教学情境五 电气设备绝缘的在线监测及故障诊断.ppt

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1、教学情境五 电气设备绝缘的在线监测及故障诊断电气设备检修方式的发展：20世纪40年代，事故后维修；20世纪60年代，预防性检修；目前，状态检修是发展趋势。事故后维修：电网电压等级低，容量小，故障的危害小；预防性检修：110kV-220kV电压等级，故障影响扩大；问题：预试是在停电状态下进行，没有考虑设备的运行条件、气象条件等；试验电压较低（一般在工频10kV以下）；2021/9/151绝缘在线监测系统的基本框架 关键问题：1选择传感器和传感性能2如何处理信号数据3如何判断绝缘缺陷2021/9/152离线电气绝缘预防性试验v离线时电气绝缘预防性试验和高电压试验具有如下缺点：v一、需要停电进行，而

2、不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；v二、检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘故障；v三、停电后的设备状态与运行时的设备状态不相符，影响诊断的正确性。2021/9/153在线检测v在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期性检测绝缘的状况，因而可以避免以上缺点，另外建立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态维修和建设无人值守变电站的基础。在线检测和状态维修带来的经济效益是十分显著的。v 电气绝缘在线检测是一门多学科交叉融合的综合技术，自20世纪70年代以来，电气绝缘在线检测与故障诊断的技术水平不断提高，在线检测产品大量投入市场。2021/9/154本章内容本章内容v 1.1 变压器油中溶

3、解气体的检测v 1.2 局部放电在线监测v 1.3 介质损耗角正切的检测2021/9/1551.1 变压器油中溶解气体的检测1.1.1绝缘故障与油中溶解气体1.1.2油中溶解气体的在线监测1.1.3油中气体分析与故障诊断2021/9/156 变压器的绝缘发生故障时产生故障气体，故障气体部分溶解于油中，部分进入气体继电器。变压器绝缘故障主要分为三类：热故障、电故障及其绝缘受潮，故障不同时，油中溶解的故障气体成分不同，因此可以通过分析油中溶解气体的成分来判断变压器存在的绝缘故障。1.1.1 绝缘故障与油中溶解气体2021/9/1571.过热故障 变压器过热故障是最常见的故障，空载损耗、负载损耗和杂

4、散损耗等转化为热量，当产生的热量和散出的热量平衡时，温度达到稳定状态。当发热量大于预期值，而散热量小于预期值时，就发生过热现象。2.放电故障 放电故障是由于电应力作用而造成绝缘裂化，按能量密度不同可以分成电弧放电、火花放电和局部放电等。2021/9/158 当变压器内部进水受潮时，油中的水分和含湿气的杂质容易形成“水桥”，导致局部放电而产生H2。水分在电场作用下的电解以及水和铁的化学反应均可产生大量的H2。所以受潮设备中，H2在氢烃总量中占比例更高。有时局部放电和绝缘受潮同时存在，并且特征气体基本相同，所以单靠油中气体分析难以区分，必要时根据外部检查和其它试验结果（如局部放电测试结果和油中微量

5、水分分析）加以综合判断。3.绝缘受潮2021/9/1591.1.2 油中溶解气体的在线监测 变压器油中溶解气体在线检测根据不同的原则可以分为不同的种类。以检测对象分类可归结为以下几类：测量可燃性气体含量（TCG），包括H2、CO和各类气体烃类含量的总和测量单种气体浓度测量多种气体组分的浓度 油中溶解气体在线检测装置主要由脱气、混合气体分离及气体检测三大部分组成。2021/9/15101.脱气 脱气法主要有油中吹气法、抽真空取气法、分离膜渗透法，表7-1给出了简单的优缺点比较结果。其中平板分离膜、毛细管柱、血液透析装置、中空纤维装置都属于高分子分离膜的应用，其它都属于抽真空脱气法。油气分离方法平

6、衡时间分离效果价 格结 构抗污染性高分子平板透气膜长较好低简单一般波纹管短差较高复杂不存在真空泵短一般高复杂不存在毛细管柱短好较高简单差血液透析装置短好高复杂差中空纤维装置短好高复杂差表71 油气分离方法比较2021/9/1511 目前典型的吹气方法有三种：载气洗脱法、空气循环法和比色池法，其基本原理是采用吹气方式将溶解于油中的气体替换出来，使油面上某种气体的浓度与油中气体的浓度逐渐达到平衡。波纹管法是利用小型电机带动波纹管反复压缩，多次抽真空，将油中溶解气体抽出来，废油仍回到变压器中。真空泵脱气法是利用常规色谱分析中的抽真空脱气原理，用真空泵抽空气来抽取油中溶解气体，废油仍回到变压器油箱。抽

