电力设备绝缘检测与诊断

电力设备绝缘检测与诊断第1页/共85页液体电介质的击穿

液体电介质主要用于油浸式电力变压器、油断路器、油浸纸绝缘电缆、充油电缆、充油套管和充油电容器中，它们包括变压器油、电缆油和电容器油。这些液体电介质主要是从石油中提炼出来碳氢化合物的矿物油，其他也被采用的液体电介质有蓖麻油(用在脉冲电容器中)、硅油和十二烷基苯(人工合成绝缘油)。第2页/共85页液体中带电质点的碰撞游离而导致击穿。由于液体电介质的密度远比气体为大，分子之间的距离比气体的要小得多，电子在两次碰撞游离间的自由行程也短得多，因此要获得足够的能量发生碰撞游离，就需要更高的电场强度。液体电介质的击穿强度要比气体的高得多。如纯液体电介质在均匀电场小间隙中的击穿场强可达1MV/cm，而空气仅为30kV/cm。第3页/共85页工程用的液体电介质特点1.工程用的液体电介质不可能是纯净的，有杂质混入;2.在运行过程中，液体电介质本身也会老化、分解出气体、水分和聚合物，所以在液体绝缘介质中不可避免地存在气体、水分和纤维这三种主要杂质。3.由于杂质的存在，其击穿过程与纯净液体电介质的击穿过程截然不同，击穿场强也不同(变压器油为120-250kV/cm）第4页/共85页气泡击穿理论

变压器油中悬浮状态的水分和纤维的介电系数很大(分别为81和6-7)，它们在电场作用下很容易极化，受电场力吸引且被拉长，并且逐渐沿电场方向头尾相连在电极间排列成“小桥”。如果此“小桥”贯通两电极，则由于组成此“小桥”的水分和纤维的电导较大，使流过“小桥”的泄漏电流增大，发热增加，使水分汽化和小桥周围的油分解或气化，即形成气泡。第5页/共85页“小桥”击穿理论

气泡中的电场强度要比油中高得多(与介电系数成反比)，而气泡中气体的击穿强度又比油低得多，所以一旦气泡在电场作用下排列连成贯通两电极的“小桥”，击穿就在此“气泡”通道中发生。油中的水分和纤维形成“小桥”后，并不马上击穿，而仍要等到发展成气泡“小桥”后才击穿。变压器油的这种击穿理论也称“小桥”击穿理论。第6页/共85页影响液体电介质击穿强度的因素1.液体电介质的品质（a）含水量当含水量极微小时，水分均以溶解状态存在，对击穿电压影响不大。当含水量增加到超过溶解度时，多余的水分常以悬浮状态出现。容易极化并形成小桥。击穿电压随含水量增加而降低。

(2)含纤维量。含纤维量越多，纤维极化后易形成“小桥”，击穿电压越低。第7页/共85页2.温度温度对液体电介质的影响作用比较复杂，与含水量有很大的关系。低于0度时，水结成冰，导致击穿电压升高。第8页/共85页3.压力油中含有气体时其工频击穿电压随油压的增高而升高，这是因为当压力增高时，气体在油中溶解度增加而构成气泡“小桥”的悬浮状气体减少。

4.电压作用时间液体电介质的击穿强度与外加电压类型及电压作用时间有关。当电压作用时间较长时，油中杂质有足够时间在电极间形成“小桥”，击穿强度就较低。当电压作用时间较短，油中杂质来不及形成“小桥”，击穿电压显著提高。第9页/共85页5.电场均匀度液体电介质纯度较高时，改善电场均匀程度可以明显提高其工频或直流电压下的击穿电压。但品质较差的液体电介质，因杂质的聚集和排列已使电场发生明显畸变，改善电场均匀程度对提高击穿电压的作用并不明显。第10页/共85页提高液体电介质击穿强度的措施1.减少杂质

(1)过滤;

