过程固体介质的热老化固体介质的热老化过程过程 受热受热带电粒子热运动加剧带电粒子热运动加剧载流子增多载流子增多载流载流子迁移子迁移电导和极化损耗增大电导和极化损耗增大介质损耗增大介质损耗增大介质温升介质温升加速老化加速老化 液体介质的热老化过程液体介质的热老化过程 油温升高油温升高氧化加速氧化加速油裂解油裂解分解出多种能溶分解出多种能溶于油的微量气体于油的微量气体绝缘绝缘破坏破坏 ( (对变压器油来说，温度增加对变压器油来说，温度增加1010，氧化速度增，氧化速度增加一倍；加一倍；) )三、绝缘的电老化三、绝缘的电老化 u电电老化的概念：老化的概念：电电老化是指在外加高电压或

12、强电老化是指在外加高电压或强电场作用下的场作用下的老化。老化。u电老化的原因：电老化的原因：介质介质中出现中出现局部放电。局部放电。u固体介质的局部放电老化机理：固体介质的局部放电老化机理： 带电离子带电离子(10eV)(10eV)撞击破坏撞击破坏高分子的结构，造成裂解；高分子的结构，造成裂解；转化为转化为热能热能, ,不易不易散散出出, ,引起引起热裂热裂解解, ,气隙膨胀导致开裂分层；气隙膨胀导致开裂分层； 在局部放电区，产生在局部放电区，产生高能辐射线高能辐射线，引起材料分解；，引起材料分解； 气隙中如含有氧和氮，放电可产生气隙中如含有氧和氮，放电可产生臭氧和硝酸臭氧和硝酸，是强烈，是强

13、烈的氧化剂和腐蚀剂，能使材料发生化学破坏的氧化剂和腐蚀剂，能使材料发生化学破坏。u绝缘油的老化原因绝缘油的老化原因：局部放电使油局部放电使油温升高而导致油的裂解，产生温升高而导致油的裂解，产生出微量出微量气体；气体； 油中的局部放电还可能产生聚合蜡状物，影响散热，加油中的局部放电还可能产生聚合蜡状物，影响散热，加速固体介质的热老化速固体介质的热老化。四、其它影响因素四、其它影响因素u制造和运行过程中的机械应力和电动力，在固体制造和运行过程中的机械应力和电动力，在固体介质内部产生裂缝或气隙，引发局部放电；介质内部产生裂缝或气隙，引发局部放电；u环境因素：紫外线、日晒雨淋、霉菌等；环境因素：紫外线

14、、日晒雨淋、霉菌等；五、本节小结五、本节小结u电气设备的使用寿命一般取决其绝缘的寿命，后电气设备的使用寿命一般取决其绝缘的寿命，后者与老化过程密切相关。者与老化过程密切相关。 u通过绝缘试验判别其老化程度是十分重要的。通过绝缘试验判别其老化程度是十分重要的。 u绝缘老化的原因主要有热、电和机械力的作用绝缘老化的原因主要有热、电和机械力的作用 ，此外还有水分、氧化、各种射线、微生物等因素此外还有水分、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。的作用。 u各种原因同时存在、彼此影响、相互加强，加速各种原因同时存在、彼此影响、相互加强，加速老化过程。老化过程。 第二第二节节 绝缘电阻绝缘电阻、吸收比的测量

15、、吸收比的测量绝缘状态最基本的综合特性参数；绝缘状态最基本的综合特性参数；在组合绝缘和层式结构中，吸收电流在组合绝缘和层式结构中，吸收电流两个瞬间电流值或电阻值之比，两个瞬间电流值或电阻值之比，可可检验检验绝缘是绝缘是否严重受潮或存在局部否严重受潮或存在局部缺陷；缺陷；与绝缘电阻类似，但在较高直流场与绝缘电阻类似，但在较高直流场强下测试，更有助于发现绝缘缺陷。强下测试，更有助于发现绝缘缺陷。一、基本概念一、基本概念许多电气设备的绝缘都是多层的，变压器的绝缘用的是油和纸， 有的电缆用胶和纸，电机绝缘是用胶把纸或绸布和云母片粘合起来。这些绝缘在电场下都存在吸收电流现象。二、双层介质的吸收现象二、双

16、层介质的吸收现象双层介质等值电路图2121CCCUU2112CCCUUt=0+2111RRRUU2122RRRUUt=存在电荷的重新分配，即吸收现象存在电荷的重新分配，即吸收现象1221CCRR一阶电路全响应的三要素法可得出U1，U2teRRRCCCURRRUU)(2112122111 teRRRCCCURRRUU)(2122112122212121RRRRCC）（teUUUU)(0tCReRRRRCCCRCRURRUdtduCRUiii212122121122211111)()()(11taeRRRRCCCRCRUi212122121122)()()( 通过吸收电流能发现绝缘材料中的局部性缺

