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故障诊断电气设备检修方式的发展：20世纪40年代，事故后维修；20世纪60年代，预防性检修；目前，状态检修是发展趋势。事故后维修：电网电压等级低，容量小，故障的危害小；预防性检修：110kV-220kV电压等级，故障影响扩大；问题：预试是在停电状态下进行，没有考虑设备的运行条件、气象条件等；试验电压较低（一般在工频10kV以下）；绝缘在线监测系统的基本框架关键问题：1选择传感器和传感性能2如何处理信号数据3如何判断绝缘缺陷信号预处理、显示及报警等图7－1绝缘在线监测基本框架针对设备性能特点选择信号采集方式专家系统，包括绝缘诊断、工作票信号传输数据传输离线电气绝缘预防性试验离线时电气绝缘预防性试验和高电压试验具有如下缺点：一、需要停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；二、检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘故障；三、停电后的设备状态与运行时的设备状态不相符，影响诊断的正确性。在线检测在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期性检测绝缘的状况，因而可以避免以上缺点，另外建立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态维修和建设无人值守变电站的基础。在线检测和状态维修带来的经济效益是十分显著的。电气绝缘在线检测是一门多学科交叉融合的综合技术，自20世纪70年代以来，电气绝缘在线检测与故障诊断的技术水平不断提高，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局部放电在线监测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绝缘故障与油中溶解气体1.1.2油中溶解气体的在线监测1.1.3油中气体分析与故障诊断变压器的绝缘发生故障时产生故障气体，故障气体部分溶解于油中，部分进入气体继电器。变压器绝缘故障主要分为三类：热故障、电故障及其绝缘受潮，故障不同时，油中溶解的故障气体成分不同，因此可以通过分析油中溶解气体的成分来判断变压器存在的绝缘故障。1.1.1绝缘故障与油中溶解气体1.过热故障变压器过热故障是最常见的故障，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，温度达到稳定状态。当发热量大于预期值，而散热量小于预期值时，就发生过热现象。2.放电故障放电故障是由于电应力作用而造成绝缘裂化，按能量密度不同可以分成电弧放电、火花放电和局部放电等。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形成“水桥”，导致局部放电而产生H2。水分在电场作用下的电解以及水和铁的化学反应均可产生大量的H2。所以受潮设备中，H2在氢烃总量中占比例更高。有时局部放电和绝缘受潮同时存在，并且特征气体基本相同，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试验结果（如局部放电测试结果和油中微量水分分析）加以综合判断。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则可以分为不同的种类。以检测对象分类可归结为以下几类：测量可燃性气体含量（TCG），包括H2、CO和各类气体烃类含量的总和测量单种气体浓度测量多种气体组分的浓度油中溶解气体在线检测装置主要由脱气、混合气体分离及气体检测三大部分组成。1.脱气脱气法主要有油中吹气法、抽真空取气法、分离膜渗透法，表7-1给出了简单的优缺点比较结果。其中平板分离膜、毛细管柱、血液透析装置、中空纤维装置都属于高分子分离膜的应用，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油气分离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，其基本原理是采用吹气方式将溶解于油中的气体替换出来，使油面上某种气体的浓度与油中气体的浓度逐渐达到平衡。波纹管法是利用小型电机带动波纹管反复压缩，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。分离膜渗透法是结构简单、成本低、操作方便，因此得到了广泛应用，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，其中高分子透气膜应用更为广泛，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.混合气体分离混合气体分离一般用气相色谱柱完成。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（一般是气体或液体）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结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，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。分离过程见图1-1。图1-1色谱柱分离气体组分过程示意图可见，固定相对气体组分的分离起着决定性的作用，不同性质的固定相适应不同的分离对象，应根据分离对象来选择固定相的材料。常用的固定相材料有活性炭、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材料3.气体检测检测油中溶解气体用的检测器的基本要求是：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应或反应小；响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状态所需要的时间；重复性好，性能稳定，维护方便，价格便宜，有较强的抗环境影响能力。目前应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、催化燃烧型传感器、光敏气体传感器、燃烧电池型传感器和其他形式的传感器。热导检测器是一种万能气体检测器，但应用于在线检测时对制造工艺的要求很高，因此目前应用不是很广泛。燃烧电池型传感器目前主要应用于单氢气的检测。接触燃烧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、响应时间短等优点，但是如果长期使用，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、结构简单、使用方便、价格便宜，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）和传递样品组分的载气（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，当两种气体交替通过时，热丝温度保持恒定。进样后，载气中带有样品，若再要保持热丝温度恒定则其电流会有变化。两种气流在热丝上每秒切换五次，电流的差别被测量并记录下来。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，则要选择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，因为一般都用的是氢气，所以一般叫氢火焰检测器。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，喷嘴和收集极之间的电流会增大，对这个电流信号进行检测和记录即可得到相应的谱图。一般的有机化合物在FID上都有响应，一般分子量越大，灵敏度越高。FID是GC最基本的检测器。1.1.3油中气体分析与故障诊断1.是否存在故障的判断（1）阀值判断法将油中溶解各气体的浓度与正常极限注意值作比较，可以判断变压器有无故障。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注意值（220kV及以下）μL/L（2）根据产气速率判断判断有无故障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增加，但未超过规定的注意值也可判断为故障。21iiaCCGt绝对产气速率为每个运行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增加量的百分数的平均值，计算公式为：211100%.iiriCCCt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％/月时可以认定有故障存在。2.故障性质的判断不同性质的故障所产生的油中溶解气体的组分是不同的，据此可以判断故障的类型。（1）特征气体法我国现行的《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(DL/T722-2000)，将不同故障类型产生的特征气体归纳为表6-4。表1-4不同故障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中总结的不同故障类型产生的油中特征气体组分，只能粗略地判断充油电力变压器内部的故障。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故障性质。变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点周围的油和纸绝缘的分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及涉及的绝缘材料不同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源能量密度之间有密切的关系。表1-5判断变压器故障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，C2H25μL/L2严重过热性故障总烃较高，C2H25μL/L，但C2H2未构成主要成分，H2含量较高3局部放电总烃不高，H2100μL/L，CH4占总烃的主要成分4火花放电总烃不高，C2H210μL/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与固体绝缘故障有关，无论哪一种放电形式，除了产生氢烃类气体外，与过热故障一样，只要有固体绝缘介入，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材料分解的特征气体。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）三比值法过热性故障产生的故障特征气体主要是CH4和C2H4，而放电性故障主要的特征气体是C2H2和H2，为此可以采用CH4/H2来区分是放电故障还是过热故障。1-4CH4/H2与故障类型关系表1-8改良三比值法的编码规则特征气体的比值比值范围编码C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H60.10100.1~11001~3121≥3222国际电工委员会和我国国家标准推荐CH4/H2、C2H4/C2H6、C2H2/C2H4三个比值来判断故障的性质。C2H2/C2H4编码决定故障的类型:“0”代表过热故障，“1”代表高能放电故障，“2”代表低能放电故障。（3）其他故障诊断法除了特征故障气体法和三比值法，还有立体图示法、大卫三角法、四比值法等其他一些传统的故障诊断法