第2課 電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷

電氣診斷概論ElectricalFaultDiagnosis電氣缺點的主要緣由制造工藝存在缺陷惡劣的環(huán)境和苛刻的運轉(zhuǎn)條件資料的劣化缺乏良好的管理及維護現(xiàn)代電氣設備的造價及運轉(zhuǎn)可靠性在很大程度上取決于設備的絕緣構造。電力設備金屬資料絕緣資料絕緣介質(zhì)緊固支撐冷卻媒介絕緣構造的作用

絕緣資料液體絕緣:絕緣油固體絕緣：絕緣紙、電瓷、云母交聯(lián)聚乙烯等氣體絕緣:空氣、SF6真空絕緣實踐絕緣構造通常是由幾種電介質(zhì)結合構成的組合絕緣。固-液絕緣固-氣絕緣絕緣劣化及其影響要素電氣要素機械要素溫度和熱穩(wěn)定性受潮化學穩(wěn)定性和抗生物特性為了使設備的外形尺寸堅持在可以接受的程度，現(xiàn)代變壓器相對于以往的設計采用了更為緊湊的絕緣方式，因此在運轉(zhuǎn)中其內(nèi)部各組件間的絕緣所需接受的熱和電應力程度顯著提高。圖1有機絕緣的伏秒特性及運轉(zhuǎn)中各種電壓下的場強1油紙電氣強度；2膠紙電氣強度；3運轉(zhuǎn)中各種電壓下的場強；E0長期任務場強1.電氣影響長期任務電壓

短時的過電壓

2.機械影響機械負荷長時間振動短路應力圖2不同耐熱等級的絕緣資料在各種運轉(zhuǎn)溫度下長期運轉(zhuǎn)的壽命3.溫度影響季節(jié)變化長期過負荷熱老化表1電介質(zhì)的耐熱等級耐熱等級任務溫度(℃)電介質(zhì)O90木材、紙、紙板、棉纖維、天然絲；聚乙烯；聚氯乙烯；天然橡膠A105油性樹脂漆及其漆包線；礦物油及浸入其中的纖維資料E120酚醛樹脂塑料；膠紙板、膠布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇縮甲醛漆B130瀝青油漆制成的云母帶、玻璃漆布、玻璃膠布板；聚酯漆；環(huán)氧樹脂F(xiàn)155聚酰亞胺漆及其漆包線；改性硅有機漆及其云母制品及玻璃漆布H180聚酰胺聚酰亞胺漆及其漆包線；硅有機漆及制品；硅橡膠及玻璃漆布C>180聚酰亞胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纖維；聚四氟乙烯熱老化規(guī)律——6度規(guī)那么實驗闡明，對于常用的A級絕緣，如油紙絕緣，那么溫度每超越6℃，那么壽命約縮短一半。而對于

B、H級絕緣那么分別約為10℃及12℃。水分被吸收到電介質(zhì)內(nèi)部或吸附到電介質(zhì)的外表以后，它能溶解離子類雜質(zhì)或使強極性的物質(zhì)解離，嚴重影響介質(zhì)內(nèi)部或沿面的電氣性能：在外施電壓下，或者在電極間構成通路，或者在高溫下汽化構成“汽橋〞而使擊穿電壓顯著降低。4.受潮部分電弧水帶絕緣介質(zhì)5.化學穩(wěn)定性及抗生物特性在戶外任務的絕緣應能長期耐受日照、風沙、雨霧冰雪等大氣要素的侵蝕。在含有化學腐蝕氣體等環(huán)境中任務時，選用的資料應具有更強的化學穩(wěn)定性，如耐油性等。任務在濕熱帶和亞濕熱帶地域的絕緣還要留意資料的抗生物〔霉菌、昆蟲〕特性，如有的在電纜護層資料中參與適宜的防霉劑和除蟲涂料等。絕緣介質(zhì)的電氣特性可以將不同電場強度下，電介質(zhì)中所呈現(xiàn)的電氣景象分為兩類：1.在強電場下〔當外施場強大于該介質(zhì)的擊穿強度時〕，將出現(xiàn)放電、閃絡、擊穿等景象，這在氣體中表現(xiàn)最為明顯。2.在弱電場下〔當外施場強比該介質(zhì)的擊穿場強小得多時〕，主要是介質(zhì)中的極化、電導、介質(zhì)損耗等。以下將分析氣體放電及液、固體介質(zhì)的電氣性能。