将油中碳粒、纤维等杂质滤去，油中部分水分及有机酸也被滤纸所吸收。

(2)防潮;油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分。

(3)脱气;常用的脱气办法是将油加热、喷成雾状，且抽真空，除去油中的水分和气体。电压等级较高的油浸绝缘电气设备，常要求在真空下灌油。第11页/共85页2.采用固体电介质减小油中杂质的影响(1)覆盖层。覆盖层为在电极表面覆盖的一层很薄的绝缘材料。主要作用在于限制泄漏电流，阻止杂质小桥的形成。(2)绝缘层。当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，称为绝缘层。降低不均匀电场中电极附近绝缘油中最大场强，可显著提高绝缘油的工频和冲击击穿电压。

(3)屏障。屏障是指在油间隙中放置的尺寸较大的的层压纸板或层压布板。它既能阻止杂质小桥的形成，又能如气体间隙那样改善不均匀电场中的电场分布。所以在变压器等充油设备中广泛采用此种油屏障绝缘结构。第12页/共85页作业11.非极性和极性液体电介质中主要极化形式有什么区别？2.液体电介质的电导是如何形成的？电场强度对其有何影响？3.目前液体电介质的击穿理论主要有哪些？第13页/共85页固体电介质的击穿

固体电介质的击穿与气体、液体电介质的击穿比较主要有两点不同:（1）固体电介质的击穿场强一般比气体、液体电介质高;（2）固体电介质击穿后其绝缘性能不能恢复，击穿以后在介质中留有不能恢复的痕迹，如贯穿两电极的熔洞、烧穿的孔道、开裂等，撤去电压后不能像气体、液体电介质那样恢复绝缘性能。第14页/共85页固体电介质的击穿形式

固体电介质的击穿有三种不同的形式。1.电击穿固体电介质的电击穿过程与气体相似2.热击穿当固体电介质加上电压但未达到临界值时，由于损耗而发热，使电介质温度升高。电介质的发热量大于散热量，温度将持续上升，引起电介质的局部分解、熔化、碳化等，使电介质击穿，这就是热击穿。第15页/共85页3.电化学击穿

固体电介质在电、热、化学和机械力的长期作用下，因击穿场强不断下降最终导致的击穿称为电化学击穿。电化学击穿通常是在电压作用下长期逐步发展形成的，这显然与热过程无关，而是由于电介质绝缘性能变差所导致的击穿场强下降。第16页/共85页提高固体电介质击穿电压的措施(1)改进制造上艺尽可能地清除固体介质中残留的杂质、气泡、水分等，使介质尽可能均匀致密。(2)改进绝缘设计采用合理的绝缘结构，使各部分绝缘的耐电强度能与其所承担的场强有适当的配合。(3)改善运行条件注意防潮，防止尘污和各种有害气体的侵蚀，加强散热冷却(如自然通风，强迫通风，氢冷、水内冷等)。第17页/共85页液、固体电介质的老化

液、固体电介质在电、热、机械、环境等因素长期作用和影响下，会发生一系列的化学变化(降解、氧化、交联)和物理变化(变脆)，从而使其机械和电气性能随时间的增长而逐渐变劣，这称为电介质的劣化(deterioration)。介质的劣化，有些是可逆的，例如电介质受潮后通过干燥又可恢复到原来的性能，有些则是不可逆的，称之为老化(ageing)。固体电介质老化后所发生的击穿就是电化学击穿。第18页/共85页电老化电老化是指在电场作用下的老化，并且主要是来自于电介质中的局部放电。由于液、固体电介质中存在气泡、气隙等缺陷使电场分布不均匀。这些气泡、气隙中或固休介质表面局部场强达到一定值以上时，就会发生局部放电。长期局部放电使介质逐渐老化。老化程度加剧，绝缘强度下降，最终可能发展成击穿或沿面闪络。第19页/共85页热老化热老化是指电介质在受热作用下所发生的劣化。固体电介质的热老化过程为热裂解、氧化裂解、交联，以及低分子挥发物的逸出，主要表现为机械强度降低(如失去弹性、变脆)以及电性能变差。液体介质热老化是液体在热作用下的氧化（油箱中残留的空气，或者热分解产生的氧气）。绝缘油氧化后，绝缘性能降低。第20页/共85页作业21.为何说电介质的击穿过程是一个质变与突变的过程？2.何谓电介质的绝缘强度?说明电动机绕组对地(铁芯)绝缘在直流电压下的绝缘强度要高于交流电压下绝缘强度的原因。3.为什么常可通过测量变压器绝缘和电机绝缘在20度和70度电容量的比值来判断绝缘是否干燥?4.为什么标准电容器都采用气体电介质?第21页/共85页第二章绝缘试验方法

