套管和绝缘子的状态分析与诊断

关于套管和绝缘子的状态分析与诊断第1页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三

高压绝缘子按用途分为线路绝缘子和电站电器绝缘子两类。高压线路绝缘子包括针式绝缘子、盘形悬式绝缘子、棒形悬式绝缘子、横担绝缘子、电气化铁道用绝缘子、蝴蝶形绝缘子和拉紧绝缘子等。高压线路中广泛应用盘形悬式绝缘子，针式绝缘子常用于35kV及以下电压等级的线路上，瓷横担绝缘子用于110kV及以下电压等级的线路。高压电站电器绝缘子，包括支柱绝缘子和套管绝缘子等。支柱绝缘子包括户外用的棒形绝缘子、针式支柱绝缘子和户内支柱绝缘子。户外支柱绝缘子用于电站支持母线或隔离开关等电器上，户内支柱绝缘子通常用于35kV及以下户内隔离开关及母线支撑。高压套管绝缘子包括用于电站的穿墙套管以及用于电气设备的变压器套管和油开关套管等。套管和绝缘子在搬运和施工过程中，可能会因碰撞而留下伤痕；在运行过程中，可能由于雷击，而使其破碎或损伤；由于机械负荷和高电压的长期联合作用，而导致劣化，这都将使其击穿电压不断下降。当绝缘子击穿电压下降至小于沿面干闪电压时，就称为低值绝缘子。当低值绝缘子的内部击穿电压为零时，就称为零值绝缘子。当绝缘子串存在低值或零值绝缘子时，在污秽环境中，在过电压甚至在工作电压作用下就易发生闪络事故。因此，及时检出运行中存在的不良绝缘子，排除隐患，对减少电力系统事故、提高供电可靠性是很重要的。

第2页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三第一节套管和绝缘子的绝缘试验

一、套管绝缘试验套管的定期预防性试验项目主要进行主绝缘及电容型套管末屏对地绝缘电阻、主绝缘及电容型套管末屏对地tan与电容量。在大修后或必要时进行油中溶解气体色谱分析交流耐压试验和局部放电试验。1、绝缘电阻的测试套管的绝缘电阻测量是为了初步检查套管的绝缘情况，在交流耐压试验前后均须进行。测量前要先用干燥清洁的布擦去其表面污垢，并检查套管有无裂纹及烧伤情况。应用2500V兆欧表进行测量，兆欧表的两个端钮分别接在套管的导杆和法兰上。

第3页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三2、介质损耗角正切和电容量的测量测量20kV及以上非纯瓷套管的介质损耗角正切和电容值是判断高压套管绝缘的一项重要指标。因为套管劣化、受潮等都会导致其介质损耗角正切的增加，所以根据介质损耗角正切的变化可以较灵敏地反映出绝缘的劣化和其他局部缺陷。测量套管的介质损耗角正切可采用QS1型西林电桥，用西林电桥测量单独套管的tan值，可采用正接线方式。已安装于电力设备上的高压套管，其法兰盘与设备金属外壳直接连接并接地。测量这些套管的tan值时，首先应将与套管连接的引线或绕组断开。除接地屏经小套管引出时可用上述正接线法测量外，一般用反接线法测量。在采用西林电桥测量套管的介质损耗角正切时，有时往往只测电容芯子的介质损耗角正切，或只测量油纸套管导电芯对抽压或测量端子间的tan，而不测量端子或抽压端子的介质损耗角正切。由于套管内部初期进水受潮时，潮气和水分只进入末屏附近的绝缘层，故占总体积的比例甚小，往往反映不出来，这给电气设备安全运行留下隐患。

第4页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三3、交流耐压实验套管在交接时或大修后需要进行交流耐压试验，试验时应先将被试套管表面擦干净。对于变压器或油断路器等充油设备上的套管，应将下部浸于绝缘油内，法兰与油箱外壳连接并接地，接地屏同时接地，在导杆上施加试验电压。4、局部放电测量对66kV及以上的电容型套管在大修后可测量局部放电作为辅助试验，关于局部放电试验请参阅本书相关章节，这里不再介绍。

