电力设备的在线监测与故障诊断-第3章--电容性设备的在线监测

第三章电容型设备的在线监测电气设备在线监测技术的典型应用电容型设备的在线监测金属氧化物避雷器的在线监测变压器油中溶解气体的监测与诊断技术变压器局部放电的在线监测高电压绝缘预备知识电力设备的构成材料电力设备是电力系统的构成元件电力设备是机械与电磁相结合的装备电力设备主要由两类不同材料构成：一类为金属材料，包括铜、铝等导电材料，硅钢片等导磁材料，铸铁、钢板等外壳或结构材料；另一类为绝缘材料，如绝缘纸(及纸筒、纸板)、层压板(及筒)、塑料薄膜、硅橡胶、电瓷、绝缘油、绝缘气体等。电力设备中绝缘材料或电介质的根本作用，除了在电容器中有储能这一特殊要求外，在其它绝大多数场合中，只是防止电流向不希望的方面流动，以及对不同电位的导体起机械固定或隔离作用上世纪40年代以前，绝缘问题似乎并不占有重要的作用。相对于金属材料，绝缘材料尤其是有机绝缘材料，容易老化变质而使其机电强度显著降低；电力系统中60％以上的停电事故是由电力设备的绝缘缺陷引起的；潜伏性故障－设计、制造过程中存在质量问题，安装运输中出现损坏；运行中故障－由于电、热、机械、化学及其它因素，潜伏性故障发展或出现新的故障；绝缘缺陷的分类：集中性缺陷、分布性缺陷；电力设备的故障电气设备绝缘材料：矿物油、绝缘纸、有机合成材料等导电材料：铜等导磁材料：矽钢片等结构材料：钢、层压板、垫块、支撑等电应力热应力机械应力化学应力环境因素辐射国外先进电力企业供电可靠性高，最好水平达到输配电网年平均每户停电次数为0.1次，平均停电时间不超过4分钟，供电可靠率可达99.999%。大城市供电网络敷设地下电缆，电网线损率可降低到4.5%。开关多数实现无油化，基本实现变电站无人值守。由于自动化和信息化技术的应用，使其售电量增长和公司职工人数增长的比例达到很高的水平(一流企业达到100:4)。与这些数据相比较，国家电网公司2002年平均线损率仍为6.91%，10千伏用户供电可靠率为99.906%，最低的省公司10千伏用户供电可靠率只有99.664%。对用户的年平均停电次数为1.96次（不包括瞬时停电）。超高压输电线路稳定极限低，电网有功调峰、无功补偿和电压调整手段欠缺，输送能力不能充分发挥，可靠性差。配电网比较薄弱，线路间联络差，互供能力不足。农村电网薄弱，供电损耗高，可靠性低，无人值班变电所比例小。根据国家电网公司科技发展规划(2003~2005~2010)公布数据（国家电网科[2003]285号）设计上：研究改善电场分布、降低最大场强；配件上：对配件(如变压器分接开关、套管等)认真选购及试验；工艺上：提高油纸绝缘包缠、干燥、浸渍质量；试验上：严格车间检验、出厂试验、增加局放试验等。生产过程的措施（制造厂家）投运后的试验和维修策略（运行部门）加强试验和维修如何减少电力设备的故障、避免和减少损失？电力设备试验的分类按类型分类：型式试验、出厂试验、交接验收试验、预防性试验等；设计定型－－型式试验－－地点在认证机构制造完出厂前－－出厂试验－－地点在厂家制造商与运行商之间的交接－－交接验收试验－－地点在现场投入运行后的运行中－－预防性试验－－地点在现场按性质和要求分类：绝缘试验、特性试验；绝缘试验的分类：非破坏性试验(试验电压低)、破坏性试验(试验电压高)；电介质电介质电气性能的划分四个电气性能：电介质极化特性、电介质损耗特性、电气传导特性、电气击穿特性介电特性：电气传导特性：如载流子移动、高场强下的电气传导机理等；主要物理量为绝缘电导和泄漏电流电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（V-t）等；主要物理量为击穿场强电介质极化机理，主要物理量为介电常数ε电介质损耗机理，主要物理量为介损tgδ介电常数相对介电常数介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与介质中电场的比值即为相对介电常数，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降rε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*10-12,F/m常用介质相对介电常数空气1.00059非极性变压器油2.2～2.5弱极性蓖麻油4.5极性纯水81强极性聚乙烯2.25～2.35弱极性油浸纸3.3～3.8极性电瓷5.5～6.5离子性云母5～7离子性电介质的分类：根据化学结构分为3类非极性及弱极性电介质偶极性电介质离子性电介质固体电介质的介电常数非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类，这类电介质只有电子式极化和离子式极化，介电常数不大，通常在2.0-2.7范围。介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近偶极性固体电介质：属于此类的固体电介质有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3-6，还可能更大。介电常数和温度及频率的关系和极性液体的相似离子性电介质：如陶瓷，云母等，此类电介质的相对介电常数єr一般在5-8左右讨论电介质极化的意义：1、选择绝缘：电容器大电容器单位容量体积和重可减少电缆小可使电缆工作时充电电流减小电机定子线圈槽出口和套管小,可提高沿面放电电压2、多层介质的合理配合：电场分布与成反比组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘劣化和热击穿的主要原因4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构成威胁5、研发新型绝缘材料rrr2211EE在直流电压的作用下，电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导所引起。所以用体积电导和表面电导率两个物理量就已能充分说明问题。