17、陷通过吸收电流能发现绝缘材料中的局部性缺陷。当。当绝缘严重绝缘严重受潮或出现导电性缺陷时，阻值受潮或出现导电性缺陷时，阻值R R1 1、R R2 2 或两者之和显著减小，或两者之和显著减小，I Ig g大大增加，而大大增加，而I Ia a迅速衰减。迅速衰减。 teCRCRRRCCRRRRCCtR21122212212121221)()()()()(三三、绝缘电阻与吸收比的测量绝缘电阻与吸收比的测量1. 1. 绝缘电阻绝缘电阻u测量绝缘电阻时，其值是不断变化的；测量绝缘电阻时，其值是不断变化的；t t无穷时刻，等于两无穷时刻，等于两层介质绝缘电阻的串联值。层介质绝缘电阻的串联值。 u通常所说的绝

18、缘电阻均指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻值通常所说的绝缘电阻均指吸收电流衰减完毕后的稳态电阻值( (工程应用上的表达方便，把介质处在吸收过程时的工程应用上的表达方便，把介质处在吸收过程时的U/iU/i也也称称为为绝缘电阻绝缘电阻R)R)。 u受潮时，绝缘电阻显著降低，受潮时，绝缘电阻显著降低，i ig g显著增大，显著增大，i ia a迅速衰减。因迅速衰减。因此，能揭示绝缘整体受潮、局部严重受潮、存在贯穿性缺陷此，能揭示绝缘整体受潮、局部严重受潮、存在贯穿性缺陷等情况。等情况。对于某些大型被试品，吸收电流延续时间长，且绝缘电阻对于某些大型被试品，吸收电流延续时间长，且绝缘电阻变化范围大，因而用测

19、变化范围大，因而用测“吸收比吸收比”的方法来替代。的方法来替代。 定义：定义：令令t=15s和和t=60s瞬间的两个电流值的瞬间的两个电流值的I15 和和I60比值比值 R60已经接近于稳态绝缘电阻值已经接近于稳态绝缘电阻值R，K1恒大于恒大于1,越大表示吸收越大表示吸收现象越显著，绝缘性能越好。吸收比是同一试品在两个不同时现象越显著，绝缘性能越好。吸收比是同一试品在两个不同时刻的绝缘电阻的比值，所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响。刻的绝缘电阻的比值，所以排除了绝缘结构和体积尺寸的影响。601515601IIRRK2. 吸收比吸收比 大容量电气设备中，吸收现象延续很长时间，吸收比不能很好地反映

20、绝缘的真实状态，用极化指数再判断。 极化指数 某些集中性缺陷已相当严重，以致在耐压试验时被击穿，但在此前测得的绝缘电阻、吸收比、极化指数却并不低，因为缺陷未贯穿绝缘。可见仅凭上述试验结果判断绝缘状态是不够的。 min1min102RRK3. 极化极化指数指数测量设备测量设备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K1 （及极化指数K2 ，下同）的下降。当K11或接近于1，则设备基本丧失绝缘能力。不同绝缘状态

21、下的绝缘电阻的变化曲线不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线 绝缘绝缘状态的判定状态的判定泄漏电流测试所加直流电压远高于电阻测量，故能发现兆泄漏电流测试所加直流电压远高于电阻测量，故能发现兆欧表不能发现的某些缺陷。如分别在欧表不能发现的某些缺陷。如分别在20kV20kV和和40kV40kV电压下测量额电压下测量额定电压定电压35kV35kV及以上变压器的泄漏电流值，能很灵敏地发现瓷套及以上变压器的泄漏电流值，能很灵敏地发现瓷套开裂、绝缘纸筒沿面炭化、变压器油劣化及内部受潮等缺陷。开裂、绝缘纸筒沿面炭化、变压器油劣化及内部受潮等缺陷。四、泄漏电流四、泄漏电流的测量的测量施加在试品上的直流电压是逐施加

22、在试品上的直流电压是逐渐增大的，这样就可以在升压过渐增大的，这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长程中监视泄漏电流的增长动向。动向。本节小结本节小结u绝缘电阻绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合特性参数。基本的综合特性参数。 u电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在直流电压下均有明显的吸收现象，测量直流电压下均有明显的吸收现象，测量吸收比和吸收比和极化指数极化指数可检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺可检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。陷。 u泄漏电流泄漏电流从原理上来说，与测量绝缘电阻是相似从原理

