第二講：絕緣的監(jiān)測與診斷第一節(jié).液體、固體介質(zhì)基礎(chǔ)知識回顧內(nèi)絕緣一般由固體介質(zhì)和液體介質(zhì)聯(lián)合構(gòu)成內(nèi)絕緣具有的特點(diǎn)：▼不受外界大氣條件變化的影響；▼對包含固體介質(zhì)的內(nèi)絕緣，絕緣擊穿是非自恢復(fù)的；▼長時(shí)間工作下逐漸老化；第一頁，共六十三頁。常用的液體和固體介質(zhì)為：

液體介質(zhì)：變壓器油、電容器油、電纜油

固體介質(zhì)：絕緣紙、紙板、云母、塑料、電瓷、玻璃、硅橡膠第二頁，共六十三頁。

在電場作用下，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象可分為兩大類:弱電場—電場強(qiáng)度比擊穿場強(qiáng)小得多極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗等強(qiáng)電場—電場強(qiáng)度等于或大于放電起始場強(qiáng)或擊穿場強(qiáng)放電、閃絡(luò)、擊穿等第三頁，共六十三頁。一.電介質(zhì)在弱電場下的電氣特性極化的概念、基本形式、介電常數(shù)ε

極化：在外加電場的作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷沿電場方向作有限位移或轉(zhuǎn)向，形成電矩的現(xiàn)象極化的基本類型：電子式極化、離子式極化、偶極子極化、夾層極化、空間電荷極化介電常數(shù)來表示極化強(qiáng)弱

第四頁，共六十三頁。2.電介質(zhì)的電導(dǎo)、電導(dǎo)率γ

電導(dǎo)：在電場的作用下，由帶電質(zhì)點(diǎn)沿電場方向移動(dòng)而形成電導(dǎo)電流要點(diǎn)：帶電質(zhì)點(diǎn)主要是離子，也稱離子式電導(dǎo)指標(biāo)：用電導(dǎo)率γ(s/ｃｍ)表示

電阻率電介質(zhì)的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)第五頁，共六十三頁。

任何電介質(zhì)在電場作用下都有能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和由某些極化過程引起的損耗。

在直流電壓作用下僅有電導(dǎo)損耗，可用來表征，在交流電壓下包括電導(dǎo)損耗和極化損耗，用介質(zhì)損耗角正切表征。僅反映介質(zhì)本身的性能，與介質(zhì)尺寸無關(guān)。介質(zhì)損耗，第六頁，共六十三頁。二.液體電介質(zhì)的擊穿純凈液體介質(zhì)的擊穿理論：電擊穿理論、氣泡擊穿理論（小橋擊穿理論）工程用變壓器油的小橋擊穿理論擊穿理論第七頁，共六十三頁。變壓器油擊穿電壓的影響因素2.電壓作用時(shí)間3.電場均勻度4.溫度油品質(zhì)的影響：含水量、含纖維量、含氣量5.壓力第八頁，共六十三頁。提高變壓器油擊穿電壓的方法１．提高并保持油的品質(zhì)提高：去雜質(zhì)、水分、有機(jī)酸――過濾、防潮去氣體――真空注油法保持：裝置吸附劑過濾器，可使正在運(yùn)行的油不斷凈化2．采用“油－屏障”絕緣如覆蓋、絕緣層、加隔板阻止貫通行雜質(zhì)小橋的形成和發(fā)展，改善油隙中的電場分布第九頁，共六十三頁。（本節(jié)完）小結(jié)純凈液體介質(zhì)的擊穿可用以下理論來解釋：電子碰撞電離理論氣體小橋理論用氣泡擊穿理論來解釋工程用變壓器油擊穿過程變壓器油擊穿電壓的影響因素水分和其他雜質(zhì)油溫電場均勻度電壓作用時(shí)間油壓的影響第十頁，共六十三頁。三.固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿理論電擊穿理論熱擊穿理論電化學(xué)擊穿影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素電壓作用時(shí)間電場均勻程度溫度受潮累積效應(yīng)第十一頁，共六十三頁。電過程（電擊穿）

