教学情境五 电气设备绝缘的在线监测及故障诊断

教学情境五电气设备绝缘的在线监测及缺点诊断电气设备检修方式的开展：20世纪40年代，事故后维修；20世纪60年代，预防性检修；目前，形状检修是开展趋势。事故后维修：电网电压等级低，容量小，缺点的危害小；预防性检修：110kV-220kV电压等级，缺点影响扩展；问题：预试是在停电形状下进展，没有思索设备的运转条件、气候条件等；实验电压较低〔普通在工频10kV以下〕；绝缘在线监测系统的根本框架关键问题：选择传感器和传感性能如何处置信号数据如何判别绝缘缺陷离线电气绝缘预防性实验离线时电气绝缘预防性实验和高电压实验具有如下缺陷：一、需求停电进展，而不少重要的电力设备不能随便地停顿运转；二、检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘缺点；三、停电后的设备形状与运转时的设备形状不相符，影响诊断的正确性。在线检测在线检测是在电力设备运转的形状下延续或周期性检测绝缘的情况，因此可以防止以上缺陷，另外建立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备形状维修和建立无人值守变电站的根底。在线检测和形状维修带来的经济效益是非常显著的。电气绝缘在线检测是一门多学科交叉交融的综合技术，自20世纪70年代以来，电气绝缘在线检测与缺点诊断的技术程度不断提高，在线检测产品大量投入市场。本章内容1.1变压器油中溶解气体的检测1.2部分放电在线监测1.3介质损耗角正切的检测1.1变压器油中溶解气体的检测1.1.1绝缘缺点与油中溶解气体1.1.2油中溶解气体的在线监测1.1.3油中气体分析与缺点诊断变压器的绝缘发生缺点时产生缺点气体，缺点气体部分溶解于油中，部分进入气体继电器。变压器绝缘缺点主要分为三类：热缺点、电缺点及其绝缘受潮，缺点不同时，油中溶解的缺点气体成分不同，因此可以经过分析油中溶解气体的成分来判别变压器存在的绝缘缺点。1.1.1绝缘缺点与油中溶解气体1.过热缺点变压器过热缺点是最常见的缺点，空载损耗、负载损耗和杂散损耗等转化为热量，当产生的热量和散出的热量平衡时，温度到达稳定形状。当发热量大于预期值，而散热量小于预期值时，就发生过热景象。

2.放电缺点放电缺点是由于电应力作用而呵斥绝缘裂化，按能量密度不同可以分成电弧放电、火花放电和部分放电等。当变压器内部进水受潮时，油中的水分和含湿气的杂质容易构成“水桥〞，导致部分放电而产生H2。水分在电场作用下的电解以及水和铁的化学反响均可产生大量的H2。所以受潮设备中，H2在氢烃总量中占比例更高。有时部分放电和绝缘受潮同时存在，并且特征气体根本一样，所以单靠油中气体分析难以区分，必要时根据外部检查和其它实验结果〔如部分放电测试结果和油中微量水分分析〕加以综合判别。3.绝缘受潮1.1.2油中溶解气体的在线监测变压器油中溶解气体在线检测根据不同的原那么可以分为不同的种类。以检测对象分类可归结为以下几类：丈量可燃性气体含量〔TCG〕，包括H2、CO和各类气体烃类含量的总和丈量单种气体浓度丈量多种气体组分的浓度

油中溶解气体在线检测安装主要由脱气、混合气体分别及气体检测三大部分组成。脱气脱气法主要有油中吹气法、抽真空取气法、分别膜浸透法，表7-1给出了简单的优缺陷比较结果。其中平板分别膜、毛细管柱、血液透析安装、中空纤维安装都属于高分子分别膜的运用，其它都属于抽真空脱气法。油气分离方法平衡时间分离效果价格结构抗污染性高分子平板透气膜长较好低简单一般波纹管短差较高复杂不存在真空泵短一般高复杂不存在毛细管柱短好较高简单差血液透析装置短好高复杂差中空纤维装置短好高复杂差表7‑1油气分别方法比较目前典型的吹气方法有三种：载气洗脱法、空气循环法和比色池法，其根本原理是采用吹气方式将溶解于油中的气体交换出来，使油面上某种气体的浓度与油中气体的浓度逐渐到达平衡。