田付強(qiáng)副教授牽引供電研究所Email:fqtian@辦公室：電氣樓808辦公電話604手機(jī)電壓技術(shù)2/86第二篇電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)第四章電氣設(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn)(非破壞性)第五章絕緣的高壓試驗(yàn)(破壞性)一絕緣試驗(yàn)的必要性電力系統(tǒng)的規(guī)模、容量不斷地?cái)U(kuò)大，停電造成的損失越來(lái)越嚴(yán)重；絕緣往往是電力系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，絕緣故障通常是引發(fā)電力系統(tǒng)事故的首要原因；新設(shè)備使用前都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以防止在設(shè)計(jì)中存在的缺陷；電氣設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間高電壓下，會(huì)造成其絕緣性能逐漸喪失；電介質(zhì)理論仍遠(yuǎn)未完善，須借助于各種絕緣試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和掌握絕緣的狀態(tài)和性能。3本篇引言二絕緣試驗(yàn)的分類1.按照對(duì)設(shè)備造成的影響程度分類（兩類）非破壞性試驗(yàn)，亦稱絕緣特性試驗(yàn)：在較低電壓下或用其它不會(huì)損傷絕緣的方法測(cè)量絕緣的各種情況，從而判斷絕緣內(nèi)部的缺陷。包含的種類：絕緣電阻試驗(yàn)、介質(zhì)損耗角正切試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、絕緣油的氣相色譜分析等。破壞性試驗(yàn)，即耐壓試驗(yàn)：以高于設(shè)備的正常運(yùn)行電壓來(lái)考核設(shè)備的電壓耐受能力和絕緣水平。耐壓試驗(yàn)對(duì)絕緣的考驗(yàn)嚴(yán)格，能保證絕緣具有一定的絕緣水平或裕度；缺點(diǎn)可能在試驗(yàn)時(shí)給絕緣造成一定的損傷。包含的種類：交流耐壓試驗(yàn)、直流耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊耐壓試驗(yàn)及操作沖擊耐壓試驗(yàn)。電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)對(duì)于設(shè)備制造廠、電力系統(tǒng)運(yùn)行部門、某些電工、電力科研機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，都是重要的和必需的。

4本篇引言2.按照設(shè)備是否帶電的方式分類（兩類）離線：在離線的監(jiān)測(cè)和診斷時(shí)，要求被試設(shè)備退出運(yùn)行狀態(tài)，通常是周期性間斷地施行，試驗(yàn)周期由電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定；

特點(diǎn)：可采用破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)兩種方式，兩種方式是相輔相成的。耐壓試驗(yàn)往往是在非破壞性試驗(yàn)之后才進(jìn)行。在線：在線監(jiān)測(cè)則是在被試設(shè)備處于帶電運(yùn)行的條件下，對(duì)設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行連續(xù)或定時(shí)的監(jiān)測(cè)，通常是自動(dòng)進(jìn)行的；

特點(diǎn)：只能采用非破壞性試驗(yàn)方式。由于可連續(xù)監(jiān)測(cè)，除測(cè)定絕緣特性的數(shù)值外，還可分析特性隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，從而顯著提高了其判斷的準(zhǔn)確性。

5本篇引言三絕緣試驗(yàn)的三個(gè)基本環(huán)節(jié)傳感器與測(cè)量方法：正確選用各種傳感器及測(cè)量手段，檢測(cè)或監(jiān)測(cè)被試對(duì)象的種種特性，采集各種特性參數(shù)；數(shù)據(jù)處理：對(duì)原始的雜亂信息加以分析處理(數(shù)據(jù)處理)，去除干擾，提取反映被試對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)最敏感、有效的特征參數(shù)；絕緣診斷：根據(jù)提取的特征參數(shù)和對(duì)絕緣老化過(guò)程的知識(shí)以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，參照有關(guān)規(guī)程對(duì)絕緣運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、判斷，即完成診斷過(guò)程。并對(duì)絕緣的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而對(duì)故障提供預(yù)警，并能為下一步的維修決策提供技術(shù)根據(jù)。6本篇引言

