57电气设备故障诊断技术03第三章 电气设备绝缘预防性试验

第三章电气设备绝缘预防性试验第三章电气设备绝缘预防性试验电介质的极化、电导与损耗及其等效电路预防性试验的常规项目绝缘电阻直流泄漏电流介质损耗因数局部放电绝缘油中溶解气体分析高压耐压试验电气设备绝缘预防性试验意义：是保证电气设备安全运行的重要措施和制度。目的：掌握电气设备的绝缘状况，及早发现其缺陷，以进行相应的维护与检修。如何掌握绝缘状况？•电气设备绝缘缺陷的产生：•制造时潜伏下来的；•运行中逐步发展起来的。•绝缘缺陷的分类：•集中性缺陷；•分布性缺陷。•预防性试验方法分类：•破坏性试验(耐压试验)；•非破坏性试验。第一节电介质的极化、电导与损耗放置固体介质时,电容量将增大为:dAUQQC'0dAUQC000对于平行平板电容器，极间为真空时：平板电容器中的电荷和电场分布(a)真空(b)充以介质•极化现象：造成电容量增加！•极化的原因•在外加电场的作用下，介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现了束缚电荷，极板上电荷增多，并造成电容量增大。•极化的影响因素：形态（气液固）、温度、电场频率等。•极化的基本形式：电子式、离子式、偶极子转向、夹层介质界面、空间电荷极化。00CCr•相对介电常数：1、电子式极化•电子轨道受到外电场的作用时，相对于原子核产生位移，原子中正、负电荷的作用中心不再重合.•极化强度与正、负电荷作用中心间的距离成正比，且随外电场的增强而增大。•特点•极化所需的时间极短，约10-15s；•具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上重合，整体呈现非极性，没有损耗；•温度的影响不大，温度升高时，εr略为下降。E绝缘-+E绝缘CQUdxEU常数，同时还要满足.2、离子式极化•发生在离子式结构，如云母、陶瓷材料。•正、负离子的作用中心发生偏移。•特点：•所需的时间也很短，约10-13s；•弹性极化，几乎没有损耗。•温度对极化存在一定影响，εr一般具有正的温度系数。离子式极化示意图E0||E3、偶极子转向极化•存在于极性电介质中（具有永久性偶极矩）；•无外电场时，分子无序排列，不呈现极性；•在电场作用下，顺电场方向定向排列，示出极性。•特点：•极化所需的时间也较长，约10-10～10-2s；•非弹性，消耗能量。•温度对极性介质的εr有很大的影响。•低-、适当范围+、高-4、夹层介质界面极化•存在于夹层电介质（不均匀电介质）中。特点•过程特别缓慢，一般在10-1s以上，甚至数小时；•伴有介质损耗。5、空间电荷极化•介质内的正、负自由离子改变分布状况，在电极附近形成空间电荷。•特点：•缓慢进行；•消耗能量。极化种类产生场合所需时间能量损耗产生原因电子式极化任何电介质10-15s无束缚电子运行轨道偏移离子式极化离子式结构电介质10-13s几乎没有离子的相对偏移偶极子极化极性电介质10-10～10-2s有偶极子的定向排列夹层极化多层介质的交界面10-1s～数小时有自由电荷的移动电介质极化的本质：在外加电场作用下，极化介质内部形成反电场，通过向电极补充电荷以抵消反电场的作用，从而增加了电容量，并可能消耗能量！材料类别名称相对介电常数，εr(工频，20℃)气体介质(1.0132×105Pa）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松香2.0～2.52.5～2.62.0～2.22.5～2.6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工程意义：1）选择绝缘材料2）多层介质合理配合3）判断绝缘状态二、电介质的电导•离子电导：•以离子为载流子。•在电场或外界因素影响下，离解成正负离子。