第5页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三二、绝缘子绝缘试验支柱绝缘子和悬式绝缘子的预防性试验项目主要包括：零值绝缘子检测、绝缘电阻测量、交流耐压试验、绝缘子表面污秽物的等值盐密测定等。1、绝缘电阻的测试清洁干燥的良好绝缘子，其绝缘电阻是很高的。电瓷有裂纹时，绝缘电阻一般也没有明显的降低。当电瓷龟裂处有湿气及灰尘、脏污入侵后，绝缘电阻将显著下降，仅为数百甚至数十兆欧，用兆欧表可以明显地检出。测量多元件支柱绝缘子每一元件的绝缘电阻时，应在分层胶合处绕铜线，然后接到兆欧表上，以免在不同位置测得的绝缘电阻数值相差太大，造成误判断。《规程》规定，用2500V兆欧表测量绝缘电阻时，多元件支柱绝缘子和每片悬式绝缘子的绝缘电阻不应低于300MΩ。500kV悬式绝缘子的绝缘电阻不低于500MΩ。

第6页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三2、交流耐压试验对于单元件的支柱绝缘子，交流耐压目前是最有效、最简易的试验方法。预防性试验时，可用交流耐压试验代替测量电压分布和绝缘电阻，或用它来最后判断用上述方法检出的绝缘子。对于绝缘子的交流耐压实验，各级电压的支柱绝缘子和悬式绝缘子的交流耐压试验电压标准见表11-1和表11-2。按试验电压标准耐压1min，在升压和耐压过程中不发生跳弧为合格。对运行中的35kV变电所内的支柱绝缘子，可以连同母线进行整体耐压，试验电压为100kV，时间为1min，耐压完毕后，必须测量各胶合元件的绝缘电阻，以检出不合格的元件。对于穿墙套管绝缘子，应根据实际状态进行加压。对变压器出线套管，如系35kV电压等级，试验时套管内应充满油，下半部应浸入绝缘油中再加压。

第7页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三额定电压3610152035最高工作电压3．56．911．517．52340．5纯瓷和充油绝缘出厂2532425768100交接和大修2532425768100固体有机绝缘出厂2532425768100交接和大修222838505990型号X—3X—3CX—1—4．5X—4．5C—5X—7X—11X—16XF—4．5试验电压（kV）455660647080表11-1支柱绝缘子的交流耐压试验标准（kV）

表11-2悬式绝缘子的交流耐压试验标准

第8页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三3、表面污秽物等值盐密测定此试验为新增项目。目的确良是累积每个电站污染状况定量数据，为准确调正污绝缘水平提供数据。盐密值超过规定时，应根据情况采取调爬、清扫、涂料等措施。含盐量可用测盐溶液电导率或密度的方法来确定。等值盐密法的最大优点是直观易懂，对人员和设备要求较高，便于推广。其缺点是不反映污秽成分，不反映非电物质的含量，不反映污秽在绝缘子上的分布。而污秽又分为4个阶段：污秽的沉积、受潮、干区的形成和局部电弧的发展，所以等值盐密法的测量结果只反映积累污秽的结果，不反映过程。因此不能反映局部电弧的发展状况。

第9页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三第二节绝缘子的电位分布实验

一、绝缘子串电压分布规律每一个绝缘子就相当于一个电容器，因此一个绝缘子串就相当于由许多电容器组成的链形回路。因为绝缘子的体积电阻和表面电阻较正常情况下（50Hz）的容抗大得多，所以一般将它看成串联的电容回路。如果不考虑其他因素影响，由于每个绝缘子的电容量相等，因而在绝缘子串中，每一片绝缘子分担的电压是相同的。但由于每个绝缘子的金属部分与杆塔（地）间、导线间均存在杂散电容（寄生电容），绝缘子串中每个绝缘子实际所分担的电压并不相同。

第10页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三

图1绝缘子串的等值电路图（a）仅考虑金属部分对杆塔的电容（b）仅考虑金属部分对导线的电容在图（a）中，C为绝缘子本身的电容，Cz为其金属部分对杆塔的电容。由于存在这种电容，当有电位差时，就有一个电流经Cz流入接地支路。流经Cz的电流都分别要流经电容C，因此，愈靠近导线的电容C所流经的电流就愈大。由于各绝缘子电容大致相等，则它们的容抗也大致相等，又由于靠近导线的绝缘子的电容电流较大，所以此处每片绝缘子上的电压降也就较大。绝缘子串的电压分布如下图中的曲线1在图（b）中，C为绝缘子本身的电容，Cd为其金属部分对导线的电容。由于每个电容Cd两端均有电位差，因此就有电容电流流过，而且都必须经电容C到地构成回路，这样就使离导线愈远的绝缘子所流过的电流愈多，电压降也愈大。绝缘子串的电压分布如图11-2的曲线2