熱過程（熱擊穿）

電化學(xué)過程（電化學(xué)擊穿）

在電場作用下，固體介質(zhì)可能因以下過程而被擊穿：實(shí)際電氣設(shè)備中的固體介質(zhì)擊穿過程是錯(cuò)綜復(fù)雜的，常取決于以下多種因素：介質(zhì)本身的特性；

絕緣結(jié)構(gòu)形式；

電場均勻性；第十二頁，共六十三頁。外加電壓波形；

外加電壓時(shí)間；

工作環(huán)境（周圍媒質(zhì)的溫度及散熱條件）

常用的有機(jī)絕緣材料，如纖維材料(紙、布和纖維板)以及聚乙烯塑料等，其短時(shí)電氣強(qiáng)度很高，但在工作電壓的長期作用下，會(huì)產(chǎn)生電離、老化等過程，從而使其電氣強(qiáng)度大幅度下降。

所以，對這類絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)，不僅要注意其短時(shí)耐電特性，而且要重視它們在長期工作電壓下的耐電性能。第十三頁，共六十三頁。組合絕緣組合目的：同時(shí)滿足電氣性能、機(jī)械性能、熱性能的要求配合原則：在外加電壓的作用下，組合絕緣中各層絕緣所承受的電場強(qiáng)度與其電氣強(qiáng)度成正比，這樣整個(gè)組合絕緣的電氣強(qiáng)度最高，各種絕緣材料的利用最合理、最充分。第十四頁，共六十三頁。絕緣常見形式：多種介質(zhì)構(gòu)成的層疊絕緣。理想情況下，組合絕緣中各層絕緣承受的電場強(qiáng)度與其電氣強(qiáng)度成正比。直流電壓下：各層絕緣分擔(dān)的電壓與其絕緣電阻成正比，亦即各層中的電場強(qiáng)度與其電導(dǎo)率成反比。工頻交流和沖擊電壓下：各層所承擔(dān)的電壓和各層電容成反比，亦即各層中的電場強(qiáng)度與其介電常數(shù)成反比。第十五頁，共六十三頁。小結(jié)

高壓電氣設(shè)備一般采用多種電介質(zhì)組合的絕緣結(jié)構(gòu)；

“油-屏障”式絕緣結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的固體介質(zhì)有三種不同的形式，即覆蓋、絕緣層和屏障；

絕緣油和絕緣紙組成“油-紙”絕緣，擊穿場強(qiáng)大大提高；

分階絕緣的原則是對越靠近纜芯的內(nèi)層絕緣選用介電常數(shù)越大的材料，以達(dá)到電場均勻化的目的。第十六頁，共六十三頁。第二節(jié)絕緣監(jiān)測和診斷的基本概念電力設(shè)備絕緣在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械、不良環(huán)境等各種因素的影響，其性能會(huì)逐漸劣化，以致出現(xiàn)缺陷，造成故障，引起供電中斷。通過對絕緣的試驗(yàn)和各種特性的測量，可了解并評估絕緣在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，從而能早期發(fā)現(xiàn)故障的技術(shù)稱為絕緣監(jiān)測和診斷技術(shù)。絕緣監(jiān)測和診斷技術(shù)有離線和在線之分第十七頁，共六十三頁。離線監(jiān)測和診斷：要求被試設(shè)備退出運(yùn)行狀態(tài)，通常是周期性間斷實(shí)施；在線監(jiān)測和診斷：被試設(shè)備處于帶電運(yùn)行的條件下，對設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)的監(jiān)測，通常是自動(dòng)進(jìn)行；第十八頁，共六十三頁。對絕緣的監(jiān)測和診斷技術(shù)包括3個(gè)環(huán)節(jié)：（1）正確選用各種傳感器及測量手段，檢測或監(jiān)測被檢對象的種種特性，采集各種特征參數(shù)；（2）對原始的雜亂信息加以分析處理（數(shù)據(jù)處理），去除干擾，提取反映被測對象運(yùn)行狀態(tài)最敏感、最有效的特征參數(shù)；第十九頁，共六十三頁。（3）根據(jù)提取的特征參數(shù)和對絕緣老化過程的知識以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，參照有關(guān)規(guī)程對絕緣運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識別、判斷，即完成診斷過程。同時(shí)，對絕緣性能的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，從而對故障的發(fā)生情況作出判斷，并能為下一步的維修決策提供技術(shù)根據(jù)。第二十頁，共六十三頁。由于絕緣的特征和其狀態(tài)一般不是一一對應(yīng)的，因而要根據(jù)研究結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)，建立一定的診斷規(guī)則。根據(jù)診斷規(guī)則的不同可將診斷方法分為以下3類：

