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第10讲:绝缘性能测试

作者:排列5 发布时间:2020-08-06 23:14 点击数:

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  高电压技术 高电压工程系 李黎 回顾 第二篇:(1)非破坏性绝缘实验 ? 绝缘电阻测试 ? ? ? ? ? 绝缘电阻 吸收比 摇表的使用 泄漏电流测量——微安表 设备:西林电桥 倒相法原理 介损正切的测量 ? ? 2 (2)倒相法 现场的试品:难以实现屏蔽,故 干扰较严重 两次测量法(倒相法):第一次 测得 tg?1 和 Cx? ,然后倒换试验变 tg? 压器原边电源线的两头 ( 试验电 = ? 压 U 的相位转 180 ) ,测得第二次 的数值tg?2和Cx?,可用下式计算 得准确的tg?和Cx值: tg? ? C1tg?1 ? C 2 tg? C1 ? C2 2 C1 ? C 2 C? 2 西林电桥的基本回路 3 倒相法原理 ?(干扰电流) I i I1c ? ?Cx1U I c ? ?CxU I 2 c ? ?C x 2U 损耗电流矢量分别在x轴 和y轴进行投影: ? I x1 I c ? ? CxU I r ? I c tan ? ? ? CxU tan ? ?2 ? I x ? I x2 ? U ?1 δ I 2 r ? ?Cx 2U tan ?1 4 倒相法原理 ? Ir ? Ic tgδ是很小的值,因此近似有: 代入相关值: tg? ? Ir Ic I1r ? I 2 r 2 I ? I 2c ? 1c 2 ? ? [(?Cx1Utg?1 ? ?Cx 2Utg? 2 ) / 2] / [(?Cx1U ? ?Cx 2U ) / 2] ? (Cx1tg?1 ? Cx 2 tg? 2 ) / (Cx1 ? C x 2 ) I1c ? I 2 c ,即 2 ?CxU=(?Cx1U ? ?Cx 2U ) / 2 又由I c ? 故 Cx = (C x1 + C x 2 ) / 2 5 三、角差测量法 原理:通过直接测量电压和电流的相位角差来测量tanδ 方法:同时测量流过标准电容器电流(其相角与流过试 品的容性电流的相角一致)和流过试品的电流(全电 流),得到二者之间的相角差,从而可以计算tgδ的数 值。通过数字处理实现。 有逐步取代平衡法测量的趋势。 升压变压器 输入 220 V / 50Hz 标准电容器 CN Cx ( 试品) 电阻取样 测量单元 测量试品电流 标准电容 器电流 外壳接地 公共接地端 接收器 通讯电缆 6 角差法介损测量仪(无需调节平衡) 7 本次课程 ? 局部放电的测量 ? ? ? ? ? 三电容模型 放电过程 视在放电量 测量电路 ? 绝缘油的电气试验和气相色谱分析 绝缘的在线 局部放电测量 局部放电的概念: 简称为 PD-Partial Discharge ,指由于电气设备内部 绝缘里面存在的弱点,在一定外施电压下发生的局部 的重复击穿和熄灭现象 局部放电是电老化的重要原因 局放测量适于显示局部缺陷,弥补介质损 耗测量和绝缘电阻测量的不足。 9 4.3.1 局部放电的基本物理过程 气隙 Z Cg Cg Ca Cb Cb Ca Us 局部放电的三电容模型 ug ? uCb / ? Cg ? Cb ? Cg:气泡的电容 Cb:和Cg相串联部分的介质电容 Ca:其余大部分绝缘的电容 10 局部放电机理:1,放电过程 放电过程约10-8s数量级 气泡电压: u g ? uCb / C g ? Cb ? [Cb / C g ? Cb ]U m sin ?t ? ? ? ? ug 随 外 加 电 压 u 升 高 , 当 u 上升到 Us 瞬时值, ug到达Cg的放电电压Ug 时,Cg气隙放电。