第4章 电气设备绝缘预防性试验 电气设备绝缘预防性试验已成为保证现代电力系统安全可靠运行的重要措施之一。这种试验除了在新设备投入运行前在交接、安装、调试等环节中进行外，更多的是对运行中的各种电气设备的绝缘定期进行检查，以便及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然。 绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起，有些绝缘缺陷是在设备制造过程中产生和潜存下来的，还有一些绝缘缺陷则是在设备运行过程中由外界影响因素的作用下逐渐发展和形成的。就其存在的形态而言，绝缘缺陷可分为两大类：集中性缺陷 ；分散性缺陷 由于缺陷种类很多、影响各异，所以绝缘预防性试验的项目也就多种多样。每个项目所反映的绝缘状态和缺陷性质亦各不相同，故同一设备往往要接受多项试验，才能作出比较准确的判断和结论。 u 4.1 绝缘电阻、吸收比的测量u 4.2 介质损耗角正切的测量u 4.3 局部放电的测量u 4.4 绝缘油性能检测u 习题与思考题本章内容返回4.1 绝缘电阻、吸收比的测量 绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合性特性参数。由于电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在直流电压下均会有明显的吸收现象，使外电路中出现一个随时间而衰减的吸收电流。4.1.1 绝缘电阻与吸收比的测量 4.1.2 目前常用的绝缘电阻测试 测量泄漏电流从原理上来说，与测量绝缘电阻是相似的，但它所加的直流电压要高得多，能发现用兆欧表所不能显示的某些缺陷，具有自己的某些特点。 返回 绝缘电阻是反映绝缘性能的最基本的指标之一，通常都用兆欧表来测量绝缘电阻。用兆欧表来测量电气设备的绝缘电阻被广泛的运用在常规绝缘试验中。 4.1.1 绝缘电阻与吸收比的测量 图4-1 兆欧表的原理接线图 图中G为手摇(或电动)直流发电机，也可能是交流发电机经晶体二极管整流。M为流比计式的测量机构，包括处在永磁磁场内的可动部分电压线圈LV和电流线圈LA。在把被试物接到两个测量端子L和E之间时，摇动发电机手柄，直流电压就加到两个并联的支路上。图4-1 兆欧表的原理接线图 第一个支路电流 通过电阻RV V 和电压线圈LV。第二个支路电流 通过被试电阻 RA A 和电流线圈LA。两个线圈中电流产生的力矩方向相反。在力矩差的作用下，使可动部分旋转，两个线圈所受的力也随之改变。当到达平衡时，指针偏转的角度正比于 。图4-1 兆欧表的原理接线图 绝缘电阻和吸收比测量一、绝缘电阻的测量1、作用：能发现绝缘受潮或有集中性的导电通道2、测量工具：兆欧表3、接线方式：4.方法规定以加电压后60秒测得的数值为该试品的绝缘电阻值.5.注意事项(1)先拆除被试品的电源和对外一切连线,将其接地并放电(2)待手摇发电机稳定以后,再将两端子接在试品上(3)60秒后再读数(4)对大容量试品,测好以后先断两端子接线, 后停手摇发电机(5)注意温度和湿度的较正二.吸收比的测量1.吸收比k 吸收比大小可反映绝缘干燥或受潮k值大(大于或等于1.3)绝缘良好,吸收现象明显;反之,绝缘受潮,吸收现象不明显2.方法按测绝缘电阻的方法测15秒和60秒时的电阻再按公式可求得k 测量绝缘电阻能有效地发现下列缺陷：总体绝缘质量欠佳；绝缘受潮；两极间有贯穿性的导电通道；绝缘表面情况不良。测量绝缘电阻不能发现下列缺陷：绝缘中的局部缺陷：如非贯穿性的局部损伤、含有气泡、分层脱开等；绝缘的老化。 不论是绝缘电阻的绝对值或是吸收比都只是参考性的。