氣體放電的根本過程放電〔Discharge)擊穿(Breakdown)閃絡(Flashover)火花放電(Sparkover)電弧(Arc)湯遜放電實際巴申曲線圖3棒-棒及棒-板空氣間隙的工頻擊穿電壓Ub與間距d的關系的實驗曲線〔1,2,4為棒-棒；3,5為棒-板〕

氣隙擊穿的三個必要條件足夠高的電壓。在氣隙中存在能引起電子崩并導致?lián)舸┑挠行щ娮?。需求一定的時間讓放電得以逐漸開展直至擊穿。沖擊電壓下的擊穿電壓與直流或工頻電壓下的擊穿電壓不同。當外施電壓快速升高，于時t1雖已達在繼續(xù)作用電壓下的擊穿電壓Us，但擊穿過程并不立刻開場，要過ts〔統(tǒng)計時延〕才出現(xiàn)第一個有效電子；再經(jīng)過碰撞電離、電子崩到完成擊穿，還須tf〔放電構成時延〕。圖4放電時間的組成沖擊擊穿電壓及過電壓維護圖550%伏秒特性1.0%伏秒特性；2.100%伏秒特性；3.50%伏秒特性；圖6伏秒特性間的配合由于ts和tf都帶有統(tǒng)計性，所以沖擊下?lián)舸╇妷号c放電時間的關系——伏秒特性具有較大的分散性，工程上常用50%伏秒特性來表征。以避雷器維護變壓器為例，就必需根據(jù)伏秒特性進展絕緣〔強度〕配合，如在圖2中S2就能較好地維護S1。氣體中的沿面放電(cm)圖7不同資料的工頻下沿面閃絡電壓〔峰值〕1—純氣隙；2—石蠟；3—膠紙筒；4—電瓷沿著固體介質(zhì)外表的閃絡電壓不但遠低于固體介質(zhì)的擊穿電壓，而且也比一樣極間間隔的純氣隙的擊穿電壓低。假設外表潮濕、臟污時，沿面閃絡電壓更低。這是選擇輸電線路和變電所外絕緣時的關鍵要素。輸電線和變電站所用的絕緣子大多在戶外運轉(zhuǎn)，因此還要思索濕閃及污閃的情況，這時的放電電壓遠低于乾閃。圖8沿套管外表放電表示圖(a)電暈；(b)輝光；(c)滑閃；(d)套管外表等值電容1—導桿；2—法蘭當電壓不太高時，接地法蘭邊緣先出現(xiàn)電暈而構成光圈，隨著電壓的升高，電暈延伸成火花細線，電流密度仍很??；當外施電壓超越某臨界值時，很亮、帶紫色的火花緊貼介質(zhì)外表此起彼伏，這時電流密度已較大，電壓再增不多常就構成外表閃絡。根據(jù)電源容量大小，放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛鸹ǚ烹娀螂娀》烹?。圖9盤形絕緣子串在雨下的能夠閃絡途徑在有污穢的地域，污閃所呵斥的損失很大，因它可在任務電壓下發(fā)生，且引起大面積停電。常用的防污措施：增大走漏間隔。定期或不定期的清掃。運用憎水性涂料。改用防污性能好的絕緣子。防污措施液體及固體介質(zhì)的電氣特性電介質(zhì)的電氣特性，主要表現(xiàn)為它們在電場下的導電性能、介電性能和電氣強度。常以以下四個特征參數(shù)來表示：電導率γ〔或絕緣電阻率ρ〕介電常數(shù)ε〔或電容C〕介質(zhì)損耗角正切〔介質(zhì)損耗因子〕tgδ擊穿電場強度Eb。電介質(zhì)極化圖10極化景象表示圖(a)極間為真空；(b)極間為介質(zhì)A—電極面積〔cm2〕d—電極間距〔cm〕εr—相對介電常數(shù)表2常用電介質(zhì)的εr值資料類型稱號相對介電常數(shù)〔工頻，20℃〕氣體介質(zhì)〔規(guī)范大氣條件〕空氣1．00058

