电器测试与故障诊断技术第09章课件

1、9.1 概 述 不同的设备有不同的状态量，其监测的方法也不尽相同，设备状态检测主要有以下几种方式： 1.巡视检查2.常规的预防性试验 电器设备的预防性试验属于常规试验，是目前掌握设备状态的重要手段之一，常规性试验也是状态维修的基础，要作好如下工作： （1）确定较合理的测试周期 此周期不是原规程所规定的周期，而是根据设备的原始状态、运行环境、历年来状态变化趋势等因素来确定。对于大多数初始状态良好且运行状态较稳定的设备，应采用较长的测试周期，必要时需跟踪测试。（2）确定重点测试设备 将电网中重要设备（主变压器、断路器等）的故障易发部位及薄弱环节列为测试重点。（3）确定重点测试项目 全面掌握设备或装

2、置的工作状态，通常要通过各项测试才能实现。但有的项目能最有效地反映设备主要异常状态，如油色谱试验能最迅速、最灵敏地揭示充油设备主绝缘方面的潜在性故障，是高压充油设备绝缘的重点测试项目。（4）提高设备测试数据的可信度 数据不可信，就会导致误判，其结果可能会造成盲目检修，也可能会导致失修。测试数据的可信度常受测试时的环境条件（温度、湿度、电源波形、电磁干扰等）、仪器自身性能、测试方法以及测试人员的素质等因素的影响，应尽量减小或排除其影响。3. 带电测试 带电测试与常规的预防性试验的差别在于，测试是在被测设备不停电的条件下进行的；与在线监测的差别在于在线监测是随时随地进行的实时检测，而带电测试则是根

3、据需要或按预定周期进行的测试。 带电测试技术的优点是方便、灵活、针对性强，但其测试工作的安全性和测试的精度还有待于进一步提高。目前，比较成熟的项目有红外线成像技术、氧化锌避雷器阻性电流测试、GIS内部放电监测等技术。4. 在线检测 在线检测能使电器设备经常处于正常工作参数（电压、气压、温度等）的监视之中，能及时发现设备的状态量的实时变化及变化趋势，易于捕捉到突变的信息量，及时发现设备存在的问题。在线检测装置反应设备的实时状态，使对设备的状态参数一目了然。在线监测比常规的停电试验更有效、更及时地发现设备早期缺陷，更好的了解设备已有的或潜在的问题，它比带电检测更及时、更直观，因此，它是设备实行状态

4、维修的重要基础之一。9.2 SF6断路器气体状态监测 9.2.1 SF6 气体绝缘设备的检漏方法1. 定性检漏 定性检漏只是判断气体绝缘设备泄漏情况的相对程度，并不测量具体泄漏率。现场的定性检漏是不能省略的检漏项目。定性检漏的有如下方法：（1）抽真空检漏 这种方法是在气体绝缘设备安装或解体大修后，对设备抽真空干燥时进行的。具体步骤：将设备抽真空至133Pa后继续抽真空30min以上，然后停止，静观30min后读取真空度A，再静观5h后读取真空度B，如果 B-A 67Pa，则初步认为密封性能良好。（2）发泡液检漏 这是一种简单的定性检漏方法，能够较准确地发现泄漏点。将发泡液（由一份中性肥皂加入二

5、份水配制而成）涂在被检测部位，起泡处即为泄漏处，起泡越多越急，说明泄漏越严重。采用发泡液检漏法可大体上能发现泄漏率为0.1mL/min 的漏气部位。（3）检漏仪检漏 运行中的GIS，可直接用检漏仪对怀疑泄漏气处进行检漏。安装或大修后的GIS或其他气体绝缘设备，可先充入0.2105 Pa的 SF6气体，再充入高纯度氮气至额定气压，然后用检漏仪检漏。这种检漏方法是将检漏仪探头沿断路器各接口表面和铝铸件表面移动，根据检漏仪读数判断气体的泄漏情况。注意点：探头移动速度应慢，以免错过泄漏点；检漏时风速应小，以免泄漏气体被风吹走而影响检漏；应选择灵敏度高、响应速度小的检漏仪，例如，其最低检出量（即泄漏量）