7、真空法主要包括波纹管法和真空泵脱气法。2021/9/1512 分离膜渗透法是结构简单、成本低、操作方便，因此得到了广泛应用，目前采用的透气膜主要有聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚六氟乙烯、聚四氟乙烯混合膜、中空纤维膜以及无机膜如钯银合金金属膜等，其中高分子透气膜应用更为广泛，例如日本三菱株式会社利用聚四氟亚乙基全氟烷基乙烯基醚（PFA）膜从油中有效脱出CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2和CO六种气体。2021/9/1513。2.混合气体分离 混合气体分离一般用气相色谱柱完成。它常以玻璃管、不锈钢管或铜管组成，管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；自上而下运动的一相（一般是气体或液

8、体）称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）即为色谱柱。2021/9/1514。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。分离过程见图1-1。图11 色谱柱分离气体组分过程示意图2021/9/1515 可见，固定相对气体组分的分离起着决定性的作用，不同性质的固定相适应不同的分离对象，应根据分离对象来选择固定相的材料。常用的固定相材料有活性炭、硅胶、分子筛、高聚物，主要性质如表7-2所示。固定相粒度/目柱长柱径

9、载气分离的组分活性炭60801 m3 mmN2H2、O2、CO、CO25A分子筛30601 m3 mmArH2、O2、N2、CO、CO2硅胶涂固定液801002 m3 mmH2CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6HGD-201801001 m2 mmN2CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2、C3H6GDX50260804 m3 mmN2CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C3H4表12 油中气体分析用色谱柱的部分固定相材料2021/9/15163.气体检测 检测油中溶解气体用的检测器的基本要求是：有足够的灵敏度；选择性好，对被测气体以外的共存

10、气体或物质不反应或反应小；响应时间和恢复时间短，恢复时间指传感器从脱离被测气体到恢复正常状态所需要的时间；重复性好，性能稳定，维护方便，价格便宜，有较强的抗环境影响能力。目前应用于油中气体检测的气体检测器主要有热导检测器、半导体型传感器、催化燃烧型传感器、光敏气体传感器、燃烧电池型传感器和其他形式的传感器。2021/9/1517热导检测器是一种万能气体检测器，但应用于在线检测时对制造工艺的要求很高，因此目前应用不是很广泛。燃烧电池型传感器目前主要应用于单氢气的检测。接触燃烧式气敏传感器不受可燃性气体周围气体的影响，可用于高温、高湿度环境下，同时具有对气体选择性好、线性度好、响应时间短等优点，但

11、是如果长期使用，其催化剂易劣化和“中毒”，从而使器件性能下降或失效。半导体传感器灵敏度高、结构简单、使用方便、价格便宜，但其稳定性较差。2021/9/1518热导检测器 TCD检测器叫热导检测器，是比较两种气流的热导率-纯载气（也叫参比气）和传递样品组分的载气（也叫柱流出物）。检测器有一个电加热的热丝，因此热丝比检测器池体的温度高。进样前，当两种气体交替通过时，热丝温度保持恒定。进样后，载气中带有样品，若再要保持热丝温度恒定则其电流会有变化。两种气流在热丝上每秒切换五次，电流的差别被测量并记录下来。由于He和H2相对于常规样品的热导率很大，因此通常被用来做载气以获得好的灵敏度。但当被测样品是该

12、两样时，则要选择N2或Ar-CH4来做载气。2021/9/1519火焰离子化检测器vFID的全称是火焰离子化检测器，因为一般都用的是氢气，所以一般叫氢火焰检测器。它的原理很简单，当有机物经过检测器时，在火焰那里会产生离子，在极化电压的作用下，喷嘴和收集极之间的电流会增大，对这个电流信号进行检测和记录即可得到相应的谱图。一般的有机化合物在FID上都有响应，一般分子量越大，灵敏度越高。FID是GC最基本的检测器。2021/9/15201.1.3 油中气体分析与故障诊断1.是否存在故障的判断（1）阀值判断法 将油中溶解各气体的浓度与正常极限注意值作比较，可以判断变压器有无故障。气体组分含量330kV

13、及以上220kV及以下H2150150C2H215C1+C2150150表13 变压器油中溶解气体的注意值（220kV及以下）L/L2021/9/1521（2）根据产气速率判断 判断有无故障要将各组分的气体浓度和产气速率结合起来，短期内各组分气体含量迅速增加，但未超过规定的注意值也可判断为故障。绝对产气速率为每个运行小时产生某种气体的平均值，计算公式为：2021/9/1522 相对产气速率为每个月（或折算到两个月）产生某种气体的含量增加量的百分数的平均值，计算公式为：根据规程要求，变压器的总烃绝对产气速率，开放式大于0.25mL/h，密封式大于0.25mL/h和相对产气速率大于10/月时可以认

