第2课 电气设备在线监测与故障诊断

电气诊断概论ElectricalFaultDiagnosis电气故障的主要原因制造工艺存在缺陷恶劣的环境和苛刻的运行条件材料的劣化缺乏良好的管理及维护现代电气设备的造价及运行可靠性在很大程度上取决于设备的绝缘结构。电力设备金属材料绝缘材料绝缘介质紧固支撑冷却媒介绝缘结构的作用绝缘材料液体绝缘:绝缘油固体绝缘：绝缘纸、电瓷、云母交联聚乙烯等气体绝缘:空气、SF6真空绝缘实际绝缘结构通常是由几种电介质联合构成的组合绝缘。固-液绝缘固-气绝缘绝缘劣化及其影响因素电气因素机械因素温度和热稳定性受潮化学稳定性和抗生物特性为了使设备的外形尺寸保持在可以接受的水平，现代变压器相对于以往的设计采用了更为紧凑的绝缘方式，因此在运行中其内部各组件间的绝缘所需承受的热和电应力水平显著提高。图1有机绝缘的伏秒特性及运行中各种电压下的场强1油纸电气强度；2胶纸电气强度；3运行中各种电压下的场强；E0长期工作场强1.电气影响长期工作电压短时的过电压2.机械影响机械负荷长时间振动短路应力图2不同耐热等级的绝缘材料在各种运行温度下长期运行的寿命3.温度影响季节变化长期过负荷热老化表1电介质的耐热等级耐热等级工作温度(℃)电介质O90木材、纸、纸板、棉纤维、天然丝；聚乙烯；聚氯乙烯；天然橡胶A105油性树脂漆及其漆包线；矿物油及浸入其中的纤维材料E120酚醛树脂塑料；胶纸板、胶布板；聚酯薄膜；聚乙烯醇缩甲醛漆B130沥青油漆制成的云母带、玻璃漆布、玻璃胶布板；聚酯漆；环氧树脂F155聚酰亚胺漆及其漆包线；改性硅有机漆及其云母制品及玻璃漆布H180聚酰胺聚酰亚胺漆及其漆包线；硅有机漆及制品；硅橡胶及玻璃漆布C180聚酰亚胺漆及薄膜；云母；陶瓷；玻璃及其纤维；聚四氟乙烯热老化规律——6度规则试验表明，对于常用的A级绝缘，如油纸绝缘，则温度每超过6℃，则寿命约缩短一半。而对于B、H级绝缘则分别约为10℃及12℃。水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。4.受潮局部电弧水带绝缘介质5.化学稳定性及抗生物特性在户外工作的绝缘应能长期耐受日照、风沙、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。在含有化学腐蚀气体等环境中工作时，选用的材料应具有更强的化学稳定性，如耐油性等。工作在湿热带和亚湿热带地区的绝缘还要注意材料的抗生物（霉菌、昆虫）特性，如有的在电缆护层材料中加入合适的防霉剂和除虫涂料等。绝缘介质的电气特性可以将不同电场强度下，电介质中所呈现的电气现象分为两类：1.在强电场下（当外施场强大于该介质的击穿强度时），将出现放电、闪络、击穿等现象，这在气体中表现最为明显。2.在弱电场下（当外施场强比该介质的击穿场强小得多时），主要是介质中的极化、电导、介质损耗等。以下将分析气体放电及液、固体介质的电气性能。气体放电的基本过程放电（Discharge)击穿(Breakdown)闪络(Flashover)火花放电(Sparkover)电弧(Arc)汤逊放电理论外界电离因子阴极表面电离气体空间电离气体中的自由电子在电场中加速碰撞电离电子崩（α过程）正离子阳极表面二次发射（γ过程）巴申曲线图3棒-棒及棒-板空气间隙的工频击穿电压Ub与间距d的关系的试验曲线（1,2,4为棒-棒；3,5为棒-板）气隙击穿的三个必要条件足够高的电压。在气隙中存在能引起电子崩并导致击穿的有效电子。需要一定的时间让放电得以逐步发展直至击穿。uUUs0t1tstfttftlag冲击电压下的击穿电压与直流或工频电压下的击穿电压不同。当外施电压快速升高，于时t1虽已达在持续作用电压下的击穿电压Us，但击穿过程并不立即开始，要过ts（统计时延）才出现第一个有效电子；再经过碰撞电离、电子崩到完成击穿，还须tf（放电形成时延）。