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绝缘子串的电压分布曲线图1—仅考虑Cz作用；2—仅考虑Cd作用；3—考虑Cz、Cd两者同时作用

由于绝缘子金属部分对导线的电容Cd比其对地电容Cz小，因而流过的电流也小，所以产生的压降就相对地较小。实际的绝缘子串各个绝缘子上的电压分布应考虑两种电容的同时作用，即沿绝缘子串的电压分布应该由分别考虑Cz与Cd所得到的电压分布相叠加，如图中的曲线3所示。由图可见，沿绝缘子串的电压分布是极不均匀的，靠近导线的绝缘子电压降最大，离导线愈远的绝缘子两端压降愈小，当绝缘子靠近杆塔横担时，绝缘子电压降又升高。绝缘子串愈长，电压分布愈不均匀，愈容易导致某些部位的绝缘损坏。

第12页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三二、绝缘子串电压分布测量方法测量电压分布的工具有短路叉、电阻分压杆、电容分压杆、火花间隙检验杆等。短路叉这是检测损坏绝缘子（又称零值绝缘子）最简便的工具，其检测方法如图所示。

短路叉检测法图

检测杆端部装上一个金属丝做成的叉子，把短路叉的一端2和下面绝缘子的钢帽接触，当另一端1靠近被测绝缘子的钢帽时，1和钢帽间的空气隙会产生火花。被测绝缘子承受的分布电压愈高，出现火花愈早，而且火花的声音也愈大，因此根据放电情况可以判断被测绝缘子承受电压的情况。如果被测绝缘子是零值的，就不承受电压，因而就没有火花。这种测杆不能测出电压分布的具体数值，但可以检查出零值绝缘子。在使用时应注意，当电压等级较低时（35kV及以下）不能因火花间隙放电而引起相对地闪络。

第13页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三2.电阻分压杆、电容分压杆电阻分压杆的内部结构和接线如图11-4所示，其中图(a)、(b)是表示测量两点之间电位差的外部结构和内部连接图，适用于110kV及以上的变电所和线路绝缘子串测量；图11-4(c)、(d)是表示测量某点对地电位的外部结构和内部连接图，适用于35kV变电所内支柱绝缘子的测量。这种检验杆应预先在室内求出端部电压和微安表读数的关系，并应经常校准。通常盘形悬式绝缘子C≈50pF，=64M。当采用电阻为220M的绝缘杆与之并联时，阻抗值降为50M，将会导致约20%的误差，这需要在测量中注意。在强电场附近测量时，要注意外界电场对表读数的影响，必要时需采用适当的抗干扰措施。第14页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三

电阻分压杆测量法图(a)测量两点电位差的外部连接;(b)测量两点电位差的内部连接;(c)测量某点电位的外部连接;(d)测量某点电位的内部连接

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当采用图(a)方法测量时，若某片绝缘子片的电位差为0，则该片绝缘子即为零值绝缘子。当采用图(b)方法测量时，应先从母线端开始读取微安表的读数，依次往下进行，所测得的微安数应该是递减的，如出现某片绝缘子与上一片绝缘子电流值相同，则该片绝缘子就是零值绝缘子。电容分压杆与电阻分压杆类似，只是将电阻串和带有桥式整流的微安表，换成一个或几个串联且能承受被测电压的高压电容器与一个小量限指针式的静电电压表相串联。当电容器的电容量取的足够小的时候，被测量的电压都分布在电容器上，因此小量限的电压表就可测量几千到几万伏的电压。