第一節(jié)絕緣的老化1第二節(jié)絕緣電阻、吸收比和泄漏電流的測(cè)量23第三節(jié)介質(zhì)損耗角正切的測(cè)量第四節(jié)局部放電的測(cè)量第四章電氣設(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn)7/865第五節(jié)電壓分布的測(cè)量6第六節(jié)絕緣狀態(tài)的綜合判斷4絕緣預(yù)防性試驗(yàn)概念：為了對(duì)絕緣狀態(tài)作出判斷，需對(duì)絕緣進(jìn)行各種試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)，通稱為絕緣預(yù)防性試驗(yàn)。絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的目的是什么？絕緣故障大多因內(nèi)部存在缺陷而引起，我們通過(guò)測(cè)量電氣特性的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)隱藏著的缺陷。絕緣缺陷類型集中性缺陷：裂縫、局部破損、氣泡等分散性缺陷：內(nèi)絕緣受潮、老化、變質(zhì)等本章引言89一、絕緣的老化

電氣設(shè)備的絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)變化，致使其電氣、機(jī)械及其他性能逐漸劣化，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為絕緣的老化。二、老化的原因熱、電、機(jī)械力、水分、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。10第一節(jié)絕緣的老化三、絕緣的熱老化

熱老化的概念在高溫的作用下，電介質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生明顯的劣化；即使溫度不太高，但如作用時(shí)間很長(zhǎng)，絕緣性能也會(huì)發(fā)生不可逆的劣化，這就是電介質(zhì)的熱老化。溫度越高，絕緣老化得越快，壽命越短。1112熱老化的過(guò)程固體介質(zhì)的熱老化過(guò)程受熱→帶電粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇→載流子增多→載流子遷移→電導(dǎo)和極化損耗增大→介質(zhì)損耗增大→介質(zhì)溫升→加速老化液體介質(zhì)的熱老化過(guò)程油溫升高→氧化加速→油裂解→分解出多種能溶于油的微量氣體→絕緣破壞

(對(duì)變壓器油來(lái)說(shuō)，溫度增加10℃，氧化速度增加一倍；)13三、絕緣的電老化

電老化的概念：電老化是指在外加高電壓或強(qiáng)電場(chǎng)作用下的老化。電老化的原因：介質(zhì)中出現(xiàn)局部放電。固體介質(zhì)的局部放電老化機(jī)理：帶電離子(10eV)撞擊破壞高分子的結(jié)構(gòu)，造成裂解；轉(zhuǎn)化為熱能,不易散出,引起熱裂解,氣隙膨脹導(dǎo)致開裂分層；在局部放電區(qū)，產(chǎn)生高能輻射線，引起材料分解；氣隙中如含有氧和氮，放電可產(chǎn)生臭氧和硝酸，是強(qiáng)烈的氧化劑和腐蝕劑，能使材料發(fā)生化學(xué)破壞。絕緣油的老化原因：局部放電使油溫升高而導(dǎo)致油的裂解，產(chǎn)生出微量氣體；油中的局部放電還可能產(chǎn)生聚合蠟狀物，影響散熱，加速固體介質(zhì)的熱老化。14四、其它影響因素制造和運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力和電動(dòng)力，在固體介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫或氣隙，引發(fā)局部放電；環(huán)境因素：紫外線、日曬雨淋、霉菌等；15五、本節(jié)小結(jié)電氣設(shè)備的使用壽命一般取決其絕緣的壽命，后者與老化過(guò)程密切相關(guān)。通過(guò)絕緣試驗(yàn)判別其老化程度是十分重要的。絕緣老化的原因主要有熱、電和機(jī)械力的作用，此外還有水分、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。各種原因同時(shí)存在、彼此影響、相互加強(qiáng)，加速老化過(guò)程。第二節(jié)絕緣電阻、吸收比的測(cè)量絕緣電阻：絕緣狀態(tài)最基本的綜合特性參數(shù)；吸收比：在組合絕緣和層式結(jié)構(gòu)中，吸收電流兩個(gè)瞬間電流值或電阻值之比，可檢驗(yàn)絕緣是否嚴(yán)重受潮或存在局部缺陷；泄漏電流：與絕緣電阻類似，但在較高直流場(chǎng)強(qiáng)下測(cè)試，更有助于發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。一、基本概念16許多電氣設(shè)備的絕緣都是多層的，變壓器的絕緣用的是油和紙，有的電纜用膠和紙，電機(jī)絕緣是用膠把紙或綢布和云母片粘合起來(lái)。這些絕緣在電場(chǎng)下都存在吸收電流現(xiàn)象。二、雙層介質(zhì)的吸收現(xiàn)象雙層介質(zhì)等值電路圖t=0+t=∞17存在電荷的重新分配，即吸收現(xiàn)象一階電路全響應(yīng)的三要素法可得出U1，U2