邏輯診斷；模糊診斷；統(tǒng)計(jì)診斷；被測對象的特征和狀態(tài)均采用二值邏輯量來表示被測對象的特征和狀態(tài)用多值邏輯量的特征函數(shù)來表示考慮被測對象特征參數(shù)分布的不確定性第二十一頁，共六十三頁。非破壞性試驗(yàn)（絕緣特性試驗(yàn)）：指在較低的電壓下或用其他不損傷絕緣的方法測量絕緣的各種特性，由此判斷絕緣內(nèi)部的缺陷。絕緣電阻和吸收比、泄漏電流、介質(zhì)損耗角正切、電壓分布、局部放電、油中溶解氣體的色譜分析非破壞性試驗(yàn)可以離線進(jìn)行，也可在線進(jìn)行為了對絕緣狀態(tài)作出判斷，需對絕緣進(jìn)行各種試驗(yàn)和監(jiān)測，統(tǒng)稱為絕緣預(yù)防性試驗(yàn)絕緣預(yù)防性試驗(yàn)分為兩類：第二十二頁，共六十三頁。破壞性試驗(yàn)（耐壓試驗(yàn)）：指在絕緣上施加高于工作電壓的試驗(yàn)電壓，直接檢驗(yàn)絕緣的耐壓水平。交流耐壓試驗(yàn)、直流耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊及操作沖擊耐壓試驗(yàn)?zāi)蛪涸囼?yàn)只能離線進(jìn)行第二十三頁，共六十三頁。第三節(jié)絕緣特性試驗(yàn)項(xiàng)目及其檢測方法一.絕緣電阻和吸收比絕緣電阻R：施加直流電壓時(shí)測得的電阻，通常指吸收電流衰減完畢后測得的穩(wěn)態(tài)電阻值。吸收比：K1>1，K1值越大，表示吸收現(xiàn)象越顯著，絕緣的性能越好第二十四頁，共六十三頁。測試功效:可有效地發(fā)現(xiàn)：（1）兩極間有貫穿性的導(dǎo)電通道（2）大面積受潮（3）表面污穢不能發(fā)現(xiàn)的缺陷：(1)絕緣中的局部缺陷(2)絕緣的老化測量方法:一般用兆歐表進(jìn)行絕緣電阻與吸收比的離線測量第二十五頁，共六十三頁。泄漏電流測量試驗(yàn)電壓比兆歐表工作電壓高得多:35kV以下設(shè)備：10～30kV110kV及以上設(shè)備：40kV電壓可隨意調(diào)節(jié)，可監(jiān)測泄漏電流的變化能發(fā)現(xiàn)兆歐表不能發(fā)現(xiàn)的某些絕緣缺陷離線測量方法：用微安表直讀法測量泄漏電流第二十六頁，共六十三頁。二.介質(zhì)損耗角正切的測量1．測試功效有效：ａ．整體受潮、全面老化

b．小電容試品的嚴(yán)重局部缺陷ｄ．繞組上附積油泥

ｅ．絕緣油臟污劣化等

很少有效：大容量設(shè)備的局部缺陷離線測量方法：目前應(yīng)用比較普遍的是用西林電橋測量第二十七頁，共六十三頁。絕緣中的局部放電是引起電介質(zhì)老化的重要原因之一。