6、的体积分数小于10-6，响应速度小于5s。（4）分割定位法 分割定位法适用于三相SF6气路连通的断路器。若已确认有泄漏但难于定位时，可把 SF6气体系统分割成几部分，再进行检漏，从而可以减少盲目性。（5）压力下降法 压力下降法适用于设备泄漏量较大时或需在运行期间测定泄漏率时。此法用精密压力表测量好SF6气体压力后，隔数天甚至数十天进行复测，结合温度换算或进行横向比较，来判断可能的压力下降。该方法简单易行，可作为定性检漏的补充。图9-1 挂瓶捡漏法2. 定量检漏（1）挂瓶法 如图9-1所示.（2）局部包扎法 将设备局部用塑料薄膜包扎，经过24h后测量包扎腔内SF6气体的浓度，通过计算确定其泄漏率

7、。此法对密封面及其他泄漏点的气体泄漏率检测均适用，是现场最为有效的检测方法之一。（3）扣罩法 用塑料罩将整台气体绝缘设备或已组装好的几个气室封罩在内，经过24h后测量罩内 SF6气体的浓度，通过计算确定其泄漏率。扣罩前应吹净待试设备周围残留的 SF6气体，然后视设备体积大小，选取 26个有代表性的测试点进行测量，求取其平均浓度。扣罩法适合于整台气体绝缘设备年泄漏率的测量。（4）直接测量法 对于仅有数个孤立泄漏点的设备，可采用读数为 MPam3/s（103MPamL/s）的检漏仪进行定量检漏。将各点的测量值累计相加，即可求出整台设备的绝对泄漏率。9.2.2 运行中SF6气体密度的监测1. SF6

8、气体密度与压力的关系图9-2 SF6气体密度与压力关系2. SF6气体压力检测方法(1) 压力表检测法 (2) 密度继电器（温度补偿压力开关） 图9-3 密度继电器工作原理9.2.3 SF6断路器含水量的监测气体中的含水量:是指气样中水的体积与气样总体积之比，常用体积分数（百万分之一）表示，即10-6(V/V)，他是一个无量纲单位。1. SF6气体微水量检测和注意的几个问题1）环境温度的影响2）采样管道 3）减压阀 4）空气中过多的水分5）环境温度 6）充气后应稳定24H 7）推荐取样气体的压力为0.1MPa 时进行测量 2. SF6气体含水量测试 采样系统钢瓶中的SF6 以气态和液态两种形式

9、共存，二者的含水量是不同的，为使测试结果有代表性，应从液态的SF6中取样，因而应将钢瓶倒立成30后取样。图中，V1 为 SF6气样源的总阀门；V2 为微调阀；D为干燥器，用来干燥清洗用的高纯氮气。开启阀门V3、V4、V5，冲洗采样系统，然后关闭V5开启V6，使氮气通入微水量测量仪。当仪器处于工作状态后，关闭V3开启V2，开始测量SF6 气体含水量。 图 9-5 SF6气体含水量测量采样系统9.2.4 SF6专用气相色谱仪 SF6 专用气相色谱仪是用于 SF6气体质量监督检验和 SF6 开关设备中电弧分解气定量测定的仪器。它是针对要分析的杂质主要成分的特性，采用热导和火焰光度检测器串联的方式，切

10、换四通阀消除干扰成分等或其他结构和流路，并采用经试验测定出的校正因子作定量分析。 9.3 局部放电在线监测9.3.1 局部放电在线监测传感器技术1内置UHF传感器 优：内置UHF传感器获得较强的UHF信号，测量精度高；不同区域均有传感头，便于准确定位。缺：为了能确定故障位置，保证检测的灵敏度，需要在GIS内较短的间距上安装传感器，大量传感器的使用提高了产品的成本；另外，由于内置式UHF传感器改变了原有GIS的结构，也带来了诸如传感器引出线的密封问题，因天线引入而导致GIS内部击穿问题等。图9-6 平板式传感器a)传感器结构 b)频率响应图9-7 锥体传感器a)传感器结构 b)频率响应图9-8