14、定有故障存在。2021/9/15232.故障性质的判断 不同性质的故障所产生的油中溶解气体的组分是不同的，据此可以判断故障的类型。（1）特征气体法 我国现行的变压器油中溶解气体分析和判断导则(DL/T722-2000)，将不同故障类型产生的特征气体归纳为表6-4。2021/9/1524表14 不同故障类型产生的气体组份故障类型主要气体组份次要气体组份油过热CH4,C2H4H2，C2H6油和纸过热CH4，C2H4，CO，CO2H2，C2H6油、纸绝缘中局部放电H2，CH4，C2H2，COC2H6，CO2油中火花放电C2H2，H2油中电弧H2，C2H2CH4，C2H4，C2H6油和纸中电弧H2，C

15、2H2，CO2，COCH4，C2H4，C2H6进水受潮或油中气泡H2 表1-4中总结的不同故障类型产生的油中特征气体组分，只能粗略地判断充油电力变压器内部的故障。因此国内外通常以油中溶解的特征气体的含量来诊断充油因此国内外通常以油中溶解的特征气体的含量来诊断充油的故障性质的故障性质。2021/9/1525 变压器油中溶解的特征气体可以反映故障点周围的油和纸绝缘的分解本质。气体组分特征随着故障类型、故障能量及涉及的绝缘材料不同而不同，即故障点产生烃类气体的不饱和度与故障源能量密度之间有密切的关系。表15 判断变压器故障性质的特征气体法序号故障性质特征气体的特点1一般过热性故障总烃较高，C2H25

16、L/L，但C2H2未构成主要成分，H2含量较高3局部放电总烃不高，H2100L/L，CH4占总烃的主要成分4火花放电总烃不高，C2H210L/L，H2含量较高5电弧放电总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成分，H2含量较高2021/9/1526 CO和CO2与固体绝缘故障有关，无论哪一种放电形式，除了产生氢烃类气体外，与过热故障一样，只要有固体绝缘介入，都会产生CO和CO2。因此可以把CO和CO2作为油纸绝缘体系中固体材料分解的特征气体。表16 特征气体中主要成分与变压器异常情况的关系主要成分异常情况具体情况H2主导型局部放电、电弧放电绕组层间短路，绕组击穿；分接开关接触点间局部放电，电弧放电

17、短路CH4、C2H4主导型过热、接触不良分接开关接触不良，连接部位松动，绝缘不良C2H2主导型电弧放电绕组短路，分接开关切换器闪络2021/9/1527（2）三比值法 过热性故障产生的故障特征气体主要是CH4和C2H4，而放电性故障主要的特征气体是C2H2和H2，为此可以采用CH4/H2来区分是放电故障还是过热故障。1-4 CH4/H2与故障类型关系2021/9/1528表18 改良三比值法的编码规则特征气体的比值比值范围编码C2H2/C2H4CH4/H2C2H4/C2H60.10100.11100131213222 国际电工委员会和我国国家标准推荐CH4/H2、C2H4/C2H6、C2H2/

18、C2H4三个比值来判断故障的性质。C2H2/C2H4编码决定故障的类型:“0”代表过热故障，“1”代表高能放电故障，“2”代表低能放电故障。2021/9/1529（3）其他故障诊断法）其他故障诊断法 除了特征故障气体法和三比值法，还有立体图示法、大卫三角法、四比值法等其他一些传统的故障诊断法。近年来，数学工具开始广泛应用于故障诊断，并建立了一些以人工智能为基础的故障诊断专家系统。实际应用中，由于变压器故障表现形式以及故障起因均比较复杂，所以在进行故障诊断时，常常综合利用多种方法以求得到尽可能准确的诊断结果。2021/9/1530绝缘故障与油中溶解气体o过热故障o放电故障o绝缘受潮油中溶解气体的

19、在线监测1.脱气2.混合气体分离3.气体检测油中气体分析与故障诊断o特征气体法o三比值法小小 结结2021/9/15311.2.1 局部放电的在线监测系统 1.2.2 局部放电分析与故障诊断 1.2 局部放电在线监测返回2021/9/1532 局部放电的在线检测分为电测法和非电测法两大类，其中电测法中的脉冲电流法是离线条件下测量电气设备局部放电的基本方法，也是目前在局部放电在线检测的主要手段，其优点是灵敏度高。电测法中的射频测量法等也都应用到了在线检测中。电测法的缺点是由于现场存在着严重的电磁干扰，将大大降低检测灵敏度和信噪比。1.2.1 局部放电的在线监测系统 2021/9/1533脉冲电流