通過(guò)吸收電流能發(fā)現(xiàn)絕緣材料中的局部性缺陷。當(dāng)絕緣嚴(yán)重受潮或出現(xiàn)導(dǎo)電性缺陷時(shí)，阻值R1、R2

或兩者之和顯著減小，Ig大大增加，而Ia迅速衰減。

19三、絕緣電阻與吸收比的測(cè)量1.絕緣電阻測(cè)量絕緣電阻時(shí)，其值是不斷變化的；t無(wú)窮時(shí)刻，等于兩層介質(zhì)絕緣電阻的串聯(lián)值。通常所說(shuō)的絕緣電阻均指吸收電流衰減完畢后的穩(wěn)態(tài)電阻值(工程應(yīng)用上的表達(dá)方便，把介質(zhì)處在吸收過(guò)程時(shí)的U/i也稱為絕緣電阻R)。受潮時(shí)，絕緣電阻顯著降低，ig顯著增大，ia迅速衰減。因此，能揭示絕緣整體受潮、局部嚴(yán)重受潮、存在貫穿性缺陷等情況。對(duì)于某些大型被試品，吸收電流延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且絕緣電阻變化范圍大，因而用測(cè)“吸收比”的方法來(lái)替代。定義：令t=15s和t=60s瞬間的兩個(gè)電流值的I15

和I60比值

R60已經(jīng)接近于穩(wěn)態(tài)絕緣電阻值R∞，K1恒大于1,越大表示吸收現(xiàn)象越顯著，絕緣性能越好。吸收比是同一試品在兩個(gè)不同時(shí)刻的絕緣電阻的比值，所以排除了絕緣結(jié)構(gòu)和體積尺寸的影響。202.吸收比大容量電氣設(shè)備中，吸收現(xiàn)象延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，吸收比不能很好地反映絕緣的真實(shí)狀態(tài)，用極化指數(shù)再判斷。極化指數(shù)某些集中性缺陷已相當(dāng)嚴(yán)重，以致在耐壓試驗(yàn)時(shí)被擊穿，但在此前測(cè)得的絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)卻并不低，因?yàn)槿毕菸簇灤┙^緣?？梢妰H憑上述試驗(yàn)結(jié)果判斷絕緣狀態(tài)是不夠的。

213.極化指數(shù)22測(cè)量設(shè)備若絕緣內(nèi)部有集中性導(dǎo)電通道，或絕緣嚴(yán)重受潮，則電阻R1

、R2會(huì)顯著降低，泄漏電流大大增加，時(shí)間常數(shù)τ大為減小，吸收電流迅速衰減。即使絕緣部分受潮，只要R1與R2中的一個(gè)數(shù)值降低，τ值也會(huì)大為減小，吸收電流仍會(huì)迅速衰減，仍可造成吸收比K1