图4放电时间的组成冲击击穿电压及过电压保护ut43215ut0s1s2图550%伏秒特性1.0%伏秒特性；2.100%伏秒特性；3.50%伏秒特性；图6伏秒特性间的配合因为ts和tf都带有统计性，所以冲击下击穿电压与放电时间的关系——伏秒特性具有较大的分散性，工程上常用50%伏秒特性来表征。以避雷器保护变压器为例，就必须根据伏秒特性进行绝缘（强度）配合，如在图2中S2就能较好地保护S1。气体中的沿面放电(cm)图7不同材料的工频下沿面闪络电压（峰值）1—纯气隙；2—石蜡；3—胶纸筒；4—电瓷沿着固体介质表面的闪络电压不但远低于固体介质的击穿电压，而且也比相同极间距离的纯气隙的击穿电压低。如果表面潮湿、脏污时，沿面闪络电压更低。这是选择输电线路和变电所外绝缘时的关键因素。输电线和变电站所用的绝缘子大多在户外运行，因此还要考虑湿闪及污闪的情况，这时的放电电压远低于乾闪。（a）（d）（c）（b）图8沿套管表面放电示意图(a)电晕；(b)辉光；(c)滑闪；(d)套管表面等值电容1—导杆；2—法兰当电压不太高时，接地法兰边缘先出现电晕而形成光圈，随着电压的升高，电晕延伸成火花细线，电流密度仍很小；当外施电压超过某临界值时，很亮、带紫色的火花紧贴介质表面此起彼伏，这时电流密度已较大，电压再增不多常就形成表面闪络。根据电源容量大小，放电转变为火花放电或电弧放电。图9盘形绝缘子串在雨下的可能闪络路径在有污秽的地区，污闪所造成的损失很大，因它可在工作电压下发生，且引起大面积停电。常用的防污措施：增大泄漏距离。定期或不定期的清扫。使用憎水性涂料。改用防污性能好的绝缘子。防污措施液体及固体介质的电气特性电介质的电气特性，主要表现为它们在电场下的导电性能、介电性能和电气强度。常以以下四个特征参数来表示：电导率γ（或绝缘电阻率ρ）介电常数ε（或电容C）介质损耗角正切（介质损耗因子）tgδ击穿电场强度Eb。电介质极化ab图10极化现象示意图(a)极间为真空；(b)极间为介质dAUQC000dAUQQCr00A—电极面积（cm2）d—电极间距（cm）εr—相对介电常数表2常用电介质的εr值材料类型名称相对介电常数（工频，20℃）气体介质（标准大气条件）空气1．00058液体介质弱极性变压器油硅有机液体2.2～2.52.2～2.8极性蓖麻油氯化联苯4.54.6～5.2强极性丙酮酒精水223381固体介质中性或弱极性石蜡聚苯乙烯聚四氟乙烯沥青2.0～2.52.5～2.62.0～2.22.6～2.7极性纤维素胶木聚氯乙烯6.54.53.0～3.5离子性云母电瓷5～75.5～6.5如绝缘纸板中存在气泡时，气泡耐压低但分到的场强却比纸要高4～5倍，这也是组合绝缘中局部放电问题突出的重要原因之一。1221EE在高压电气设备中常以几种绝缘材料组成，这时应注意到串联介质在交变电压下场强分布与介电常数成反比，即(a)(b)图11直流电压作用于双层介质(a)示意图；(b)等值电路对于多种材料组成的绝缘结构，或者采用不均匀的介质时，还会出现夹层极化。12021CCUUt1221tUU因此存在一电荷重新分配的过程。于是夹层的界面上有电荷积聚（即吸收电荷），表现为等值电容增大。这样的吸收过程比其它的极化过程要慢得多。当t=0时，电压与电容成反比到达稳态，电压与电阻成反比电介质的电导固体介质的电导包括两方面：体积电导及表面电导，后者受湿度、染污的影响更大。因此在测量固体绝缘结构的绝缘电阻时，如不采取相应措施，就难以将内部的及表面的绝缘电阻分开，特别在天气潮湿时表面电阻往往显著降低。随着温度的升高，解离的离子数往往呈指数增大，如TBAe/所以在测量绝缘电阻或泄漏电流时，必须注意温度的影响。同一物体在相近温度下的绝缘电阻的比较才能说明是否真有显著变化。电介质的损耗(a)(c)(b)图12介质在交流电压下的等值电路分析(a)示意图；(b)等值电路；(c)相量图在交流电压下，试品电流包括有功分量及无功分量IRICI介质损耗tgUIUIUIPCRcos衡量绝缘结构的性能。