于是 Cg上的电压一下子从Ug 下降到Ur,然后放电熄 灭。Ur叫做残余电压, 它可以接近为零值,也 可以为小于Ug(均绝对 值)的其它值 局部放电时气隙中的电压和电流的变化,u是工频电压 11 局部放电机理:2,再放电过程 u g ? us Cb / ?C g ? Cb ? 放 电 火花 一熄 灭 , Cg 上的 电压将再次上升,由于 此时 Cg 及 Cb 已经有了一 个初始的直流电压,所 以此后的ug 值不能直接 用原式来表达,ug 值与 上式表达的值在绝对值 上要小一个( Ug - Ur ) 值。 若外加电压 u 仍在上升半波 , Cg 上的电压也顺势而 上升,当它再次升到 Ug 时, Cg 再次放电,电压 再次降到 Ur ,放电再次 熄灭 12 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 局部放电机理:3,反向充电 当外部电压u进入下降 半波,Cg上电压难以充 到Ug,因此不会发生放 电; 随着u进入负的半波, Cg上的电压要经历一个 反向充电的过程,直到 达到-Ug,重新开始新 一次的放电 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 13 局部放电机理的特征 Cg 上的电压从 Ug 突变为 Ur (均绝对值)的一瞬间,就 是局部放电脉冲的时刻,此时通过 Cg 总有一脉冲电流 ,从而形成一种锯齿电流波。 局部放电时气隙中的电压和电流的变化 14 电路分析: 当Cg放电时,放电总电容Cg?: ? ? Cg ? ?CaCb /?Ca ? Cb ?? Cg Cg? 上的电压变化为 (Ug?Ur) ,故一次脉冲放出的电荷 ?qr: ?qr ? ?U g ? U r ? Cg ? CaCb /?Ca ? Cb ? ? ? 当Ca Cb,Cg Cb,Ur = 0时, ?qr ≈UgCg Ca 15 ?qr ? ?U g ? U r ? Cg ? CaCb /?Ca ? Cb ? ? ? 在实际试验时,式中所表达的各个量,都是无法实测得到的。所 以要寻求其它能反映局部放电的量来测量。外施电压是作用在 Ca 上的,当Cg上的电压变动(Ug-Ur)时,会造成外施电压的变化量?U 应为 ?U ? Cb ?U g ? U r ?/?Ca ? Cb ? Ca 16 ?qr ? ?U g ? U r ? Cg ? CaCb /?Ca ? Cb ? ? ? ?U ? Cb ?U g ? U r ?/?Ca ? Cb ? 由此两式得总电容上的电压变化量?U: ?qr 1 ?U ? Cb C C Ca ? Cb Cg ? a b Ca ? Cb 令 CA ? Cg ? Ca Cb / ? Ca ? Cb ? 则 ?q ? ?qr Cb ? Ca ? Cb ? ? q ?U ? CA ?q ? ?U ? CA 17 表征局部放电的重要参数 真实放电量: ?qr,是无法测量的 (1)视在放电量: ?q, ?q ? ?U ? CA 由4-23, ?q是可以测得的:通过测电压变化和总试品电容 。它是局部放电试验中的重要参量,国际和国家标准中,对于各类高 压设备的视在放电量△q的允许值均有所规定 ?q比真实放电量?qr小(从定义可知),它以pC作为计量单位。 Ca 18 ( 2)放电重复率 N:所以定义一秒钟内产生的脉冲数叫 做放电重复率N,可以通过实验求得 如果每半周内的放电次数为n,则N=2fn=100n 19 (3)放电能量 一次脉冲放电能量W W ? ?q r ?U g ? U r ?