第16页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三2.火花间隙检测杆图所示为一种可调火花间隙的检测杆，其测量部分是一个可调的放电间隙和一个小容量的高压电容器相串联，预先在室内校好放电间隙的放电电压值，并标在刻度板上，测杆在机械上可以旋转。这样，在现场当接到被测的绝缘子上后，转动操作杆，改变放电间隙，直至开始放电，即可读出相应于间隙距离在刻度板上所标出的放电电压值。如果某一元件上的分布电压低于规定标准值，而相邻其他元件的分布电压又高于标准值时，则该元件可能有缺陷。为了防止因火花间隙放电短接了良好的绝缘元件而引起相对地闪络，可以用电容与火花间隙串联后再接到探针上去。电容值约为30pF,与一片良好的悬式绝缘子的电容值接近。因为和电容串联的火花间隙的电容量只有几皮法（pF），所以电容的存在基本上不会降低作用于间隙上的被测电压。

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这种检测工具的缺点是，动电极容易损伤而变形，放电电压受温度影响，检测结果分散性大，这些都使其检测的准确性较差，而且测量时劳动强度较大，时间也较长，因此，它仅用于检验性测量，对于零值绝缘子的检测还是有效的。可调火花间隙检测杆测量法图第18页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三第三节套管和绝缘子故障诊断

一、绝缘子运行状态分析在运行中，绝缘子承受着工作电压和各种过电压的作用，承受着绝缘子自重、导线重量、覆冰重量、风力、震动力以及系统运行中的电磁、机械力，其工作条件通常是非常恶劣的，所以一个好的绝缘子应该具有热稳定、耐放电、耐污秽、抗拉、抗弯、抗扭、耐振动、耐电弧、耐泄漏、耐腐蚀等性能。绝缘子在电力系统中数量极大，一条近代超高压输电线路上所用的绝缘子可能达上百万个。按击穿类型可将绝缘子分为“不击穿”型和“可击穿”型。通常将击穿距离与闪络距离之比小于1/2的绝缘子作为可击穿型。考虑绝缘子的滑闪放电特性，又可分为“不滑闪”型和“可滑闪”型。绝缘子表面上的电力线基本上与表面平行或相切的属于“不滑闪”型，而“可滑闪”绝缘子的法线分量和切线分量同时存在。

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传统的用于制造绝缘子的材料是高压电瓷，它具有绝缘性能和化学性能稳定的特点，并具有较高的热稳定性和机械强度。后来发展了玻璃、钢化玻璃、高碱玻璃、浇注环氧树脂作为绝缘子的绝缘材料。硅橡胶有机绝缘子近年来得到了飞速发展，现在已经开始用于500kV高压输电线路中。绝缘子性能主要由电气性能、机械性能、热性能和抗老化性能等决定。绝缘子的电气性能主要包括绝缘子闪络特性、各种过电压下的电气性能、绝缘子的污秽闪络特性、油中工频击穿电压特性；绝缘子的机械性能主要包括抗弯强度；绝缘子的热性能主要包括其冷热性能。

《规程》规定，用2500V兆欧表测量绝缘电阻时，多元件支柱绝缘子和每片悬式绝缘子的绝缘电阻不应低于300M。500kV悬式绝缘子的绝缘电阻不低于500M。而对于绝缘子的交流耐压实验，各级电压的支柱绝缘子和悬式绝缘子的交流耐压试验电压标准见表。按试验电压标准耐压1min，在升压和耐压过程中不发生跳弧为合格。对运行中的35kV变电所内的支柱绝缘子，可以连同母线进行整体耐压，试验电压为100kV，时间为1min，耐压完毕后，必须测量各胶合元件的绝缘电阻，以检出不合格的元件。对于穿墙套管绝缘子，应根据实际状态进行加压。对变压器出线套管，如系35kV电压等级，试验时套管内应充满油，下半部应浸入绝缘油中再加压。第20页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三额定电压3610152035最高工作电压3．56．911．517．52340．5纯瓷和充油绝缘出厂2532425768100交接和大修2532425768100固体有机绝缘出厂2532425768100交接和大修222838505990支柱绝缘子的交流耐压试验标准（kV）表型号X—3X—3CX—1—4．5X—4．5C—5X—7X—11X—16XF—4．5试验电压（kV）455660647080悬式绝缘子的交流耐压试验标准表第21页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三二、套管运行状态分析