液體介質(zhì)弱極性變壓器油硅有機液體2.2～2.52.2～2.8極性蓖麻油氯化聯(lián)苯4.54.6～5.2強極性丙酮酒精水223381

固體介質(zhì)中性或弱極性石蠟聚苯乙烯聚四氟乙烯瀝青2.0～2.52.5～2.62.0～2.22.6～2.7極性纖維素膠木聚氯乙烯6.54.53.0～3.5離子性云母電瓷5～75.5～6.5如絕緣紙板中存在氣泡時，氣泡耐壓低但分到的場強卻比紙要高4～5倍，這也是組合絕緣中部分放電問題突出的重要緣由之一。在高壓電氣設備中常以幾種絕緣資料組成，這時應留意到串聯(lián)介質(zhì)在交變電壓下場強分布與介電常數(shù)成反比，即圖11直流電壓作用于雙層介質(zhì)(a)表示圖；(b)等值電路對于多種資料組成的絕緣構造，或者采用不均勻的介質(zhì)時，還會出現(xiàn)夾層極化。因此存在一電荷重新分配的過程。于是夾層的界面上有電荷積聚〔即吸收電荷〕，表現(xiàn)為等值電容增大。這樣的吸收過程比其它的極化過程要慢得多。當t=0時，電壓與電容成反比到達穩(wěn)態(tài)，電壓與電阻成反比電介質(zhì)的電導固體介質(zhì)的電導包括兩方面：體積電導及外表電導，后者受濕度、染污的影響更大。因此在丈量固體絕緣構造的絕緣電阻時，如不采取相應措施，就難以將內(nèi)部的及外表的絕緣電阻分開，特別在天氣潮濕時外表電阻往往顯著降低。隨著溫度的升高，解離的離子數(shù)往往呈指數(shù)增大，如所以在丈量絕緣電阻或走漏電流時，必需留意溫度的影響。同一物體在相近溫度下的絕緣電阻的比較才干闡明能否真有顯著變化。電介質(zhì)的損耗圖12介質(zhì)在交流電壓下的等值電路分析(a)表示圖；(b)等值電路；(c)相量圖在交流電壓下，試品電流包括有功分量及無功分量介質(zhì)損耗衡量絕緣構造的性能。式中δ即為介質(zhì)損耗角。與絕緣構造的外形及尺寸無關，僅取決于該介質(zhì)的損耗特性。因此國際上都直接用它來評價絕緣資料的質(zhì)量，表2.4常用液、固體介質(zhì)tgδ值〔20℃，工頻〕電介質(zhì)tgδ(%)電介質(zhì)tgδ(%)變壓器油0.05～0.5聚乙烯0.01～0.02蓖麻油1～3交聯(lián)聚乙烯0.02～0.05瀝青云母帶0.2～1聚苯乙烯0.01～0.03電瓷2～5聚四氟乙烯<0.02油浸電纜紙0.5～8聚氯乙烯5～10環(huán)氧樹脂0.2～1酚醛樹脂1～10圖13氣體tgδ與場強的關系圖14極性液體介質(zhì)tgδ與溫度的關系1.對應于頻率f1的曲線2.對應于頻率f2的曲線(頻率f2>f1)電介質(zhì)的擊穿如是極其純真的液體及固體介質(zhì)，發(fā)生電擊穿的電壓將很高。但工程電介質(zhì)資料中不可防止地會含有一些雜質(zhì)，如氣泡、水分、纖維、炭粒等，它們對介質(zhì)的擊穿過程及擊穿電壓有很大影響。電擊穿：由于電場作用所直接引起。熱擊穿：僅靠添加絕緣厚度以提高擊穿電壓已難以奏效。電化學擊穿：因長期部分放電而引起。絕緣實驗及檢測的特點破壞性實驗及非破壞性實驗直流耐壓及交流耐壓離線實驗及在線監(jiān)測電氣方法與非電方法1.破壞性實驗及非破壞性實驗絕緣實驗絕緣特性實驗絕緣電阻實驗介質(zhì)損失角正切值(tgδ)實驗部分放電實驗絕緣耐壓實驗交流電壓實驗直流電壓實驗雷電沖擊電壓實驗操作沖擊電壓實驗絕緣實驗的分類如需進展耐壓實驗，必需在非破壞實驗即絕緣特性實驗合格后才進展。2.交流耐壓、直流耐壓及沖擊實驗沖擊實驗：考核設備在雷電及操作過電壓下的特性。比較真實、可靠的，特別對變壓器等繞組構造的而言。難于在現(xiàn)場進展。交流耐壓實驗：普通僅在交接實驗及大修后進展，由于它雖然考驗很嚴厲，有利于發(fā)現(xiàn)某些缺陷，但能夠產(chǎn)生嚴重的“副作用〞。直流耐壓實驗：1.對電容很大的試品2.交流耐壓實驗所帶來的剩余破壞遠大于直流耐壓。圖15油紙電纜的壽命曲線1-粘性浸漬；2-充油電纜但交流設備用直流實驗不夠真實，例如油紙串聯(lián)時，交流下電場分布取決于介電常數(shù)ε，而直流卻取決于電阻率ρ。因此兩者并不等效。3.離線實驗及在線監(jiān)測在線監(jiān)測的優(yōu)點高壓設備上所加的是運轉(zhuǎn)電壓，比停電實驗電壓高得多，因此測得的參數(shù)更真實、靈敏；可以隨時進展檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)缺陷。在線監(jiān)測的缺陷造價高；可測試工程較少；易受環(huán)境要素影響。4.電氣方法與非電方法絕緣介質(zhì)的劣化過程，常伴有熱、聲、化學等參數(shù)的變化。而有些參數(shù)較易于測到、或外界干擾少，更應充分予以利用。油中氣體分析DGA(DissolvedGasAnalysis)對發(fā)現(xiàn)油浸電力設備中的電弧放電、部分過熱等埋伏性缺點相當有效；紅外熱成象〔Thermovision〕可用于發(fā)現(xiàn)較小尺寸設備，如避雷器、互感器、套管等的熱點缺點；超聲法對丈量振動以及放電定位相當有效。