如不满足最低合格值，则绝缘中肯定存在某种缺陷；但是，如已满足最低合格值，也还不能肯定绝缘是良好的。有些绝缘，特别是油浸的或电压等级较高的绝缘，即使有严重缺陷，用兆欧表测得的绝缘电阻值、吸收比，仍可能满足规定要求，这主要是因为兆欧表的电压较低的缘故。 (1)试验前应将试品接地放电一定时间。对容量较大的试品，一般要求5-10min (2)高压测试连接线应尽量保持架空，确需使用支撑时，要确认支撑物的绝缘对被试品绝缘测量结果的影响极小。(3)测量吸收比时，应待电源电压达稳定后再接入试品，并开始计时。测量绝缘电阻时应注意下列几点：(4)对带有绕组的被试品，应先将被测绕组首尾短接，再接到L端子：其他非被测绕组也应先首尾短接后再接到应接端子。(5)绝缘电阻与试品温度有十分显著的关系。 (6)每次测试结束时，应在保持兆欧表电源电压的条件下，先断开L端子与被试品的连线，以免试品对兆欧表反向放电，损坏仪表。返回 目前数字兆欧表已经基本上取代了手摇式的兆欧表。数字兆欧表由高压发生器、测量桥路和自动量程切换显示电路等三大部分组成。 工作原理为：经电子线路构成的高压发生器将低压转换成高压试验电源，供给测量桥路；测量桥路实现比例式测量，将测量结果送自动量程切换显示电路进行量程转换和数字显示。 目前比较常用的是BY2671数字兆欧表。 4.1.2 目前常用的绝缘电阻测试 BY2671数字兆欧表(本节完)小 结绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合特性参数。电气设备中大多采用组合绝缘和层式结构，故在直流电压下均有明显的吸收现象，测量吸收比可检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷。返回 4.2 介质损耗角正切的测量 tan能反映绝缘的整体性缺陷(例如全面老化)和小电容试品中的严重局部性缺陷。由于tan随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。但是，测量tan不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆(它们的电容量都很大)绝缘中的局部性缺陷，这时应尽可能将这些设备分解成几个部分，然后分别测量它们的tan。 u 4.2.1 西林电桥测量法的基本原理u 4.2.2 西林电桥测量法的电磁干扰u 4.2.3 西林电桥测量法的其他影响因素本节内容返回4-6 西林电桥原理接线图 图中Cx，Rx为被测试样的等效并联电容与电阻，R3、R4表示电阻比例臂，Cn为平衡试样电容Cx的标准，C4为平衡损耗角正切的可变电容。 4.2.1 西林电桥测量法的基本原理 根据电容平衡原理，当: 式中Zx、Zn、Z3、Z4分别是电桥的试样阻抗，标准电容器阻抗以及桥臂Z3和Z4的阻抗 解所得方程式，得 (4-6) （4-7） （4-8） （4-9） 当 时，试样电容可近似地按下式计算： （4-10） 因此，当桥臂电阻R3，R4和电容CN，C4已知时就可以求得试样电容和损耗角正切，计算出Cx后，根据试样与电极的尺寸在计算其相对介电常数。 通常桥臂阻抗要比Z3和Z4大得多，所以工作电压主要作用在桥臂阻抗上，因此它们被称为高压臂，而Z3和Z4为低压臂，其作用电压往往只有数伏。为了确保人身和设备安全，在低压臂上并联有放电管（A、B两点对地），以防止在R3、C4等需要调节的元件上出现高压。 电桥达到平衡时的相量图见图4-7，其中电桥的平衡是通过R3和C4来改变桥臀电压的大小和相位来实现的。在实际操作中，由于R3和Z4相互之间也有影响，故需反复调节R3和C4，才能达到电桥的平衡。 图4-7 西林电桥平衡时的相量图 由于绝大多数电气设备的金属外壳是直接放在接地底座上的，换言之，被试品的一极往往是固定接地的。