20、法在线检测的组成及关键技术：1.电流传感器 2.抗干扰技术图16 局部放电检测系统原理框架图 2021/9/1534 电流信号i1(t)和二次侧线圈两端的感应电压（即输出信号）e(t)的关系为：1.电流传感器2021/9/1535 传感器的积分方式有两种，分别适用于宽带型和窄带型传感器。宽带型电流传感器 即信号电压u(t)和所检测的电流i1(t)成线性关系 2021/9/1536谐振型电流传感器2021/9/1537干扰来源：v线路或其它邻近设备的电晕放电和内部的局部放电 v电力系统的载波通信和高频保护信号对检测的干扰 v可控硅整流设备引起的干扰 v无线电广播的干扰 v其他周期性干扰 2021

21、/9/1538 上述干扰可能通过以下三种途径进入检测系统：（1）从检测系统的工频电源进入，故检测系统的电源宜由隔离变压器加上低通滤波器供电，以抑制这种干扰。（2）通过电磁耦合进入检测系统，故检测系统包括连线应很好的屏蔽，或利用光电隔离和光纤传输信号，以减少干扰。（3）干扰信号通过传感器进入检测系统，这种干扰和局部放电信号混合在一起，上述方法不能抑制这种干扰，需要采用其他的措施。2021/9/15392.抗干扰技术 v选择合适的检测频带，避开现场的干扰频带 v差动平衡系统：差动平衡系统主要用于抑制共模干扰 图110差动平衡系统原理图2021/9/15401.2.2 局部放电分析与故障诊断 局部放

22、电信号分析是指如何从测试信号中提取有关放电的信息，一般采用数字信号处理技术，目前常用的方法主要有：时域分析频域分析时频联合分析人工神经网络分析 1.局部放电信号分析 2021/9/1541 时域分析是最基本的数学分析方法，例如分析放电信号的幅值，幅值与时间（或相位）、放电次数的关系，并且在显示设备上输出信号的波形，为此需要根据波形的采集要求确定所需的采样率和采集的数据长度，并将信号完整地记录下来。频域分析又称频谱分析，是分析某些放电特征在频域上的变化，如幅度谱、相位谱、能量谱和功率谱等，目前最常用的方法是快速傅里叶变换（FFT）。2021/9/15422.放电类型的模式识别 模式识别是一种重要

23、的诊断手段，于90年代应用于电力设备的放电识别，目前已被广泛应用于局部放电在线检测与故障诊断。图112 模式识别过程示意图 2021/9/1543 变压器绝缘体系中的放电类型很多，不同的放电类型对绝缘的破坏作用有很大差异，因此有必要对各种放电类型加以区分。变压器超高频局部放电的神经网络模式识别是将计算机辅助测试系统测得的电磁信号经放大、滤波后进行A/D转换，然后把提取到的多个工频周期的高频（中心频率在506-1000MHz之间可调）窄带（带宽5MHz）时域信号送入计算机进行数据处理和分析，作出各种谱图，由此来分析变压器的局部放电情况。2021/9/1544变压器的局部放电情况 局部放电特征提取

24、 变压器绝缘结构中发生的局部放电类型主要有五种：油中尖板放电、纸或纸板内部放电、油中气泡放电、纸或纸板沿面放电和悬浮放电。模式识别结果的正确与否关键在于放电信号特征的提取。2021/9/1545放电识别 选取合适的训练样本集对提高网络的识别能力十分重要。一定要合理挑选样本，以使训练样本能涵盖全部样本的变化范围。每种放电模型都有5个以上的样品，这些样品的材料和结构完全相同，但尺寸等方面有一定差别；而且对同一个样品，在相同条件下采集多个样本，以确保实验结果具有良好的统计性和可重复性。2021/9/1546表112 放电类型识别结果 放电类型训练样本数/全部样本数正确识别数/识别总数识别率（%）油中

25、尖板放电20/5028/3093纸或纸板内部放电20/5030/30100油中气泡放电20/5029/3097纸或纸板沿面放电20/5030/30100悬浮放电20/5029/30972021/9/1547局部放电的在线监测系统o电流传感器o抗干扰技术局部放电分析与故障诊断o局部放电信号分析o放电类型的模式识别 1.局部放电特征提取2.放电识别小小 结结2021/9/15481.3.1 高压电桥法 1.3.2 相位差法1.3.3 全数字测量法 1.3 介质损耗角正切的检测 2021/9/1549图113 电桥法tan测原理接线图 1.3.1 高压电桥法 2021/9/1550 当电桥平衡时，而