測定電氣設(shè)備在不同電壓下的局部放電強(qiáng)度和發(fā)展趨勢，就能判斷絕緣內(nèi)是否存在局部缺陷以及介質(zhì)老化的速度和目前的狀態(tài)。

三.局部放電及其測量（PartialDischarge,PD)第二十八頁，共六十三頁。

局部放電的基本概念，表征局部放電的重要

參數(shù)。

局部放電檢測發(fā)展歷史及測量方法綜述。

脈沖電流法的測量原理。

一些局部放電測量儀器。第二十九頁，共六十三頁。1、局部放電基本概念局部放電：指由于電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣里面存在的弱點(diǎn)，在一定的外施電壓下發(fā)生的局部重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象。這種局部放電發(fā)生在一個(gè)或幾個(gè)絕緣內(nèi)部的氣隙或氣泡之中。第三十頁，共六十三頁。氣隙ΙⅡZ~ΙⅡ絕緣內(nèi)部氣隙局部放電等值電路第三十一頁，共六十三頁。形成時(shí)間第三十二頁，共六十三頁。氣隙每次放電所釋放出的電荷量為：－真實(shí)放電量無法測量放電時(shí)Ca上的電壓變動(dòng)為：第三十三頁，共六十三頁。即氣隙放電時(shí)，試品兩端電壓會(huì)下降，這相當(dāng)于試品放掉電荷q：－視在放電量但q∝qr，∴q能相對反映qr的大小直流電壓下的局部放電比交流電壓下弱得多第三十四頁，共六十三頁。2.表征局部放電的重要參數(shù)(1)視在放電量q(2)放電重復(fù)率N(3)放電能量W通常指一次放電所消耗的能量令則脈沖電流：放電能量：第三十五頁，共六十三頁。設(shè)氣隙開始出現(xiàn)局部放電（）時(shí)的外加電壓瞬時(shí)值為，則有：W的大小對電介質(zhì)的老化速度有顯著影響第三十六頁，共六十三頁。3.局部放電檢測方法伴隨局部放電會(huì)出現(xiàn)許多現(xiàn)象：電氣方面的如電流脈沖、介質(zhì)損耗增大、電磁波輻射等；非電方面的如光、熱、噪聲、氣壓變化、化學(xué)變化等，利用這些派生現(xiàn)象可以對局部放電進(jìn)行測量。因此檢測方法也分為電的和非電的兩類。第三十七頁，共六十三頁。(一).非電檢測法超聲波檢測法（聲測法)介質(zhì)中發(fā)生局部放電時(shí)，其瞬時(shí)釋放的能量將放電源周圍的介質(zhì)加熱使其蒸發(fā)，效果就像一個(gè)小爆炸。此時(shí)放電源如同一個(gè)聲源，向外發(fā)出聲波。由于放電持續(xù)時(shí)間很短，所發(fā)射的聲波頻譜很寬，可達(dá)到數(shù)MHz。

第三十八頁，共六十三頁。用于局部放電測量的超聲檢測系統(tǒng)，一般都包括三個(gè)基本部分，即聲電轉(zhuǎn)換、電信號放大以及信號顯示。聲電轉(zhuǎn)換前置放大電光轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換主放大顯示光纖傳輸聲測量系統(tǒng)的方框圖第三十九頁，共六十三頁。一種聲測法傳感器固體中常用傳感器為測震儀（accelerometer）和聲發(fā)射（AcousticEmission）傳感器。測震儀有著平滑的頻率特性，測試頻率可達(dá)50kHz以上。聲發(fā)射傳感器有多個(gè)頻段（30k~1MHz），該傳感器有很強(qiáng)的方向性，一般來說只能測試某個(gè)特定方向的聲信號。SenacoAS100聲傳感器