式中δ即为介质损耗角。与绝缘结构的形状及尺寸无关，仅取决于该介质的损耗特性。因此国际上都直接用它来评估绝缘材料的质量，表2.4常用液、固体介质tgδ值（20℃，工频）电介质tgδ(%)电介质tgδ(%)变压器油0.05～0.5聚乙烯0.01～0.02蓖麻油1～3交联聚乙烯0.02～0.05沥青云母带0.2～1聚苯乙烯0.01～0.03电瓷2～5聚四氟乙烯0.02油浸电缆纸0.5～8聚氯乙烯5～10环氧树脂0.2～1酚醛树脂1～10EE00tgδt1t2t/℃0tgδ图13气体tgδ与场强的关系图14极性液体介质tgδ与温度的关系1.对应于频率f1的曲线2.对应于频率f2的曲线(频率f2f1)电介质的击穿如是极其纯净的液体及固体介质，发生电击穿的电压将很高。但工程电介质材料中不可避免地会含有一些杂质，如气泡、水分、纤维、炭粒等，它们对介质的击穿过程及击穿电压有很大影响。电击穿：由于电场作用所直接引起。热击穿：仅靠增加绝缘厚度以提高击穿电压已难以奏效。电化学击穿：因长期局部放电而引起。绝缘试验及检测的特点•破坏性试验及非破坏性试验•直流耐压及交流耐压•离线试验及在线监测•电气方法与非电方法1.破坏性试验及非破坏性试验绝缘试验绝缘特性试验绝缘电阻试验介质损失角正切值(tgδ)试验局部放电试验绝缘耐压试验交流电压试验直流电压试验雷电冲击电压试验操作冲击电压试验绝缘试验的分类如需进行耐压试验，必须在非破坏试验即绝缘特性试验合格后才进行。2.交流耐压、直流耐压及冲击试验冲击试验：考核设备在雷电及操作过电压下的特性。比较真实、可靠的，特别对变压器等绕组结构的而言。难于在现场进行。交流耐压试验：一般仅在交接试验及大修后进行，因为它虽然考验很严格，有利于发现某些缺陷，但可能产生严重的“副作用”。直流耐压试验：1.对电容很大的试品2.交流耐压试验所带来的残余破坏远大于直流耐压。CUXUIC2CUIUP图15油纸电缆的寿命曲线1-粘性浸渍；2-充油电缆时间τ/min但交流设备用直流试验不够真实，例如油纸串联时，交流下电场分布取决于介电常数ε，而直流却取决于电阻率ρ。因此两者并不等效。3.离线试验及在线监测在线监测的优点高压设备上所加的是运行电压，比停电试验电压高得多，因此测得的参数更真实、灵敏；可以随时进行检测，能够及时发现缺陷。在线监测的缺点造价高；可测试项目较少；易受环境因素影响。4.电气方法与非电方法绝缘介质的劣化过程，常伴有热、声、化学等参数的变化。而有些参数较易于测到、或外界干扰少，更应充分予以利用。油中气体分析DGA(DissolvedGasAnalysis)对发现油浸电力设备中的电弧放电、局部过热等潜伏性故障相当有效；红外热成象（Thermovision）可用于发现较小尺寸设备，如避雷器、互感器、套管等的热点故障；超声法对测量振动以及放电定位相当有效。电气诊断特点任何诊断问题都是以征兆为线索的，变压器故障诊断的困难在于：一般说来，故障和征兆之间并不存在简单的一一对应关系，一种故障可能对应多种征兆，而一种征兆也可能对应着多种故障。因此仅仅依靠单一的检测项目，对故障的分析是不全面的，需要对各种试验结果进行综合推理。运行电气设备电、热、机械、环境等因素作用性能逐渐劣化故障事故巨大损失故障各种前期征兆电气、物理、化学特性的少量、渐变特性变化的大小和趋势早期发现故障电气诊断定义通过对电气设备的试验和各种特性的测量，了解其特征，评估设备在运行中的状态(老化程度)，从而能早期发现故障的技术作用提高电气设备及电力系统的运行可靠性明显的经济效益和社会效益检测表征工作状态的信号进行信号处理提取信号特征根据信号特征分析故障类型、性质及严重程度对故障点进行定位电气诊断的功能根据设备特征推断设备的状态特征变量Kj，j=1,2,…,n特征函数G(K1,K2,…,Kj,…