（及極化指數(shù)K2

，下同）的下降。當(dāng)K1＝1或接近于1，則設(shè)備基本喪失絕緣能力。23不同絕緣狀態(tài)下的絕緣電阻的變化曲線

絕緣狀態(tài)的判定泄漏電流測(cè)試所加直流電壓遠(yuǎn)高于電阻測(cè)量，故能發(fā)現(xiàn)兆歐表不能發(fā)現(xiàn)的某些缺陷。如分別在20kV和40kV電壓下測(cè)量額定電壓35kV及以上變壓器的泄漏電流值，能很靈敏地發(fā)現(xiàn)瓷套開裂、絕緣紙筒沿面炭化、變壓器油劣化及內(nèi)部受潮等缺陷。24四、泄漏電流的測(cè)量施加在試品上的直流電壓是逐漸增大的，這樣就可以在升壓過(guò)程中監(jiān)視泄漏電流的增長(zhǎng)動(dòng)向。本節(jié)小結(jié)絕緣電阻是一切電介質(zhì)和絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣狀態(tài)最基本的綜合特性參數(shù)。電氣設(shè)備中大多采用組合絕緣和層式結(jié)構(gòu)，故在直流電壓下均有明顯的吸收現(xiàn)象，測(cè)量吸收比和極化指數(shù)可檢驗(yàn)絕緣是否嚴(yán)重受潮或存在局部缺陷。泄漏電流從原理上來(lái)說(shuō)，與測(cè)量絕緣電阻是相似的，但它所加的直流電壓要高得多，能發(fā)現(xiàn)用兆歐表所不能顯示的某些缺陷。2526第三節(jié)介質(zhì)損耗角正切的測(cè)量介質(zhì)的功率損耗P與介質(zhì)損耗角正切tgδ成正比,所以后者是絕緣品質(zhì)的重要指標(biāo)，測(cè)量tgδ值是判斷電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的一項(xiàng)靈敏有效的方法。如tgδ超過(guò)表4.3中的數(shù)值，就意味著①介質(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，有爆炸的危險(xiǎn)；②設(shè)備絕緣存在嚴(yán)重缺陷，應(yīng)立即進(jìn)行檢修。tgδ能反映絕緣的整體性缺陷（如全面老化）和小電容試品中的嚴(yán)重局部性缺陷。

一、介質(zhì)損耗測(cè)量的意義高壓臂：被測(cè)試品以等值電容CX和電阻RX并聯(lián)；CN代表高壓標(biāo)準(zhǔn)電容；低壓臂：處在橋箱體內(nèi)的可調(diào)無(wú)感電阻R3；定值無(wú)感電阻R4和可調(diào)電容C4；電橋平衡：在交流電壓U作用下，調(diào)節(jié)R3和C4使電橋平衡，即通過(guò)檢流計(jì)G的電流為零；27西林電橋的基本回路二、介質(zhì)損耗的測(cè)試方法-西林電橋所以電橋的平衡條件：Z1/Z3=Z2/Z428西林電橋接線圖電橋平衡時(shí)A、B兩點(diǎn)等電位，即UCA=UCB,UAD=UBD橋臂CA和AD中流過(guò)的電流相等；橋臂CB和BD中流過(guò)的電流相等，即I1=I3,I2=I4；29西林電橋接線圖tgδ=ωR4C430絕緣中的局部放電是引起電介質(zhì)老化的重要原因之一，其持續(xù)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致絕緣的擊穿與損壞；測(cè)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(shì)，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)；31第四節(jié)局部放電的測(cè)量一、局部放電測(cè)量的意義局部放電檢測(cè)室電氣設(shè)備制造廠和電力系統(tǒng)運(yùn)行部門確定產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括視在放電量、放電重復(fù)率、局部放電起始電壓和熄滅電壓。1.局部放電的定義：指由于電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣里面存在的弱點(diǎn)(氣隙或氣泡)，在一定外施電壓下發(fā)生的局部的重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象；

32二、局部放電檢測(cè)的原理介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電的三電容模型

(a)具有氣泡的介質(zhì)剖面(b)等值電路2.局部放電的三電容模型以三個(gè)電容來(lái)表征介質(zhì)內(nèi)部存在缺陷時(shí)的局部放電的機(jī)理Cg:氣泡的電容Cb:和Cg相串聯(lián)部分的介質(zhì)電容Cm:其余大部分絕緣的電容電極間加上交流電壓u，則Cg上的電壓為ug