一、电气设备试验的分类为保证电气设备能可靠和有效地运行，从设计、制造、安装调试到运行的各个阶段，都要对电气设备进行各种测试和试验，它们分别称为型式试验、出厂试验、安装交接验收试验和预防性试验，其中型式试验和交接验收试验的具体项目分别较出厂试验与预防性试验的试验项目多、试验要求高。第22页/共85页电气设备试验的分类1.性能试验主要测试电气设备的电气性能参数和其他特性，以保证电气设备在运行中能起到它应起的作用。2.绝缘试验（高压试验）则按照规定的试验方法对绝缘的性能进行测试或试验，以掌握电气设备绝缘的状况。绝缘试验常加上规定的试验电压后对电气参数进行测试。第23页/共85页高压直流开关性能试验复龙换流站交接试验葛洲坝换流站交接及年度检修试验葛洲坝换流站在线运行第24页/共85页绝缘缺陷第一类是集中性缺陷，表现为绝缘局部性的损伤(开裂、磨损、腐蚀等)、局部性的受潮和局部性的内部气泡。这类缺陷只影响一部分绝缘的性能。另一类是分布性缺陷，表现为绝缘整体性的受潮、老化、污秽等。这类缺陷将造成绝缘整体性能的下降。第25页/共85页绝缘特性试验的概念和优缺点绝缘预防性试验从方法上可分为绝缘特性试验和绝缘耐压试验两大类。绝缘特性试验是在较低的电压(相对于正常工作电压)下或用其他不会损伤绝缘的办法来检测绝缘的各种特性或表征量，如绝缘电阻、泄漏电流，油中各种气体含量等，进而判断绝缘的状态和可能的缺陷。绝缘特性试验的优点是试验本身不会造成绝缘的损伤，所以又称为非破坏性试验。缺点：由于各种特性试验方法能够反映不同绝缘材料和绝缘结构中缺陷的差异，需要采用多种方法进行试验，并对试验结果进行综合分析比较后才能作出正确的判断。第26页/共85页绝缘耐压试验的概念和优缺点绝缘耐压试验是在较高的试验电压(其大小与电气设备在运行中可能受到的过电压相当)下考验绝缘的耐电强度(绝缘强度)。耐压试验对绝缘的检验最为严格和有效，特别是能暴露那些危害性较大的集中性的缺陷;缺点是对绝缘有一定程度的损伤，甚至有时可能导致绝缘的击穿破坏。应在绝缘特性试验合格后才能考虑进行耐压试验，以避免绝缘不必要的损坏。两类绝缘试验各有所长，互为补充，不能偏废一方。第27页/共85页绝缘电阻、吸收比、极化指数的测量检查电气设备绝缘状况最简便和最基本的方法是测量绝缘电阻、吸收比。测量时，在电气设备绝缘上加直流电压，绝缘电阻就是吸收过程结束后稳态电流所对应的电阻。第28页/共85页吸收比根据绝缘电阻的大小就可以判断绝缘整体性能良好与否或者判断是否存在分布性的缺陷。对于存在明显吸收现象的电气设备绝缘，还可以根据吸收比K的大小来判断绝缘的整体性能：第29页/共85页兆欧表由手摇式直流发电机(实际由交流发电机加上半导体整流组成)和永磁式流比计型测量机构组成。第30页/共85页兆欧表原理

流比计由两个互相垂直且固定在一起的电压线圈LV和电流线圈LA组成，它们处在同一永久磁铁的磁场中。当被试品(即被测绝缘电阻Rx)接至兆欧表的L(或标以“线路”)接线端子与E(或标以“接地”)接线端子之间，摇动手柄(一般120r/min)就有电流流过两线圈。由于两线圈绕制方向相反，所以产生不同方向的转动力矩。第31页/共85页