23、上来说，与测量绝缘电阻是相似的，但它所加的直流电压要高得多，能发现用兆的，但它所加的直流电压要高得多，能发现用兆欧表所不能显示的某些缺陷。欧表所不能显示的某些缺陷。第三节第三节 介质损耗角正切的介质损耗角正切的测量测量u介质的功率损耗介质的功率损耗P P与介质损耗角与介质损耗角正切正切tg成正比成正比, ,所以后者是所以后者是绝缘品质的重要指标，绝缘品质的重要指标，测量测量tg值值是判断电气设备绝缘是判断电气设备绝缘状态状态的一的一项灵敏有效的方法项灵敏有效的方法。如。如tg超过表超过表4.3中的数值，就意味中的数值，就意味着着介质严重发热，有爆炸的危险；介质严重发热，有爆炸的危险；设备绝缘存

24、在严重设备绝缘存在严重缺陷，应立即进行检修。缺陷，应立即进行检修。utg能能反映绝缘的整体性缺陷（如全面老化）和小电容试品反映绝缘的整体性缺陷（如全面老化）和小电容试品中的严重局部性缺陷中的严重局部性缺陷。 一、一、介质损耗测量的意义介质损耗测量的意义高压臂：高压臂：被测试品以等值电容CX和电阻RX并联；CN代表高压标准电容；低压臂：低压臂：处在桥箱体内的可调无感电阻R3；定值无感电阻R4和可调电容C4； 电桥平衡：在交流电压电桥平衡：在交流电压U U作用下，调节作用下，调节R3和C4使电桥平衡，即通过检流计G的电流为零；西林电桥的基本回路西林电桥的基本回路 二、介质损耗的测试方法二、介质损耗

25、的测试方法- -西林电桥西林电桥所以电桥的平衡条件：所以电桥的平衡条件：Z1/Z3 = Z2/Z4西林电桥接线图西林电桥接线图电桥平衡时电桥平衡时A、B两两点等电位，即点等电位，即UCA=UCB, UAD=UBD桥臂桥臂CA和和AD中流过的中流过的电流电流相等；桥臂相等；桥臂CB和和BD中流过的电流中流过的电流相等，相等，即即I1=I3, I2=I4；西林西林电桥电桥接线图接线图tg=R4C4u绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因绝缘中的局部放电是引起电介质老化的重要原因之一，其持续发展会导致绝缘的击穿与损坏；之一，其持续发展会导致绝缘的击穿与损坏；u测定电气设备在不同电压下的局部放电强

26、度和发测定电气设备在不同电压下的局部放电强度和发展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷以及展趋势，就能判断绝缘内是否存在局部缺陷以及介质老化的速度和目前的状态；介质老化的速度和目前的状态；第四节第四节 局部放电的局部放电的测量测量一一、局部放电测量的意义、局部放电测量的意义u局部放电检测室电气设备制造厂和电力系统运行局部放电检测室电气设备制造厂和电力系统运行部门确定产品质量和进行预防性试验的重要项目部门确定产品质量和进行预防性试验的重要项目之一；之一；u实验内容包括视在放电量、放电重复率、局部放实验内容包括视在放电量、放电重复率、局部放电起始电压和熄灭电压。电起始电压和熄灭电压。1. 局部放电

27、的定义：局部放电的定义：指由于电气设备内部绝缘里面存在的弱指由于电气设备内部绝缘里面存在的弱点点( (气隙或气泡气隙或气泡) )，在一定外施电压下发生的局部的重复击穿，在一定外施电压下发生的局部的重复击穿和熄灭现象；和熄灭现象；二、二、局部放电检测的原理局部放电检测的原理介质内部气隙放电的三电容模型介质内部气隙放电的三电容模型 (a)(a)具有气泡的介质剖面具有气泡的介质剖面 ( (b)b)等值电路等值电路 2. 局部放电的三电容模型局部放电的三电容模型 以三个电容来表征介质以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电内部存在缺陷时的局部放电的机理的机理Cg:气泡的电容气泡的电容Cb:和和Cg

28、相串联部分的介相串联部分的介质电容质电容Cm:其余大部分绝缘的电其余大部分绝缘的电容容 电极间加上交流电压电极间加上交流电压u u，则则CgCg上的电压为上的电压为u ug g bgbgCCuCu/ug随外加电压随外加电压u升高，当升高，当u上升上升到气隙放电电压到气隙放电电压Us， ug到达到达Cg的放电电压的放电电压Ug时，气隙时，气隙Cg通过通过并联间隙放电。当并联间隙放电。当Cg上的电压上的电压迅速从迅速从Ug下降到残余电压下降到残余电压Ur时时火花熄灭，完成一次放电，在火花熄灭，完成一次放电，在此期间出现一个对应的局部放此期间出现一个对应的局部放电电流脉冲。气隙每次放电，电电流脉冲。气隙每次放电，其电压下降其电压下降U=Ug-Ur。当Cg放电时，放电总电容Cg：bmbmggCCCCCC/bmbmgr