11、工业用UHF传感器a) 传感器结构 b) 频率响应 图9-9 GIS外壳自由颗粒信号幅值a)GIS隔板固定颗粒信号幅值 b)GIS外壳自由颗粒信号幅值2. 外置UHF传感器 由于GIS的导体支撑和气室隔离需要盆式绝缘子，使法兰之间存在绝缘缝隙，当GIS内部发生局部放电时，UHF电磁波信号的一部分可从GIS法兰盘处的绝缘缝隙泄漏出来，为GIS局部放电的体外测量提供了条件。泄漏到GIS体外UHF电磁波信号要比体内的信号弱，使GIS局部放电体外测量的灵敏度降低。但GIS通常有许多盆式绝缘子，提供了多处可供UHF信号测量的窗口，对于GIS内的每一处放电，都可从距放电源最近的盘式绝缘子处接收信号，从而减

12、小了信号传播路径上的衰减，提高了UHF 传感器的综合灵敏度。 图9-10 外置环形天线 图9-11 体外UHF传感器电晕测试a)测试装置示意图 b)天线不同角度的局放测试图9-12 便携式UHF传感器a)便携式UHF传感器结构 b)频率特性9.3.2 局部放电故障定位技术1. 常规内部故障监测与定位(1) 光学检测法(2) X射线照像 (3) 红外定位技术 (4) 电磁技术 (5) 化学检测法 (6) 声波检测法 图 9-13 点光源的照度计算示意 图9-15 局部放电检测系统结构图9-16 自由导电杂质超声波频谱图9-17 自由导电粒子的放电振动频谱 a)杂质为铝末、钢丝 b)杂质为铜导线2

13、. 新型内部故障定位检测 (1)超高频（UHF）法 (2)外壳振动法 (3)GIS故障定位器 (4) GIS内部放电检测仪 图9-18 固定毛刺的放电振动频谱图9-19 定位器电路原理图图9-20 局部放电相位图9.3.3 局部放电脉冲电流额度的数字测量l. 局部放电的特征 2. 测量系统方块图3. 脉冲电流频度数字测量的特点 脉冲电流频度的数字测量，它利用局部放电的相位特征，通过相位选择的方法，将各相局部放电的脉冲电流单独分离出来，再用不平衡法求取不平衡指数，消除干扰信号的脉冲电流，以此求得每一相局部放电脉冲的电流的个数，对脉冲电流个数的计数进行比较和分析，确定局部放电的相别及严重程度。虽从

14、原理上看，它的抗干扰性和直观性比已应用的脉冲电流法要好些。 同步信号被测信号传感器滤波显示基准信号采样放大整形单片机图9-21 测量系统结构模型GIS局部放电试验装置便携式UHF传感器应用实例250MHz1G内有一定的灵敏度，最大增益为54dBm。 传感器的频率特性横坐标：频率 180MHz/div; 纵坐标：信号幅值 10dBm/div 顶线坐标：-20dBm 便携式GIS局部放电UHF传感器具有以下优点： （1）采用特高频电磁波传感技术，具有很高的抗干扰能力和检测灵敏度，能够检测低于10pC的局部放电；（2）具有局部放电定位功能，定位精确度1米以内；（3）一台便携式局部放电在线检测仪器可用

15、于多个GIS变电站，经济，实用；（4）在线检测时不影响GIS的正常运行，不需拆动GIS的任何部件； 研究内容 本试验研究通过在模型GIS内部安置各种不同种类的缺陷产生局部放电，来模仿GIS运行中常见的几种典型绝缘故障，通过局部放电的特征来识别放电类型，并借助常规局放测试设备来估计UHF信号幅值所对应的放电量，主要内容如下：（1）组建模型GIS装置；（2）确定测试种类：常规局部放电波形、UHF波形、频谱、相位等；（3）建立测试系统：常规局部放电：采用DST-4, UHF信号：便携式UHF检测装置， 电压相角:调压器中获取信号, 频谱：采用美国TEK公司的496P型频谱分析 波形纪录：采用TEK.