当两个力矩相同时时，两固定在一起的线圈不再偏转，与线圈固定在一起的指针也不再偏转，有：第32页/共85页试验步骤及注意事项1.兆欧表的选择与检查根据被试设备的额定电压、绝缘等值电容量的大小，确定兆欧表的额定电压、测量的量程、容量、类型。要测极化指数，则不能采用手摇式兆欧表。这种兆欧表的输出电压不能保持不变。使用前应先检查兆欧表是否完好。可将L,E端子开路及短接，看指针是否指向“∞”与“0”来检验。要检查测试线(被试品与兆欧表的连线)的绝缘。第33页/共85页2.被试品在测试前的充分放电若被试品放电不彻底，则被试品绝缘等值电容卜的残余电荷会造成测量结果数值偏高或偏低。例如在前一次测发电机绕组对地的绝缘电阻后，接地放电时间不够，再进行第二次测试时，因前次测量时积滞的残留电荷与此次测量过程中充电电荷极性相同，使测量过程中流过兆欧表测量线圈的电流偏小而使绝缘电阻虚增。第34页/共85页3.接线与操作被试品的接地端(如图中电缆的铅包层或屏蔽层)应与兆欧表的E端子连接，被试品被绝缘的导体(如图中电缆的芯线)应与兆欧表的L端子连接。但当绝缘表面泄漏电流较大(如在相对湿度较大的天气下测试)时，绝缘表面泄漏电流与流过绝缘的体积泄漏电流一起流过兆欧表的电流线圈，所以测出的绝缘电阻值偏小。利用与兆欧表屏蔽端子“G”来消除这种影响。第35页/共85页4.做好记录除了记录测试结果之外，还需记录测试时的温度、湿度，以便进行不同温度下绝缘电阻换算。不同绝缘材料、不同设备绝缘的温度换算系数是不同的，摄度换算系数最好由实测决定。另外，记录好所采用兆欧表的型号乃至具体编号，这对以后的测量也很重要，因为采用不同兆欧表所测量的结果还是有差异的。第36页/共85页用兆欧表测电机绝缘电阻请观看教学视频《用兆欧表测电机绝缘电阻》第37页/共85页组合绝缘设备绝缘电阻的现场测试问题分析

杨钦，陈忠，陈少强(1.广州供电局，广州510405;2.广东省输变电工程公司，广州510160;3.华南理工大学，广州510640)第34卷第3期2008年3高电压技术第38页/共85页摘要针对高电压大容量组合绝缘设备绝缘电阻现场测试问题，首先折算至同温度下比较100组绝缘现场测试数据比厂家数据明显偏高，吸收比及极化指数与厂家数据较接近。分析了影响测试数据准确性和重复性的温度、湿度、电磁干扰、剩余电荷及兆欧表性能等因素，指出温度和兆欧表性能是主要因素。提出了一组评价绝缘状态的新参数——绝缘介质极化系数及稳定绝缘电阻，它较好地避免了1个时间点的绝缘电阻表征偶然性绝缘状态的缺陷，以及2个时间点的绝缘电阻表征非线性极化过程的缺陷，并且一定程度地体现了绝缘介质局部受潮或老化的问题。第39页/共85页2003-2005年所测试的25台500kV变压器、2台220kV变压器及3台500kV平波电抗器的100组绝缘现场数据与厂家数据折算至同温度下的比较结果见表1，以厂家数据为基准。第40页/共85页