高压套管主要用在高压载流导体需要穿过与其电位不同的金属箱壳或墙壁处，通常按绝缘结构和主绝缘材料的不同，将高压套管分为单一绝缘套管（纯瓷套管、树脂套管）、复合绝缘套管（充油套管、充胶套管、充气套管）、电容式套管（油纸电容式套管、胶纸电容式套管）等；按用途不同可分为穿墙套管和电器套管，其中电器套管又按具体配套对象分为变压器、互感器、断路器套管。纯瓷套管内部采用空气腔或被短路的空气腔绝缘结构，为了克服滑闪常在法兰附近设置大伞裙并涂覆导电层，以均匀电场；充油套管其径向是用变压器油绝缘，瓷套起径附加绝缘和外绝缘作用，；电容式套管由电容芯子、瓷套、连接套筒和固定附件组成，电容芯子是套管的主绝缘，瓷套是外绝缘和保护芯子的密闭容器。油纸电容芯子是用电缆纸和油作绝缘，胶纸电容芯子是有酚醛树脂或环氧树脂涂覆纸作绝缘，电极一般用铝箔或金属化纸。电容芯子两端加工成阶梯状或锥形，并全部浸在变压器油中。高压电容式套管设有介质损耗测量端子，用小瓷套从末屏（电容芯子最外层电极）引出，运行时接地。

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套管式结构是一种容易发生滑闪放电的绝缘结构。为了提高套管的闪络电压，必须采取防止滑闪的措施，改善电场分布。瓷套形外绝缘套管，其放电性能要求与一般绝缘子相同；内绝缘套管是一个电场比较复杂的电容芯子，其热稳定性、耐局部放电性能至关重要。电容型套管绝缘电阻测量结果应满足：导电芯对抽压端子或测量端子间的绝缘电阻不小于10000M，抽压端子和测量端子间的绝缘电阻不小于1000M，测量端子对法兰的绝缘电阻应不小于1000M。套管的耐压试验标准见表11-5，试验时间为1min。若试验中该套管无放电现象，内部无击穿响声，仪表指示稳定，则认为合格，试验时允许套管上部有电晕现象。

第23页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三额定电压试验电压36103560110220纯瓷套管在交接和大修中户外式273546105180285550户内式25324292165265490非纯瓷套管在交接和大修中户外式24324295165265500户内式22283885150240440

套管的交流耐压试验标准（kV）表《规程》规定20℃时tan值（%）不应大于下表的规定值。

第24页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三

末屏对地绝缘电阻小于1000M时，测量末屏对地的tan值，且不大于2%。电容型套管电容值与出厂值或上一次测量值相比超过±5%时要查明原因。在测量套管介质损耗角正切时，可以同时测得其电容值，其允许偏差为±5%。当套管受潮或电容套管中的一层或数层电容短路时，测得的电容值将增大，此时应查明原因，作出正确分析。

电压等级类型20~35kV63~110kV220~500kV交接/大修运行中交接/大修运行中交接/大修运行中充油型3．03．51．51．5油纸电容型1．01．01．01．00．80．8充胶型3．03．52．02．0胶纸电容型2．03．01．51．51．01．0胶纸型2．53．52．02．0高压套管在20℃时的tan规定值（%）表

第25页，讲稿共29页，2023年5月2日，星期三三．套管和绝缘子故障诊断通常绝缘材料的老化大多是电的、机械的、热的、环境方面等各种主要因素复杂地交叉作用而引起的，因此呈现的老化也是多种多样的。这些异常现象都是能在维护检查时发现，为了事先预防事故而应列为检查的重要项目。龟裂在发现瓷绝缘子、绝缘套管及环氧树脂制品上有龟裂的情况，无论从电气性能还是机械性能方面说，都是有危险的，必须尽快更换。局部的裙边缺损或凸缘缺损，虽然不一定会引起事故，但由于会扩展成龟裂，所以应及时早日更换为好。对于瓷制的和高分子材料制的绝缘子和绝缘套管来说，发生龟裂的原因有下列几方面：

1)瓷绝缘子、绝缘套管龟裂的原因（1）瓷件表面和内部存在着制造过程中产生的微小缺陷，因反复承受外力等作用，使其受到机械应力，然后发展出现龟裂、裙边断裂等。（2）过电压或污损引起的闪络，使瓷件受到电弧、局部过热