波纹管法是利用小型电机带动波纹管反复紧缩，多次抽真空，将油中溶解气体抽出来，废油仍回到变压器中。真空泵脱气法是利用常规色谱分析中的抽真空脱气原理，用真空泵抽空气来抽取油中溶解气体，废油仍回到变压器油箱。抽真空法主要包括波纹管法和真空泵脱气法。分别膜浸透法是构造简单、本钱低、操作方便，因此得到了广泛运用，目前采用的透气膜主要有聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚六氟乙烯、聚四氟乙烯混合膜、中空纤维膜以及无机膜如钯银合金金属膜等，其中高分子透气膜运用更为广泛，例如日本三菱株式会社利用聚四氟亚乙基全氟烷基乙烯基醚〔PFA〕膜从油中有效脱出CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO六种气体。。2.混合气体分别混合气体分别普通用气相色谱柱完成。它常以玻璃管、不锈钢管或铜管组成，管内静止不动的一相〔固体或液体〕称为固定相；自上而下运动的一相〔普通是气体或液体〕称为流动相；装有固定相的管子〔玻璃管或不锈钢管〕即为色谱柱。

。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和构造上的差别，与固定相互相作用的类型、强弱也有差别，因此在同一推进力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。分别过程见图1-1。图1‑1色谱柱分别气体组分过程表示图可见，固定相对气体组分的分别起着决议性的作用，不同性质的固定相顺应不同的分别对象，应根据分别对象来选择固定相的资料。常用的固定相资料有活性炭、硅胶、分子筛、高聚物，主要性质如表7-2所示。固定相粒度/目柱长柱径载气分离的组分活性炭60～801m3mmN2H2、O2、CO、CO25A分子筛30～601m3mmArH2、O2、N2、CO、CO2硅胶涂固定液80～1002m3mmH2CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6HGD-20180～1001m2mmN2CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6GDX50260～804m3mmN2CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C3H4表1‑2油中气体分析用色谱柱的部分固定相资料3.气体检测检测油中溶解气体用的检测器的根本要求是：有足够的灵敏度；选择性好，对被测气体以外的共存气体或物质不反响或反响小；呼应时间和恢复时间短，恢复时间指传感器从脱离被测气体到恢复正常形状所需求的时间；反复性好，性能稳定，维护方便，价钱廉价，有较强的抗环境影响才干。目前运用于油中气体检测的气体检测器主要有热导检测器、半导体型传感器、催化熄灭型传感器、光敏气体传感器、熄灭电池型传感器和其他方式的传感器。热导检测器是一种万能气体检测器，但运用于在线检测时对制造工艺的要求很高，因此目前运用不是很广泛。熄灭电池型传感器目前主要运用于单氢气的检测。接触熄灭式气敏传感器不受可燃性气体周围气体的影响，可用于高温、高湿度环境下，同时具有对气体选择性好、线性度好、呼应时间短等优点，但是假设长期运用，其催化剂易劣化和“中毒〞，从而使器件性能下降或失效。半导体传感器灵敏度高、构造简单、运用方便、价钱廉价，但其稳定性较差。热导检测器TCD检测器叫热导检测器，是比较两种气流的热导率-纯载气〔也叫参比气〕和传送样品组分的载气〔也叫柱流出物〕。

检测器有一个电加热的热丝，因此热丝比检测器池体的温度高。进样前，当两种气体交替经过时，热丝温度坚持恒定。进样后，载气中带有样品，假设再要坚持热丝温度恒定那么其电流会有变化。两种气流在热丝上每秒切换五次，电流的差别被丈量并记录下来。