北京亞捷隆測控技術(shù)有限公司

第四十頁，共六十三頁。聲檢測法的特點(diǎn)

抗電磁干擾能力強(qiáng)靈敏度不受試品電容的影響能進(jìn)行復(fù)雜設(shè)備放電源定位在傳播途徑中衰減、畸變嚴(yán)重基本不能反映放電量的大小

實(shí)際中一般不獨(dú)立使用聲測法，而將聲測法和電測法結(jié)合起來使用。

第四十一頁，共六十三頁。原理：通過測量局放產(chǎn)生的光輻射實(shí)現(xiàn)局放測量。光電轉(zhuǎn)換后，通過檢測光電流的特性可以實(shí)現(xiàn)局放類型識別。光檢測法光測法只能測試表面放電和電暈放電，在現(xiàn)場中光測法基本上沒有直接應(yīng)用。將光纖技術(shù)和聲測法相結(jié)合提出了聲-光測法。第四十二頁，共六十三頁?；瘜W(xué)分析法膜紙絕緣介質(zhì)中，常用高性能液體色譜分析法（HPLC）判斷介質(zhì)老化情況。在電力變壓器中，油色譜分析（DGA）方法是一種簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的方法。

第四十三頁，共六十三頁。用氣相色譜儀，通過檢測變壓器油分解出的各種氣體的組成和濃度來確定故障（局放、過熱等）狀態(tài)的。局部放電引起的氣相色譜特征是C2H2和H2的含量較大。特點(diǎn)：靈敏度高，操作簡單，且設(shè)備不需要停電，適合在線絕緣監(jiān)測。應(yīng)用廣泛油色譜分析法（DGA,DissolvedGasAnalysis)第四十四頁，共六十三頁。變壓器油色譜在線監(jiān)測原理圖美國AVO公司變壓器油中溶解氣體色譜分析儀第四十五頁，共六十三頁。(二).電氣檢測法目前局部放電電檢測方法有：介質(zhì)損耗分析法（DLA）無線電干擾電壓法（RIV）射頻檢測法（RF）超高頻（UHF）檢測法脈沖電流法第四十六頁，共六十三頁。介質(zhì)損耗分析法（DLA）：局部放電要消耗能量，使介質(zhì)產(chǎn)生附加損耗。外加電壓越大，放電頻度越大、附加損耗也就越大，本法就是基于測量這種附加損耗來檢測局放的，這時(shí)一般也可利用西林電橋，測出介質(zhì)的關(guān)系曲線。本法的優(yōu)點(diǎn)是不需添置專用的測量儀器，缺點(diǎn)是靈敏度比脈沖電流法低得多，而且隨電壓而增大的現(xiàn)象也可能是介質(zhì)受潮等其他因素引起的，要排除這些因素的影響，并非易事。第四十七頁，共六十三頁。超高頻（UHF）檢測法：超高頻方式是通過檢測變壓器內(nèi)部局部放電所產(chǎn)生的超高頻（300-3000MHz）電信號，實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測和定位，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)抗干擾。UHF法靈敏度較高，能有效地抑制外部干擾并提高信噪比，有很大的應(yīng)用前景。第四十八頁，共六十三頁。電氣檢測法的發(fā)展1925年，Schwaiger發(fā)現(xiàn)電暈放電的射頻特性，由此發(fā)展出RIV局部放電檢測法；