/ 2 ? ?q?C g ?Cb ??U g ? U r ? / 2Cb 当外施电压由零上升到Us时,Cg上的电压为Ug,即 U g ? U s Cb / ?C g ? Cb ? 可得 W ? ?q ? U s ?U g ? U r ? / 2U g W ? ?q ?U s / 2 如Ur≈0,则 放电能量的大小对电介质的老化速度有很大影响 20 局部放电的其它表示参数 为了表征局部放电在一定期间内的平均综合效应,还提出 了各种累积参数,如平均放电电流,放电功率等。 有时还测量局部放电的起始放电电压和熄灭电压 影响局部放电特性的多种因素: 主要有电压的幅值 、电压的波形和频率、电压的作用时间、环境的温度及湿 度和气压等 21 局放检测仪 22 4.3.2 局部放电测量的脉冲电流检测法 发生局放时,试品两端会出现一个瞬时的电压变 化,在检测回路中引起一高频脉冲电流,将它转 化成电脉冲后就可以进行测量。(IEC法) Ck—耦合电容,为Cx与检测 阻抗Zm之间提供一个低阻 抗的通道(电源本身由于高 频感抗而无法提供), Ck 内部必须无局放,值较大以 增大Zm上的信号; Z—低通滤波器,以防局放 时放电脉冲被电源的杂散电 容旁路,同时也可阻止电源 本身的干扰脉冲进入试品和 测量支路 Z CK Cx Zm A M (a)串联测量回路 23 Z Cx CK M Zm A Z Zm Cx CK A M Zm ( b) ( c) (b)并联测量回路 适合于试品一端接地的情况 (c)桥式测量回路 外部干扰在Zm和Z’m上的干 扰信号基本抵消 测量仪器:示波器,峰值表,脉冲计数器 检测结果标的量是——视在放电量 24 我国试验规程规定 (1)固体绝缘互感器:电压为 1.1U m / 3 时,放电量不 大于100pC 充油互感器:放电量不大于20pC (2)110kV及以上新套管 油纸电容式:不大于20pC 胶纸电容式:不大于400pC ? 25 测量校准 ? ? ? 使用方波发生器串联 标准电容器 再与被测试品Cx并联 模拟局放 Z CK Cx Zm A G M 26 4.3.4 局放测量中的抗干扰措施 电磁干扰来源 (1)与局放信号一起通过电流传感器进入监测系统的 干扰 (2)监测系统本身的干扰 干扰类别 (1)周期型干扰:系统高次谐波、载波通讯以及无线)脉冲型干扰:电力电子器件产生的高频涌流、脉 冲型干扰和高压线路上的电晕放电、电弧放电等 (3)白噪声:线圈热噪声、地网的噪声和动力电源线 以及变压器继电保护信号线路中耦合进入的各种噪声 等。 27 干扰的抑制 从干扰源、干扰途径、信号后处理入手 可从以下几方面区分局放信号和干扰信号;工频相位 、频谱、脉冲幅度和幅度分布、信号极性、重复率和 物理位置等。 1. 2. 3. 4. 5. 6. 屏蔽 试验中所使用的设备应尽量采用无晕设备,特别是试验变压器和耦 合电容Ck。 滤波器的性能要好,要做到电源与测量回路的高频隔离。 试验时间应尽量选择在干扰较小的时段,如夜间等。 测量回路的参数配合要适当, 耦合电容要尽量不小于试品电容Cx, 使得在局部放电时Cx与Ck间能很快地转换电荷。 必须对测量设备进行校准。 28 超声波方法 ? 局放的超声波检测 ? ? ? ? 局放超声波频率有其特殊性 压电晶体在交变超声波作用下——交变的弹性形变 ——交变的束缚电荷——形成电信号 不同的局放存在不同的超声波信号 随着技术进步,已经可用于在线 绝缘油的电气试验和气相色谱分析 ? ? ? 绝缘油在运行过程中,会受到电场、温度、氧 气、水分的影响,以及铜、铁等材料的催化作 用,会发生氧化、裂解以及碳化等反应,从而 使油慢慢老化,绝缘性能下降。 