33ug隨外加電壓u升高，當(dāng)u上升到氣隙放電電壓Us，ug到達(dá)Cg的放電電壓Ug時(shí)，氣隙Cg通過(guò)并聯(lián)間隙放電。當(dāng)Cg上的電壓迅速?gòu)腢g下降到殘余電壓Ur時(shí)火花熄滅，完成一次放電，在此期間出現(xiàn)一個(gè)對(duì)應(yīng)的局部放電電流脈沖。氣隙每次放電，其電壓下降ΔU=Ug-Ur。34當(dāng)Cg放電時(shí)，放電總電容Cg：35Cg上的電壓變化為(UgUr)，故一次脈沖放出的電荷qr：當(dāng)Cm>>Cb，Cg>Cb，Ur=0時(shí)，qr

≈(Ug-US)(Cg+Cb）

在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，上式中所表達(dá)的各個(gè)量，都是無(wú)法實(shí)測(cè)得到的。所以要尋求其它能反映局部放電的量來(lái)測(cè)量。36外施電壓是作用在Cm上的，當(dāng)Cg上的電壓變動(dòng)(Ug-Ur)時(shí)，會(huì)造成Cm外施電壓的變化量Um應(yīng)為這意味著當(dāng)氣隙放電時(shí)，試品兩端電壓會(huì)下降在ΔUm，相當(dāng)于試品放掉電荷q因?yàn)镃m>>Cb，因而上式近似為q被稱為視在放電量。其與真實(shí)放電量qr之比為由于Cg>>Cb，因而q<<qr真實(shí)放電量：qr，是無(wú)法測(cè)量的視在放電量：q，其表達(dá)式中的量都是可以測(cè)得的。它是局部放電試驗(yàn)中的重要參量，國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于各類高壓設(shè)備的視在放電量△q的允許值均有所規(guī)定37放電能量表征局部放電的基本參數(shù)，除了視在放電量q外，還有一次脈沖放電能量W當(dāng)外施電壓由零上升到Us時(shí)，Cg上的電壓為Ug，即可得如Ur≈0，則 放電重復(fù)率：是表征局部放電的另一個(gè)基本參數(shù)。因?yàn)樵诩訅喊胫芷趦?nèi)能發(fā)生好幾個(gè)脈沖。所以定義一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)叫做放電重復(fù)率N38局部放電的其它表示方法 為了表征局部放電在一定期間內(nèi)的平均綜合效應(yīng)，還提出了各種累積參數(shù)，如平均放電電流，放電功率等。有時(shí)還測(cè)量局部放電的起始放電電壓和熄滅電壓。影響局部放電特性的多種因素：主要有電壓的幅值、電壓的波形和頻率、電壓的作用時(shí)間、環(huán)境的溫度及濕度和氣壓等聲檢測(cè)法原理：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。

39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(cè)法，而將聲測(cè)法和電測(cè)法結(jié)合起來(lái)使用。三、測(cè)量局部放電的幾種方法1、非電檢測(cè)法光檢測(cè)法原理：采用光纖傳感器，局部放電產(chǎn)生的聲波壓迫使得光纖性質(zhì)改變，導(dǎo)致光纖輸出信號(hào)改變，從而可以測(cè)得放電。特點(diǎn)：光測(cè)法只能測(cè)試表面放電和電暈放電，在現(xiàn)場(chǎng)中光測(cè)法基本上沒(méi)有直接應(yīng)用。將光纖技術(shù)和聲測(cè)法相結(jié)合提出了聲-光測(cè)法。40化學(xué)分析法原理：用氣相色譜儀對(duì)絕緣油中溶解的氣體進(jìn)行氣相色譜分析，通過(guò)分析絕緣油中溶解的氣體成分和含量，能夠判斷設(shè)備內(nèi)部隱藏的缺陷類型；在電力變壓器中，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部有局部放電或局部過(guò)熱等缺陷時(shí)，其附近的油就會(huì)分解而產(chǎn)生烴類及H2、CO、CO2等。局部放電的色譜特征是C2H2和H2含量大；特點(diǎn)：此法靈敏度相當(dāng)高，操作簡(jiǎn)便，且設(shè)備不需停電，適合于在線絕緣診斷，因而獲得了廣泛應(yīng)用；脈沖電流法：測(cè)量視在放電量。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，試品兩端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)幾乎是瞬時(shí)的電壓變化，在檢