这时就不能用上述正接线来测量它们的tan，而应改用图4-8所示的反接线法进行测量。 图4-8 西林电桥反接线原理图 返回返回 在现场进行测量时，试品和桥体往往处在周围带电部分的电场作用范围之内，虽然电桥本体及连接线都如前所述采取了屏蔽，但对试品通常无法做到全部屏蔽。这时等值干扰电源电压就会通过对试品高压电极的杂散电容产生干扰电流，影响测量。 图4-9 外接电源引起的电磁干扰 4.2.2 西林电桥测量法的电磁干扰 消除或减小由于电场干扰引起的误差，可以采取下列措施 ：（1）加设屏蔽，用金属屏蔽罩或网把试品与干扰源隔开。（2）采用移相电源 （3）倒相法 图4-10移相电源消除干扰的接线图 返回返回4.2.3 西林电桥测量法的其他影响因素 1.温度的影响 温度对tan值的影响很大，具体的影响程度随绝缘材料和结构的不同而异。一般来说，tan随温度的增高而增大。现场试验时的绝缘温度是不一定的，所以为了便于比较，应将在各种温度下测得的tan值换算到20时的值。 图4-11 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 2. 试验电压的影响 3. 试品电容量的影响 对于电容量较小的试品(例如套管、互感器等)，测量tan能有效地发现局部集中性缺陷和整体分布性缺陷。但对电容量较大的试品(例如大中型发电机、变压器、电力电缆、电力电容器等)测量tan只能发现整体分布性缺陷 4. 试品表面泄漏的影响 试品表面泄漏电阻总是与试品等值电阻Rx并联，显然会影响所测得的tan值，这在试品的Cx较小时尤需注意。 返回返回(本节完)小 结测量 值是判断电气设备绝缘状态地一项灵敏有效的方法。 值的测量，最常用的是西林电桥。 的测量受一系列外界因素的影响。试验中应尽可能采用屏蔽，除污等方法消除这些影响。 4.3 局部放电的测量 当电气设备内部绝缘发生局部放电时，将伴随着出现许多现象。有些属于电的，例如电脉冲、介质损耗的增大和电磁波辐射，有些属于非电的，如光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化。这些现象都可以用来判断局部放电是否存在，因此检测的方法也可以分为电的和非电的两类。 目前得到广泛应用而且比较成功的方法是电的方法，即测量绝缘中的气隙发生放电时的电脉冲。它不仅可以判断局部放电的有无，还可以判定放电的强弱。 4.3.1 局部放电测量的基础 4.3.2 局部放电测量的脉冲电流法 4.3.3 局部放电测量的非电检测法 返回返回(a)示意图 (b)等值电路4.3.1 局部放电测量的基础 图4-12 绝缘内部气隙局部放电的等值电路 在固体或液体介质内部g处存在一个气隙或气泡，Cg代表该气隙的电容，Cb代表与该气隙串联的那部分介质的电容，Ca则代表其余完好部分的介质电容 。整个系统的总电容为: 在电源电压 的作用下， 上分到的电压为：（4-11） （4-12） 图4-13局部放电时电压电流变化曲线 图4-14 一次局部放电的电流脉冲 电容上分到的电压 ，气隙放电电压 ，熄灭电压（剩余电压） 。表征局部放电的三个基本参数 p 视在放电量 （4-17） 其中 为试品电容， 为气隙放电时，试品两端的压降。 既是发生局部放电时试品Ca所放掉的电荷，也是电容Cb上的电荷增量。（比真实放电量小得多）p放电重复率（ ） 在选定的时间间隔内测得的每秒发生放电脉冲的平均次数p放电能量（ ） 指一次局部放电所消耗的能量。 （432）其中 为视在放电量， 为局部放电起始电压。 