電氣診斷特點任何診斷問題都是以征兆為線索的，變壓器缺點診斷的困難在于：普通說來，缺點和征兆之間并不存在簡單的一一對應關系，一種缺點能夠?qū)喾N征兆，而一種征兆也能夠?qū)喾N缺點。因此僅僅依托單一的檢測工程，對缺點的分析是不全面的，需求對各種實驗結果進展綜合推理。運轉(zhuǎn)電氣設備

電、熱、機械、環(huán)境等要素作用

性能逐漸劣化缺點事故

宏大損失

缺點各種前期征兆

電氣、物理、化學特性的少量、漸變

特性變化的大小和趨勢

早期發(fā)現(xiàn)缺點電氣診斷定義

經(jīng)過對電氣設備的實驗和各種特性的丈量，

了解其特征，

評價設備在運轉(zhuǎn)中的形狀(老化程度)，

從而能早期發(fā)現(xiàn)缺點的技術

作用

提高電氣設備及電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)可靠性

明顯的經(jīng)濟效益和社會效益檢測表征任務形狀的信號

進展信號處置

提取信號特征

根據(jù)信號特征

分析缺點類型、性質(zhì)及嚴重程度

對缺點點進展定位電氣診斷的功能根據(jù)設備特征推斷設備的形狀

特征變量Kj，j=1,2,…,n

特征函數(shù)G(K1,K2,…,Kj,…,Kn)

形狀變量Di，i=1,2,…,m

形狀函數(shù)F(D1,D2,…,Di,…,Dm)診斷規(guī)那么E

特征與形狀不一一對應需求診斷規(guī)那么

E(K1,K2,…,Kn；D1,D2,…,Dm)

特征和形狀間的相互關系

工程診斷

找到三者間關系

由特征函數(shù)、診斷規(guī)那么推斷設備形狀特征變量分布的隨機性

完好絕緣D1和缺點絕緣D2

特性參數(shù)x的概率密度曲線

fD1(x)及fD2(x)

fD1(x)和fD2(x)分別

在a，b區(qū)