对于以上设备，极化过程的时间常数较大，R15与R60都处于暂态过程，很受兆欧表暂态特性的影响，且R15，R60主要是反映极化较快的绝缘油的状态，而绝缘油的状态已有准确的化学试验反映，因此吸收比K。不应做为考核参数。仅仅从绝缘电阻和极化指数K的绝对值来判断，这100组绝缘数据比较理想。但若将现场测试数据与厂家数据比较，所得结果就非常令人费解。第41页/共85页故吸收比和极化指数的相对误差就较小，符合误差统计规律。从统计结果看到，绝缘电阻的测量有一个较大的正偏系统误差，随机误差虽然不可避免，但不是主要的。厂家数据也是试验数据，肯定存在误差，不可能是真值。现场测试过程中，若发现现场数据与厂家数据相差较大，一般都经过多次重复测试，取最接近厂家数据的数据作为最后结果。第42页/共85页问题提出什么原因造成绝缘电阻的现场数据与厂家数据差别很大(绝大多数是正偏)，且偏差很大的比例也较多?为什么各个时间的绝缘电阻值正偏的比例都差不多，使得吸收比和极化指数的现场数据与厂家数据有趋向较大的一致性?评价绝缘状态到底是绝缘电阻有效还是极化指数有效?第43页/共85页绝缘电阻和极化指数测试的影响因素分析第44页/共85页绝缘电阻和极化指数测试的影响因素分析第45页/共85页第46页/共85页有损极化和空间电荷极化电流与温度的关系有损极化和空间电荷极化电流要经过介质的绝缘电阻，故其时间常数较大，甚至可>100S。吸收比和极化指数就是体现这部分电流的衰减过程。有损极化和空间电荷极化电流受温度的影响很复杂，这部分电流的衰减过程体现的是电压按组合介质的电容量分布过渡到按电阻分布的过程，一方面绝缘电阻随温度升高而减小，另一方面介电常数随温度升高而先增大后减小，因此此部分电流受温度的影响与其绝缘结构有密切的关系。第47页/共85页第48页/共85页空气的湿度也是影响绝缘电阻的因素在现场测试中，若湿度较大，则首先使固体绝缘介质的表面杂质受潮，使其表面电阻变小，然后空气的水分会渗入介质的内部，使电阻率变小。但电力主设备的绝缘介质的表面都做了憎水处理，内部都密封，因此湿度对现场测试绝缘电阻的影响并不大，现场测试的绝缘数据中，其中湿度较大的也占相当部分，测试时都不做表面屏蔽处理，测出的数据绝大多数都比厂家数据大,这验证了湿度对测试绝缘电阻的影响并不大。第49页/共85页电磁干扰也是影响绝缘电阻的因素测试环境电磁干扰的影响类似于放电电流iq.的影响，使绝缘电阻值发生较大的偶然性跃变，现场测试过程中常看到这种现象。现场测试时应消除干扰源，切断干扰路径，并选择抗干扰性能较好的兆欧表以消除电磁干扰的影响。剩余电荷也是影响现场绝缘电阻测试的因素之一，它的影响与课本上所述形同。第50页/共85页兆欧表是影响测试的关键因素之一兆欧表是影响现场绝缘电阻测试的关键因素之一。现场对同一台设备用不同型号的兆欧表进行多次测试，得出的绝缘电阻值差别都较大，可见兆欧表的特性对绝缘测试的影响较大。第51页/共85页减少测量影响的办法1.优先选择性能优良的兆欧表。2.选择在设备温度比较均匀的时间进行测试，并要求厂家对一种型号的设备给定一个专用的温度折算式子。3.尽量在湿度较小的天气进行测试，并使用屏蔽消除表面电阻的影响。4.尽量放电充分后再测试，加交流电压或短路放电大于24小时。5.现场测试时尽量消除干扰源，切断干扰扰路径，消除电磁干扰的影响。第52页/共85页直流泄漏电流试验和直流耐压试验一、试验目的和原理测直流泄漏电流与绝缘电阻测量的原理是相同的，都是加直流电压，检测对象都是流过绝缘的泄漏电流，所不同之处是泄漏电流试验是直接测泄漏电流，而绝缘电阻测量时通过测量机构(如流比计)将泄漏电流换算成绝缘电阻值指示出来。第53页/共85页测直流泄漏电流较测绝缘电阻的优点

（1）发现缺陷有效性高测泄漏电流时所加的电压要比兆欧表中的直流电压高，且对于不同电压等级的设备可采用不同的电压，因此发现绝缘缺陷的有效性高。（2）易判断缺陷性质在泄漏试验时，记下不同电压下的泄漏电流值并画成曲线。根据曲线的形状可判断缺陷的性质。第54页/共85页测直流泄漏电流较测绝缘电阻的优点(3)发现缺陷的灵敏度高。泄漏电流试验时采用灵敏度很高的微安表测量，其刻度均匀，读数精确。而兆欧表刻度不均匀，尤其是在高阻区不易区分，读数误差相当大。第55页/共85页直流耐压试验