（一）电介质损耗的基本概念电介质的损耗在交流电压下，流过电介质的电流包含有功分量和无功分量，即IRICICRIIIP=UIcosφ=UIR=UICtgδ=U2ωCptgδ式中ω——电源角频率；φ——功率因数角；δ——介质损耗角。介质损耗角δ为功率因数角φ的余角，其正切tgδ又可称为介质损耗因数。在下图中画出了此时的电压、电流相量图，可以看出，此时的介质功率损耗UU～ICRIIIRICIRCPRICIUδφI通常均采用介质损耗角正切tgδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量和监控各种电力设备绝缘的tgδ值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要的项目之一。图中C1代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2—R2代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。有损介质更细致的等值电路如下图所示R3C1R2C2i=i1+i2+i3i1i2i3uICI2RI23IUδφ2I1I在这个等值电路上加上支流电压时，电介质中流过的将是电容电流i1、吸收电流i2和传导电流i3。三者随时间的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，即得出总电流上右图中的总电流i,它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为吸收曲线。i1i3i2iI606015I15it(s)上述三支路等值电路可进一步简化为电阻、电容的的并联等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常采用并联等值电路；如果介质损耗主要由极化所引起，则常采用串联等值电路。现分述如下：把电流归并成有功电流和无功电流两部分，即可得如下图所示的并联等值电路，图中CP代表无功电流IC的等值电容、R代表有功电流IR的等值电阻。其中RUIIIRR23PCCCUIII21UCRIIIRICIRCP⒈并联等值电路此时电路的功率损耗为tgCURUPP22介质损耗角正切tgδ等于有功电流和无功电流的比值，即RCCURUIItgPPCR1/UU～ICRIIIRICIRCPRICIUδφI由右图的相量图可得rCCIIrtgSS/由于，I=UCSωCS=Ucosδ·ωCS，所以电路的功率损耗将为SCtgr2222coscostgCUCtgCUrIPSSS上述有损电介质也可用一只理想的无损耗电容CS和一个电阻r相串联的等值电路来代替，如右图所示。UICsrUδφIUrUcs⒉串联等值电路用两种等值电路所得出的tgδ和P理应相同，所以只要把并联电路与串联电路的损耗公式加以比较，即可得CS≈CP，说明两种等值电路中的电容值几乎相同，可以用同一电容C来表示。另外串联等值电路中的电阻r要比并联等值电路中的电阻R小得多。因为介质损耗角δ值一般都很小，cosδ≈1，所以P≈U2ωCStgδWRUP521WwcUP38.62tan2257.12PP12＝Mwc159tan1R2＝0795.0RR12答：1）直流电压下：2）工频交流电压下：3）工频交流下介质损耗并联电路的等值电阻：举例：一台电容器的电容量C＝2000pF，tan＝0.01，而直流下的绝缘电阻为2000M，试求：(1).直流100kV下的功率损耗；(2).工频(有效值)100kV下的功率损耗，它与直流100kV下损耗的比值；(3).交流下介质损耗的并联等值电路中的等值电阻，它与直流绝缘电阻的比值。电介质的老化绝缘的老化:电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化(如固体介质软化或熔解,低分子化合物及增塑剂的挥发)和化学变化(如氧化,电解,电离,生成新物质),致使其电气,机械及其他性能逐渐劣化.电气设备的使用寿命一般取决于其绝缘的寿命，而后者与老化过程密切相关.电击穿绝缘老化的因素热击穿电化学击穿(局部放电)其他影响因素表达介电性能的参数介电系数ε→电容量C电阻率ρ→绝缘电阻Ri介质损耗角正切tanδ→介质损耗P击穿场强Eb→击穿电压Ub极化、电导、放电、损耗、老化、击穿的关系极化电导放电(局部击穿)损耗击穿(寿命丧失)宏观C/微观r宏观R/微观r宏观P/微观tan宏观Ub/微观Eb老化热效应电、热、化学效应电、热、化学效应常用气体、液体、固体介质的耐电强度不同气体的耐电及液化特性常用液、固体介质的tgδ（20℃）变压器油0.0005～0.005油浸纸0.001～0.01油浸pp膜0.0005～0.004聚乙烯0.0001～0.0002电瓷0.01～0.05第三章电容型设备的在线监测第一节概述电容型设备的监测项目电容型设备在线监测的意义电容型设备介质损耗的理论知识第二节介质损耗的监测电桥法相位差法数字分析法第三节测量三相不平衡电流第四节电力电容器在线监测与故障诊断第一节概述一、电容型设备的监测项目电容型设备包括：高压套管、电容式电流互感器（CT）、电容式电压互感器（CVT）、耦合电容器（OY）、电力电容器等。特点：电容型设备的高压端对地有较大的等值电容。110kV及以上的电容型设备的高压端对地电容约在500～5000pF范围内。电容型设备的主要监测项目介质损耗——tanδ电容值——C电流值——IX电力电容器电容式电压互感器高压套管电容式电流互感器、耦合电容器、CVT、电容式套管这些电容型高压设备主绝缘承受一次高压，将有泄漏电流Ix流过，绝缘电介质在交变电场下会产生电导损耗和极化损耗，它们共同产生电介质损耗。介质损耗因数tanδ对于发现绝缘整体性缺陷非常灵敏，电容型设备在运行过程中如果受潮、劣化或发生某层电容击穿，则设备的主电容量将会发生变化，所以监测电容型设备的电容量，同样也能很有效地发现绝缘缺陷。因此，介质损耗因数tanδ的变化是绝缘劣化的主要标志。第一节概述二、电容型设备在线监测的意义监测tanδtanδ是设备绝缘的局部缺陷中介质损失引起的有功电流分量Ir和设备总电容电流Ic之比。监测tanδ对发现绝缘的整体劣化（例如绝缘均匀受潮）较为灵敏，而对局部缺陷则不太灵敏。