26、R4=104/，C4的单位为pF时，有：式中，k为参与平衡的电压互感器PT1、PT2构成的变比；CN、R4是固定值：2021/9/1551高压电桥法优点：是较准确、可靠，与电源波形频率无关，数据重复性好。缺点：接入了R3后改变了设备原有的运行状态，其他元件的接入也增加了PT1发生故障的概率。要选择可靠性高的元件和采取一些保护措施。可用低频电流传感器代替相应的电阻元件，但效果并不理想。2021/9/15521.3.2 相位差法图114 相位差法检测tan原理框架图 电桥法是一种间接测量法，而相位差法则是直接测量介质损耗角的正切值tan 2021/9/1553 电流信号由设备末屏接地线或设备本身接

27、地线上的低频电流传感器经转换为电压信号后输入检测系统。电压信号则仍由同相的电压互感器提供，并再经电阻器分压后输出。和两个信号之与的脉宽，即为电流和电压的相角差，则tan=0.5-。通过相位鉴别单元，用计数脉冲进行计数，计数值和tan成正比关系。2021/9/1554误差来源1.频率f引起的误差 2.电压互感器引起的固有误差 3.谐波的影响 4.两路信号在处理过程中存在时延差：低通滤波器的建立约为10s，这将造成信号0.003rad的系统误差。过零整形的时延引起误差。整形波形引起的误差。其他因素，例如环境温度的变化。2021/9/15551.3.3 全数字测量法 数字化测量方法主要包括过零点时差

28、比较法、过零点电压比较法、自由电压矢量法、正弦波参数法、谐波分析法和异频电源法。过零时差比较法对谐波干扰十分敏感，过零电压比较法的抗干扰能力得到了加强，但所要求的条件十分苛刻。自由矢量法和正弦波参数法在方法设计时把试品上的电压、电流理想化为标准的正弦波，而谐波分析法和异频电源法在设计时就充分考虑到在实际电压、电流中含有干扰成分，因而有广泛的应用前景。2021/9/1556 任意周期性函数f(t)只要能满足狄里赫利条件（即给定的周期性函数在有限的区间内，只有有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值，而电工技术中年所遇到的周期性函数通常都能满足这个条件），则f(t)均可分解为由直流分量和各次谐波所

29、组成的傅立叶级数：基本原理：2021/9/1557根据三角函数的性质经过变换后K次系数：对于基波，其系数为：2021/9/1558经过变换基波电压信号的系数a1、b1为：基波电流信号的系数a1和b1为：2021/9/1559由下式可得 由下式可得 则：2021/9/1560 本法主要是通过数字运算得到tan，它完全避免了运算硬件带来的诸多误差因素。在最后的运算中，虽存在大数相减的问题，但计算机能保证运算的准确性。同时，通过只对基波作运算，等于对谐波进行了理想滤波，从而排除了谐波对检测的影响。图116 全数字化tan在线检测原理框架图2021/9/1561高压电桥法o原理o优点o缺点相位差法o原

30、理o误差全数字测量法小小 结结2021/9/1562温度监测可用于电力系统的在线监测的传感器主要有两类：1接触式传感器，即热敏式电阻传感器；主要用热电偶式温度传感器。由于热电偶由金属 构成，因此只能安放在绝缘层外。2 非接触式传感器，即红外感温式传感器 解决绝缘问题。2021/9/1563接触式温度测量v热敏电阻器热敏电阻器 v用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。2021/9/1564电

31、阻温度探测器电阻温度探测器v电阻温度探测器(RTD)实际上是一根特殊的导线，它的电阻随温度变化而变化，通常RTD材料包括铜、铂、镍及镍/铁合金。RTD元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。2021/9/1565热电偶热电偶v热电偶由两种不同金属结合而成，它受热时会产生微小的电压，电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料，铁-康铜(J型)、铜-康铜(T型)和铬-铝(K型)热电偶是最常用的三种。2021/9/1566固态热传感器固态热传感器v最简单的半导体温度传感器就是一个PN结，例如二极管或晶体管基极-发射极之间的PN结。如果一个恒定电流流过正向偏置的硅

32、PN结，正向压降在温度每变化1时会降低1.8mV。很多IC利用半导体的这一特性来测量温度，包括美信的MAX1617、国半的LM335和LM74等等。半导体传感器的接口形式多样，从电压输出到串行SPI/微线接口都可以。2021/9/1567非接触式测温v应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度低，使用方便。v红外测温仪工作原理了解红外测温仪的工作原理、一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。2021/9/1568