由于He和H2相对于常规样品的热导率很大，因此通常被用来做载气以获得好的灵敏度。但当被测样品是该两样时，那么要选择N2或Ar-CH4来做载气。火焰离子化检测器FID的全称是火焰离子化检测器，由于普通都用的是氢气，所以普通叫氢火焰检测器。它的原理很简单，当有机物经过检测器时，在火焰那里会产生离子，在极化电压的作用下，喷嘴和搜集极之间的电流会增大，对这个电流信号进展检测和记录即可得到相应的谱图。普通的有机化合物在FID上都有呼应，普通分子量越大，灵敏度越高。FID是GC最根本的检测器。1.1.3油中气体分析与缺点诊断1.能否存在缺点的判别〔1〕阀值判别法将油中溶解各气体的浓度与正常极限留意值作比较，可以判别变压器有无缺点。气体组分含量330kV及以上220kV及以下H2150150C2H215C1+C2150150表1‑3变压器油中溶解气体的留意值〔220kV及以下〕μL/L〔2〕根据产气速率判别判别有无缺点要将各组分的气体浓度和产气速率结合起来，短期内各组分气体含量迅速添加，但未超越规定的留意值也可判别为缺点。绝对产气速率为每个运转小时产生某种气体的平均值，计算公式为：相对产气速率为每个月〔或折算到两个月〕产生某种气体的含量添加量的百分数的平均值，计算公式为：根据规程要求，变压器的总烃绝对产气速率，开放式大于0.25mL/h，密封式大于0.25mL/h和相对产气速率大于10％/月时可以认定有缺点存在。2.缺点性质的判别不同性质的缺点所产生的油中溶解气体的组分是不同的，据此可以判别缺点的类型。

〔1〕特征气体法我国现行的<变压器油中溶解气体分析和判别导那么>(DL/T722-2000)，将不同缺点类型产生的特征气体归纳为表6-4。表1‑4不同缺点类型产生的气体组份故障类型主要气体组份次要气体组份油过热CH4,C2H4H2，C2H6油和纸过热CH4，C2H4，CO，CO2H2，C2H6油、纸绝缘中局部放电H2，CH4，C2H2，COC2H6，CO2油中火花放电C2H2，H2油中电弧H2，C2H2CH4，C2H4，C2H6油和纸中电弧H2，C2H2，CO2，COCH4，C2H4，C2H6进水受潮或油中气泡H2表1-4中总结的不同缺点类型产生的油中特征气体组分，只能粗略地判别充油电力变压器内部的缺点。因此国内外通常以油中溶解的特征气体的含量来诊断充油的缺点性质。变压器油中溶解的特征气体可以反映缺点点周围的油和纸绝缘的分解本质。气体组分特征随着缺点类型、缺点能量及涉及的绝缘资料不同而不同，即缺点点产生烃类气体的不饱和度与缺点源能量密度之间有亲密的关系。表1‑5判别变压器缺点性质的特征气体法序号故障性质特征气体的特点1一般过热性故障总烃较高，C2H2<5μL/L2严重过热性故障总烃较高，C2H2>5μL/L，但C2H2未构成主要成分，H2含量较高3局部放电总烃不高，H2>100μL/L，CH4占总烃的主要成分4火花放电总烃不高，C2H2>10μL/L，H2含量较高5电弧放电总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成分，H2含量较高CO和CO2与固体绝缘缺点有关，无论哪一种放电方式，除了产生氢烃类气体外，与过热缺点一样，只需有固体绝缘介入，都会产生CO和CO2。因此可以把CO和CO2作为油纸绝缘体系中固体资料分解的特征气体。表1‑6特征气体中主要成分与变压器异常情况的关系主要成分异常情况具体情况H2主导型局部放电、电弧放电绕组层间短路，绕组击穿；分接开关接触点间局部放电，电弧放电短路CH4、C2H4主导型过热、接触不良分接开关接触不良，连接部位松动，绝缘不良C2H2主导型电弧放电绕组短路，分接开关切换器闪络〔2〕三比值法过热性缺点产生的缺点特征气体主要是CH4和C2H4，而放电性缺点主要的特征气体是C2H2和H2，为此可以采用CH4/H2来区分是放电缺点还是过热缺点。