16、公司的TDS420型示波器（4）通过试验，获取试验数据，找各种局部放电的特征和规律， 进行故障诊断研究的GIS内故障类型：(1)金属导体尖刺；(2)盘式绝缘子表面金属颗粒群；(3)盘式绝缘子表面固定间隙的金属颗粒对；(4)盘式绝缘子表面单个金属颗粒；(5)筒体表面自由金属颗粒群；(6)悬浮电位；(7)非金属异物；(8)绝缘子空穴。在线检测装置简介UHF传感器安置位置导电杆GIS外壳盘式绝缘子天线屏蔽 检测及诊断 (1) 导电杆上尖刺 54kV电晕放电波形横坐标：频率, 180MHz/div纵坐标：信号幅值, 10dBm/div 顶线坐标：-20dBm频谱图(2)盘式绝缘子表面金属颗粒群电压10

17、0kV 波形(3)盆式绝缘子表面固定间隙金属颗粒对50kV放电波形(4) 悬浮电位46kV电压GIS悬浮体放电波形(5) 筒体表面自由金属颗粒群75kV金属颗粒放电波形(6) 盆式绝缘子表面单金属颗粒63kV电压单个金属颗粒放电波形(7) 盆式绝缘子表面非金属异物63kV电压下树叶局部放电波形60kV电压支柱绝缘子气隙放电波形(8) 固体绝缘内部气隙1-树叶；2-单金属颗粒；3-金属颗粒对9.4 真空断路器的监测9.4.1 触头磨损的监测触头磨损的测定 通常在停电时进行，方法为（1）按触头超行程尺寸来判断，在真空断路器合闸状态下测定超行程的尺寸，若小于规定尺寸（初始触头超行程量触头容许磨损量）

18、，则应更换真空灭弧室。（2）在机构的某处或真空灭弧室的触头连杆上，刻上标记或目标线，以便目测。若在真空断路器合闸状态下，在触头连杆接近灭弧室侧作红色标记，随触头磨损的增加，红色标记将逐步进入灭弧室内，如果标记完全移入灭弧室，则说明触头磨损量过大，需要更换真空灭弧室。 上述两种方法只是定性的监测，随机性大。若在真空断路器上设置超程监视装置，即可对真空断路器的超程进行监测，并及时报警。2. 超程监视装置9-28 超程监视装置1显示板 2指示灯 3馈线 4调节钉 5触头弹簧 6复位弹簧 7底板 8绝缘子 9微动开关 10导杆 11导板 12操作臂9.4.2 真空度的在线监测如图9-30所示，真空灭弧

19、室的压强随着存放、运行的时间增加而增加。当真空压力在允许的最大值范围内，由慢性漏气引起的压力变化可近似为线性变化，如直线“A”；零件释放气体的气量是逐渐减少的，最后趋于平衡状态，如曲线“B”。实际的压强变化曲线是上述两种因素的综合，即曲线“AB”。图9-30 灭弧室压力变化曲线 真空断路器真空度的在线监测，就是要在不改变断路器的主体结构条件下，随时都可以监测其真空度的变化。具体要求如下：1）测试元件应能承受高电压、强电场、断路器操作的冲击与振动以及工作时有温升条件下的环境温度。2）测试元件的接入不应影响断路器的各项性能指标（如绝缘水平、机械寿命等）。3）在带电条件下，无论触头在分、合状态均能测