•电子电导：•以自由电子为载流子。•出现电子电导电流时，表明电介质已被击穿。•电介质的电导一般是指离子性电导。1、电介质的电导率、电阻率•电导性能常用电导率γ或电阻率ρ表示。•固体电介质的电阻率（1）体积电阻率：单位长度的正方体的电介质中，所测得的其两相对面上的电阻。dSRvv体积电阻测量图µAdIsISIV?（2）表面电阻率：单位长度的正方形表面积上，相对两边之间测得的电阻。dlRss2、液体电介质的电导•离子电导：•电介质分子或杂质分子离解而成的离子。•电泳电导：•较大的胶体吸附电荷后，变成带电质点。•中性和弱极性的液体电介质电导率小。•极性和强极性液体电介质电导率大，故不宜作为绝缘材料（水）。•电导率γ与温度间具有指数关系：kTAe/3、固体介质的电导•离子电导：•杂质离子起主要作用。•电子电导：•电导与外施场强E关系密切。更高时较高时较低时EEE21EBeeEBioioeJeJEJ固体介质电导电流密度与外加场强的关系表面电导：•主要决定于表面吸附导电杂质的能力及其分布状态•亲水性电介质：云母，玻璃，纤维材料；•憎水性电介质：石蜡，聚苯乙烯。•预防性试验时要注意绝缘表面的影响！水滴在两类介质上的分布状态(a)亲水介质(b)疏水介质三、电介质的能量损耗•介质损耗：电导损耗、有损极化crIIIW=P+jQ=U(Ir+jIC)=UIr+jUIC介质损失角的正切tgδ：衡量介质的损耗特性液体介质损耗与温度的关系•气体介质的损耗•无碰撞电离时，损耗由电导引起，损耗极小；•发生放电时，损耗剧增（如电线上的电晕损耗）。•液体介质的损耗•中性或弱极性介质：•损耗主要起因于电导，较小。•极性：电导和极化损耗。•损耗与温度的关系比较复杂。•固体介质的损耗•分子式•离子式•不均匀结构•强极性•损耗情况比较复杂•损耗与温度密切相关干纸的损耗与温度的关系1－1kHz2－10kHz3－100kHz四、电介质的一般等值电路C0反映电子式和离子式无损极化（含真空中对应的电容）C，、r支路反映有损极化R反映电导损耗绝缘C0C/rRCxRxIRxICx（a）（b）（c）第二节绝缘电阻的测量一、多层介质的吸收现象双层介质的等值电路吸收曲线当在绝缘上施加直流电压时，流经绝缘的电流会随着时间逐渐下降，最终达到一个稳定值，这就是不均匀介质的吸收现象本质：夹层介质的界面极化这些电荷被介质吸收了！绝缘电阻在设备绝缘上施加确定的直流电压，经过一定时间（通常为60秒）后呈现的电阻值。吸收比K=R60“／R15”当绝缘良好时，K常高于某一定值（1.3）绝缘普遍受潮时，K接近1极化指数（10min/1min）二、绝缘电阻和吸收比测量手摇式兆欧表的工作原理绝缘电阻的测量接线仪器：兆欧表兆欧表一般有三个接线端子被试品接在端子“E”和“L”之间保护端子“G”（与L相连）有时称为屏蔽端子输出电压为负极性直流（why?）有500V、1000V、2500V、5000V等多个等级三、测量结果的影响因素被试设备绝缘上可能存留残余电荷造成吸收现象不明显试验前应对设备充分放电固体绝缘表面状况绝缘电阻随温度呈指数规律下降测量时必须记录设备温度实例：同步电机干燥前后绝缘电阻的变化干燥前（受潮），15ºC干燥完毕，73.5ºC运行3天，冷却后27ºC第三节直流泄漏电流的测量绝缘电阻和吸收比测量简单易行，有时很有效：整体受潮等试验电压相对较低，灵敏度和准确性较低5000/（110×1000）直流泄漏电流试验--提高试验电压直接测量泄漏电流因试验电压提高，试验灵敏度和准确性较高试验设备要求提高发电机的泄漏电流变化曲线曲线1：绝缘良好的发电机；曲线2：绝缘受潮；曲线3：绝缘中已有集中性缺陷；曲线4：有危险的集中性缺陷。直流泄漏电流试验原理接线直流泄漏电流试验和直流耐压试验常利用同一套直流高压发生装置同时进行。