1-4CH4/H2与缺点类型关系表1‑8改良三比值法的编码规那么特征气体的比值比值范围编码C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H6<0.10100.1~<11001~<3121≥3222国际电工委员会和我国国家规范引荐CH4/H2、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4三个比值来判别缺点的性质。C2H2/C2H4编码决议缺点的类型:“0〞代表过热缺点，“1〞代表高能放电缺点，“2〞代表低能放电缺点。〔3〕其他缺点诊断法除了特征缺点气体法和三比值法，还有立体图示法、大卫三角法、四比值法等其他一些传统的缺点诊断法。近年来，数学工具开场广泛运用于缺点诊断，并建立了一些以人工智能为根底的缺点诊断专家系统。实践运用中，由于变压器缺点表现方式以及缺点原因均比较复杂，所以在进展缺点诊断时，经常综合利用多种方法以求得到尽能够准确的诊断结果。绝缘缺点与油中溶解气体过热缺点放电缺点绝缘受潮油中溶解气体的在线监测脱气混合气体分别气体检测油中气体分析与缺点诊断特征气体法三比值法小结1.2.1部分放电的在线监测系统1.2.2部分放电分析与缺点诊断1.2部分放电在线监测前往部分放电的在线检测分为电测法和非电测法两大类，其中电测法中的脉冲电流法是离线条件下丈量电气设备部分放电的根本方法，也是目前在部分放电在线检测的主要手段，其优点是灵敏度高。电测法中的射频丈量法等也都运用到了在线检测中。电测法的缺陷是由于现场存在着严重的电磁干扰，将大大降低检测灵敏度和信噪比。1.2.1部分放电的在线监测系统脉冲电流法在线检测的组成及关键技术：电流传感器抗干扰技术图1‑6部分放电检测系统原理框架图电流信号i1(t)和二次侧线圈两端的感应电压〔即输出信号〕e(t)的关系为：电流传感器传感器的积分方式有两种，分别适用于宽带型和窄带型传感器。宽带型电流传感器即信号电压u(t)和所检测的电流i1(t)成线性关系谐振型电流传感器干扰来源：线路或其它临近设备的电晕放电和内部的部分放电电力系统的载波通讯和高频维护信号对检测的干扰可控硅整流设备引起的干扰无线电广播的干扰其他周期性干扰上述干扰能够经过以下三种途径进入检测系统：〔1〕从检测系统的工频电源进入，故检测系统的电源宜由隔离变压器加上低通滤波器供电，以抑制这种干扰。〔2〕经过电磁耦合进入检测系统，故检测系统包括连线应很好的屏蔽，或利用光电隔离和光纤传输信号，以减少干扰。〔3〕干扰信号经过传感器进入检测系统，这种干扰和部分放电信号混合在一同，上述方法不能抑制这种干扰，需求采用其他的措施。抗干扰技术选择适宜的检测频带，避开现场的干扰频带差动平衡系统：差动平衡系统主要用于抑制共模干扰图1－10差动平衡系统原理图1.2.2部分放电分析与缺点诊断部分放电信号分析是指如何从测试信号中提取有关放电的信息，普通采用数字信号处置技术，目前常用的方法主要有：时域分析频域分析时频结合分析人工神经网络分析部分放电信号分析时域分析是最根本的数学分析方法，例如分析放电信号的幅值，幅值与时间〔或相位〕、放电次数的关系，并且在显示设备上输出信号的波形，为此需求根据波形的采集要求确定所需的采样率和采集的数据长度，并将信号完好地记录下来。频域分析又称频谱分析，是分析某些放电特征在频域上的变化，如幅度谱、相位谱、能量谱和功率谱等，目前最常用的方法是快速傅里叶变换〔FFT〕。2.放电类型的方式识别方式识别是一种重要的诊断手段，于90年代运用于电力设备的放电识别，目前已被广泛运用于部分放电在线检测与缺点诊断。图1‑12方式识别过程表示图变压器绝缘体系中的放电类型很多，不同的放电类型对绝缘的破坏作用有很大差别，因此有必要对各种放电类型加以区分。