1928年，基于電子束示波器技術(shù)，Lioyd和Starr等人設(shè)計(jì)出平行四邊形檢測法；1954年，首臺商用便攜式局部放電檢測儀由Mole等人研制成功；1960年，基于平行四邊形檢測原理，Dakin等人設(shè)計(jì)出積分電橋法；第四十九頁，共六十三頁。1975年，Lemke博士等人設(shè)計(jì)出商用寬頻局放測試儀，測試帶寬達(dá)到10MHz;1978年，TanakaOkamoto等人采用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立數(shù)字化局部放電檢測儀；1981年，Boggs、Fujimoto、Stone等人設(shè)計(jì)出1GHz超高頻局放檢測儀；第五十頁，共六十三頁。脈沖電流法能給出定量的結(jié)果，目前規(guī)程中已給出了定量的標(biāo)準(zhǔn)原理：發(fā)生局部放電時(shí)，試品兩端出現(xiàn)瞬時(shí)的電壓降落，在檢測回路中引起一高頻脈沖電流，將它變換成電壓脈沖后用示波器等測量其波形或幅值，由于其大小與視在放電量成正比，經(jīng)過校準(zhǔn)就能得到視在放電量，一般單位用pC脈沖電流法第五十一頁，共六十三頁。基本測試回路a)并聯(lián)測試回路b)串聯(lián)測試回路c)橋式測試回路第五十二頁，共六十三頁。三種回路的基本目的都是把一定電壓作用下的被試品中產(chǎn)生的局部放電電流脈沖流過檢測阻抗，然后把上的電壓或及上的電壓差加以放大后送到測量儀器P（示波器、峰值電壓表、脈沖計(jì)數(shù)器等）上去，所測得的脈沖電壓峰值與試品的視在放電量成正比，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，就能直接讀出視在放電量之值（pC)，第五十三頁，共六十三頁。數(shù)字化測試系統(tǒng)傳統(tǒng)方法是用示波器觀測脈沖信號計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測試方法相結(jié)合,作出各種譜圖和統(tǒng)計(jì)量，來分析局部放電情況。測量局放圖形特征提取識別分類識別結(jié)果數(shù)據(jù)庫第五十四頁，共六十三頁。第五十五頁，共六十三頁。局放小結(jié)局部放電的檢測已成為確定產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一。試驗(yàn)內(nèi)容包括測量視在放電量、放電重復(fù)率、局部放電起始電壓和熄滅電壓、放電的具體部位。表征局部放電的參數(shù)主要有：視在放電量、放電重復(fù)率、放電能量等。伴隨局部放電會(huì)出現(xiàn)多種現(xiàn)象：包括電、光、噪聲、氣壓變化、化學(xué)變化等。局部放電的檢測方法很多，包括非電檢測和電氣檢測兩大類。主要介紹了脈沖電流法的測量原理，另外介紹了噪聲檢測法、光檢測法、化學(xué)分析法、超高頻檢測法等。第五十六頁，共六十三頁。四.電壓分布的測量在工作電壓的作用下，沿著絕緣結(jié)構(gòu)的表面會(huì)有一定的電壓分布。表面比較清潔時(shí)，其分布規(guī)律取決于絕緣結(jié)構(gòu)本身的電容和雜散電容表面染污受潮時(shí)，分布規(guī)律取決于表面電導(dǎo)。通過測量絕緣表面上的電壓分布亦能發(fā)現(xiàn)某些絕緣缺陷。測量電壓分布最適用于那些由一系列元件串聯(lián)組成的絕緣結(jié)構(gòu)。第五十七頁，共六十三頁。以表面比較清潔的懸式絕緣子為例來分析第五十八頁，共六十三頁。假如不存在雜散電容和的影響，沿串的電壓分布應(yīng)是均勻的，每片絕緣子上的電壓為：

其中為各元件對地電容，為各元件與高壓導(dǎo)線之間的電容。第五十九頁，共六十三頁。的影響是造成一定的分流，使最靠近高壓導(dǎo)線的那片絕緣子流過的電流最大，因而分到的電壓也最大。的影響使最靠近接地端的那片絕緣子流過的電流最大，因而電壓也最高，其余各片上的電壓依次減小。由于，所