Time?1min直流高压的产生方式与要求产生利用交流高压经高压硅堆半波整流采用（多级）串级倍压整流电路（实验讲义）要求直流试验电压的脉动系数应不大于3％脉动系数＝[（最高值－最低值）/2]×100%测量泄漏电流的影响因素与绝缘电阻测量相同的影响因素残余电荷绝缘表面状况设备温度其它因素外加直流电压的稳定性测量微安表的保护和接入位置高压引线引起的杂散电流带来的测量误差R1LSμAC’V微安表保护回路第四节介质损失角正切值tgδ的测量crIItgCXRxxIrIcI•当电气设备绝缘整体性能下降，如普遍受潮、脏污或老化，以及绝缘中有间隙发生局部放电时，流过绝缘的有功电流分量IRx将增大，tgδ也增大。•通过测量tgδ值可以发现绝缘的分布性缺陷。若缺陷部分在整个绝缘中的体积较大，则测量tg容易发现绝缘的缺陷。如果绝缘缺陷是集中性的（非贯穿性的），或缺陷部分在整个绝缘中占很小的体积，则该方法不很有效。套管、电力变压器、互感器和某些电容器。电机、电缆。一、西林电桥的测量原理R4C4R3CXCNCDABGRx34ZZZZnX当电桥平衡时，检流计中无电流流过，各臂阻抗满足关系式：xxxCjRZ11NnCjZ144411CjRZ33RZ＝34411111RCjCjRCjRNxx441RCRCIItgxxcr3423411RCRtgRCRCNNx)(1046444fCCCRtg当电桥平衡时，C4的微法数就等于被试品的tgδ值。在电桥的分度盘上，C4的数值直接以tgδ的百分数（％）来表示。测量被试品的电容Cx对于判断某些绝缘状况也是有价值的。问题：电容量大了意味着什么故障？电容量小了意味着什么故障？R4C4R3CXCNCDABGRx二、外界电磁场对电桥的干扰1）外界电场的干扰•试验用高压电源和试验现场高压带电体(例如变电所内仍在运行的高压母线等)所引起的电场干扰。2）外界磁场的干扰•电桥处于交变磁场中消除干扰的办法将电桥的低压部分全部屏蔽起来，引线也采用屏蔽电缆线采用抗干扰源、移相法、倒相法、改变接线（正、反接法）西林电桥反接线原理图西林电桥接线原理图三、影响tgδ测量结果的因素•被试电气设备的温度；•试验电压的大小；•被试电气设备绝缘的电容（试品电容）；•被试电气设备外绝缘表面的泄漏影响。tgδ与试验电压的典型关系曲线1良好的绝缘2绝缘中存在气隙3受潮绝缘第五节局部放电的测量•测定局部放电，能预示绝缘状况，也是估计绝缘电老化速度的重要根据。•局部放电伴随发生许多现象：电现象：电脉冲，介质损耗的增大和电磁波；非电现象：光、热、噪音、气体压力变化和化学变化。•局部放电检测方法：电：电脉冲、介质损耗，可定量；非电：灵敏度不够，只能定性。•电脉冲法检测的参数视在放电量Δq放电能量W放电的重复率(放电频度)等iqUW21gbgbaCCCCCUq绝缘内部气隙局部放电的等值电路一、局部放电的检测回路Cx—被试品的电容Ck—耦合电容Zm、Z’m—测量阻抗Z—低通滤波器U—电压源M—测量仪器A—放大器CX一端接地CX两端绝缘平衡电路二、局部放电的测量阻抗和测量仪器Zm和测量的灵敏度、输出波形及脉冲的分辨率都有关系要消除或减弱输出电压的工频成分要使脉冲分量的持续时间足够小，以保证快速连续脉冲的分辨率阻抗值应足够高，由它决定输出电压和电流的波形测量仪器阴极射线示波器指示型电压表脉冲计数器局部放电测试仪（一）局部放电测试仪（二）大型发电机定子绕组绝缘局部放电测量波形三、用超声波探测器测量局部放电特点：与电脉冲法相比，抗干扰能力相对较强，可在运行及耐压试验时使用。工作原理：发生局部放电时，会产生超声波，并向四面传递，直到电气设备容器的表面；在设备外壁，放一压电元件；将交变压力波转换为电气量，由此可测量局部放电。第六节绝缘油中溶解气体分析（DGA）绝缘油是电气设备绝缘的重要组成部分：绝缘冷却灭弧绝缘油试验：绝缘油的电气试验；绝缘油中溶解气体分析（DGA）。