变压器超高频部分放电的神经网络方式识别是将计算机辅助测试系统测得的电磁信号经放大、滤波后进展A/D转换，然后把提取到的多个工频周期的高频〔中心频率在506-1000MHz之间可调〕窄带〔带宽5MHz〕时域信号送入计算机进展数据处置和分析，作出各种谱图，由此来分析变压器的部分放电情况。变压器的部分放电情况部分放电特征提取变压器绝缘构造中发生的部分放电类型主要有五种：油中尖板放电、纸或纸板内部放电、油中气泡放电、纸或纸板沿面放电和悬浮放电。方式识别结果的正确与否关键在于放电信号特征的提取。放电识别选取适宜的训练样本集对提高网络的识别才干非常重要。一定要合理挑选样本，以使训练样天性涵盖全部样本的变化范围。每种放电模型都有5个以上的样品，这些样品的资料和构造完全一样，但尺寸等方面有一定差别；而且对同一个样品，在一样条件下采集多个样本，以确保实验结果具有良好的统计性和可反复性。表1‑12放电类型识别结果放电类型训练样本数/全部样本数正确识别数/识别总数识别率（%）油中尖板放电20/5028/3093纸或纸板内部放电20/5030/30100油中气泡放电20/5029/3097纸或纸板沿面放电20/5030/30100悬浮放电20/5029/3097部分放电的在线监测系统电流传感器抗干扰技术部分放电分析与缺点诊断部分放电信号分析放电类型的方式识别部分放电特征提取放电识别小结1.3.1高压电桥法1.3.2相位差法1.3.3全数字丈量法1.3介质损耗角正切的检测图1－13电桥法tanδ测原理接线图1.3.1高压电桥法当电桥平衡时，而R4=104/π，C4的单位为pF时，有：式中，k为参与平衡的电压互感器PT1、PT2构成的变比；CN、R4是固定值：高压电桥法优点：是较准确、可靠，与电源波形频率无关，数据反复性好。缺陷：接入了R3后改动了设备原有的运转形状，其他元件的接入也添加了PT1发生缺点的概率。要选择可靠性高的元件和采取一些维护措施。可用低频电流传感器替代相应的电阻元件，但效果并不理想。1.3.2相位差法图1‑14相位差法检测tanδ原理框架图电桥法是一种间接丈量法，而相位差法那么是直接丈量介质损耗角的正切值tanδ电流信号由设备末屏接地线或设备本身接地线上的低频电流传感器经转换为电压信号后输入检测系统。电压信号那么仍由同相的电压互感器提供，并再经电阻器分压后输出。和两个信号之与的脉宽，即为电流和电压的相角差φ，那么tanδ≈δ=0.5π-φ。经过相位鉴别单元，用计数脉冲进展计数，计数值和tanδ成正比关系。误差来源频率f引起的误差电压互感器引起的固有误差谐波的影响两路信号在处置过程中存在时延差：低通滤波器的建立约为10μs，这将呵斥信号0.003rad的系统误差。过零整形的时延引起误差。整形波形引起的误差。其他要素，例如环境温度的变化。1.3.3全数字丈量法数字化丈量方法主要包括过零点时差比较法、过零点电压比较法、自在电压矢量法、正弦波参数法、谐波分析法和异频电源法。过零时差比较法对谐波干扰非常敏感，过零电压比较法的抗干扰才干得到了加强，但所要求的条件非常苛刻。自在矢量法和正弦波参数法在方法设计时把试品上的电压、电流理想化为规范的正弦波，而谐波分析法和异频电源法在设计时就充分思索到在实践电压、电流中含有干扰成分，因此有广泛的运用前景。恣意周期性函数f(t)只需能满足狄里赫利条件〔即给定的周期性函数在有限的区间内，只需有限个第一类延续点和有限个极大值和极小值，而电工技术中年所遇到的周期性函数通常都能满足这个条件〕，那么f(t)均可分解为由直流分量和各次谐波所组成的傅立叶级数：根本原理：根据三角函数的性质经过变换后K次系数：对于基波，其系数为：经过变换基波电压信号的系数a1、b1为：基波电流信号的系数a1和b1为：由下式可得由下式可得那么：本法主要是经过数字运算得到tanδ，它完全防止了运算硬件带来的诸多误差要素。在最后的运算中，虽存在大数相减的问题，但计算机能保证运算