p其他参数 平均放电电流 放电的均方率 放电功率 局部放电起始电压 局部放电熄灭电压返回返回4.3.2 局部放电测量的脉冲电流法 当发生局部放电时，试品两端会出现一个几乎是瞬时的电压变化，在检测回路中引起一高频脉冲电流，将它变换成电压脉冲后就可以用示波器等测量其波形或幅值，由于其大小与视在放电量成正比，通过校准就能得出视在放电量(一般单位用pC)。此法灵敏度高、应用广泛。 返回返回4.3.3 局部放电测量的非电检测法 噪声检测法 （超声波法）光检测法 化学分析法 p噪声检测法（超声波法）噪声检测法（超声波法）介质中发生局部放电时，其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发，效果就像一个小爆炸。此时放电源如同一个声源，向外发出声波。由于放电持续时间很短，所发射的声波频谱很宽，可达到数MHz。 介绍一种声测法传感器固体中常用传感器为测震仪（固体中常用传感器为测震仪（accelerometer）和声发射）和声发射（Acoustic Emission）传感器。测震仪有着平滑的频率）传感器。测震仪有着平滑的频率特性，测试频率可达特性，测试频率可达50kHz以上。声发射传感器有多个频段以上。声发射传感器有多个频段（30k1MHz），该传感器有很强的方向性，一般来说只能），该传感器有很强的方向性，一般来说只能测试某个特定方向的声信号。测试某个特定方向的声信号。Senaco AS100 声传感器声传感器 北京亚捷隆测控技术有限公司 抗电磁干扰能力强 灵敏度不受试品电容的影响 能进行复杂设备放电源定位 在传播途径中衰减、畸变严重 基本不能反映放电量的大小 实际中一般不独立使用声测法，而将声测法和电实际中一般不独立使用声测法，而将声测法和电测法结合起来使用。测法结合起来使用。 噪声检测法的特点p光检测法 采用光纤传感器，局部放电产生的声波压迫使得光纤性质改变，导致光纤输出信号改变，从而可以测得放电。 光测法只能测试表面放电和电晕放电，在现场中光测法基本上没有直接应用。将光纤技术和声测法相结合提出了声-光测法。 p化学分析法膜纸绝缘介质中，常用高性能液体色谱分析法（HPLC）判断介质老化情况。在电力变压器中，油色谱分析（DGA）方法是一 种简单、经济、有效的变压器在线监测方法。 在高压电气设备中，绝缘油得到了广泛的应用。高压电气设备的主要部件均浸在绝缘油中，绝缘油还将填充到容器的各个部分，将设备中的空气排除，起到绝缘和散热的作用。 目前，我国使用较多的绝缘油就是变压器油。除变压器油外，还有多种绝缘油(液体绝缘材料)，如电容器油、硅油、十二烷基苯、电缆油、蓖麻油、二芳基乙烷(S油)等。 油中溶解气体的气相色谱分析 当电器中存在局部过热、电弧放电或某些内部故障时绝缘油或固体绝缘材料会发生裂解，就会产生较大量的各种烃类气体和 、 、 等气体，因而把这类气体称为故障特征气体。 不同的绝缘物质，不同性质的故障，分解产生的气体成分是不同的。因此，分析油中溶解气体的成分、含量及其随时间而增长的规律，就可以鉴别故障的性质、程度及其发展情况。具体步骤为：先将油中溶解的气体脱出，再送入气相色谱仪，对不同气体进行分离和定量。 绝缘油的高效液相色谱分析 高效液相色谱法是以液体作为流动相的一种色谱分析法，它的基本概念及理论基础与气相色谱是一致的，但又有不同之处。 与气相色谱相比较，高效液相色谱同样具有高灵敏、高效能和高速度的特点，但它的应用范围更加广泛。 （本节完）返回返回小 结局部放电的检测已成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。试验内容包括测量视在放电量、放电重复率、局部放电起始电压和熄灭电压、放电的具体部位。表征局部放电的参数主要有：视在放电量、放电重复率、放电能量等。伴随局部放电会出现多种现象：包括电、光、噪声、气压变化、化学变化等。