20、量，还能承受操作过电压行波的电磁场以及电磁操动机构动作时的强磁场的干扰。 满足上述要求的真空度在线监测方法主要有：电光变换法，耦合电容法及波纹管和弹簧压力平衡法。1. 电光变换法图9-31 真空度电光测试系统a) 系统布置 b) 工作原理1系统高压 2真空灭弧室 3屏蔽罩 4电场 5光纤 6光电变送器 7负载 8接地外壳2. 耦合电容法图9-32 耦合电容法监测真空度的原理图a)原理图 b)等值电路图1真空灭弧室 2中间屏蔽罩 3绝缘隔板 4接地机壳3. 波纹管及弹簧压力平衡原理的装置图9-33 真空度的波纹管监测法1-千分表 2-纹波管3-压缩弹簧4-灭弧室 图9-33是本装置的原理图。在真

21、空灭弧室4的静端加焊一只与灭弧室内腔连通的波纹管2。在灭弧室抽真空时，波纹管处于压缩状态。安装时，在波纹外围加一只压缩弹簧3。正常情况下，灭弧室波纹管的自闭力与弹簧力相平衡，波纹管处于压缩状态。当灭弧室出现慢性漏气时，自闭力会减小。当真空度小于等于10-2 Pa时，在弹簧力作用下，静端波纹管伸长，灭弧室静端产生轴向位移，其位移量与灭弧室真空度变化相对应。通过位移传感器带动千分表1（或数字显示器）进行指示。当出现突发性漏气时，将立即发出声光报警信号，并闭锁断路器。9.4.3 真空灭弧室诊断 若有一个灭弧室丧失真空度（如B相），那么就不能熄弧。但一般来说，装有一个有缺陷的真空灭弧室的三相断路器仍能

22、进行开断。必须区分下列情况：1)有缺陷的灭弧室不是第一个熄弧。在这种情况下，完好的灭弧室将开断电流。从外观看，很难区分与三个完好的灭弧室的差异。2)有缺陷的灭弧室首先过零点（见图9-34），有缺陷的灭弧室会发生重燃。此时其他灭弧室承担开断任务，第三相灭弧室出现一定的电流中断。有缺陷的灭弧室的电弧同时熄灭，但总的燃弧时间要长些。 3)单相接地短路故障，有缺陷的灭弧室相发生接地短路故障，也不会发生断路，有很长的燃弧时间。9.5.1 温度敏感元件的监测器1. 电工功能材料的阻温特性 常用的电工功能材料是一种高分子PTC（正的电阻温度系数）热敏材料，其电阻率随温度的变化是非线性的，在一定温度范围内其电

23、阻具有对温度的阶跃特性，其表征参数为升阻比： （9-3） 式中 T 温度T时的电阻率； 0 温度T0时的电阻率。热敏材料不需复杂的信号放大电路，抗干扰能力强；热敏元件的尺寸较小、热时间常数小于母线连接处温度变化时间元件通过反复热循环处理后，其特性稳定性和阻值重复性均好图9-35 阻温特性曲线与电压温度曲线9.5 电器设备温度在线监测2. PTC元件的测温原理图中1为电工功能材料热敏元件，将其粘附在被测量点处；2是由热敏元件、电子线路及辅助电源组成的传感器。将PTC元件的阻值变化转换为电压信号，再调制成光信号发送出去。光信号的传递大多采用光纤进行，以减小光在传递过程中的能量损失；也可用电磁波发射传输温度信息，这种传送信息的方式一方面可以完全不受主电路周围强磁场的干扰，另一方面也解决了高电位测量的难题；处于低电位的信号接收器将光信号放大解调后，还原为电压信号，经AD转换器变为数值量送入微型计算机处理，并做出显示和超温报警。 图9-37 测温原理图 母线温度的在线监测（1）光学传感器法 光微薄硅温度传感器可用于温升的在线监测，该技术已在变电站设备的状态监测中获得应用59。它是利用对温度敏感的光