什么叫直流耐压试验？交流耐压试验是对电气设备绝缘施加高出它的额定工作电压一定值的直流试验电压，并持续一定的时间，观察绝缘是否发生击穿或其他异常情况。因此，直流耐压试验和交流耐压试验一样，都是鉴定绝缘的耐电强度的试验。第56页/共85页直流耐压试验的特点(1)试验设备轻小。在对电气设备进行交流耐压时，通过的是电容电流，对电容大的被试品，在交流试验电压时电容电流比较大。需要容量较大的试验变压器。直流耐压试验，所通过的是泄漏电流，其数值最多只达毫安级，核算到试验变压器的容量小。直流耐压试验设备比较轻便，便于在现场进行预防性试验。第57页/共85页（2）对绝缘损伤较小在绝缘上施加直流高压时，如果绝缘中有气泡，在直流电压作用下，气泡中因局部放电而产生的正、负电荷将反向运动，停留在气泡壁上。这样便使外电场在气泡里的强度不断减弱，从而抑制了气泡内部的局部放电过程。第58页/共85页如果外施电压为交流电压，则上述气泡内的反向电场刚建立不久，外施电压即反向，此时外施电场与附加电场同向，使气泡里的电场强度反而加强了，因而加强了局部放电的发展。与交流耐压相比，直流耐压试验在一定程度上还带有非破坏性试验的性质。第59页/共85页直流耐压试验是重要的检查试验方法直流耐压试验在发电机、电动机、电缆、电容器等电气设备的绝缘预防性试验中被广泛地应用。与交流耐压试验相比，直流耐压试验的缺点是:由于交、直流下绝缘内部的电压分布不同，直流耐压试验对绝缘的考验不如交流耐压那样接近设备绝缘运行的实际。直流泄漏电流试验和直流耐压试验统称直流高压试验。第60页/共85页二、试验设备与接线整个直流高压试验由直流电源(其电压可调)、泄漏电流测量、高压直流试验电压测量这三部分组成。第61页/共85页1.直流高压的产生

直流高压大多采用将工频交流升压后再整流来获取。在现场试验时一般采用半波整流。若要获取更高直流电压，可采取倍压整流或串级整流电路。第62页/共85页2.直流高压的测量高压直流可采用多种方法测量，但用得最多的还是高值电阻串微安表法。直流高压也可以用电阻分压器、球间隙、高压静电电压表测量。当高压直流具有脉动时，用高压静电电压表测得的是平均值，而球隙测量的是最大值。第63页/共85页直流高压最新测量技术——光测量第64页/共85页电磁式互感器存在磁饱和、剩磁、尺寸大、质量大、抗干扰差、信息传输容量小等缺陷。而光电互感器则可以有效克服上述缺陷，同时又能以数字信号输出，取消了大量的一次电缆，为电力系统的安全运行、节约成本、高压设备无油化、优化一次设备提供了坚实的基础。第65页/共85页第66页/共85页直流电压的光测量第67页/共85页直流电流的光测量第68页/共85页第69页/共85页第70页/共85页3.泄漏电流的测量当被试品外壳接地时，微安表只能接在高压端。电晕电流和绝缘支架表面的泄漏电流以及试验变压器本身的表面泄漏电流都将流过微安表，使微安表的读数虚假偏大。需将高压引线和微安表进行高电位屏蔽(屏蔽层接高电位)，以使上述泄漏电流不再流过微安表。第71页/共85页4.微安表的保护

直流高压会存在脉动，因此流过微安表的电流含有交流分量，如其数值较大，会使指针不断摆动从而难于读数。还要考虑到万一试验中被试品发生放电或击穿时，会有很大的电流流过微安表，也会损坏微安表。（产品与科研的区别）有没有良好的保护措施第72页/共85页4.微安表的保护电容C用以滤去交流分量，特别是高频脉冲电流，以减少微安表的摆动。微安表中出现不允许的泄漏电流时，电阻上的压降使放电管动作;当被试品放电击穿时，电感线圈L可限制冲击电流并加速放电管的动作。微安表两端并联的开关S，在需要读数时打开，起到保护作用。第73页/