绝缘油的老化会使其闪点下降、酸值增加;油 的受潮、脏污又会使其介质损耗增大和击穿电 压下降。 需要对绝缘油的电气性能、油中水分、杂质、 油的闪点等进行试验和长期监测,保证电气设 备的正常运行。 30 绝缘油的电气试验 目前国内广泛采用定时检修方式来保证变压器 的稳定运行(即预防性试验检修) 绝缘油的电气试验包括: ? 在标准油杯中对油做击穿试验, ? 用专用的试验电极测量油的tan? ? 测量油的电阻率 等等 ? 31 ? 油介电强度测试仪 32 ? 各种自动化测试设备 33 油中溶解气体分析(DGA)的技术 原理 ? ? ? 变压器油与油中的固体有机绝缘材料(纸和纸 板等)在运行电压下因电、热、氧化和局部电 弧等多种因素作用会逐渐变质,裂解成低分子 气体; 变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会 加快产气的速率。 随着故障的缓慢发展,裂解出来的气体形成气 泡在油中经过对流、扩散作用,就会不断地溶 解在油中。 34 油浸式电力变压器不同故障下的产气 故障类型 主要气体组分 次要气体组分 油过热 油和纸过热 CH4,C2H4 H2,C2H6 H2,C2H6 CH4,C2H4,CO, CO2 C2H2,C2H6, 油纸绝缘中局部 H2,CH4,CO CO2 放电 油中火花放电 H2,C2H2 油中电弧 油和纸中电弧 H2,C2H2 H2,C2H2,CO, CO2 CH4,C2H4, C2H6 CH4,C2H4, C2H6 35 ? 因此,检测油中气体的成分、含量和随时间增 长的规律,就可以判定故障类型和发展程度。 预防性试验标准: ? ? ? 油的气相色谱分析法(简称油色谱分析) 国网公司有一系列相关标准 36 气相色谱分析 ? ? ? ? 采集油样 脱气 样品检测 结果判别 37 气相色谱分析的发展 ? ? 我国相关规程基本上沿用IEC的改良三比值法 ,但在工程实践中存在编码不全、编码边界过 于绝对、不能诊断多故障等缺点。容易发生误 判。 研究者相继提出了应用智能信息处理技术的变 压器故障状态诊断算法——专家系统 38 4.5 绝缘的在线监测 ? ? ? 传统绝缘试验方法都是在设备处于离线情况下 进行的,除了绝缘油的色谱分析外,设备必须 停运,因此会对用户造成一定的影响。 由于离线试验测量的数据没有考虑设备绝缘的 运行条件和外界工作环境等因素,因此可能出 现预防性试验结果合格,而在运行中发生事故 的现象。 电力设备运行电压越来越高,而现行的部分预 防性试验电压偏低,如介质损耗的测量,难以 真实反映运行电压下的绝缘性能。 39 绝缘的在线监测 ? 随着传感器、计算机、光纤等技术的发展,对 运行的电气设备绝缘进行不停电的在线监测的 技术也得到了快速的发展。 信号传输 信号预处理、 数据传输 专家系统,包括绝 显示及报警等 缘诊断、工作票 针对设备性能特点 选择信号采集方式 40 介损的在线监测 ? 电桥法 ? ? 通过电压互感器进行降压 容易有偏差 用标准电容器的介损进行比对 微弱电流的取样和抗干扰不易解决 ? 角差法 ? ? 41 局放的在线监测 ? 目前多采用脉冲电流和超声波综合法 42 43 综合性在线检测,大数据和智能电网的需要 办公室监测 ? 图形化的数据特性; ? 可视化数据图表展示; ? 综合数据展现; ? 人性化功能设计; ? 支持Office等办公文本接口; 举例: 在操控界面上点击地理区 域图标可以进入变电站一 次系统图,了解在线装置 当前数据异常情况; 点击这个装置的状态小图 标就可以交互式的查看历 史测量各种组份数据及诊 断结果。 44 44


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